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耐火材料行業動態

我國水泥預分解窯用耐火材料的發展

半個世紀以來,世界水泥總產量從1950年的1.3億噸增加到2008年的28.6億噸熟料約22.8億噸),預計在20lo年世界經濟復蘇后,仍會出現較大的增長。世界水泥工業所消耗的耐火材料2005年為185萬噸,其中堿性耐火磚消耗量為115萬噸,非堿性的耐火材料為70萬噸。

20世紀水泥工業有兩次重大的技術突破,第一次是傳統回轉窯在20世紀初得到全面推廣,第二次是預分解技術的出現,大大提高了水泥窯的熱效率和單機生產能力,促進了水泥工業向大型化、現代化的發展,而與水泥工業配套的耐火材料,也反映出此發展趨勢。簡略地說,20世紀初至50年代是以粘土磚、高鋁耐火磚來滿足以濕法窯為主的傳統回轉窯的生產和發展。20世紀50年代以后,上述材料的性能進一步完善和提高,出現了鎂質、特種高鋁質以及各種成分的耐火澆注料來適應懸浮預熱,隨著預分解窯技術的發展帶來新的技術需求使這些產品性能進一步得到優化、提高。進入21世紀,隨著工業廢物作水泥生產的代用原燃料的數量逐年增加,一些堿、氯、硫的化合物對水泥熟料生產和耐火材料帶來了危害,促進了抗堿、氯、硫侵蝕的高性能鎂質和高鋁質耐火材料技術的發展,目前這種趨勢仍在進行中。

一、預分解窯的發展歷程

我國水泥工業一直以傳統的回轉窯為主導。20世紀60年代以前是以濕法窯為主,年代起立窯迅速發展,限于歷史條件,50年代在國際上出現且60年代大量發展的預熱器窯在我國沒有得到發展。20世紀70年代中期,在預熱器技術的基礎上,國際上出現了新型干法預分解窯生產技術,產量成倍增長,熱耗有較大下降,迅速在世界范圍內發展。原國家建材局隨即投入資金,組織人員進行開發,20世紀70年代中期至80年代初期為熟料燒成生產線實驗研究開發階段,其成果是投產了性能較差的幾臺小型預分解窯生產線,難于推廣應用。直至20世紀80年代初,才有少量生產線投入生產,其規模為4001000td,總年產能不足150萬噸熟料。由于這些生產線的生料制備均為傳統的干法窯生料制備,難于滿足預分解窯的生產需求,以至于投產后工藝、裝備事故不斷,產品質量較差,運轉率低,熱耗高,產量低,經濟效益差,難于大量推廣應用。為改變上述狀況,必須開展水泥生產過程中從生料制備至熟料煅燒的全部工藝裝備技術,才能保證預分解窯生產線正常生產。

20世紀80年代起,我國水泥工業在國內開發成果的基礎上,吸收了引進的大型生產線的技術,進行了10余項工藝、裝備、自動化技術的試驗研究和百余項裝備的開發設計。上述集成創新的工藝裝備技術集中在江西水泥廠2000td新型干法生產線上,投產后被譽為我國水泥工業發展史的重要里程碑。該生產線雖然達到科技攻關要求,但產量等主要技術指標距設計要求仍有較大差距,一些關鍵裝備及其附屬部件常出事故,影響生產。

為此,又進行了10余項水泥生產關鍵裝備制造專利技術的引進,消化吸收,在國內試制后,于20世紀90年代中期在吉林雙陽水泥廠2000td生產線上投人生產,做到生產線投產即達產的目標。

吉林雙陽2000td級生產線雖然生產技術得以完善,但存在產量低,基建投資偏高的問題。20世紀90年代中期起,在引進裝備專利制造、消化、吸收基礎上,進行了再創新,開展了生料系統的單段破碎、均化裝備及輥式生料磨系統裝備和燒成系統的預熱器分解爐、篦冷機、燃燒器等技術裝備的開發。上述開發的工藝裝備確保20世紀90年代后期投產的2000td級生產線產量增至2500td以上,運轉率大幅提高,熱耗下降了8%~10%,電耗也有較大幅度下降,且水泥產量質量優良,而投資僅增加5%~8%。由于產量大幅增加,促使單位投資大幅下降,這意味著新型干法預分解窯生產技術已全面成熟,而且單位熟料投資較傳統的回轉窯、立窯均低,且性價比高,經濟效益好,為2l世紀新型干法預分解窯生產技術和產能的發展打了堅實的基礎。

21世紀為我國預分解窯大發展的時期,隨著國內經濟的高速發展,為滿足市場的需求,開發并興建了大型3000td級、4000td級、5000td級、6000td級、10000td級系列國產裝備生產線,目前已投入生產的預分解窯熟料生產線已超過1000臺。預分解窯熟料產能從2000年的0.64億噸,增至2008年的6.51億噸(水泥產量8.68億噸),見表l一,這個數量超出世界七任何一個洲的水泥產量,與此同時我國新型干法預分解窯生產技術裝備也大量輸出至海外,占2007年世界興建水泥生產線總產能的35%以上。

