水泥回转窑煅烧熟料时，窑内必须配置耐火砖，砖的形状尺寸标准涉及砖的制造、设计、选型计算、砌筑质量和进度、生产运行工况、耐火砖使用周期、砖耗、窑运转率和产量、熟料及水泥产品质量、仓储数量和生产成本，耐火砖形状尺寸标准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。

多年来，国内技术人员重视耐火砖的抗热、热化学、热机械性能，也就是砖的化学组成、颗粒级配、体积密度、显气孔率、耐压强度、线性热膨胀、热震稳定性、热导率等物理、化学性能，而对耐火砖的形状尺寸精度，总认为将国外回转窑上使用的耐火砖外形尺寸标准转化为国标和行标就可以了，忽略了水泥窑运行过程中，耐火砖损坏不仅与砖的性能有关，也与砖的外形尺寸和精度以及砌筑等因素有关。在水泥生产过程中，只要出现掉砖红窑事故，必须停窑维修，影响生产，这个问题随着窑径增大、水泥窑煅烧工业废物而越来越严重，行业开始重视砖形尺寸标准对水泥窑运行的影响。

耐火砖的形状尺寸标准是随窑的生产方式及窑内耐火砖所需材质的变化而变化的，本文主要介绍耐火砖标准的变化和C系列耐火砖的性能及应用情况。

1　水泥熟料生产方式和耐火砖标准的变化

1.1　传统干法、湿法窑

早期的传统干法、湿法窑产能低、热耗高、窑径小、烧成温度较低，窑内耐火砖材质主要为高铝质、黏土质。砖型尺寸随窑径尺寸变化而变化，一台窑配置一种或多种形状耐火砖。至20世纪60年代，窑的产能增加，湿法窑窑径增大至Φ7.6 m，干法窑窑径接近Φ6.0 m。高温部位出现碱性砖，低温部位则配置高铝质砖和黏土质耐火砖，但砖型尺寸仍然是一台窑使用一种或多种形状耐火砖。

1.2　预热器窑

20世纪50年代初出现的预热器窑，窑径一般在Φ3 m以上。历经10年的努力，生产技术逐步成熟，窑径逐年增大，60年代窑径增至Φ4 m以上，投入数量逐年增加。预热器窑的热耗低，窑产量高，由于窑尾有预热器，原燃料中的碱氯硫在系统内循环，造成堵塞，腐蚀耐火砖，为此在窑尾设置耐碱砖。

20世纪60年代是湿法、传统干法和预热器窑共存的年代，不同生产方式且不同窑径的回转窑配置不同形状耐火砖。给生产制造和砌筑带来不便，为使砖型统一、便于生产，德国水泥工厂生产协会结合该国以预热器窑为主的生产方式，制定了用于窑头高温部位碱性砖的VDZB型标准系列砖，窑尾低温部位耐碱砖用VDZA型系列砖。水泥工业从此走上砖型统一的年代。

VDZB和VDZA型标准系列砖均为等中间尺寸（见图1），B型尺寸为71.5 mm，A型尺寸为100 mm。且同一窑径的耐火砖高度和长度相同，两种砖的体积比为100∶71.5，接近1.4。此砖型的优点是砖的大端和小端尺寸整数多、等体积、等重量，便于砖体设计、计算、生产制造和施工，缺点是大小端尺寸与π值无关，施工时必须用锁缝砖，影响施工进度。VDZB型砖的体积设计依据是容重2.9~3.0 kg/dm3窑头用碱性砖，而A型砖的体积设计依据是容重2.0~2.1 kg/dm3窑尾用耐碱砖。两种砖型使用的材质容重的比值接近1.4，因而同一窑径使用同一高度的A型砖和B型砖的重量接近，便于工人砌筑。

