淤沙替代粉砂巖配料煅燒熟料的實(shí)踐

朱精瑞 劉繼斌 顏新傳

葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 荊門 448000

淤沙替代粉砂巖配料煅燒熟料的實(shí)踐

朱精瑞 劉繼斌 顏新傳

葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 荊門 448000

漢江淤沙配料比砂巖配料生產(chǎn)的熟料fCaO含量高，易燒性差；漢江淤沙配料，水泥的初凝時(shí)間及終凝時(shí)間延長(zhǎng)，各齡期強(qiáng)度降低；適當(dāng)提高熟料的KH和SM，熟料中fCaO的含量增大，水泥的凝結(jié)時(shí)間縮短，各齡期強(qiáng)度提高；適當(dāng)提高熟料煅燒溫度，熟料致密度增加，熟料中fCaO的含量顯著降低，水泥的凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，各齡期抗壓強(qiáng)度顯著提高。利用淤沙配料，噸熟料淤沙的用量在0.2 t以上，可以幾乎不用粉煤灰等鋁質(zhì)校正材料，三組分配料即可。生產(chǎn)上適當(dāng)提高配料的飽和比及硅率，適當(dāng)提高熟料的煅燒溫度，同樣可生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的熟料。但淤沙配料，熟料中的堿含量有一定提高，難以用于生產(chǎn)低堿水泥。

淤沙 粉砂巖 配料 煅燒 易燒性 fCaO 強(qiáng)度

0 引言

自然資源是有限的，減少自然資源使用量和礦山開采對(duì)自然生態(tài)的破壞，是水泥企業(yè)應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。而充分利用各種大量堆積的廢棄物，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，又是我們水泥企業(yè)能夠做到的。葛洲壩（鐘祥）水泥有限公司坐落于漢水之濱，具有利用漢江淤沙作為校正原料的先天優(yōu)勢(shì)。如果能用漢江淤沙完全替代砂巖，則年可利用漢江清淤?gòu)U棄物25萬(wàn)t，減少砂巖礦山資源開采量30萬(wàn)t，減少農(nóng)田占用50畝。同時(shí)可減少挖掘和長(zhǎng)距離運(yùn)輸產(chǎn)生的道路揚(yáng)塵，可降低對(duì)道路沿線居民的粉塵污染。本文就淤沙替代粉砂巖配料煅燒熟料的實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)介紹。

1 使用漢江淤沙存在的問(wèn)題

鐘祥公司位于漢江之濱，漢江淤沙較多，我公司嘗試使用石灰石、鐵礦石、淤沙、黏土四組分配料方案。使用的硅質(zhì)校正原料淤沙的化學(xué)成分見表1。

表1 硅質(zhì)校正原料淤沙的化學(xué)成分 %

該淤沙礦物組成主要以石英為主，含長(zhǎng)石、云母等，硬度大、結(jié)構(gòu)致密。其作為硅質(zhì)校正原料，其含有粗大結(jié)晶硅，解決粗大結(jié)晶硅對(duì)煅燒的不利影響，是充分利用該淤沙的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

2 生產(chǎn)初期生料及熟料特性

2.1 生料配比及細(xì)度調(diào)整

鐘祥公司將生料細(xì)度控制為0.2 mm篩余小于2%，0.08 mm小于15%。一段時(shí)間的生產(chǎn)結(jié)果是：熟料28 d強(qiáng)度比較低，不能滿足市場(chǎng)需求。配比調(diào)整后熟料檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2，熟料巖相分析見圖1。

表2 配比調(diào)整后熟料檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 熟料的巖相分析

從圖1看，A礦短柱狀、多邊板狀，晶粒大?。?.005 mm～0.040 mm；晶形規(guī)則，棱角較尖銳，邊線平直。B礦渾圓形，邊緣光滑，表面交叉條紋；晶粒大?。?.010 mm～0.050 mm。少量B礦巢內(nèi)存有反應(yīng)殘余不溶物。黑色中間相呈點(diǎn)滴狀，fCaO圓形，分散分布。

