淺析水泥易燒性的研究對(duì)水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗的意義

韓立楊

淺析水泥易燒性的研究對(duì)水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗的意義

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韓立楊

對(duì)水泥生料易燒性的評(píng)定，國(guó)內(nèi)外有多種不同的研究方法。影響水泥生料易燒性的因素眾多，包括水泥生料的化學(xué)組分（決定其率值的控制范圍）、水泥生料配制用的原材料的礦物特性（如晶體發(fā)育的完整程度、不同的礦物組成等）、水泥生料細(xì)度等。水泥原材料是水泥生產(chǎn)成本控制的第一道關(guān)口，水泥生料細(xì)度的控制將決定水泥生料磨的能耗，水泥生料易燒性又決定了水泥生產(chǎn)中能耗最多的環(huán)節(jié)——水泥熟料煅燒的過(guò)程能耗。通過(guò)對(duì)水泥生料易燒性的研究，適當(dāng)放寬水泥生料細(xì)度的控制，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的配料方案，在降低水泥熟料煅燒環(huán)節(jié)能耗的同時(shí)又可得到高強(qiáng)度的水泥熟料，為水泥中添加更多低成本的混合材打下基礎(chǔ)，降低水泥生產(chǎn)的成本。根據(jù)水泥生料易燒性的研究結(jié)果，可更好地控制水泥熟料的煅燒過(guò)程，避免水泥熟料過(guò)燒時(shí)不必要能源的消耗，也可降低水泥熟料磨制過(guò)程中的能耗。水泥生料易燒性的研究對(duì)水泥質(zhì)量、水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能耗控制都有著重要的意義。

水泥生產(chǎn)；節(jié)能降耗；水泥生料；易燒性

1　引言

水泥生料易燒性與生料粉磨粒度、原材料特性、熟料煅燒制度、游離氧化鈣控制等影響因素息息相關(guān)。我們將通過(guò)對(duì)水泥生料易燒性的研究，不斷優(yōu)化水泥生產(chǎn)工藝流程，在保證水泥熟料質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在此過(guò)程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了K1450水泥生料易燒性指數(shù)工具，并利用此工具對(duì)水泥生料易燒性展開(kāi)全面的探索與研究。

2　水泥生料易燒性影響因素的研究

2.1水泥原材料的特性對(duì)生料易燒性的影響

在水泥生產(chǎn)中，優(yōu)選生料配料方案是影響水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量及能耗的關(guān)鍵。眾所周知，生料煅燒過(guò)程是高溫非均相反應(yīng)過(guò)程，其易燒性受眾多復(fù)雜因素的影響，其中原料特性對(duì)生料高溫反應(yīng)活性的高低起決定性作用，但是液相量及液相粘度的大小決定了最終水泥熟料礦物形成的速度。生產(chǎn)硅酸鹽水泥的主要原料為石灰質(zhì)和粘土質(zhì)原料，有時(shí)需根據(jù)燃料品質(zhì)和水泥品種，摻加校正原料以補(bǔ)充某些成分的不足，還可以利用工業(yè)廢渣作為水泥的原料或混合材料進(jìn)行生產(chǎn)。石灰?guī)r中常含有其他混合物，并含有白云石、粘土、石英或燧石及硫酸鈣雜質(zhì)。其中，燧石主要成分為SiO2，通常為褐黑色，質(zhì)地堅(jiān)硬，含量高時(shí)很難粉磨，在煅燒過(guò)程中也不容易與CaO發(fā)生固相反應(yīng)。其中，α-石英晶體以及石英晶體的發(fā)育狀況等對(duì)生料的化學(xué)反應(yīng)活性影響較大。一般來(lái)說(shuō)，燧石愈不純，α-石英晶體晶粒愈小，且為非均質(zhì)時(shí)，對(duì)粉磨與煅燒的不良影響愈小。石灰石中的方解石礦相結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、結(jié)晶體完整程度及晶體大小對(duì)熟料煅燒也有著很大的影響，同時(shí)，其所含雜質(zhì)多少、雜質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、分布情況等也必須充分考慮。所以不同的原料特性會(huì)形成不同的生料易燒性能，致使水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量及能耗差異較大。

