熟料28d強(qiáng)度較低的原因分析及解決措施

李承光，楊茂鑫

我公司現(xiàn)有一條6 000t/d熟料帶9MW純低溫余熱發(fā)電的新型干法水泥生產(chǎn)線，窯系統(tǒng)配置為雙系列五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器、噴騰式在線管道分解爐、? 5m×74m回轉(zhuǎn)窯及高效空氣梁篦式冷卻機(jī)。生料配料采用四組分配料，分別為石灰石、粘土、粉石英和銅渣。該生產(chǎn)線自2016年8月投產(chǎn)以來，生產(chǎn)運(yùn)行正常，產(chǎn)量一直保持在6 600t/d以上，但熟料28d強(qiáng)度卻一直處于55～58MPa之間，與我公司設(shè)定的內(nèi)控指標(biāo)（28d抗壓強(qiáng)度≥60MPa）相差較大，造成水泥生產(chǎn)成本上升。針對(duì)上述問題，公司組織技術(shù)人員進(jìn)行了分析和研究，查找原因，并采取了一系列富有成效的措施，使熟料28d強(qiáng)度達(dá)到了公司設(shè)定的內(nèi)控指標(biāo)。本文將對(duì)此進(jìn)行介紹，供同仁參考。

1 原燃材料情況

1.1 原燃材料的化學(xué)成分

各種原燃材料的化學(xué)成分見表1，原煤的工業(yè)分析見表2。

1.2 原材料的特性

將所有原材料樣品送廣西大學(xué)進(jìn)行X射線衍射分析及掃描電鏡分析，結(jié)果如下：

石灰石：礦山石灰石品位呈東西向分布。東面石灰石呈黑灰色，主要礦物為方解石，含有較多石英，但石英晶粒細(xì)小，尺寸為20～30μm，屬于易燒性較好的石灰石。西面石灰石呈灰白色，主要礦物為方解石，晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)均勻，屬高品位的優(yōu)質(zhì)石灰石。

粘土質(zhì)原料：粘土原料礦山分層較嚴(yán)重，有粘土及黑頁巖兩種。礦山表層及中層以粘土為主，底層是黑頁巖。粘土為黃色塊狀，水分較高，主要粘土礦物為伊利石、蒙脫石和綠泥石，并含有少量石英，石英晶粒尺寸為10～20μm，堿含量為1.6%左右。黑頁巖為黑灰色致密塊狀，主要粘土礦物為高嶺石和綠泥石，并含有石英和少量方解石，石英晶粒尺寸為5～15μm，堿含量最高，為2.8%左右。粘土質(zhì)原料的化學(xué)反應(yīng)活性較好。

粉石英：呈黃白色粉狀，主要礦物為石英，含有少量高嶺石。石英晶粒尺寸在30～45μm范圍內(nèi)，分布均勻，比粘土質(zhì)原料的晶粒稍粗。粉石英的化學(xué)反應(yīng)活性稍差，但堿含量很低。

銅渣：銅渣為冶煉銅時(shí)排出的工業(yè)廢渣，為深黑色粉狀，銅渣中主要礦物為磁赤鐵礦和鐵橄欖石，其他為玻璃體。銅渣除了含有Si、Al、Fe、Ca、Mg的氧化物外，還含有一定數(shù)量的K、Na、Zn、Mn、Ti、Cu、Pb、As和P的氧化物，銅渣中的鐵元素主要以Fe2+的形式存在。

表1 原燃材料化學(xué)成分，%

表2 原煤工業(yè)分析，%

2 熟料巖相分析

選取正常煅燒成的熟料送廣西大學(xué)做巖相分析，通過巖相分析發(fā)現(xiàn)：

熟料中出現(xiàn)較多孔洞，A礦晶體大小不均勻，形狀不規(guī)則，晶體尺寸為15～40μm，最大尺寸為50μm。A礦周圍環(huán)繞著析出的小顆粒C2S晶體呈花環(huán)狀結(jié)構(gòu)。B礦以礦巢為主，形狀不規(guī)則，晶體碩大，晶體尺寸為60～80μm，最大尺寸為100μm，B礦表面有平行晶紋。黑色中間相為板片狀。