1.3　预分解窑

20世纪70年代出现的预分解窑，使熟料产量成倍增加，技术逐步成熟，至80年代已成为世界水泥市场的主流。预分解窑生产过程中，碱、氯、硫化合物在窑内循环加重，对耐火砖的化学侵蚀也加重，一些抗化学侵蚀性能较好、容重较重些的铝硅质耐碱砖开始用于窑内。VDZA型砖因与π值无关，再加上砖的体积偏大，重量偏重，砌筑十分不便，人们期望用体积较小、砌筑方便的砖型来取代。窑头虽产量成倍增加，但煅烧温度变化不大，仍然可以使用VDZB系列砖。

ISOπ/3砖（见图2）的大端尺寸均为103 mm，接近π/3的数值，被称为π/3砖。系列砖的平均体积较VDZA型小约10%，正适合当时的生产条件，抗碱氯硫侵蚀性能好，容重为2.2~2.3 kg/dm3，满足铝硅质耐火砖的需求，再加上大端尺寸与π值结合，砌筑方便，很快就取代了VDZA型砖。形成窑前高温部位用VDZB型，低温部位用ISOπ/3型砖的格局，一直沿用至今。

2　我国水泥工业技术进展和耐火砖标准应用情况

20世纪80年代，我国水泥工业预分解窑技术快速发展，为向国际先进技术学习，我国水泥工业回转窑用耐火砖形状尺寸的行标、国标和国际标准一致，但砖的尺寸精度受制造装备影响，仍有一定差距，影响耐火砖的砌筑和运行周期。

20世纪90年代以来，水泥预分解窑生产技术出现了两个变化。窑的产能越来越高，直径越来越大，产量从2 000~3 000 t/d逐步增至8 000~10 000 t/d，窑径从4 m增至6 m。另一个变化是水泥窑的功能逐步转为消纳废物和生活垃圾，大幅增加了碱氯硫等有害化合物在窑内的富集循环，腐蚀窑内过渡带后的耐火砖，使其使用周期大幅缩短，为此一些容重高达2.5~2.7 kg/dm3的抗化学侵蚀的铝硅质耐火砖大量用于窑内。而ISOπ/3砖体积偏大，单砖偏重，工人施工时易出现疲劳，影响施工质量，对现有VDZB型和ISOπ/3砖形的形状尺寸、制造精度、砌筑和运行中存在问题进行分析从而进行优化。

3　VDZB、ISOπ/3、C系列砖对比

（1）VDZB系列砖缺点是砖体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，且B型砖大端尺寸与π值无关，施工时必须用锁缝砖，影响施工进度。

（2）ISOπ/3系列砖是按早期预分解窑煅烧常规燃料容重为2.2~2.3 kg/dm3的抗化学侵蚀的工况条件设计的，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，因无其他砖型取代，被迫使用体积和锥角大的ISOπ/3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和进度的问题。

（3）C型系列砖等中间尺寸为（π/4）＝78.5 mm，与π值关联，施工时锁缝砖用量少。中间尺寸较B型砖大约10%，较ISOπ/3砖平均小约20%，砖的体积不仅满足碱性砖对大直径窑的需求，也满足抗化学应力强的铝硅质耐火砖的要求。此外大锥角砖多，小锥角砖少，砖型尺寸精度提高，砌筑较牢固，运行时掉砖红窑现象也较少。每块砖的体积和重量相等，且整数值多，便于设计计算、制造和施工。

国内使用的耐火砖，砖形尺寸精度受装备制造的影响，现有耐火砖在大直径窑上施工时，经常出现两种砖型配比失调造成浪费和停工待料影响施工进度的现象。此外，窑在运行过程中，易出现掉砖红窑问题，以及碱氯硫等有害化合物的熔融体和气体会透过砖缝对窑筒体产生腐蚀损坏等问题。针对上述问题，C系列砖在砖的体积和砖型锥角设计、大小端尺寸以及砖型和砖缝尺寸的精度、单砖平面度、两砖结合的贴合度、10块砖累计弧长的精度等方面，结合国内现有生产工艺装备技术水平和砌筑实践经验，制定标准，作出了相应规定，有利于缓解砌筑和生产过程中存在的问题。