2.2水泥生料率值對(duì)生料易燒性的影響

一般來(lái)說(shuō)，我們可以把窯的煅燒看成是三元系統(tǒng)，可以通過(guò)三率值來(lái)進(jìn)行分析：

LSH/KH：它是用來(lái)表征物料中的CaO被飽和的程度的一個(gè)指標(biāo)。在正常情況下，該指標(biāo)越高，物料越難于煅燒，物料的共熔溫度越高，此時(shí)如能預(yù)知出磨成分的變化，適當(dāng)調(diào)整用煤量或者減產(chǎn)，就可以燒成質(zhì)量比較好的熟料，此時(shí)熟料中硅酸三鈣的含量較高，熟料的強(qiáng)度也高。但飽和比太高時(shí)，物料的fCaO升高，會(huì)引起水泥的安定性不良。

SM：硅酸率的高低，表示水泥熟料中的硅酸鹽礦物與熔劑礦物的比例大小。當(dāng)硅酸率偏大時(shí)，產(chǎn)生的液相量偏少，水泥窯頭部的飛砂較大；當(dāng)硅酸率偏低時(shí)，產(chǎn)生的液相量偏多，水泥窯尾部容易結(jié)圈。

AM：表示熟料中的鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的質(zhì)量之比。一般說(shuō)來(lái)，鋁率高，那么液相的粘度也大，料不好燒。對(duì)于水泥成品來(lái)說(shuō)，要控制水泥的初凝時(shí)間，就必須添加適量的石膏，一般鋁率越高的料，所需添加的石膏也要適當(dāng)增加。

水泥生產(chǎn)中用的煤，不僅為水泥熟料煅燒提供了熱能，同時(shí)它也是水泥生料成分及水泥熟料煅燒過(guò)程中重要的參與者。煤灰的成分十分復(fù)雜，主要為SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3等成分，其含量與層聚積環(huán)境有關(guān)。煤灰加入水泥生料后有可能對(duì)原有水泥生料的配料方案產(chǎn)生較大影響，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整水泥生料的配料方案以適應(yīng)水泥熟料的生產(chǎn)。當(dāng)水泥窯內(nèi)的煤粉燃燒形成煤灰落入水泥生料中時(shí)，煤灰可以看作是多種礦物質(zhì)組成的混合物，這種混合物并沒(méi)有一個(gè)固定的熔點(diǎn)，而僅有一個(gè)熔化溫度的范圍。開(kāi)始熔化的溫度遠(yuǎn)比其中任一種組分純凈礦物質(zhì)的熔點(diǎn)低。這些組分在一定溫度下會(huì)形成一種共熔體，這種共熔體在熔化狀態(tài)時(shí)，有溶解水泥生料中其他高熔點(diǎn)物質(zhì)的性能，從而改變?nèi)垠w的成分及其熔化溫度，對(duì)水泥熟料的煅燒起著積極的作用。

2.3物料的粒徑對(duì)水泥生料易燒性的影響

一般對(duì)于固相反應(yīng)來(lái)說(shuō)，粒徑越大，反應(yīng)越慢。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般控制生料0.2mm篩篩余＜2%～3%，0.08mm篩篩余控制在10%～20%，在其他條件正常的情況下，fCaO會(huì)在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。此時(shí)，水泥生料顆粒大小均齊，幾乎沒(méi)有粗顆粒石英砂存在，具有良好的反應(yīng)活性，有利于固相反應(yīng)的進(jìn)行。但水泥生料粒度的控制也直接受原材料特性的影響，如上文所說(shuō)，如果原材料中含有較多的燧石，往往會(huì)造成選擇性粉磨，生料中0.2mm方孔篩篩余中SiO2的含量高，生料粗顆粒石英多，微觀均勻性差，此時(shí)需要將生料粒度控制得小一些，以提高水泥生料的化學(xué)反應(yīng)活性；同理，石灰石中方解石結(jié)晶程度高，結(jié)晶體完整，晶體大，化學(xué)反應(yīng)差時(shí)，需要降低生料細(xì)度以改善水泥生料的化學(xué)反應(yīng)活性，達(dá)到提高生料易燒性的目的。