熟料巖相分析表明，在煅燒過程中，熟料溫度偏低且冷卻明顯過慢。

3 影響熟料28d強(qiáng)度的原因分析

3.1 熟料硅酸鹽礦物含量少

我公司一直采用較低SM的配料方案煅燒，熟料SM控制在2.5以下，熟料中的C3S+C2S含量在75%左右。之前也曾嘗試過較高的SM，但窯況惡化，產(chǎn)量下降，細(xì)粉料多，游離鈣偏高，加上生產(chǎn)任務(wù)較重，只能按較低的SM進(jìn)行配料。

硅酸鹽礦物是影響熟料強(qiáng)度的主要因素，熟料強(qiáng)度取決于水泥熟料中硅酸鹽礦物的含量。羅云峰等[1]人的研究認(rèn)為，C3S不僅影響早期強(qiáng)度，而且也影響熟料的28d強(qiáng)度；C2S對(duì)早期強(qiáng)度影響不大，卻是決定28d強(qiáng)度的主要因素。熟料28d強(qiáng)度與C3S的含量相關(guān)性不太好，卻與C3S+C2S含量的相關(guān)性較好，說明C2S對(duì)熟料28d強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。熟料中C3S+C2S的含量越高，則熟料28d抗壓強(qiáng)度相對(duì)越高。要提高熟料28d抗壓強(qiáng)度，必須在提高熟料C3S含量的同時(shí)提高熟料C3S+C2S的含量，即要堅(jiān)持較高的KH、高SM配方，熟料中C3S+C2S含量最好＞77%。

3.2 熟料堿含量偏高

對(duì)原材料的分析顯示，熟料中的堿主要來自于粘土質(zhì)原料中的黑頁巖。我公司粘土質(zhì)原料礦山位于二級(jí)公路旁邊，受礦山地理位置限制，投產(chǎn)后的較長一段時(shí)間，對(duì)堿含量不同的粘土和黑頁巖無法分別開采，進(jìn)廠粘土質(zhì)原料堿含量高且波動(dòng)大，致使熟料中的堿含量偏高，最高達(dá)到0.81%。據(jù)資料介紹，堿和熟料礦物反應(yīng)生成含堿礦物KC23S12和NC8A3，這將使C3S難以形成，熟料中A礦含量就會(huì)降低而影響強(qiáng)度。堿含量高還會(huì)導(dǎo)致C3S和C3A等礦物的水化加速，使熟料早期強(qiáng)度高而后期強(qiáng)度低。

在配料方案及操作參數(shù)基本相同的情況下，我公司生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，出窯熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見表3及圖1。

由表3及圖1可以看出，熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，并且隨堿含量的增高，熟料28d抗壓強(qiáng)度下降明顯。這與資料[2]中的研究結(jié)果一致。

表3 熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖1 熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 熟料燒成溫度偏低

巖相分析結(jié)果表明，我公司熟料燒成溫度偏低。通過窯頭看火孔觀察，火焰雖發(fā)亮但偏黃，說明火焰溫度略低，這也驗(yàn)證了窯內(nèi)煅燒溫度偏低的現(xiàn)狀。粉石英作為生料組分之一，反應(yīng)活性稍差，但用量少，同時(shí)銅渣中Zn、Cu、Pb、P等微量元素具有礦化作用，銅渣所含的FeO能降低燒成溫度和液相粘度[3]，加之SM較低，使生料過于易燒，生料高溫承荷力較低，液相形成溫度低，液相量大。如果繼續(xù)提高燒成溫度，會(huì)使窯內(nèi)出現(xiàn)長厚窯皮及結(jié)圈、結(jié)大球等現(xiàn)象。

從提高熟料強(qiáng)度的角度出發(fā)，熟料的液相量應(yīng)該是和高溫有關(guān)，而不是配料所致，高的燒成溫度，充分的燒結(jié)反應(yīng)是熟料高強(qiáng)度的重中之重[4]。煅燒溫度的提高，使熟料礦物晶體結(jié)構(gòu)更為合理，有利于提高熟料礦物晶體中5～20μm晶體的比例。熟料礦物晶體中，5～20μm晶體比例的提高，有利于提高熟料強(qiáng)度。煅燒溫度對(duì)熟料強(qiáng)度至關(guān)重要，應(yīng)力求將煅燒溫度控制在1 450℃以上。