4　C系列砖的主要性能

4.1　等中间尺寸和π值结合

C系列砖的等中间尺寸为π/4，施工时锁缝砖用量少，减少了锁缝耗用的时间，施工进度较快。等中间尺寸的耐火砖大小端尺寸整数多，且砖的体积和重量相等，便于设计计算、制造、仓储和施工。

4.2　解决大直径窑内窑砖砌筑问题

窑内耐火砖砌筑时，窑径越大，同一圈砖砌筑的耐火砖数量越多。以C系列砖为例，窑径4 m时，砌筑一圈砖需约150块，4.8 m时则需180块。现有的耐火砖标准规定的单砖误差为±1.0 mm。180块砖的最大累计误差为180 mm，而砖的大端为81.5~84 mm，也就是说，当误差值达到某一数值时，就无法保持合适比例的砌筑，只能调整配比。易造成某种砖型数量缺少而停工待料，影响砌筑进度，若备料过多，又造成浪费。可采取以下措施保障施工：

（1）将国内制造的单块砖大小端精度要求从±1.0 mm提高至±0.5 mm，则Φ4.8 m窑一圈砖的最大累计误差降至±90 mm。

（2）控制10块砖累计弧长的差值，也就是测量耐火砖的４个角形成的累计弧长，规定液压机生产的碱性砖差值≤3.0 mm，摩擦压力压砖机生产的铝硅系列砖差值≤6.0 mm。则碱性砖最大累计差值降至≤±54 mm，铝硅系列砖仍为±90 mm。

（3）明确砌筑砖体时，相邻两砖的偏差方向最好是一块正偏差，另一块负偏差，有利于抵消累计偏差，减少施工时比例失调。

4.3　提高砖体制作精度及砌筑质量

回转窑运行时若出现掉砖红窑事故，会对生产产生重大损失。在分析事故时，人们往往偏重窑的工况及火焰状况，而忽略耐火砖砌筑问题。为减缓掉砖红窑，针对C系列砖在施工过程中的问题，提出了解决办法。

为使砖体砌筑牢固，标准不仅提出单砖的平面度控制值为±0.5 mm的精度要求，还增加了两块砖的贴合度为±0.5 mm的精度控制要求，以防止两块砖砌筑时中间间隙过大，造成掉砖。特别是由摩擦压机制造的铝硅材质硅莫红砖，精度较差，掉砖概率非常高。若是镁砖出现过大间隙，使用砌筑砖机砌筑时，可能在锁缝时因顶砖压力造成耐火砖断裂。上述两种情况在施工时不易发现。在窑运行过程中，会出现掉砖红窑事故。因此，需要严格控制精度。

4.4　减少砖缝、优化耐火砖锥角

窑内衬体中，砖的缝隙越少，锥角越大，则衬体越牢固。窑内高温部位使用的C系列砖体积较VDZB系列砖增大约10%，砖缝减少10%。此外，砖型设计时，没有采用“砖的大端尺寸增大，砖的锥角增大”的规律，而是采用国内生产实践认为可靠的锥角，还适当增大小锥角尺寸，减少运行时掉砖红窑事故。

4.5　控制砖缝精度

近年来，水泥工业发展的趋势是大量使用低品位原燃料，消纳工业废物和生活垃圾等，水泥工业已成为清洁生产重要的一环。生产过程中，一些碱氯硫等有害化合物也随之入窑，在合适的温度下，生成低融熔温度的化合物，随物料进入高温部位，成为熟料成分。在高温火焰下，部分化合物挥发，随烟气返回窑尾低温部位，冷凝成熔体化合物，并随物料运行至窑头，逐步增温，再次挥发，形成碱氯硫循环。在此过程中，这些化合物不仅对直接接触的耐火砖进行腐蚀，还透过砖缝接触金属窑筒体，对筒体产生腐蚀损坏。

国内外有些窑，在投入生产后，由于上述原因第二档轮带后的筒体因腐蚀损坏而不得不更换筒体，对生产造成重大损失，减缓的方法之一是控制耐火砖的砖缝数量和尺寸，减少有害化合物和金属筒体的接触。

