熟料性能提升的研究

【摘要】隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為我國(guó)建材行業(yè)的主要基礎(chǔ)原材料之一的水泥取得了輝煌的成績(jī)，其產(chǎn)量已多年前位于世界領(lǐng)頭地位，為我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)提供了重要的物質(zhì)保障。水泥熟料的鍛燒是水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程中最重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，普通水泥組成中水泥熟料占了很大比例，水泥熟料產(chǎn)量與質(zhì)量的提高意味著水泥產(chǎn)量及質(zhì)量的提高。

硅酸鹽水泥熟料主要由鈣、硅、鋁、鐵四種元素的氧化物組成，約占熟料的95%，另5%為其他氧化物，如MgO、SO3、K2O、Na2O等。硅酸鹽水泥熟料中主要由四種礦物組成，即：硅酸三鈣，3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C3S，也稱為A礦，占50～60%，；硅酸二鈣，2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C2S，稱為B礦，占20～25%；鋁酸三鈣，3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫C3A，占5～10%；鐵鋁酸四鈣，4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡(jiǎn)寫C4AF，占10～15%。

本文針對(duì)某水泥公司2016年上半年熟料質(zhì)量存在的問(wèn)題及影響因素進(jìn)行分析研究，制定出解決問(wèn)題的措施并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

【關(guān)鍵詞】水泥；熟料；性能；研究

該公司自2016年3月份開窯生產(chǎn)以來(lái)，熟料質(zhì)量一直不盡人意，主要體現(xiàn)在：

（1）熟料堿含量高，標(biāo)準(zhǔn)稠度高，長(zhǎng)期持續(xù)在25.0%以上，熟料與減水劑的適應(yīng)性非常差。

（2）熟料早期強(qiáng)度很高，其3天抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定在35.0MPa左右，后期強(qiáng)度較低，28天抗壓強(qiáng)度最低只有54.0MPa左右，3-28天強(qiáng)度增長(zhǎng)率很低，最低只有19.0MPa。

除了熟料的化學(xué)成分和礦物組成影響著熟料的質(zhì)量外，熟料的煅燒質(zhì)量及冷卻效果也決定著熟料質(zhì)量的好壞。因此，改善熟料性能的研究應(yīng)從原燃材料、生料的配料及粉磨、熟料煅燒工藝和冷卻效果等工藝角度展開。

1、現(xiàn)狀

1.1原材料

熟料由生料粉經(jīng)高溫煅燒至熔融狀態(tài)后冷卻而成，而生料又由石灰石、粘土質(zhì)材料、鐵質(zhì)和硅質(zhì)校正材料以一定比例搭配粉磨而成。目前，采用的四組分配料方案，其中包括礦山自采石灰石，外購(gòu)的紅砂巖、硫酸渣、頁(yè)巖等，其化學(xué)成分見表1-1。

（1）石灰石

由表3-1可見，該公司礦山自采石灰石CaO含量為50.29%，MgO含量為0.53%，而且SiO2含量較低，易磨性好，但總堿量R2O較高。綜上所述，礦山自采石灰石品位較高，易磨性較好，但堿含量較高。

（2）頁(yè)巖

粘土質(zhì)材料以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，為熟料提供硅、鋁和鐵元素。頁(yè)巖含有一定的堿，是由云母、長(zhǎng)石等風(fēng)化、伴生、夾雜而帶入。風(fēng)化程度愈大，淋溶作用愈完全，可溶性堿水雨水沖刷帶走，一般含堿量愈低，反之，堿含量愈高。一般頁(yè)巖中的堿含量<3.0%時(shí)，熟料堿含量可以<1.0%。目前，該公司主要使用的粘土質(zhì)材料是頁(yè)巖，其SM在2.80左右，IM在2.3左右，堿含量2.5%左右。