從礦物特征來(lái)看，主要表現(xiàn)在礦物大小均齊，晶形規(guī)則，但顆粒較小，表明窯內(nèi)氧化氣氛基本正常。A礦晶粒較小、晶形規(guī)則，棱角較尖銳，說(shuō)明窯內(nèi)熟料煅燒溫度低。黑色中間相呈點(diǎn)滴狀，說(shuō)明熟料中玻璃相較多，熟料冷卻效果好。少量B礦巢內(nèi)存有反應(yīng)殘余不溶物，表明生料細(xì)度較粗，有部分結(jié)晶游離硅沒(méi)有參加反應(yīng)或反應(yīng)不完全。

2.2 實(shí)驗(yàn)修正

直接摻入漢江淤沙之后熟料28 d強(qiáng)度低，工藝組將原材料送至集團(tuán)中心實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室制備硅酸鹽水泥熟料采用的工業(yè)原料有：石灰石、漢江淤沙、砂巖、粉煤灰和鐵粉等。原料化學(xué)成分分析見表3；分別用砂巖和漢江淤沙為硅質(zhì)原料配料，設(shè)計(jì)熟料率值見表4；按照設(shè)計(jì)率值配料，配制熟料的化學(xué)成分及礦物組成見表5。

表3 原料化學(xué)成分分析 %

表4 設(shè)計(jì)生料率值 %

2.2.1 生料制備

將各原料配合，在試驗(yàn)球磨機(jī)中磨細(xì)，細(xì)度控制在0.080 mm篩篩余小于12%，制得生料。將生料加水拌合均勻，制成Φ 60 mm×8 mm的料餅，烘干，備燒。

2.2.2 熟料煅燒及水泥制備

將各組試樣料餅在硅鉬棒電爐中煅燒，煅燒條件為1 450 ℃×50 min，爐內(nèi)降溫至1 300 ℃取出，空氣中自然冷卻，制得熟料。為考察溫度對(duì)熟料煅燒及水泥性能的影響，取B2生料在1470 ℃× 50 min條件下煅燒。將水泥熟料破碎，以95%熟料+5%磷石膏經(jīng)實(shí)驗(yàn)球磨機(jī)磨細(xì)（細(xì)度0.080 mm 篩篩余小于3%），制得硅酸鹽水泥。

表5 熟料的化學(xué)成分與礦物組成 %

2.2.3 水泥水化機(jī)理

采用甘油-乙醇法測(cè)定熟料中fCaO含量，D/max-rA 型X射線衍射儀測(cè)試水泥熟料及水化漿體的礦物組成，S-2500 型掃描電子顯微鏡和反光顯微鏡觀察水化產(chǎn)物的形貌。將試樣按水灰比0.30 加水，成型為20 mm×20 mm×20 mm凈漿試體，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定3 d、7 d和28 d各齡期的抗壓強(qiáng)度，水泥凝結(jié)時(shí)間用Ф 4 cm×4 cm圓柱試模測(cè)定。

2.3 結(jié)果分析及討論

2.3.1 生料的易燒性

選取A2和B2（KH=0.90，SM=2.6，IM=1.6）兩種配料，按照 GB/T26566—2011進(jìn)行易燒性試驗(yàn)，煅燒溫度1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃，用甘油-乙醇法測(cè)定煅燒試樣中的fCaO 含量。由圖2可見，1 350 ℃下煅燒，熟料中 fCaO的含量較高，都在5%以上；1 400 ℃下燒制的熟料中fCaO的含量有了較大幅度的降低；在1 450 ℃下煅燒，熟料中fCaO 的含量均在1.50%以下，熟料燒成良好。但用淤沙配料，1 400 ℃以下燒制的熟料中fCaO 的含量明顯高于砂巖配料，1 450 ℃下煅燒，兩種配料熟料中fCaO的含量無(wú)明顯差別，但淤沙配料的熟料仍然高于砂巖配料。說(shuō)明淤沙配料生料的易燒性較差。主要是由于淤沙中的 SiO2以結(jié)晶形態(tài)存在，高溫下的反應(yīng)性能較差所致。