控制砖缝措施：一是确定合适的砖缝和环向缝的数量和尺寸，二是控制砖的大小端尺寸的精度。

（1）现执行的VDZB和ISOπ/3标准中，明确砖缝和环向缝为2 mm，而C系列砖缝尺寸精度是结合我国水泥工业实际情况制定的。

在C系列砖的大面平整度在理想状态下干砌时为0 mm，湿砌时按1 mm进行计算。但在实际情况下根据各种不同情况会有一定范围的变化。环向缝按2 mm计算。碱性砖需要预购纸板，纸板厚度根据砖的材质和各生产厂家原料不同，一般选择在1~2 mm，大多为2 mm。其他品种的耐火砖不贴纸板，考虑2 mm砖缝。对比表明，C系列砖砖缝小于VDZB和ISOπ/3砖。

（2）C系列耐火砖标准不仅规定了单块砖大小端尺寸精度、单砖平面度精度和单砖平面度的控制值，还规定了两块砖贴合度以及10块砖的圆弧长度和差值，由于上述控制值的精度均有所提高，必将减少砖和砖之间的缝隙，减少有害化合物的固熔体和烟气对耐火砖侧面和金属筒体的腐蚀。

4.6　可操作性强

（1）C系列耐火砖编制标准中列出了干、湿两种施工配比，供设计、施工人员结合现场实际灵活选用，有利于设计、砖型制造、现场施工，实用价值较高。

（2）C系列砖的单砖长度均为198 mm，不同窑径使用的砖高度均与VDZB、ISOπ/3型砖相等。

（3）施工规范一致，在窑内砌筑时，既可单独使用，也可与原有的砖型混砌。既可整体施工，也可用于修补，在推广应用过渡期，新、旧砖标准衔接时适用性强。

（4）体积在VDZB型和ISOπ/3砖之间，适用于现有装备进行生产制造。

4.7　可靠性

C系列耐火砖编制标准是在现行耐火砖标准基础上的优化与完善，通过10年以上近40条各种不同窑径回转窑上的实际应用与验证。生产厂家在制造C系列砖时只需更换模具便可，砌筑与验收执行现有规范，推广应用不存在任何障碍。

4.8　砌筑智能化

C系列砖体积更适合窑径增大的需求，可取代VDZB型砖，又满足容重为2.5~2.7 kg/dm3的硅莫红砖、碳化硅砖的重量要求。现已有企业计划在标准发布后，在窑内统一砖型进行试验，为今后耐火砖砌筑智能化创造条件。

5　工业试验情况

C系列砖是在2004年提出的，十余年来，在近40条不同窑径生产线上进行过小批量试用，并在运行中多次完善。另一方面，通过大量查询资料，进行对比分析，行业技术人员掌握了德国等工业化国家水泥窑使用VDZB 、VDZA、ISOπ/3砖的发展和优化过程，以及不同系列砖的技术特点，不同窑径内系列砖的高度、大小端尺寸、锥角、重量、砖尺寸尾数的确定原则，并对砖缝、热膨胀应力补偿进行分析，以及锁缝砖的应用进行探讨，还对窑内衬砖所承受的热化学、热机械应力进行分析。在耐火砖制造、筑炉施工以及生产运用的实践基础上，2016年9月组织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等有关专业技术人员进行讨论，一致认为C系列砖试用条件已经成熟，决定在海螺集团和良友筑炉公司进行验证。在5 000 t/d级及其以下产量的多条预分解窑进行生产实践，证实C系列砖在窑上使用配比合理，完全适合我国现有大型水泥预分解窑砌筑的需求，试用取得良好效果。

