湖南某水泥用灰?guī)r礦廢石搭配綜合利用試驗(yàn)

申錫坤

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊(duì)，湖南 株洲 412001)

湖南某水泥用灰?guī)r礦是一水泥生產(chǎn)線的配套石灰質(zhì)原料礦山，已探明資源儲(chǔ)量8300萬t。此外，礦區(qū)范圍內(nèi)尚有夾石910萬t，地表覆蓋層300萬t，礦層頂板40萬t，合計(jì)廢石1250萬t。為綜合利用這些廢石[1-3]，防止其排放對(duì)生態(tài)環(huán)境[4]的破壞，使礦山滿足綠色礦山建設(shè)[5]的要求，本文通過水泥用灰?guī)r礦搭配廢石實(shí)驗(yàn)室流程試驗(yàn)[6]，包括易磨性試驗(yàn)和易燒性試驗(yàn)等，對(duì)礦山廢石作為水泥原料可用性進(jìn)行了研究，經(jīng)證實(shí)，廢石按一定比例搭配可作水泥生產(chǎn)的原料，其易磨性、易燒性以及生料、熟料、水泥產(chǎn)品的質(zhì)量均較好。研究成果對(duì)礦山生產(chǎn)過程中廢石綜合利用具有一定參考意義。

1 礦床地質(zhì)特征簡(jiǎn)述

礦區(qū)出露的地層由老到新有下石炭統(tǒng)巖關(guān)階下段(C1y1)、下石炭統(tǒng)巖關(guān)階上段(C1y2)、下石炭統(tǒng)大塘階石磴子段(C1d1)和第四系(Q)，其中下石炭統(tǒng)大塘階石磴子段(C1d1)和第四系(Q)為水泥用灰?guī)r礦及廢石的賦存層位(圖1)。

圖1 礦區(qū)典型4號(hào)勘查線綜合剖面簡(jiǎn)圖

1.1 礦體特征

該礦床水泥用石灰?guī)r礦體賦存于下石炭統(tǒng)大塘階石磴子段(C1d1)地層中。礦體為一向斜構(gòu)造，部分地段略彎曲而呈弧形，向斜軸整體走向?yàn)?0°～250°，近似東西向，軸以南，傾角25°，軸以北，傾角20°～25°，含礦層區(qū)域向斜軸長(zhǎng)約2400m。按巖性特征及賦存層位，礦區(qū)劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)礦層。

Ⅰ礦層，賦存于石磴子段第六層(C1d1-6)地層中，位于向斜上部，其形態(tài)與Ⅱ礦層相似，受風(fēng)化剝蝕作用影響，沿走向往北西逐漸尖滅，沿走向控制長(zhǎng)578.4m，地表出露水平寬243.2～339.4m，厚度48.48～73.66m，傾向延伸133.7～273.4m。巖性以灰色含泥質(zhì)灰?guī)r為主，偶夾泥灰?guī)r。主要化學(xué)成分及含量：CaO 45%～48%，平均47.43%；MgO 0.5%～1.5%，平均1.46%；K2O+Na2O ＜0.4%，平均0.480%；SO30.3%～0.5%，平均0.340%；Cl-0.002%～ 0.005%，平均0.0053%；fSiO2＜3.0%，平均3.57%。

Ⅱ礦層，賦存于石磴子段第五層(C1d1-5)地層中，位于向斜中、上部，地表形態(tài)為寬條帶狀，沿走向、傾向、厚度方向連續(xù)對(duì)應(yīng)，沿走向控制長(zhǎng)1500m，地表出露水平寬為398.6～1145.4m，厚度34.33～205.75m，傾向延伸272.9～864.5m。巖性為灰—深灰色中厚層狀隱晶質(zhì)灰?guī)r夾云質(zhì)灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r。主要化學(xué)成分及含量：CaO 50%～53%，平均50.73%；MgO 0.5%～1.5%，平均1.39%；K2O+Na2O 0.2%～0.4%，平均0.323%；SO3＜0.3%，平均0.282%；Cl-一般0.005%～ 0.015%，平均0.0064%；fSiO2＜2.0%，平均2.05%。

