張旭
國(guó)內(nèi)金屬鎂大多以煅燒白云石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑冶煉而成。鎂渣是金屬鎂在冶煉過(guò)程中經(jīng)1 250℃高溫煅燒產(chǎn)生的廢渣,鎂渣中含有部分硅酸鹽礦物C2S和少量CaF2,可應(yīng)用于水泥熟料的生產(chǎn)。鎂渣在水泥熟料的生產(chǎn)過(guò)程中能起到晶種的作用,可降低水泥熟料礦物晶體的成核勢(shì)能,促進(jìn)晶體的形成;同時(shí),鎂渣中含有的CaF2還具有礦化劑的作用,能夠促進(jìn)水泥生產(chǎn)時(shí)硅酸鹽礦物的形成,改善水泥生料的易燒性。冷卻后的鎂渣的物理形態(tài)為粉狀固體,其超細(xì)粉含量很高,鎂渣易磨性非常好,應(yīng)用于水泥生產(chǎn)時(shí),不僅能夠顯著增加水泥生料中的超細(xì)粉含量,而且可以有效提高生料的細(xì)度和反應(yīng)活性。
我公司地處山西省運(yùn)城地區(qū),該地區(qū)金屬鎂冶煉企業(yè)較多,鎂渣產(chǎn)出量大,部分金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物鎂渣化學(xué)分析見(jiàn)表1。從表1可看出,鎂渣燒失量差距較大,CaO含量較接近,MgO含量均在6.5%~8.0%,成分較為穩(wěn)定,當(dāng)?shù)厮嗥髽I(yè)大多采用鎂渣配料進(jìn)行水泥熟料的生產(chǎn)。本文將對(duì)我公司水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)用鎂渣后的熟料煅燒、摻量調(diào)整及作為混合材的使用情況等進(jìn)行介紹,供業(yè)界同仁參考。
表1 部分金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物鎂渣化學(xué)分析,%
公司生料配料原采用四組分配料,分別為石灰石、砂巖、爐渣和鋼渣,自2019年開(kāi)始應(yīng)用鎂渣(本地區(qū)金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物)進(jìn)行五組分配料(化學(xué)分析見(jiàn)表2),生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料。進(jìn)廠鎂渣外觀呈土黃色,水分含量12%~18%,所含Mg3N2與水反應(yīng)可生成氨氣,進(jìn)廠鎂渣有強(qiáng)烈的刺鼻氣味。
表2 公司五組分配料原材料化學(xué)分析,%
試驗(yàn)通過(guò)在生料中添加5%~12%不同摻量的鎂渣,并分別采用鎂渣與鋼渣、鎂渣與銅渣的配料方案,在公司2 500t/d生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行中,對(duì)比不同配料方案熟料強(qiáng)度和窯運(yùn)行情況的變化。鎂渣應(yīng)用初期,試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3,熟料化學(xué)成分、礦物組成、率值及抗壓強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表4。
由表3、表4可知,當(dāng)生料中鎂渣配比為5%時(shí),對(duì)熟料強(qiáng)度并無(wú)明顯影響;當(dāng)生料中鎂渣配比提高至12%時(shí),熟料3d抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯提高,但28d抗壓強(qiáng)度卻由53MPa大幅提高至60MPa左右。另外,通過(guò)此次試驗(yàn)還可以看出,銅渣作為鐵質(zhì)校正材料,對(duì)熟料28d抗壓強(qiáng)度的提高也起到了一定作用。
表3 鎂渣應(yīng)用初期,試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對(duì)比(2019年)
表4 鎂渣應(yīng)用初期試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案熟料化學(xué)成分、礦物組成、率值及抗壓強(qiáng)度對(duì)比(2019年)