圖2 不同煅燒溫度下試樣的fCaO含量

2.3.2 KH對(duì)熟料煅燒及水泥性能的影響

（1）熟料中fCaO的含量。

選不同KH配料的A1、A2、A3及B1、B2、B5 （KH=0.88、0.90、0.92，SM=2.6，IM=1.6）試樣，在1 450 ℃下煅燒（B2試樣在1 470 ℃下煅燒，記為 C2)，測(cè)定了試樣中的fCaO含量，見圖3。

圖3 不同KH、SM及煅燒溫度試樣的fCaO含量

在1 450 ℃下煅燒，熟料燒結(jié)較致密，燒成良好。由圖3可見，KH提高，熟料中fCaO含量增加。漢江淤沙配料時(shí)，熟料中fCaO含量比砂巖配料高。這與易燒性試驗(yàn)結(jié)果相一致。

（2）熟料的礦物形成。

分別對(duì) A2 和 B1、B2、B5 熟料進(jìn)行 XRD 圖譜分析，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，試樣A2 和 B1、B2、B5 的主要結(jié)晶礦物為C3S（d=3.02、2.17、1.76、1.62）、C2S（d=2.77、2.74、2.60）、C3A（d=2.68）以及 C4AF（d=7.29），熟料礦物衍射峰尖銳，礦物形成良好。另外，從圖4 可以看出，B2 試樣 C3S 的衍射峰低于 A2 試樣，說(shuō)明采用漢江淤沙配料不利于 C3S 的形成。

圖4 熟料的XRD分析圖譜

圖5 和圖6 是對(duì) A2 和 B2 熟料的反光顯微鏡分析。由分析知，兩種配料燒制的熟料中 A 礦結(jié)晶良好，呈六角板狀和短柱狀，有一定的包裹物，尺寸 20μ m ～35μ m 之間，含量相對(duì)較高，占礦物總量的 60%以上；B 礦的形貌為不規(guī)則狀和圓形顆粒狀，尺寸較小，在5μ m ～15μ m 之間，含量在 20%左右；中間相交錯(cuò)分布于 A礦和 B 礦之間，黑色中間相較多，白色中間相較少，含量在 20%左右。對(duì)比 A2 和 B2 熟料礦物，主要差別是B2 熟料中有些 A 礦呈現(xiàn)一定程度熔蝕，邊棱不齊，這與淤沙中雜質(zhì)成分多、燒成時(shí)液相偏多相關(guān)。

圖5 A2熟料的反光顯微鏡照片

圖6 B2熟料的反光顯微鏡照片

圖7和圖8是對(duì)A2 和B2熟料的SEM分析。SEM分析與反光顯微鏡分析反映的熟料中礦物的形成情況基本相一致。

圖7 A2熟料的掃描電鏡照片

圖8 B2熟料的掃描電鏡照片

（3）水泥性能。

試驗(yàn)測(cè)得不同KH淤沙和砂巖配料試樣的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度如圖9和圖10所示。由圖9可以看出，漢江淤沙配料比砂巖配料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都延長(zhǎng)。因?yàn)橛偕持杏泻﹄s質(zhì)成分多，有礙C3S等礦物的形成。由前述光學(xué)顯微鏡及SEM分析已知，主要礦物C3S呈現(xiàn)一定程度熔蝕，邊棱不齊，將影響其水化進(jìn)程。XRD分析亦顯示，淤沙配料比砂巖配料熟料中C3S礦物的衍射峰低，形成量少，這同樣影響到水泥的水化及凝結(jié)。