1.2 夾層特征

礦區(qū)內(nèi)夾層賦存于石磴子段第六層(C1d1-6)地層中，位于Ⅰ礦層中下部，產(chǎn)狀與Ⅰ礦層一致，呈條帶狀分布，貫穿整個(gè)Ⅰ礦層，沿走向、傾向連續(xù)性較好，出露較穩(wěn)定。走向控制長(zhǎng)590.5m，地表出露水平寬為22.39～116.95m，厚度19.55～33.55m。巖性為泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r、泥巖。主要化學(xué)成分及含量：CaO 40%～45%，平均43.32%；MgO 0.5%～1.50%，平均1.63%；SiO22.18%～ 18.14%，平均10.5%；Al2O30.74%～7.18%，平均3.02% ；K2O+Na2O 0.181%～ 1.519%，平均0.833%；SO30.060%～1.090%，平均0.568%；Cl-0.0033%～0.0097%，平均0.0049%；L.O.I 32.91%～42.67%，平均36.75%；fSiO21.56%～ 12.46%，平均6.27%。

1.3 頂板特征

Ⅰ礦層頂板賦存于下石炭統(tǒng)大塘階石磴子段第七層(C1d1-7)地層中，其形態(tài)與Ⅰ礦層相似，受風(fēng)化剝蝕作用影響沿走向往東、往西逐漸尖滅。沿走向控制長(zhǎng)286.7m，地表出露水平寬為90.1m，厚度25.48～39.00m。巖性以泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾含碳質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。主要化學(xué)成分及含量：CaO 40%～45%，平均38.90%； MgO 0.5%～1.5%，平均1.04%；K2O+Na2O 0.208%～1.881%，平均0.503%；SO30.040%～1.285%，平均0.310%；fSiO22.04%～8.42%，平均4.85%。

1.4 覆蓋層特征

礦區(qū)內(nèi)覆蓋層賦存于第四系(Q)地層中，廣泛分布于礦區(qū)溝谷、山坡及地勢(shì)低洼地帶，厚度0～25.87m，平均7.52m。由黏土夾石英粉砂巖、砂礫巖巖屑和巖塊組成。主要化學(xué)成分及含量：SiO260%～70%，平均63.65%；Al2O315%～20%，平均17.05%；Fe2O36%～9%，平均7.77%；鋁氧率(AM)平均2.19；硅酸率(SM)平均2.56%。有害組分及含量：MgO為0.00%～0.65%，平均0.10%；K2O+Na2O 0.139%～4.659%，平均2.228%；SO30.004%～ 0.350%，平均0.036%。

2 實(shí)驗(yàn)室流程試驗(yàn)

2.1 原、燃料種類與特點(diǎn)

本次試驗(yàn)采用石灰質(zhì)原料、硅鋁質(zhì)原料、硅質(zhì)校正料、鐵質(zhì)原料、煤矸石混合材料等五種作為原料配料，煙煤或無煙煤作為熟料燒成原料，脫硫石膏或氟石膏作為緩凝劑[7]。

(1)石灰質(zhì)原料。

本次采用本礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ礦層灰?guī)r，夾層及頂板泥質(zhì)灰?guī)r，作為石灰質(zhì)原料。

(2)硅鋁質(zhì)原料及硅質(zhì)校正料。

本次采用礦區(qū)覆蓋層黏土作為硅鋁質(zhì)原料；采用石牛寨礦區(qū)的石英砂巖和興寧鎮(zhèn)的石英砂巖作為硅質(zhì)校正料。石英巖尾礦塊度≤400mm，水分≤13.0%，其化學(xué)成分及含量：CaO 0.23%，MgO 0.25%，SiO293.57%，Al2O32.79%，F(xiàn)e2O30.88%，SO30.02%，L.O.I 1.37%，R2O 0.12%。

