鈦白粉回轉窯用耐火材料的配置及應用

王明剛 車連房 史成龍 袁宏偉 劉永振

1）山東耐材集團魯耐窯業有限公司 山東淄博 255200

2）山東耐火材料集團有限公司 山東淄博 255311

鈦白粉是一種重要的無機化學顏料，是迄今為止世界上最白的顏料，素有“工業味精”之稱，被廣泛應用于涂料、塑料、造紙、油墨、橡膠、化纖、陶瓷等行業［1－2］。數據顯示，2021年中國鈦白粉產量約381.35萬t，為世界第一鈦白粉生產國、消費國和出口國［3］。鈦白粉的生產工藝主要有氯化法、硫酸法和鹽酸法等，中國以硫酸法鈦白粉生產工藝為主［4］。硫酸法是將鈦精礦與濃硫酸進行酸解反應生產硫酸氧鈦，經水解生成水合二氧化鈦（偏鈦酸），再經水洗除去雜質后于800～1 000℃連續煅燒，最后冷卻粉碎后即得到銳鈦型鈦白粉產品或金紅石型鈦白粉的粗品。作為煅燒工序關鍵設備的回轉窯及其耐火材料配置，直接影響鈦白粉的生產能耗和生產成本，其能源成本在單位產品綜合能耗中占比20% ～25%［5－6］。國內鈦白粉回轉窯的窯徑從1990年代的1.6、1.8、2.4、2.6、2.8、3.2、3.6 m發展到近幾年的4.0、4.25、4.6、4.8 m，其目的就是通過裝置大型化提高產量，降低能源消耗，同時提高產品質量。但隨著窯徑的加大，窯轉速的加快，日產量的不斷提高，耐火材料襯體受到的結構應力、機械磨損、高溫熱沖擊以及化學侵蝕加劇，對耐火材料的要求越來越高。

在本文中，綜述了回轉窯用耐火材料目前存在的主要問題，提出了對耐火材料的性能要求，并給出回轉窯耐火材料配置建議以及不同部位耐火材料的實際應用效果，供生產企業選材和使用參考。

1 目前存在的主要問題

（1）因耐火材料選擇不當而導致剝落、“抽磚”等現象。耐火材料在長期使用過程中易出現剝落而污染鈦白粉，“抽磚”后的維修處理影響安全生產運行。

（2）回轉窯筒體、燃燒室、混風室等部位表面溫度高，散熱損失大。

（3）燃燒室、混風室頂部出現下垂現象，對裝置安全運行構成威脅，影響使用壽命。

（4）原料配比不合理，造成使用過程中磚表皮脫落或破碎，影響鈦白粉的產品質量。

2 對耐火材料的要求

（1）使用壽命長。為實現規模效益，鈦白粉回轉窯向大型化方向發展。耐火材料內襯不僅要承受較高的熱負荷和較大的溫度變化，還要承受一定強度的物料摩擦、氣流沖刷、化學侵蝕等作用，因此，需具有良好的力學強度、抗沖刷性、抗磨損性、抗熱震性，以及較低的熱導率等特性，以達到長壽化目的。

（2）節能降耗。在煅燒鈦白粉過程中，窯體等部位的表面散熱損失多，因此，宜采用低熱容、低導熱材料，以減少熱量損失，降低燃料消耗。

（3）輕量化。據統計，國內企業采用輕量化材料可減輕窯體質量15%以上，筒體溫度可降低50～200℃，筒體散熱量減少約25%。生產1 t鈦白粉可減少天然氣消耗約20 m3，折合標煤24.3 kg，經濟效益顯著。窯體輕量化還可以減少在轉動過程中的電力消耗，從而進一步降低生產成本，還有利于防止因突然斷電造成筒體質量過大導致的窯體變形等。

3 耐火材料配置建議及應用

3.1 耐火材料配置建議

以控制窯爐各溫度梯度，降低表面溫度為目的，根據對不同部位溫度、不同材質厚度、不同材料熱導率等參數的測定，結合熱力學傳導理論，建立多元數學模型進行熱力學模擬計算，并結合多年實際使用經驗，提出配置建議見表1。

3.2 定形耐火材料應用

3.2.1 筒體

回轉窯窯體內部通常分為低溫區（脫水區）、過渡區（脫硫區）、高溫區（晶型轉化區）3部分，根據不同部分的使用環境分別選擇合適的耐火材料［7］。以φ4.0 m×73 m回轉窯窯體工作襯耐火材料為例，低溫區（16 m）采用250 mm厚度的高強耐酸磚，過渡區（25 m）采用250 mm厚度的低導熱多層復合高鋁磚，高溫區（32 m）采用300 mm厚度的低導熱多層復合高鋁磚。

3.2.1.1 高強耐酸磚

高強耐酸磚的性能指標見表2。低溫區選用高強耐酸磚，主要用于抵抗酸性氣體的侵蝕和物料的磨損。在100～300℃完成水合二氧化鈦化學結合水的脫水過程中產生大量水蒸氣及酸性氣體，使低溫區耐火材料長期處于酸性氣體腐蝕環境中。在水蒸氣存在的情況下，耐火磚吸附水分，發生濕膨脹；加之酸性氣體滲透其中，加劇對耐火磚的侵蝕，導致磚體剝落，影響使用壽命。與常用的普通黏土磚相比，高強耐酸磚吸水率低，抗酸侵蝕能力強，耐磨性高，且Fe2O3含量低，有利于降低鐵雜質污染，提高鈦白粉品質。