圖9 不同KH試樣的凝結(jié)時(shí)間

圖10 不同KH試樣的抗壓強(qiáng)度

由圖10可見，隨著KH值的升高，水泥的各齡期抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)采用漢江淤沙配料時(shí)，水泥的抗壓強(qiáng)度較砂巖配料的有所降低。 因?yàn)樵跐h江淤沙中含有較多的有害雜質(zhì)，其中 R2O 的含量接近4%，較高的堿含量使得液相粘度增加，并且在低溫下形成含堿固溶體礦物，阻礙fCaO 的吸收及 C3S礦物的形成。另一方面漢江淤沙 SiO2的結(jié)晶比砂巖好，也直接影響熟料在煅燒過(guò)程中 C3S 礦物的形成，均導(dǎo)致水泥抗壓強(qiáng)度降低。

2.3.3 SM及煅燒溫度對(duì)熟料煅燒及水泥性能的影響

（1）熟料中 fCaO 的含量。

由圖3中B2、B3和B4試樣可見，試樣中fCaO的含量隨著SM的增大而增大。因?yàn)镾M增大，液相量減少，離子的移動(dòng)和擴(kuò)散速率減緩，礦物形成困難，所以fCaO 的含量相應(yīng)增大。適當(dāng)提高煅燒溫度可降低熟料中 fCaO 的含量，促進(jìn)礦物形成。

（2）熟料礦物的形成。

分別對(duì)B2、B3、B4和C2熟料做XRD圖譜分析,結(jié)果見圖11。由圖11可以看出，B2、B3、B4和C2熟料的主要結(jié)晶礦物C3S、C2S以及C3A各熟料礦物衍射峰尖銳，礦物形成良好。另外，從圖11中可以看出，隨著SM的升高，C3S 的衍射峰明顯升高,說(shuō)明C3S的含量隨著SM的升高而增加。同樣的KH時(shí)，提高SM則C3S的形成量增加。

圖11 B2、B3、B4和C2熟料的XRD分析圖譜

另由圖11還可以看出，C2試樣C3S礦物的衍射峰高于B2試樣，說(shuō)明在1 470 ℃的煅燒溫度下，熟料中C3S的含量增加。因?yàn)樘岣哽褵郎囟?，可使液相量增加，液相粘度降低，促進(jìn)CaO和C2S的溶解和擴(kuò)散，有利于C3S的形成。

（3）水泥性能。

在1 450 ℃下煅燒的B2、B3和B4 試樣及在1 470 ℃下煅燒的 C2 試樣的凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度如圖12 和圖 13 所示。

由圖12和圖13可以看出，隨著熟料SM值的增大，煅燒溫度的升高，熟料的初凝和終凝時(shí)間都明顯縮短，水泥的各齡期強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。尤其是煅燒溫度提高，水泥的初凝時(shí)間縮短及各齡期強(qiáng)度的提高更顯著。這與C3S的形成良好相關(guān)，與XRD分析相吻合。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）漢江淤沙配料比砂巖配料生產(chǎn)的熟料fCaO含量高，易燒性差。

圖12 不同SM及溫度試樣的凝結(jié)時(shí)間

圖13 不同SM及溫度試樣的抗壓強(qiáng)度

（2）漢江淤沙配料，水泥的初凝時(shí)間及終凝時(shí)間延長(zhǎng)，各齡期強(qiáng)度降低。

（3）適當(dāng)提高熟料的KH和SM，熟料中fCaO的含量增大，水泥的凝結(jié)時(shí)間縮短，各齡期強(qiáng)度提高；適當(dāng)提高熟料煅燒溫度，熟料致密度增加，熟料中fCaO的含量顯著降低，水泥的凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，各齡期抗壓強(qiáng)度顯著提高。

利用淤沙配料，噸熟料淤沙的用量在0.2 t以上，可以幾乎不用粉煤灰等鋁質(zhì)校正材料，三組分配料即可。生產(chǎn)上適當(dāng)提高配料的飽和比及硅率，適當(dāng)提高熟料的煅燒溫度，同樣可生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的熟料。但淤沙配料，熟料中的堿含量有一定提高，難以用于生產(chǎn)低堿水泥。