3　水泥生料易燒性影響因素對(duì)水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗的意義

3.1水泥原材料特性及水泥生料顆粒細(xì)度控制的影響

為了保證一定程度的水泥生料的易燒性，水泥生料顆粒的粒度需要控制在一定的范圍內(nèi)，而將不同特性的水泥生料的原材料粉磨到控制的目標(biāo)范圍內(nèi)，粉磨的電耗差別很大。如果采用的石灰?guī)r中所含的方解石礦物晶體及粘土質(zhì)原料所含的石英礦物晶體結(jié)晶完整并且晶粒尺寸較大，在磨至規(guī)定顆粒細(xì)度時(shí)會(huì)增加電耗和降低磨機(jī)產(chǎn)量；同時(shí)，此種情況下，由于礦物晶體結(jié)構(gòu)完整，晶粒尺寸較大，化學(xué)反應(yīng)活性比較低，為了提高化學(xué)反應(yīng)活性又需要將原材料顆粒尺寸控制得更小，這就決定了使用此類原材料時(shí)勢(shì)必會(huì)增加能耗。而如果使用泥灰?guī)r，由于其含有的石灰?guī)r和粘土已經(jīng)呈均勻狀態(tài)，易于水泥熟料的煅燒，有利于提高水泥窯的產(chǎn)量，降低燃料消耗，此時(shí)可適當(dāng)放寬對(duì)水泥生料顆粒細(xì)度的控制，也就會(huì)降低水泥生料粉磨時(shí)的電耗；同時(shí)，由于泥灰?guī)r的硬度低于石灰?guī)r，易磨性較好，也有利于提高磨機(jī)產(chǎn)量，降低粉磨電耗。因此水泥原材料特性對(duì)水泥生產(chǎn)中的節(jié)能降耗有著重要的意義。

3.2水泥熟料率值控制的影響

水泥的質(zhì)量主要取決于熟料的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)熟料應(yīng)該具有合適的礦物組成和巖相結(jié)構(gòu)，而合適的礦物組成必須由適宜的化學(xué)成分來(lái)保證。水泥熟料中各氧化物之間的不同比例，決定著熟料中各種礦物組成的差異，由此而影響到熟料本身的物理性能和其煅燒的難易程度。因此我們用特征率值表示各氧化物含量之間某種特定的比例，并由此判斷其礦物組成和易燒性情況。一般來(lái)說(shuō)，熟料KH高，則C3S較多，C2S少，熟料強(qiáng)度高，但此時(shí)易燒性較差，煅燒困難，為保證熟料質(zhì)量，需提高燒成溫度，延長(zhǎng)物料在燒成帶的停留時(shí)間，從而導(dǎo)致窯產(chǎn)量低、熱耗增加；而KH低，則C3S少而C2S較多，雖說(shuō)要求燒成溫度低，燒成熱耗少，但水泥熟料早期強(qiáng)度偏低。而硅酸率和鋁氧率則反映了水泥熟料中液相量的多少和液相粘度的情況，適宜的液相量和液相粘度均有利于提高水泥熟料的易燒性，提高窯的產(chǎn)量和降低煅燒熱耗。

3.3游離氧化鈣的影響

易燒性好壞的直接反映即水泥熟料中游離氧化鈣的多少，而水泥熟料中游離氧化鈣的多少對(duì)水泥粉磨功耗影響巨大，所以根據(jù)熟料易燒性研究，制定出既不影響熟料強(qiáng)度又不影響水泥安定性的最合理的游離氧化鈣控制范圍，能最大限度地在燒成環(huán)節(jié)降低熱耗。水泥熟料中游離氧化鈣過(guò)多將直接導(dǎo)致水泥安定性不良，水泥為不合格產(chǎn)品；而水泥熟料中游離氧化鈣過(guò)低，往往呈過(guò)燒狀態(tài)，甚至是死燒，此時(shí)的熟料質(zhì)量缺乏活性，強(qiáng)度并不高，而且易磨性差，增加水泥粉磨電耗。

4　K1450水泥生料易燒性研究工具的應(yīng)用

4.1“易燒性”的定義

所謂“易燒性”是指水泥生料通過(guò)煅燒形成水泥熟料的難易程度。即實(shí)現(xiàn)煅燒目標(biāo)所需花費(fèi)的代價(jià)。煅燒代價(jià)應(yīng)視為生料粉磨至一定細(xì)度、在一定溫度條件下煅燒所需的時(shí)間，并將一定代價(jià)下達(dá)到目標(biāo)的程度、或者達(dá)到一定目標(biāo)所需的代價(jià)作為生料易燒性衡量的尺度。

