二氧化硅性能及對水泥熟料煅燒的影響

王偉，劉旭月，李波，劉薇薇，潘沛

水泥熟料中所含的主要礦物C3S和C2S均是CaO和SiO2的煅燒產(chǎn)物。在水泥熟料煅燒過程中，CaO在SiO2晶格中的擴散速率比SiO2在CaO晶格中的擴散速率高4～5倍。雖然SiO2含量僅占水泥生料總量的14%左右，但SiO2顆粒的擴散速率是決定生料反應(yīng)能力的主要因素。本文對SiO2的性能及其對水泥熟料煅燒的影響作了一些探討。

1 生料的易燒性

生料易燒性是指水泥生料轉(zhuǎn)變?yōu)樗谕氖炝铣煞值碾y易程度，其通過原料的化學(xué)成分、礦物性能和細度來確定。水泥行業(yè)現(xiàn)用較多的易燒性指標確定公式為：

式中：

fCaO（1 400℃）——1 400℃時生料煅燒30min后，游離氧化鈣的含量

Q45——＞45μm的粗顆粒石英，以生料樣品中總的百分率表述

C125——＞125μm粗顆粒石灰石，以生料樣品中總的百分率表述

問題意識與問題提出是科學(xué)研究的出發(fā)點，也是有效開啟任何一種科學(xué)之門的鑰匙。引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，通過師生合作創(chuàng)造性地解決問題，既是新課改對教師的基本要求，也可以由此促進學(xué)生認知能力的發(fā)展和思維品質(zhì)的提高。在學(xué)習(xí)教材中的物理知識的同時，要讓學(xué)生利用一些物理現(xiàn)象，學(xué)到更多的物理知識和規(guī)律。要實現(xiàn)這些，就需要學(xué)生具備極強的問題意識，只有學(xué)生的頭腦中有了問題，才能實現(xiàn)對物理的深入學(xué)習(xí)。因此，在初中物理教學(xué)過程中，教師要讓問題意識扎根課堂，從而促進課堂教學(xué)效率的提高。

R45——＞45μm的其他酸性不溶物，以生料樣品中總的百分率表述

方程式前半部分表示生料化學(xué)成分性能所起的作用。從公式來看，石灰石飽和系數(shù)LSF、硅酸率SM越高，則fCaO的值越高，煅燒溫度也越高。方程式的后半部分則表示生料中不同礦物的細度對易燒性所起的作用。其中尤應(yīng)關(guān)注的是，水泥熟料主要原料中，＞45μm的粗顆粒SiO2及少量的酸性不溶物對易燒性有較大的影響。此外，＞125μm的石灰石顆粒對易燒性也有一定的影響。

式（1）所列的數(shù)值只是反映出SiO2對熟料易燒性的影響。當(dāng)LSF值變化1時，則影響fCaO數(shù)值變化0.343，當(dāng)生料樣品中＞45μm粗顆粒石英數(shù)值變化1%時，則影響fCaO的數(shù)值變化0.83。此外，＞45μm的其他酸性不溶物礦物顆粒對fCaO數(shù)值也有較大的影響。

由式（1）可知，在1 400℃煅燒溫度下進行生料易燒性試驗時，所得的fCaO數(shù)值若低，則燒成帶火焰溫度也低，生料易燒且易結(jié)粒。若生料易燒性試驗所得的fCaO數(shù)值高，則燒成帶火焰溫度也高，生料難燒且結(jié)粒差，易產(chǎn)生飛砂料。

水泥熟料煅燒時，人們往往重視熟料的率值，而忽略SiO2等不易煅燒原料的細度。本文就SiO2等不易煅燒原料的細度與SiO2礦物性能關(guān)系以及不同顆粒SiO2對熟料煅燒的影響作簡單敘述。