此次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),生料中摻加鎂渣對(duì)窯系統(tǒng)運(yùn)行影響較大。主要表現(xiàn)在,摻加鎂渣后,窯內(nèi)28~40m結(jié)圈嚴(yán)重,試驗(yàn)期間兩次停窯,燒結(jié)的熟料結(jié)粒疏松、不致密,并時(shí)有黃芯料出現(xiàn),fCaO波動(dòng)較大。雖然采取了調(diào)整噴煤管內(nèi)外風(fēng)比例、移動(dòng)噴煤管位置等措施,但后結(jié)圈仍生長(zhǎng)掉落頻繁,嚴(yán)重時(shí)窯尾負(fù)壓由300Pa上升至1 500Pa,窯尾漏料嚴(yán)重。8月23日、24日,由于窯內(nèi)結(jié)圈嚴(yán)重,窯投料量分別減至130t/h、140t/h,熟料fCaO分別達(dá)到4.48%、5.01%,24日3d、28d抗 壓 強(qiáng) 度 僅為23.6MPa、48.5MPa。
經(jīng)分析,在生料中加入鎂渣,尤其是鎂渣摻量>10%時(shí),生料易燒性得到了極大的改善,熟料燒成溫度顯著降低。但在加入鎂渣后,由于未及時(shí)采取增加窯系統(tǒng)產(chǎn)量、提高熟料KH、SM等措施降低燒成溫度或提高生料的耐火度,從而導(dǎo)致入窯物料太過(guò)易燒。同時(shí),由于調(diào)整過(guò)程中,生料和窯系統(tǒng)工況易產(chǎn)生波動(dòng),最終造成窯內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)圈。后期通過(guò)提高熟料KH、C3S、摻加鎂渣,提高了熟料的3d抗壓強(qiáng)度。
2020年鎂渣應(yīng)用期間,生料配比情況見(jiàn)表5,熟料化學(xué)成分、礦物組成及率值見(jiàn)表6,熟料物理性能見(jiàn)表7。
結(jié)合表5、表6、表7可看出,盡管3月份的鎂渣摻量已達(dá)10%,但由于熟料KH較低(0.920),C3S含量為56.48%,熟料3d抗壓強(qiáng)度僅30.5MPa,28d抗壓強(qiáng)度為56.2MPa。5月份時(shí),將鎂渣摻量增至13%、熟料KH提高至0.948、C3S含量增至64.61%,熟料3d抗壓強(qiáng)度提高至34.2MPa、28d抗壓強(qiáng)度為56.4MPa。6月份時(shí),鎂渣摻量仍保持13%、熟料KH進(jìn)一步提高至0.963、C3S含量為62.52%,熟料3d抗壓強(qiáng)度提高至40.7MPa、28d抗壓強(qiáng)度提高至59.8MPa,達(dá)到最高值。9月份時(shí),鎂渣摻量降至8%、熟料KH進(jìn)一步提高至0.964、C3S含量為64.52%,熟料3d抗壓強(qiáng)度為37.5MPa、28d抗壓強(qiáng)度為56.0MPa。11月份時(shí),鎂渣摻量為10%、熟料KH進(jìn)一步提高至0.984、C3S含量增加至69.40%,熟料3d抗壓強(qiáng)度為37.3MPa、28d抗壓強(qiáng)度為57.5MPa,強(qiáng)度仍保持較高水平。由以上數(shù)據(jù)可知,通過(guò)提高熟料KH、增加熟料中C3S含量,當(dāng)鎂渣摻量≥8%時(shí),可明顯提高熟料3d和28d抗壓強(qiáng)度,同時(shí)隨著鎂渣摻量的增加,熟料強(qiáng)度也會(huì)顯著提升。
表5鎂渣應(yīng)用期間生料配比情況(2020年),%
表6 鎂渣應(yīng)用期間熟料化學(xué)成分(%)、礦物組成(%)及率值(2020年)
表7 鎂渣應(yīng)用期間熟料物理性能(2020年)
使用鎂渣配料前后,生料易燒性對(duì)比見(jiàn)表8。從表8可看出,生料中摻加鎂渣,可顯著改善生料的易燒性,摻加鎂渣后,熟料的易燒性指數(shù)由0.91降至0.04;提高熟料KH和SM后,熟料易燒性指數(shù)又恢復(fù)至0.88,熟料液相量也較使用鎂渣前降低了1.17%,這是在使用鎂渣配料后,避免窯內(nèi)頻繁結(jié)圈、保持窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
表8 鎂渣配料前后生料易燒性對(duì)比(2020年)