2008年我國水泥產能18.7億噸,其中新型干法水泥1l億噸,水泥產量14億噸,人均年消費量超過1050kg,預分解窯水泥產量約8.68億噸,人均消費量低于670kg,尚有一定的發展空間。2009年在建水泥生產線418條,產能6.2億噸,另外還有已核準尚未開工的生產線147條,產能2.1億噸,這些生產線全部建成后,預分解窯水泥產能將達到.3億噸,產能將出現嚴重過剩。為此,水泥工業將嚴格控制新增水泥產能,執行等量淘汰落后產能的原則,對尚未開工水泥項目一律暫停建設并進行一次認真清理,支持企業在現有生產線上進行余熱發電、粉磨系統節能改造和處置工業廢物以及城市污泥與垃圾等綜合利用。新項目水泥熟料燒成熱耗要低于105kg標準煤/t熟料,水泥綜合電耗小于90kW?h/t水泥,石灰石儲量服務年限必須滿足30年以上,廢氣粉塵排放濃度小于50mgm3(標準狀況)。這意味著國內水泥工業生產將從數量增加轉為質量提高,對生產提出更高的要求。同年國際上水泥總量估計為28.6億噸,人均消費總量低于300kg,尚有較大的發展空間,只有通過技術進步,才能在國際市場上得到發展。也就是說,新型干法水泥在今后較長的時期內,國內還要發展,而國際上還有更為廣闊的市場,新型干法水泥生產技術必將進一步提高。

二、耐火材料的發展過程

耐火材料是保證熟料煅燒正常生產的重要原材料,預分解窯用耐火材料的發展促進了水泥生產和技術進展。

在早期試驗研究發展階段,由于生產線規模小,使用的耐火材料都是用于傳統回轉窯的粘土質和高鋁質材料。20世紀80年代初期,冀東、寧國等大型新型干法生產線引進時,限于當時的技術水平和國內缺乏預分解窯所需的品種,以至于整條生產線所需的耐火材料及備品全套引進。20世紀80年代中期興建的江西水泥廠2000td生產線上使用的耐火材料由中國建筑材料科學研究院耐火所負責產品開發,天津水泥工業設計研究院負責全套燒成生產線耐火襯料的圖紙設計,首次對全系統進行配套使用,雖然當時材料的品種不全,且性能不夠完善,但在品種開發、窯襯設計、工程施工及生產應用等方面,取得了不同程度的認識和提高。

隨著預分解窯生產及技術發展,耐火材料的品種和質量也隨之提高和完善,產能也相應增加,至20世紀90年代中期,形成了耐堿耐火磚系列產品,耐堿澆注料系列產品,剛玉質和高鋁質低水泥耐火澆注料產品,硅酸鈣板及硅藻土系列隔熱材料產品,部分堿性耐火磚系列產品,上述產品在近年來的預分解窯生產大發展的過程中,性能得到進一步優化提高,與此同時,還開發出一些新的品種來滿足生產的需求。目前,堿性耐火磚可以滿足5000td級及其以下規模生產線的需求,高鋁質、粘土質的材料和耐火澆注料以及隔熱襯料完全滿足12000td級及其以下規模生產線的需求,有些還出口到國外。在此期問,耐火襯料的設計由初期的全套引進,通過消化吸收、生產實踐及優化提高,逐步轉為自行設計,已完全能承擔不同規模的全套預分解窯生產線的圖紙設計。此外,通過上千條生產線的現場施工,施工技術在實踐過程中全面提高,目前不僅承擔國內不同規模的預分解窯耐火襯料施工圖的設計,還隨裝備大量出El至國外,可以說在設計和施工方面已能完全勝任生產發展的需求。

20世紀90年代中期,在原國家建材局組織下,由研究、設計、施工、耐火材料制造、水泥生產廠家的有關人員通過兩年的努力,完成了《水泥回轉窯用耐火材料的使用規程(以下簡稱《規程》)的編制,由原國家建材局于19958月審定頒布,《規程》對預分解窯用耐火材料的生產供應、設計施工和使用維護等各個環節都提出了明確的要求,同時明確在全國范圍內預分解窯使用的耐火磚尺寸與國際接軌,采用國際通用的VDZ和磚型。這對延長窯襯的使用壽命,提高熟料的產量和質量,降低能源和耐火材料的消耗量,以及耐火磚的標準化生產,降低生產成本,便于維護,保護設備安全,提高水泥生產的經濟效益,起到指導作用,為預分解窯用耐火材料的生產技術發展作出了貢獻。

改革開放的30余年來,我國工業迅速發展,鋼鐵和水泥的產量均居世界首位,耐火材料的生產能力、生產量和消耗量也穩居世界首位。我國耐火材料工業和水泥工業一樣也是從“大而不強”,逐步轉入“又大又強”的過程中。進入21世紀,隨著水泥預分解窯生產技術和產能在我國快速增長,與之配套的耐火材料工業在我國迅速的發展,質量和產能不斷提高,從2006年以后5000td回轉窯內襯完成實施國產化配置,一些產品的技術性能已接近國際先進水平,有些還出口至國外。從總體來看,和國外優質產品相比,技術仍存在差距,目前5000td生產線燒成帶和過渡帶上用的堿性磚,回轉窯分解帶、窯門罩、篦冷機進料口部位的特種高鋁質耐火磚,以及硅酸鈣板、耐堿系列等產品性能有待進一步提高。此外,適用于工業廢物作原燃料所生產的高化學應力的耐火材料還有待開發。

隨著預分解窯技術進展和生產能力的進一步提高,與之配套的耐火材料必將取得進展,深信在較短的時間內,我國的預分解窯用耐火材料不僅在數量上,而且在技術性能上都將位居世界前列。

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