4.2生料易燒性研究方法

4.2.1Christensen易燒性相關(guān)公式

丹麥Christensen等人提出了計(jì)算生料易燒性指標(biāo)（X）的實(shí)驗(yàn)相關(guān)參考公式：

式中：

LSF——石灰飽和系數(shù)

SM——硅酸率

K——+125μm方解石顆粒含量，%

Q——+44μm的石英顆粒含量，%

Christensen等人相關(guān)公式的變量范圍見(jiàn)表1。

表1　Christensen易燒性相關(guān)公式的變量范圍

4.2.2中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的生料易燒性實(shí)驗(yàn)方法

中國(guó)對(duì)生料易燒性的研究已建立了完整的實(shí)驗(yàn)方法，并已正式列為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 26566-2011），其易燒性實(shí)驗(yàn)方法基本上參照了Christensen等人的方法。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將?13mm×13mm壓塊成型的生料在1 000℃預(yù)燒后，分別放入1 350℃、1 400℃和1 450℃的高溫爐膛內(nèi)恒溫煅燒30min，以煅燒產(chǎn)物的fCaO作為生料易燒性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2.3K1450易燒性指數(shù)研究工具

本實(shí)驗(yàn)方法用于測(cè)定水泥生料煅燒成水泥熟料的難易程度。易燒性指數(shù)通過(guò)對(duì)水泥生料的化學(xué)成分、水泥生料在高溫爐內(nèi)煅燒后的游離氧化鈣在K1450模型上的計(jì)算得出。此指數(shù)將水泥生料的易燒性分為5個(gè)等級(jí)：＜30，易燒性極差；＞30且＜45，易燒性差；＞45且＜70，易燒性中等；＞70且＜140，易燒性好；＞140，易燒性極好。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）按照標(biāo)準(zhǔn)制備對(duì)應(yīng)于水泥生料的煤灰樣品；（2）按照實(shí)際生產(chǎn)中的耗煤量計(jì)算水泥生料與煤灰的配比，并按此比例配備一定量的混合原料；

（3）將配備好的混合原料摻加10%的蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，在壓力機(jī)上壓制水泥生料試塊；

（4）將水泥生料試塊置于耐高溫的托盤上，放在鼓風(fēng)式干燥箱內(nèi)105～110℃下烘干2h；

（5）將烘干后的試樣移至高溫爐內(nèi)，按照預(yù)先設(shè)定的程序升溫至1 450℃，并在1 450℃下保溫30min后取出，置于室溫下快速冷卻；

（6）將冷卻后的水泥熟料試樣粉磨成＜80μm的細(xì)粉，收集于樣品袋內(nèi)供游離氧化鈣的檢測(cè)；

（7）按照GB-T176-2008水泥化學(xué)分析方法測(cè)定游離氧化鈣；

（8）按照GB-T176-2008水泥化學(xué)分析方法用熒光分析儀測(cè)定水泥生料的化學(xué)成分；

（9）按照GB-1345—2005水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法對(duì)水泥生料測(cè)定200μm和80μm篩篩余；

（10）用X射線衍射儀測(cè)定＞125μm的方解石晶體含量和＞44μm粗顆粒石英晶體的含量。

4.3K1450研究工具的應(yīng)用案例

按照K1450實(shí)驗(yàn)方法，我們?nèi)蓚€(gè)工廠正常生產(chǎn)的生料在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行生料易燒性的測(cè)試，同時(shí)用已知易燒性指數(shù)的內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)生料樣品進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。值得強(qiáng)調(diào)的是，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)室馬弗爐狀態(tài)、化學(xué)分析測(cè)試游離氧化鈣進(jìn)行了同步監(jiān)控，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

我們對(duì)兩個(gè)工廠的水泥生料設(shè)計(jì)了不同的KH率值，并在1 450℃下做易燒性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)其中兩種水泥生料在不同溫度下做易燒性研究。我們對(duì)不同率值配比下的生料用XRF做了化學(xué)組分分析，并對(duì)易燒性水泥熟料試塊做fCaO測(cè)試，見(jiàn)表2、表3、表4所示。