（3）紅砂巖

砂巖是一種碎屑沉積巖，由石英顆粒和粘性物質(zhì)在高壓下膠結(jié)而成。根據(jù)膠結(jié)物不同分為長(zhǎng)石質(zhì)、粘土質(zhì)和鈣質(zhì)砂巖，按顏色分為紅砂巖、黃砂巖、白砂巖等。該公司目前使用的是紅砂巖，SiO2含量在70%～85%之間，堿含量2.0%左右。

（4）硫酸渣

鐵質(zhì)材料主要為熟料生產(chǎn)提供部分Fe2O3，該公司目前使用的鐵質(zhì)材料為硫酸渣，其為以硫鐵礦為原料制備硫酸的廢棄物，呈紅褐色、紫紅色粉末，F(xiàn)e2O3含量大于60%，堿含量基本在1.0%以內(nèi)。

1.2生料和熟料

熟料化學(xué)成份和礦物組成的選擇，一般應(yīng)根據(jù)原料和燃料的品質(zhì)、水泥的品種和強(qiáng)度等級(jí)、生料制備和煤粉制備及熟料燒成工藝綜合考慮，以達(dá)到設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低消耗的目的。熟料成份及率值組成確定后，即可根據(jù)所用原料化學(xué)成份進(jìn)行配料計(jì)算，得出符合熟料組成要求的原料配比。

生料的成份和顆粒特征直接影響到熟料燒成質(zhì)量和產(chǎn)量，生料率值的設(shè)計(jì)與調(diào)整直接影響至熟料的礦物組成、易燒性以及熟料的各項(xiàng)物理性能。目前，該公司的熟料三率值為飽和比0.92±0.02，硅酸率2.60～2.70，鋁氧率1.50～1.60，2016年1～5月份生、熟料成分、率值、礦物組成、過(guò)程質(zhì)量控制情況如下：

（1）從1月份到5月份，熟料飽和比月平均值在逐月下降，但立升重的月平均值卻逐步下降，游離氧化鈣月平均值更是逐步升高，特別在5月份，熟料的立升重常出現(xiàn)少于1200g/l的現(xiàn)象，f-CaO經(jīng)常出現(xiàn)高于2.0%的情況。說(shuō)明熟料煅燒溫度偏低，液相量形成量較少，CaO和SiO2反應(yīng)程度不夠熟料礦物形成不完善。

（2）熟料堿含量較高，1月份到5月份熟料堿含量基本在0.80%左右。適量的堿能降低最低共熔溫度，增加液相數(shù)量和降低液相粘度，并因此加快熟料礦物形成，因此適量熟料堿對(duì)熟料性能并不造成多少危害。但堿含量較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)燒成困難和預(yù)執(zhí)器堵塞等，同時(shí)，堿會(huì)與熟料礦物反應(yīng)生成對(duì)熟料性能有副作用的含堿礦物和固溶體KC23S12和NC8A3，因消耗了大量的SiO2將使C3S難以形成，進(jìn)而增加游離氧化鈣的含量。堿含量還會(huì)與熟料礦物反應(yīng)，如下：

12C3S+K2O→KC23S12+13CaO

12C2S+K2O→KC23S12+CaO

3C3A+Na2O→NaC8A3+CaO

這些含堿礦物特別是NC8A3的水化速度特別極快，加水后很短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)大量的水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物相互搭接，增大了漿體的塑性黏度和剪切應(yīng)力，因而熟料早期強(qiáng)度高、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量高，但堿與熟料中硅酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，破壞硅酸鹽礦物晶格，減少了硅酸鹽礦物總量，導(dǎo)致熟料后期強(qiáng)度下降。

1.3生產(chǎn)工藝

該公司擁有一條日產(chǎn)4800噸熟料的水泥生產(chǎn)線，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為Ф4.8×74m，配備NC-SST/I（NST-I）型在線式分解爐，窯尾高溫風(fēng)機(jī)風(fēng)量為860000m3/h的，窯頭冷卻機(jī)為NC42340型第三代篦冷機(jī)，共分為九個(gè)風(fēng)室十八臺(tái)風(fēng)機(jī)，總的冷卻面積為133.2m2。

