水泥回转窑用C型系列耐火砖的开发及尺寸技术要点
行业技术标准是行业的顶层设计，助推了行业的创新发展，促进了世界互联互通，引领着时代的进步。
水泥回转窑内耐火砖的砖形尺寸标准关系到砖的制造、设计选型计算、砌筑质量和进度，生产运行工况及窑运转率和产量，熟料及水泥产品质量、仓储数量和生产运行成本等，是所有回转窑耐火砖标准中涉及面最广、最基础、最为关键的标准。对水泥窑使用的耐火砖砖形尺寸及其有关制造精度开展研究工作，必将有利于水泥窑生产及其使用的耐火砖制造的技术进展，是一项值得关注的基础研究课题。
上世纪80年代前我国水泥工业长期使用技术相对落后的一台窑配一种规格的耐火砖的方式。80年代后期起，在行业有识之士的推动下，窑内使用的碱性砖开始试用VDZB系列砖，粘土质高铝质砖用ISOπ/3系列砖。至今，我国水泥耐火砖技术一直沿用国外的耐火砖标准。我国水泥预分解窑技术历经30余年的发展，水泥产量约占世界水泥总产量的50%以上，耐火材料消耗量超过50%。在长期的生产实践中，人们认识到VDZB和ISOπ/3系列砖具有优点，但也有不足之处，通过实践和理论分析，我们提出了具有自主创新的C型系列耐火砖。
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水泥窑耐火砖标准的发展过程
以往，国外也是不同直径的窑配不同尺寸和不同形状的砖。从上世纪60年代起，德国水泥工厂生产协会制定了用于碱性砖的VDZB系列标准砖和用于粘土质的VDZA系列标准砖，行业用砖标准得以统一。80年代出现用于粘土质的ISOπ/3型系列砖，在发展的过程中，A系列砖逐步被ISOπ/3砖取代。目前，国际上大多数国家采用VDZB和ISOπ/3系列砖，我国水泥窑全部使用VDZB和ISOπ/3系列砖。耐火砖是配置在水泥回转窑内的，从上世纪60年代至今的半个多世纪里，耐火砖的砖型系列也随水泥窑生产技术和规模的变化而发展，主要有：(1)用于烧成带的碱性砖为适应不同窑径(如公制、英制窑)和窑径增大的变化，VDZB型砖从1966年的13种增至1984年的21种，90年代的28种。(2)因窑内耐火砖承受的热化学应力增大，出现了容重较大的特种高铝质衬砖，致使用于窑尾的粘土质A型砖单砖重量过大，逐步被容积小、砌筑牢固的ISOπ/3砖取代。
在水泥生产实践过程中，上述两种砖逐步显示出制造、设计、砌筑方便，砖体牢固，有利于生产的优越特点。该砖型系列科学合理，完整实用，配比合理，选用灵活方便且实用，满足了标准制定年代的砖体砌筑和水泥生产的需求，历经半个多世纪仍能使用。但一些缺陷也暴露了出来，随着预分解窑生产技术的进步，产量的增大，筒体直径的增加，VDZB系列砖易掉砖红窑;为抗碱硫侵蚀，耐火砖材质容重增大，造成ISOπ/3系列砖的重量偏大，施工时工人易疲劳;此外，两种砖型设计也有一些不足之处。结合我国水泥工业的实际情况，我们提出了既具有上述两种系列砖优点，又可补偿其缺陷，既可用于碱性砖，还可用于特种高铝质、粘土质的C型系列耐火砖。
C型系列砖的开发过程如下：2004年，我们为简化砖型，便于仓储和施工，将4m窑径以下规格的窑，采用两种尺寸砖搭配，统一为两种砖型，取得了预想的效果。2007年扩大至窑径为4.8m，2010年通过优化，形成了C型系列砖。2014年扩大为工业试验。此过程使用了约8000t耐火砖，在30余条窑上运行，取得了实践效果。
在C型系列砖的开发过程中，我们理清了工业化国家水泥窑使用的VDZA、VDZB及ISOπ/3型系列砖的发展和优化历程。分析不同砖的技术特点，不同窑径内系列砖高度、大小边、锥角、砖的重量及砖型尺寸尾数的确定原则;对砖缝、热膨胀应力补偿进行分析，对锁砖的应用进行探讨;又对窑内衬砖所承受的热、热化学、热机械应力对砖型及尺寸的影响进行详尽的理论分析，还对影响耐火砖制造、施工及应用的因素进行探讨。在上述基础上，2016年9月由耐火砖生产制造厂家、筑炉公司、水泥生产厂和水泥设计研究院有关人员，共同探讨并确定C型系列耐火砖的尺寸。大家一致认为，C型系列砖是在VDZB、ISOπ/3型系列砖长期使用的基础上，优化提高，结合实践，通过创新得来的。其配比合理，满足我国现有水泥预分解窑生产技术进步带来的砌筑需求，可进行生产实践运行。同时决定结合砌筑生产实践，按C型系列砖等中间尺寸78.5mm的技术要求，分别制作不同尺寸、锥角的C型系列耐火砖，在5000t/d级及以下产量的多条预分解窑进行生产实践，并对使用情况进行跟踪验证工作。
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VDZB、ISOπ/3型系列砖特点及C型系列砖的创新点
2.1VDZB、ISOπ/3型系列砖的特点