3.4 熟料夾有較多黃心料

我公司煅燒出來的熟料結(jié)構(gòu)不甚致密，結(jié)粒略顯不均，易產(chǎn)生大顆粒熟料，粒徑最大達(dá)80mm，部分大顆粒熟料表現(xiàn)為外表面黑色，內(nèi)部棕黃色，游離氧化鈣含量雖不高，但后期強(qiáng)度降低明顯。挑選這種黃心料做強(qiáng)度試驗(yàn)，其28d抗壓強(qiáng)度較正常熟料低5～7MPa。

由于窯內(nèi)空氣過剩系數(shù)低，氧氣不充足，銅渣中的Fe2+在窯內(nèi)煅燒時(shí)，未能充分氧化成Fe3+，加上熟料中Fe2O3含量較高，增加了Fe3+還原成Fe2+的機(jī)會(huì)和數(shù)量，導(dǎo)致黃心率增加，從而影響熟料質(zhì)量的提高。Fe2+進(jìn)入C3S晶格中，引起C3S分解成C2S和fCaO，導(dǎo)致C3S的實(shí)際含量小于化學(xué)分析結(jié)果計(jì)算的含量。

3.5 熟料冷卻過慢

我公司熟料顆粒尺寸過大的比例較多，熟料未能得到有效的急冷，影響了熟料的冷卻。對(duì)熟料進(jìn)行的巖相分析也表明，我公司熟料冷卻速率過慢。熟料慢冷會(huì)使已生成的C3S分解，礦物晶體會(huì)異常長大，對(duì)熟料強(qiáng)度產(chǎn)生影響，影響水泥的水化速率和活性。

已煅燒成的高溫熟料急冷后，可使A礦晶體停止發(fā)育，保持晶體細(xì)小和晶格缺陷，位錯(cuò)密度大，同時(shí)使熟料中液相形成晶體的數(shù)量減少，玻璃相增加，從而提高熟料的水化速率和強(qiáng)度。急冷的另一好處是B礦保留高溫型α "-C2S，冷卻快的熟料中α "型B礦含量豐富，相當(dāng)數(shù)量的高活性α "型B礦的存在，無疑會(huì)有利于熟料強(qiáng)度的提高。

4 采取的措施

4.1 改變配料方案

為了提高熟料硅酸鹽礦物含量，降低熟料堿含量，減少黃心料的產(chǎn)生，我們采取提高熟料SM，適當(dāng)降低熟料Fe2O3及Al2O3含量，特別是Fe2O3含量的配料方案。該方案主要是通過降低生料中粘土質(zhì)原料的配比，增加粉石英配比，減少銅渣配比來實(shí)現(xiàn)。新配料方案與原配料方案相比，粘土質(zhì)原料的配比由原來的15.5%降到12%左右，粉石英的配比由原來的1.5%提高到4.3%左右，銅渣的配比由原來的2.2%降到1.9%左右，生料中堿含量由0.43%左右降到0.30%以下。該配料方案配出的熟料中，硅酸鹽礦物含量達(dá)到了77.21%，C3S含量為58.32%，調(diào)整后的熟料三率值為：KH=0.90±0.02，SM=2.55±0.1，AM=1.5±0.1；熟料Al2O3=4.9%～5.2%，R2O＜0.5%。粉石英配比及SM的提高，使得生料易燒性明顯下降，煅燒難度增加，導(dǎo)致熟料產(chǎn)量相對(duì)降低。經(jīng)短暫的過渡后，熟料產(chǎn)量恢復(fù)正常，公司決定繼續(xù)選用高SM的配料方案，以獲得28d強(qiáng)度更高的熟料。

4.2 加強(qiáng)原燃材料的質(zhì)量控制

（1）加強(qiáng)石灰石進(jìn)庫前的質(zhì)量控制。根據(jù)石灰石礦山東面和西面的質(zhì)量分布狀況，確定合理的搭配比例，穩(wěn)定和提高進(jìn)庫石灰石質(zhì)量，每4h對(duì)進(jìn)庫石灰石快速檢驗(yàn)一次，確保進(jìn)庫石灰石CaO＞52.5%。

（2）針對(duì)粘土質(zhì)原料礦山堿含量分層嚴(yán)重的特點(diǎn)，分別開采粘土和黑頁巖，以礦山表中層低堿粘土為主，適當(dāng)開采部分底層高堿黑頁巖，進(jìn)廠時(shí)分堆存放，按比例搭配使用，通過搭配將入預(yù)均化堆場粘土R2O控制在1.8%以內(nèi)。