3 配料調(diào)整及優(yōu)化煅燒方案

3.1 配料調(diào)整

根據(jù)上述中心實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)和分析，專家組結(jié)合鐘祥公司的窯線情況首先做了配料調(diào)整。熟料三率值由KH=0.90±0.02、SM=2.55±0.10、IM=1.50±0.10調(diào)整為KH=0.92±0.01、SM=2.65±0.10、IM=1.60±0.10，適當(dāng)提高熟料飽和比和硅酸率、鋁氧率。

3.2 優(yōu)化煅燒方案

針對(duì)熟料礦物巖相分析，以及中心化驗(yàn)室提供的基礎(chǔ)信息，尋找到合理的配料。我們?cè)阽娤楣粳F(xiàn)有的工藝裝備下，進(jìn)行工藝調(diào)整。首先生料粉磨控制指標(biāo)以及預(yù)分解窯用一次風(fēng)壓力進(jìn)行了調(diào)整，適當(dāng)降低生料產(chǎn)量(臺(tái)時(shí))，將生料細(xì)度由原來(lái)的0.08 mm篩余小于15%調(diào)整到小于11%；同時(shí)進(jìn)一步控制煤粉細(xì)度，將煤粉細(xì)度盡量控制在2%左右。為進(jìn)一步提高熟料煅燒溫度，我們采用降低一次風(fēng)用量，同時(shí)為獲得較大的一次風(fēng)動(dòng)量，提高一次風(fēng)壓力，將一次風(fēng)壓力由廠家提供的35 kPa提高到45 kPa，一次風(fēng)量由原來(lái)的42 Hz降低到37 Hz。同時(shí)包括噴煤管位置，三次風(fēng)閘板等工藝設(shè)備也進(jìn)行了相應(yīng)的微調(diào)。操作上調(diào)整系統(tǒng)溫度控制，適當(dāng)降低入窯物料分解率，嚴(yán)格控制尾溫。

4 調(diào)整結(jié)果

通過(guò)近半年在鐘祥公司的實(shí)踐來(lái)看，鐘祥公司的熟料不論從外觀還是內(nèi)在品質(zhì)都有了較大的改觀。28 d熟料強(qiáng)度提高了4 MPa，平均達(dá)到了57 MPa以上，熱工制度穩(wěn)定的情況下能到達(dá)60 MPa，其熟料質(zhì)量在葛洲壩水泥集團(tuán)內(nèi)處于中上水平，而且水泥制品的使用性能也有較大幅度提高。調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)見表6和圖14。

表6 調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)

圖14 調(diào)整后熟料的巖相分析

我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)撿的熟料外觀呈灰黑色，致密，熟料斷面較好，有一定的金屬光澤。從圖14可知，A礦呈短柱狀、多邊板狀，晶粒大?。?.005 mm～0.055 mm；晶形規(guī)則，棱角尖銳，邊線平直。B礦呈渾圓形，邊緣光滑，表面交叉條紋；晶粒大?。?.010 mm～0.060 mm。B礦巢內(nèi)存有反應(yīng)殘余不溶物較少。黑色中間相呈點(diǎn)滴狀，fCaO呈圓形，分散分布?？傮w來(lái)看達(dá)到了調(diào)整目的，窯內(nèi)煅燒溫度得到了提高，游離硅明顯減少，并且A礦比較多。

5 結(jié)束語(yǔ)

我公司在保證熟料28 d強(qiáng)度≥58 MPa，同時(shí)不增加熟料熱耗的前提下，充分利用漢江清淤泥沙完全替代砂巖作為硅質(zhì)校正材料，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料。漢江淤沙作為硅質(zhì)校正原料，其含有粗大結(jié)晶硅，解決粗大結(jié)晶硅對(duì)煅燒的不利影響，是充分利用漢江淤沙的重點(diǎn)、難點(diǎn)。實(shí)踐證明，突破難點(diǎn)，不僅要優(yōu)化原燃材料、配料方案、更新工藝方案、選粉機(jī)、煅燒設(shè)備等，還要充分利用化學(xué)分析儀器，提升生產(chǎn)管理精細(xì)化，提高操作人員技能。

TQ172.4

B

1008-0473(2016)04-0040-07 DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.04.009

2016-03-28）