VDZB型系列砖的等中间平均尺寸为71.5mm。优点是砖尺寸整数多、等容积、等重量，便于砖体设计、计算、砖型制造和施工。由于砖的容积小，砖体内砖缝多，有利于消纳和减缓砖体受热膨胀产生的热机械应力，缺点是砖容积和部分砖的锥角小，砖体内砖缝多，在直径较大的窑上运行中易掉砖红窑。为防止掉砖红窑事故，一些水泥公司在大直径窑上使用的碱性砖，因无其他系列砖型取代，被迫用容积和锥角大的系列砖，但又带来砖的重量偏重，砌筑时工人易疲劳而影响施工质量的问题。此外，B型系列砖大小边尺寸与П值无关，施工必须用锁砖，影响施工速度。
ISOπ/3型系列砖的大边尺寸与Π值关联，均为103mm，砌筑时锁砖用量少，锥角大，砌筑牢固，窑运行时不易掉砖。缺点是砖的容积偏大，适用于容重小的粘土质砖;系列砖的容积和重量不等，且砖系列中，相当数量砖的小边尺寸为非整数，生产制造、设计计算、施工均不方便。此外，若用于容重大的特种高铝质或碱性砖，则单砖过重，施工时工人易出现疲劳，影响施工质量。
VDZB和ISOπ/3型系列砖的砖的大边边长和锥角设计特点是，砖与筒体接触面大边边长数值与其锥角大致成正比。砖的大边数值增大，则锥角也增大。此外，为易于砌筑砖体，不同高度系列的砖均配置多种(2°～1°)小锥角砖。优点是砖型系列完整，缺点是砌体内，小锥角砖在生产运行时，易掉砖红窑。此外，砖系列的数量多，不便于制造、设计计算和施工。具体数据如下：砖高为180mm的VDZB型系列砖与筒体接触的大边尺寸为(78~74)mm，最大锥角为4.13°，最小锥角为1.03°。ISOπ/3型系列砖相对应的大边尺寸为103mm，为B系列砖的1.32~1.39倍;最大锥角为6.01°，为B系列砖的1.45倍;最小锥角为1.48°，为B系列砖的1.43倍。B系列砖总数28种，(2°~1°)小锥角砖15种，ISOπ/3型系列砖分别为34种和14种(表1、表2)。
VDZB、ISOπ/3型系列砖的长度均为198mm，即每米5环，高度按砖所承受的应力计算，得出回转窑筒体内径和砖型高度，结果见表3，经数千台窑生产使用，证实合理。
2.2 C型系列砖的创新点
C型系列砖等中间尺寸为(П/4)=78.5mm，与Π值关联，施工时锁砖用量少。中间尺寸较B型砖大约10%，砌筑的衬体环内砖缝少约10%，且小锥角砖少，砌筑较牢固，运行时掉砖红窑也少些。每块砖的容积和重量相等，且整数值多，便于设计计算、制造和施工。C型砖的创新点是：
(1)C型砖的容积适当增加，与VDZB型砖相比不易掉砖，还适用于近年来为降低筒体散热以及预分解窑因入窑硫、碱含量原燃料增加带来的循环，在窑的中部和尾部采用抗碱硫侵蚀、容重为2.4～2.8的特种高铝质、碳化硅质耐火砖;此外，在某些规格的回转窑上还有利于使用不同材质而采用同一规格型号的耐火砖。
(2)C型系列砖具有ISOπ/3型系列砖的П值，在砌筑时易形成整数块，减少锁砖量，又具有VDZ系列砖的等中间尺寸，每块砖的容积和重量相等，便于设计计算、制造和施工。
(3)C型砖的大边尺寸和锥角设计见图1。C型砖没有采用VDZB、ISOπ/3系列砖大边边长与其锥角大致成正比的规则，而是结合国内砌筑实践经验，砖的大边边长较B型砖增加约10%，砖高为180mm的锥角保持VDZB型4.13°不易掉砖的大锥角尺寸。大幅减少(2°~1°)小锥角砖的数量，适当增大小锥角砖的度数值，相应减少掉砖、红窑事故。C型系列砖等中间尺寸为78.5mm，较VDZB系列71.5mm增大7mm。而大锥角与B系列相同，最小锥角为1.14°，较B系列的1.03°略有增加。通过上述优化，C系列砖总数仅为16种，(2°～1°)小锥角为4种，远低于VDZB和ISOπ/3系列砖的种数。
(4)非碱性的C系列砖在湿砌时，砖缝没有采用VDZB、ISOπ/3系列砖要求的2mm，而是采用国内砌筑时大量应用且生产实践证实可行的1.0mm，这有利于砖体牢固。
(5)目前我国水泥预分解窑以2500～5000t/d产能为主，约占总数的75%以上，直径主要为ϕ(4～4.8)m。C系列砖砖型设计时，考虑了此规模窑用砖的合适配比，有利于施工和砌体牢固。
(6)C系列砖的单砖长度和不同窑径使用砖的高度均与VDZB、ISOπ/3系列砖一致，施工规范也一致，可单独使用，也可与VDZB和ISOπ/3型砖混砌，既可整体施工，也可红窑掉砖修补。
(7)为减少理论砌筑和实际砌筑配比的差距，提高砌筑进度，减少掉砖红窑事故，C系列耐火砖标准增加了10块砖累计弧长控制值。10块砖累计弧长客观上反映了砖的制造精度，也就是砖的制造工艺装备和模具的精度水平。
国际上技术先进的耐火装备生产的碱性砖控制值为2mm，我国少数企业可以达到。结合国内情况，考虑到标准的可操作性，弧长控制值为碱性砖3mm，硅莫砖6mm。随着技术进步，进一步缩小控制值，势必带来生产工艺装备的优化提高，促进耐火砖企业做大做强。
未完待续……
第一作者：陈友德、张豪、徐金福、杨忠德、贾元平