（3）為確保煤質(zhì)穩(wěn)定，公司決定只采購?fù)幻涸吹氐臒熋?，進(jìn)廠煤的控制指標(biāo)Qnet，ad＞23MJ/kg，Aad＜30%，Vad控制在18%左右。與此同時(shí)，改變原煤均化方式，采取“六堆等量堆存，隔堆依次填齊，水平等長取煤”的均化方法。經(jīng)過調(diào)整，入窯煤粉灰分標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定在0.6以下。

4.3 統(tǒng)一操作方法，優(yōu)化操作參數(shù)

（1）調(diào)整窯頭用煤量及窯尾用煤量比例，逐步增加窯頭用煤量，減少分解爐用煤量，窯頭用煤量比例由原來的40%左右提高到43%左右。調(diào)整后，窯尾廢氣溫度下降了約10℃，廢氣帶走的熱量有所減少；窯頭用煤量增加后，燒成溫度有所提高，熟料結(jié)粒情況好轉(zhuǎn)，二次風(fēng)溫提高約30℃。

（2）適當(dāng)將燃燒器向窯口方向退出，并加大一次風(fēng)用量，控制好內(nèi)風(fēng)和外風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)速比例，內(nèi)風(fēng)閥門開度100%，外風(fēng)閥門開度50%～70%。通過調(diào)整，為煤粉的燃燒提供了足夠的空間，加快了煤粉燃燒速度，縮短了窯內(nèi)冷卻帶長度，火焰溫度有所提高，二次風(fēng)溫繼續(xù)得到提高，達(dá)到了1 210～1 260℃。

（3）適當(dāng)拉大窯尾排風(fēng)，將高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從880r/min調(diào)整到905r/min（高溫風(fēng)機(jī)電流提高至169A），這既保證了產(chǎn)量，又有效地避免了黃心料的產(chǎn)生。適當(dāng)關(guān)閉三次風(fēng)管閘閥，減小三次風(fēng)量，加大窯內(nèi)的通風(fēng)，保證熟料燒成溫度在1 450℃以上，即窯頭看火時(shí)要始終看到白色的火焰。

（4）在生產(chǎn)過程中，采用薄料快燒的操作方法，在窯系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下盡量提高窯速，窯速由原來的4.1r/min提高到4.4r/min。降低窯內(nèi)物料填充率，以減小窯內(nèi)通風(fēng)阻力，有利于熱傳導(dǎo)，防止產(chǎn)生大顆粒熟料，熟料易冷卻。

（5）在實(shí)際生產(chǎn)中要注意風(fēng)、煤、料三者的合理匹配，增加喂料量的同時(shí)要加煤，加煤的同時(shí)要加風(fēng)，風(fēng)煤同步，增大窯內(nèi)的通風(fēng)量，以保證煤粉完全燃燒，徹底消除窯內(nèi)還原氣氛。

4.4 加強(qiáng)篦冷機(jī)的操作及維護(hù)

（1）加強(qiáng)篦冷機(jī)的操作，尤其是高溫段的淬冷操作，加大冷卻風(fēng)量，強(qiáng)化急冷，盡量使高溫段的熟料得到快速冷卻。運(yùn)行時(shí)根據(jù)篦速及二次風(fēng)溫，合理調(diào)整閥板開度，做到合理用風(fēng)。

（2）控制好篦速，保證篦冷機(jī)篦床料層厚度在50～60cm之間，以提高二、三次風(fēng)溫。

（3）定期檢查篦冷機(jī)鎖風(fēng)閥是否失控漏風(fēng)。檢修時(shí)清理風(fēng)機(jī)群濾網(wǎng)及管道積灰，重點(diǎn)檢查充氣梁及篦縫，減少阻力，確保風(fēng)路暢通。

5 效果

實(shí)踐證明，我公司為提高熟料28d強(qiáng)度所采取的措施是有效的。主要表現(xiàn)為窯內(nèi)煅燒良好，窯前火焰白亮，物料被帶起高度較高。出窯熟料結(jié)粒細(xì)小均齊，細(xì)粉料含量少，直徑大部分在30mm，直徑≥80mm的顆粒幾乎沒有，熟料呈深黑色帶有金屬光澤，圓滑密實(shí)，升重達(dá)1 290g。自2017年10月中旬開始，熟料28d強(qiáng)度不斷提高，目前熟料強(qiáng)度均保持在60MPa以上，最高達(dá)到了65MPa，超過了內(nèi)控指標(biāo)要求，取得了良好的效果。