由表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，水泥生產(chǎn)過(guò)程中這兩種水泥生料的粒度在常規(guī)控制范圍內(nèi)，88-1號(hào)水泥生料粒度比75-1號(hào)水泥生料略細(xì)，粗顆粒石英和方解石也在可接受范圍內(nèi)。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對(duì)KH-fCaO做圖分析（圖1、2）。

表2　75-1、88-1兩種生料不同粒度下的篩余，%

表3　參天（CTP）、地維（DWP）生料配入不同比例煤灰后的化學(xué)成分，%

表4　參天（CTP）、地維（DWP）生料配入不同比例煤灰后的率值、1 450℃煅燒后fCaO及K1450指標(biāo)，%

圖1　1450℃煅燒溫度下參天（CTP）fCaO與KH的關(guān)系

圖2　1450℃地維（DWP）fCaO與KH的關(guān)系

可以看出，同一煅燒溫度下，水泥生料的易燒性結(jié)果與水泥生料的KH基本上成線性的反比關(guān)系。線性比受不同生料特性的影響呈現(xiàn)不同的結(jié)果。

對(duì)75-4、88-4兩種水泥生料在不同煅燒溫度下做易燒性研究實(shí)驗(yàn)，測(cè)定游離氧化鈣，結(jié)果如表5所示。

將表5中數(shù)據(jù)用圖3表示，可以看出，在不同溫度煅燒的情況下，游離氧化鈣對(duì)數(shù)與溫度成良好的線性關(guān)系。根據(jù)兩者之間的線性關(guān)系，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定獲取特定游離氧化鈣時(shí)的煅燒溫度，這樣即可在工廠將煅燒溫度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，既能保證熟料游離氧化鈣的控制指標(biāo)，又能最大限度地節(jié)約能源，避免水泥熟料過(guò)燒情況的發(fā)生。

將表5中數(shù)據(jù)用圖4表示可知，同一種生料在不同溫度下煅燒后，熟料中游離氧化鈣的值與煅燒時(shí)的溫度成指數(shù)關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)中三種水泥生料的測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)樣品的易燒性更好，而且此生料樣品燒成范圍比較寬。而其余兩個(gè)工廠的水泥生料樣品易燒性較差，欲將燒成的熟料游離氧化鈣控制在1.5%以下，對(duì)燒成溫度要求比較高；另外，其燒成范圍比較窄，對(duì)水泥窯的操作要求比較高。

5　結(jié)語(yǔ)

利用K1450水泥易燒性研究工具，對(duì)不同的水泥生料配料方案設(shè)計(jì)多組交叉實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與歸納，幫助我們了解了水泥易燒性多項(xiàng)影響因素及其各項(xiàng)因素對(duì)水泥生料易燒性的影響原理。水泥生料易燒性受水泥生料化學(xué)組分的影響最大，對(duì)特定組分的水泥生料易燒性基本與石灰石飽和系數(shù)KH成線性反比關(guān)系，即KH值越高易燒性越差。同時(shí)，水泥生料易燒性與水泥生料的細(xì)度、水泥生料中＞125μm方解石的含量、＞45μm粗顆粒石英晶體的含量有著密切的聯(lián)系，將其控制在一定的范圍內(nèi)就不會(huì)對(duì)水泥生料易燒性的優(yōu)劣起決定性的作用。水泥生料易燒性的研究對(duì)水泥生料細(xì)度、KH值、水泥熟料煅燒時(shí)的溫度、fCaO和水泥中礦物組成等各項(xiàng)指標(biāo)的控制均有著指導(dǎo)意義。

表5　根據(jù)生料煅燒后fCaO取對(duì)數(shù)推導(dǎo)實(shí)際煅燒溫度的計(jì)算表

圖3　75-4（CTP）、88-4（DWP）、標(biāo)準(zhǔn)樣品（Ref）生料煅燒后fCaO對(duì)數(shù)與煅燒溫度的關(guān)系

圖4　75-4（CTP）、88-4（DWP）、標(biāo)準(zhǔn)樣品（Ref）生料煅燒后fCaO與煅燒溫度的關(guān)系

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TQ172.622.19

A

1001-6171（2015）03-0028-05

通訊地址：拉法基亞洲區(qū)實(shí)驗(yàn)室，北京100015；2014-09-15；編輯：趙蓮