表2 高強耐酸磚的性能指標

3.2.1.2 低導熱多層復合高鋁磚

低導熱多層復合高鋁磚的性能指標如表3所示。低導熱多層復合高鋁磚主要由工作層、保溫層和隔熱層組成，其中，工作層采用磷酸鹽結合不燒高鋁材料，保溫層采用輕質隔熱材料，隔熱層采用硅酸鋁纖維氈、毯、納米隔熱材料等。與普通重質高鋁磚相比，低導熱復合高鋁磚具有氣孔率低，強度高等優點，可以滿足該部位的物料磨損、高溫氣流沖刷等要求，并在使用中呈現微膨脹性，可保持筒體的密閉性；同時，良好的抗熱震性可避免剝落造成的產品污染，也有利于實現筒體的輕量化和節能化。

表3 低導熱多層復合高鋁磚的性能指標

3.2.2 窯頭罩

窯頭罩是生產鈦白粉回轉窯的重要部位，服役溫度可達1 200℃。為提高該部位使用壽命，減少散熱損失，采用抗剝落黏土磚200 mm、輕質保溫磚65 mm、硅酸鋁纖維氈（毯）50 mm等多層復合配置?？箘兟漯ね链u具有氣孔率低，荷重軟化溫度高，優異的耐磨性和抗熱震性能，能夠適應該部位溫度波動大，溫度高的使用環境，其性能指標如表4所示。

表4 抗剝落黏土磚的性能指標

3.2.3 燃燒室

燃燒室溫度高達1 400℃，混風室溫度1 200℃，耐火材料應具有荷重軟化溫度高，蠕變小，抗熱震性好等特性。燃燒室工作層采用莫來石－紅柱石磚220 mm，保溫層依次采用高強輕質保溫磚260 mm、輕質高鋁保溫磚150 mm、硅酸鋁纖維氈20 mm復合砌筑。莫來石－紅柱石磚的性能指標如表5所示。

表5 莫來石－紅柱石磚的性能指標

3.3 不定形耐火材料應用

燃燒室燒嘴、窯尾罩等部位是生產鈦白粉用回轉窯的重要工作部位，其形狀結構復雜，可采用澆注料進行爐殼保護。這些部位長期受熱應力、機械應力的作用而容易損毀，澆注料需具有良好的力學強度、抗熱震性及耐磨蝕等性能。高強澆注料、耐酸澆注料以剛玉、合成莫來石等為主要原料，抵抗酸性侵蝕能力強，施工方便，整體性能優越，使用效果良好。特殊部位可采用鋼纖維增強耐磨澆注料。燃燒室燒嘴部位推薦工作襯采用高強耐磨澆注料250 mm，隔熱層采用含鋯硅酸鋁纖維氈100 mm復合砌筑。窯尾罩推薦工作襯采用耐酸澆注料100 mm，隔熱層采用硅酸鋁纖維氈50 mm復合砌筑。

3.4 優化磚型設計

鈦白粉回轉窯用磚一般采用豎厚楔形磚型，見圖1。因其長期動態運行產生的熱應力、機械應力、振動力等，容易出現“抽磚”等情況。為此，以常用的楔形磚型為基礎，增加子母槽鎖扣結構和曲封結構，形成新穎的多層復合結構，分別見圖2、圖3。這種多層復合結構提高了回轉窯的整體性、緊密性，防止磚脫落；增加的曲封結構，減少了筒體腐蝕物、耐火材料磨損物、脫落火泥等對物料的影響。

圖1 改進前豎厚楔形磚型圖

圖2 改進后帶鎖扣結構的復合磚型圖

圖3 改進后帶鎖扣結構和曲封結構的復合磚型圖

4 實際應用

根據在筒體采用高強耐酸磚、低導熱多層復合高鋁磚，窯頭罩采用高熱震特種黏土磚，窯尾罩采用高強耐酸澆注料，燃燒室采用莫來石－紅柱石磚、高強耐磨澆注料等配制建議，在某公司鈦白粉生產企業實際應用效果如下：

（1）鈦白粉回轉窯系統表面溫度低于200℃。表面溫度降低，散熱損失減少，提高了熱效率。某公司回轉窯用耐火材料優化配置前后筒體、窯頭罩、燃燒室等部位溫度變化見表6。

表6 某公司回轉窯用耐火材料優化配置前后表面溫度變化

（2）鈦白粉產品的綜合能耗大幅度降低。以φ3.5 m回轉窯筒體內部使用46 m復合磚為例，平均降溫115℃，筒體散熱系數按106 kJ·m－2·℃－1計算，筒體每小時減少散熱損失為6.16×106kJ［8］，折合標煤210.3 kg·h－1，每年節約標煤1 658 t。

（3）窯體運行穩定，磚與磚之間無“抽磚”現象，減少了停窯檢修頻度，保證了安全生產順行。

（4）窯體耐火材料抗剝落性良好，無耐火材料掉落污染問題，有利于鈦白粉質量的提高。

（5）耐火材料耐磨性良好，使用壽命長。筒體部位使用壽命達5 a以上，燃燒室、窯頭罩、窯尾罩部位使用壽命達8 a以上。

5 結語

根據鈦白粉回轉窯不同部位的使用環境，提出了耐火材料配置建議及性能要求，為生產企業提供了選材使用依據，解決了“抽磚”、剝落污染、頂部下垂等問題，可實現回轉窯表面溫度降低至200℃以內，對節能降耗、窯體長壽化具有借鑒意義。