工业试验所遇到的困难是试验对比的因素变化太多，难以进行对比，其原因是，水泥熟料烧成系统耐火材料的使用除与耐火材料的物化性能有关外，更多的与生产操作、工艺装备性能直接关联。熟料煅烧过程中，在高温状态下各种元素化合物呈现的固、液、气相对熟料的形成及其质量起到关键作用，所产生的热应力、热化学侵蚀、热机械应力在长期生产过程中对耐火衬体造成损坏，因而给耐火砖体使用周期的对比带来一定的困难。为验证C系列砖的使用性能，我们在多条窑上进行试验，在窑上耐火砖损坏较重的部位，换上C系列砖，一直到C系列砖损坏为止，从而得出其使用周期。若使用周期达到JCT2196—2013《水泥回转窑用耐火材料使用规程》上碱性砖的使用周期要求（超过12个月），铝硅质砖的使用周期要求（超过24个月），就算取得成功。海螺集团在5 000 t/d级窑上试验情况见表1，海螺建安自2016年参与标准制定以来，已在集团内4个基地11条窑上进行了验证工作，C系列砖共使用了95.2 m，从统计数据来看，碱性砖使用周期为15~28个月（除去因更换筒体而更换未到使用周期耐火砖的一条窑），非碱性砖最高使用周期为24个月，另有7条窑现正在运行，其中3条窑运行周期已超过16个月。在此基础上，海螺正计划将窑内耐火砖的使用周期延长至24个月（窑口除外）。

多条窑试用不同尺寸、不同锥角的C系列耐火砖均取得成功，证实C系列标准砖是完全适用现有耐火砖施工规范的。三种耐火砖高度和长度均相等，砌筑时可相互搭配，既可整体砌筑，也可小面积修补，适用性强，在生产运行中没有出现抽签、挤压变形、挤碎掉砖红窑事故。窑内相同材质的三种不同尺寸砖型所承受的热、热化学、热机械应力相似。生产运行均正常，没有出现大的波动，运行工况长期保持平稳，都能满足且超过预定的生产周期，完全达到验证标准的要求，C型碱性砖使用周期达到了预期效果，非碱性砖使用周期也有延长。可大量推广应用。

6　经济效益

C系列砖在７台大型生产线上的试验证实，其具有如下方面的经济效益。

在耐火砖砌筑过程中，C系列砖减少了砌筑过程中的选砖、配砖程序，缓解了大直径窑砌筑时，配砖比例失调，影响施工进度和浪费材料的问题，加快了砌筑进度，节省了砌筑费用。

由于砖型尺寸和锥角合理及精度提高，有利于大直径窑内衬体的牢固性，减少了掉砖红窑事故，相应延长了砖的运行周期，有利于提高熟料产质量，降低熟料热耗，还减少了砖的消耗量。

耐火砖大小端精度提高以及砖缝得以控制，必将减少煅烧低品位原燃料及工业废物、城市生活垃圾产生的碱氯硫有害化合物对窑筒体的腐蚀。

由于受到试验条件的限制，以及试验的目的主要是解决C系列耐火砖是否可用的问题，没有进行技术经济对比，但按上述情况粗略估计全国水泥厂若大量使用C系列砖后年节约和增产效益均在亿元以上。有待今后的实践应用过程中，对技术和经济效益进一步进行总结。

7　结束语

长时期以来，国内外水泥预分解窑使用的耐火砖砖型主要为VDZB和ISOπ/3砖型系列标准，难以满足我国水泥工业预分解窑大型化以及煅烧低品位原燃料和工业废物的需求。对砖型尺寸进行优化和制造精度的提升，将有利于砖的制造、仓储、设计计算和施工砌筑，可以降低生产砖耗，提高窑的产能和运转率，降低窑的运行成本。

C系列耐火砖标准的制定和实施，既满足我国预分解窑的技术进展，又优于现有的国际标准的砖形尺寸，且砖的尺寸精度较现有标准有较大提高，完全满足我国水泥工业窑径大型化及煅烧工业废物的需求。为促进大型预分解窑用耐火砖型合理应用作出了努力，表明中国不但在水泥工业预分解窑产量和耐火材料用量高居世界首位，而且水泥工业清洁生产等相关技术也在快速发展。标准的制定，将体现中国水泥窑用耐火砖产业由大转强的进程，为我国水泥工业生产技术和耐火砖装备制造技术的发展作出应有的贡献。