2 不易磨細的SiO2對熟料煅燒的影響

熟料煅燒過程中，生料若含有不易磨細的SiO2，此類粗顆粒SiO2不易和CaO作用生成C2S和C3S，導(dǎo)致游離氧化鈣（fCaO）的產(chǎn)生。在煅燒熟料過程中，人們習(xí)慣于控制CaO的數(shù)量，若遇到粗顆粒的SiO2時，不得不提高熟料的燒成溫度，增強C2S和fCaO的反應(yīng)能力，生成C3S。在此過程中，生成大晶格的C3S熟料顆粒，形成不易水化、強度較低的飛砂料；若生料中含有一些熔融溫度較低的化合物時，則會形成“雪人”。此類熟料粘附在窯口高溫耐火磚墻上或燃燒器上，影響熟料煅燒。上述熟料不僅會增加煅燒時的煤粉用量，還容易產(chǎn)生窯內(nèi)還原氣氛，不利于熟料煅燒。此外，大晶格C3S顆粒粉磨時，耗電量也高。

上述情況表明，若生料中含有大顆粒不易煅燒的SiO2顆粒，所生成的飛砂、“雪人”熟料，不僅熱耗高，而且電耗高，還經(jīng)常出現(xiàn)影響生產(chǎn)的種種因素。解決方法之一是改變熟料率值，另一種方法是提高生料粉磨的細度，但是會增加生料粉磨電耗；較好的辦法是更換易粉磨的SiO2礦物，這樣生料易粉磨，易煅燒，還可提高熟料強度?，F(xiàn)就SiO2礦物選用方法介紹如下。

3 SiO2礦物的選用

3.1 SiO2礦物存在的形式

（1）SiO2自然礦物賦存產(chǎn)出情況

SiO2自然產(chǎn)出最多的為結(jié)晶質(zhì)石英礦物（SiO2），隱晶質(zhì)的石髓（包括瑪瑙、燧石）、碧玉，還有含水的蛋白石SiO2·nH2O。結(jié)晶Si-O四面體四個頂角的氧相互連接，鍵荷飽和、結(jié)構(gòu)力強、內(nèi)能小而穩(wěn)定。其熔點高達1 728℃，在熟料煅燒時不會熔融出[SiO4]4-，只能以溶出的方式解離出[SiO4]4-，活化難度大。

圖1 石英礦物的晶體形態(tài)

石英礦物在自然界生成時隨溫度有多種變化，見圖1，但無論石英礦物如何變晶，其結(jié)構(gòu)總是架狀Si-O結(jié)構(gòu)體，解聚難度幾乎是一樣的。實踐證明，結(jié)晶SiO2是Si-O結(jié)構(gòu)中解聚能量最高的結(jié)構(gòu)型式。

（2）SiO2石英礦物在水泥原料中的自然賦存量

SiO2石英礦物自然賦存量見表1。由表1可以看出，煅燒水泥熟料選用的粘土、沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖等礦物中含有不同含量的結(jié)晶SiO2。其特點是結(jié)晶SiO2含量高，燒成中解聚Si-O結(jié)構(gòu)體較難，能耗高。選用巖漿巖中的酸性噴出巖、中性巖、基性巖和變質(zhì)巖等巖礦原料時，結(jié)晶SiO2少，有節(jié)能的潛力。

3.2 SiO2的結(jié)構(gòu)類型

硅酸鹽礦物中存在的Si-O結(jié)構(gòu)體有5種類型9種形式，見表2。不同形式的Si-O性能如下：

（1）硅酸鹽礦物中島狀Si-O結(jié)構(gòu)比自然產(chǎn)出的SiO2（石英類礦物）結(jié)構(gòu)簡單。

（2）原料中硅酸鹽礦物一般都有OH結(jié)構(gòu)，OH結(jié)構(gòu)以水的形式脫掉后，礦物就會產(chǎn)生分解，Si-O結(jié)構(gòu)絡(luò)陰離子團就會游離出來，解聚Si-O結(jié)構(gòu)變得簡單，可以在較低溫度下解聚出[SiO4]4-與CaO反應(yīng)。

（3）凡是含Si-O結(jié)構(gòu)絡(luò)陰離子團的硅酸鹽礦物都是復(fù)雜化學(xué)成分組合的礦物，在水泥燒成分解熔融過程中，礦物內(nèi)部能調(diào)析出新礦物（包括Si-Ca新礦物），此類礦物的熔點偏低、燒成熱耗低。