該公司2016年1月至5月份，回轉(zhuǎn)窯熱工工況紊亂，熟料質(zhì)量大幅下滑，熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量高，28天抗壓強(qiáng)度低。主要體現(xiàn)在熟料煅燒溫度偏低、冷卻效果不理想，主要表現(xiàn)在：

（1）由于冷卻機(jī)效率低導(dǎo)致窯頭二次風(fēng)溫較低，4、5月份甚至低至1100℃以下，煤粉燃燒變慢導(dǎo)致窯尾溫度較高，有時(shí)甚至高至1200℃以上，表明煤粉在窯內(nèi)燒成帶并未完全燃燒，相當(dāng)一部分被氣流帶至窯尾煙室燃燒，導(dǎo)致火焰拉長(zhǎng)，火量不集中，燒成帶溫度偏低，也就是常說(shuō)的“低溫長(zhǎng)焰”。

（2）斜拉鏈?zhǔn)炝系臏囟让黠@逐月升高，特別在4、5月份，因氣溫逐漸升高，而篦冷機(jī)一段兩臺(tái)大功率風(fēng)機(jī)因振動(dòng)大，只能在低頻率運(yùn)行，導(dǎo)致熟料冷卻效果顯著下降。

2、熟料性能調(diào)整

2.1降低熟料堿含量

為降低熟料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，提高熟料后期強(qiáng)度及強(qiáng)度增長(zhǎng)率，于2016年6月份開始通過(guò)合理搭配礦山石灰石，改用堿含量較低的鋁質(zhì)校正材料，控制熟料堿含量<0.70%，原材料成分變動(dòng)如表2-1：

6月初通過(guò)調(diào)整生料配料方案，熟料堿含量基本控制在0.60%左右，具體數(shù)據(jù)見表2-2。

2.2提高冷卻效果

在5月底對(duì)這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行底座進(jìn)行更換，震動(dòng)減小，風(fēng)機(jī)工作頻率恢復(fù)到49Hz，熟料冷卻效果顯著改善，二、三次風(fēng)溫、風(fēng)量趨于穩(wěn)定，冷卻效果明顯上升，出篦冷機(jī)熟料溫度由之前的210℃左右下降至120℃左右。

經(jīng)過(guò)控制熟料堿含量、改善煤粉質(zhì)量以及入窯生料穩(wěn)定性的調(diào)整，從6月份開始試生產(chǎn)10天，窯上煅燒反應(yīng)良好，熟料質(zhì)量有所提升，熟料巖相中的A礦數(shù)量多，發(fā)育完善，尺寸合理，B礦分布均勻，且呈細(xì)長(zhǎng)交叉雙晶紋，中間相豐富，偶見點(diǎn)線狀C3A析出，但數(shù)量少，熟料物理性能前后對(duì)比見表1-1。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，熟料質(zhì)量大有好轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)稠度由原來(lái)的25.6下降到24.2，28天強(qiáng)度由原來(lái)的56.1MPa上升到59.7MPa，3天到28天增長(zhǎng)率由原來(lái)的20.7MPa上升到26.5MPa。

小結(jié)：

本文研究了熟料中堿含量以及熟料冷卻狀況對(duì)熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度及后期強(qiáng)度的影響，結(jié)論如下：

（1）熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨其堿含量增加而增加，熟料的后期強(qiáng)度隨其堿含量的增加而下降。

（2）熟料的冷卻效果對(duì)熟料性能影響較大，熟料冷卻效果差，屬慢冷熟料，熟料中A礦嚴(yán)重分解，游離氧化鈣含量增加，C3A析晶嚴(yán)重，導(dǎo)致熟料早期水化快，熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度上升，熟料早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度低。