摻加鎂渣前后,生料輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。從生料輥磨運(yùn)行情況來(lái)看,與未摻加鎂渣時(shí)相比,摻加10%鎂渣后,由于生料配料各減少了5%左右的石灰石和砂巖,生料易磨性明顯提高,生料輥磨產(chǎn)量提高了15t/h。由于入磨鎂渣本身含有10%左右的水分,在工藝操作上,主要是提高入磨風(fēng)溫及輥磨的烘干能力。
表9 摻加鎂渣前后,生料輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)
鎂渣煅燒溫度為1 000℃~1 200℃,比熟料煅燒溫度低,所以鎂渣中的MgO比水泥熟料中的MgO引起的水泥石的膨脹率低。盡管加入鎂渣后,使水泥中的MgO含量增高,但水泥的安定性并無(wú)明顯變化。在鎂渣成功應(yīng)用于熟料燒成后,考慮到鎂渣本身也與熟料一樣含有C3S和C2S等礦物,且含有較高含量的fCaO、MgO(我公司使用的鎂渣fCaO含量約為2.0%),尤其是粒狀鎂渣長(zhǎng)期存放會(huì)發(fā)生粉化和體積膨脹現(xiàn)象,推測(cè)鎂渣應(yīng)具有一定的潛在活性,可作為混合材用于水泥生產(chǎn)。本文將不同摻量鎂渣代替礦渣粉作為P·S·B32.5水泥混合材,研究鎂渣對(duì)P·S·B32.5水泥性能的影響。試驗(yàn)用熟料粉配比見(jiàn)表10,不同摻量鎂渣P·S·B32.5水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。
從表10、表11可以看出,用鎂渣代替3.0%~8.0%礦渣時(shí),配制的P·S·B32.5水泥的3d抗壓強(qiáng)度由17.7MPa降低至15.0MPa,28d抗壓強(qiáng)度由47.7MPa降至42.4MPa,二者均呈下降趨勢(shì);但用鎂渣代替5%和10%的爐渣或代替5%石灰石時(shí),配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強(qiáng)度卻明顯提高,由17.7MPa提高至19.6MPa。用鎂渣代替10%的石灰石時(shí),配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強(qiáng)度基本與不摻鎂渣的P·S·B32.5水泥持平。用5%鎂渣代替爐渣或石灰石時(shí),配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有降低,但當(dāng)鎂渣摻量>10%時(shí),則配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強(qiáng)度明顯下降,由47.7MPa降至44.6MPa、45.6MPa。
表10 試驗(yàn)用熟料粉配比
表11 不同鎂渣摻量P·S·B32.5水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
在礦渣中摻入鎂渣后,輥磨運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表12。由表12可知,加入鎂渣后,礦渣輥磨產(chǎn)量明顯提高,但由于鎂渣含水10%,會(huì)造成輥磨出口溫度有一定程度下降。同時(shí),用鎂渣代替一定比例的礦渣后,會(huì)顯著改善礦渣輥磨物料的易磨性,可提高礦渣輥磨產(chǎn)量3~5t/d。
表12 礦渣中摻入鎂渣后輥磨運(yùn)行數(shù)據(jù)(2021年)
(1)鎂渣中CaO占48%~52%,可替代5%左右的結(jié)晶完整、晶粒粗大的石灰石進(jìn)行水泥生料配料,改善生料易燒性;鎂渣中SiO2占20%~30%,可替代4%~5%的結(jié)晶完整、晶粒粗大的砂巖進(jìn)行水泥生料配料,改善生料易燒性;鎂渣中含有部分CaF2,可以起到礦化劑和晶種的作用,改善生料的易燒性。
(2)水泥生料中摻入鎂渣可明顯提高生料的易燒性,大幅提高熟料的3d、28d抗壓強(qiáng)度。為充分發(fā)揮鎂渣的作用,其在生料中的摻加比例應(yīng)≥8.0%。在生料中摻入鎂渣的同時(shí),應(yīng)相應(yīng)提高熟料的KH、SM及C3S含量,不僅可提高熟料強(qiáng)度,也可提高生料的耐火度,防止生料過(guò)于易燒,造成窯內(nèi)結(jié)圈事故。
(3)在水泥生產(chǎn)過(guò)程中加入適當(dāng)比例的鎂渣代替水泥中的石灰石和爐渣等非活性混合材,可提高水泥的3d抗壓強(qiáng)度。