3.3 SiO2結(jié)構(gòu)形式的節(jié)能選擇

硅質(zhì)原料選擇的前提是節(jié)能、減排、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。依據(jù)資源，有以下幾種選擇方向：

（1）架狀、層狀Si-O結(jié)構(gòu)的結(jié)晶石英礦物多及隱晶的高嶺石礦物多的沉積巖型原料，主要是粘土、泥質(zhì)巖和砂巖、粉砂巖。Si-O結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是高耗能原料，煅燒熟料時，較非晶質(zhì)（除石英巖外）的SiO2原料多約4.18×（200～350）kJ/kg能耗。

表1 SiO2石英礦物在水泥原料中的自然賦存量

表2 Si-O結(jié)構(gòu)類型

（2）非晶質(zhì)（除石英類外）的SiO2原料，主要是巖漿噴出巖、礦渣等。在高溫急冷后，Si-O結(jié)構(gòu)鍵斷裂，形成較簡單Si-O結(jié)構(gòu)體。其特點是SiO2含量高，鍵斷裂活性增高，同高、中品位石灰石匹配，分解點與共熔點接近，易燒性好。

（3）Si-O結(jié)構(gòu)為絡(luò)陰離子及離子團的硅酸鹽礦物多的原料，主要是表2中的鏈狀、環(huán)狀和島狀Si-O結(jié)構(gòu)多的硅酸鹽礦物原料。這類巖石所含的硅酸鹽礦物中Si-O結(jié)構(gòu)礦物O共價鍵少、鍵荷不飽和、分解點低、熔點低、熔體粘度低、反應(yīng)快，相應(yīng)能耗也低。

（4）硅酸鹽礦物中Si-O結(jié)構(gòu)的解聚能耗高低順序為：架狀結(jié)構(gòu)＞層狀結(jié)構(gòu)＞鏈狀結(jié)構(gòu)＞環(huán)狀結(jié)構(gòu)＞島狀結(jié)構(gòu)。一般原料都是多種Si-O結(jié)構(gòu)礦物的混合體，主要是看哪種Si-O結(jié)構(gòu)體占比多少來判定其在燒成中的節(jié)能特性。

在原料的選擇上，能耗隨原料中Si-O結(jié)構(gòu)類型和組合比例而變化。一般是：粘土＞沉積巖＞巖漿巖＞變質(zhì)巖。變質(zhì)巖能耗低，潛在能量高，有節(jié)能潛力。如熱液變質(zhì)的銅鉛鋅尾礦較非晶質(zhì)（石英類除外）的SiO2原料的熱耗低4.18×（150～300）kJ/kg，較結(jié)晶石英的熱耗更低約4.18×500kJ/kg。

Si-O結(jié)構(gòu)節(jié)能選擇方向為：結(jié)晶SiO2（石英顆粒）比例少，層狀結(jié)構(gòu)（高嶺石顆粒）SiO2少，含鏈狀、環(huán)狀、島狀Si-O結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物多。

以上是從SiO2的結(jié)構(gòu)來闡明節(jié)能選擇的方向，但從實際生產(chǎn)來看，在選用砂巖時往往是SiO2含量越高、粉磨能耗越高、顆粒越難于磨細，熟料煅燒溫度和能耗也越高。而SiO2含量低的礦物，往往是易磨且易煅燒。因此，在滿足配料要求的前提下，應(yīng)盡可能選用SiO2含量低的礦物，如磁鐵等其他金屬的尾礦。此類礦石SiO2含量稍低，但能滿足配料率值的要求，十分有利于生產(chǎn)。需要說明的是，任何礦物均應(yīng)按程序進行原料性能檢測，以檢測結(jié)果為依據(jù)。

4 結(jié)語

熟料煅燒過程中，SiO2顆粒含量僅占生料總量的14%，但對熟料形成起著關(guān)鍵的作用。在原料專業(yè)工作中，應(yīng)充分考慮此特征，選用粉磨能耗低但適合煅燒的SiO2原料，以利于生產(chǎn)質(zhì)量高、煅燒耗能低的水泥熟料。