(3)燃料煤。

本次采用北方火車站煙煤作為熟料燒成燃料，粒度≤50mm，水分≤10.0%，其工業(yè)分析結(jié)果：Mar含量9.7%，Mad含量1.89%，Aad含量19.01%，Vad含量29.18%，(Qnet，ad)為23382KJ/kg，(St,ad)含量0.56%；其化學(xué)成分及含量：CaO 3.64%，MgO 0.49%，SiO261.09%，Al2O328.19%，F(xiàn)e2O33.86%，SO31.24%。

(4)石膏。

來源于華潤集團(tuán)鯉魚江電廠工業(yè)附產(chǎn)品脫硫石膏和橋口氟化工廠的氟石膏，為粉末狀，脫硫石膏水分含量≤17.0%，氟石膏水分含量≤1.5%，其化學(xué)成分及含量見表1。

表1 脫硫石膏和氟石膏化學(xué)成分及含量(單位：%)

(5)混合材。

來源于華潤電力和三都電廠的爐渣、粉煤灰，以及當(dāng)?shù)氐臒Y(jié)煤矸石、玄武巖。爐渣、玄武巖、燒結(jié)煤矸石混合材的塊度≤50mm，其中爐渣水分含量≤17.2%，玄武巖水分含量≤4.1%，燒結(jié)煤矸石水分含量≤6.0%；粉煤灰為電廠干排粉煤灰，其水分含量≤0.5%。

(6)鐵質(zhì)原料。

采用郴州豐越環(huán)?？萍加邢薰竞统恢蓁枬h(huán)?？萍加邢薰镜挠猩饘倩以鳛殍F質(zhì)校正料，塊度≤50mm，水分含量≤3.9%，其化學(xué)成分及含量見表2。

表2 有色金屬灰渣化學(xué)成分及含量 (單位：%)

2.2 采樣種類、方法及其代表性

石灰質(zhì)原料為本礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ礦層灰?guī)r，夾層及頂板泥質(zhì)灰?guī)r；硅鋁質(zhì)原料為本礦區(qū)黏土。

取樣方法：地表為刻槽法(規(guī)格5cm×3cm)，鉆孔為劈芯法。每種類型試驗(yàn)樣品均在多處探槽內(nèi)及鉆孔巖心中采取，后按各類型分別進(jìn)行混合均化。石英砂巖、粉煤灰、煙煤、鐵質(zhì)原料及石膏等均屬采購而來。各類原料試驗(yàn)樣基本情況見表3。

表3 各類原料試驗(yàn)樣基本情況一覽表

本礦區(qū)灰?guī)r礦石、夾層、頂板及黏土的主要有益、有害組分波動(dòng)及平均含量與所采試驗(yàn)樣的化學(xué)成分對(duì)比見表4、表5。

表4 石灰質(zhì)試樣有益、有害組分含量對(duì)比表 (單位：%)

表5 黏土質(zhì)試樣有益、有害組分含量對(duì)比表

表4、表5表明，采集的4件石灰質(zhì)原料樣及1件黏土質(zhì)原料樣主要有益、有害組分均與其礦區(qū)的平均含量接近，且均符合試驗(yàn)樣取樣質(zhì)量要求，具有較好的代表性，能滿足試驗(yàn)要求。

2.3 流程試驗(yàn)

流程試驗(yàn)包括易磨性[8-9]和易燒性[10-11]試驗(yàn)兩種。

2.3.1 易磨性試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)方法。

參照GB/T 26567-2011《水泥原料易磨性試驗(yàn)方法(邦德法)》[12]執(zhí)行。

(2) 試驗(yàn)方案。

試驗(yàn)方案分單獨(dú)原料、組合原料方案。單獨(dú)試驗(yàn)原料分Ⅰ礦層灰?guī)r、Ⅱ礦層灰?guī)r、夾層、頂板、石英砂巖、黏土和鐵質(zhì)原料等7種。組合試驗(yàn)原料由部分單獨(dú)原料按一定配合比進(jìn)行組合而成(表6)。

表6 組合原料及組合方案表 (單位：%)

(3) 試驗(yàn)結(jié)果

單獨(dú)、組合原料易磨性試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 單獨(dú)、組合原料易磨性試驗(yàn)結(jié)果表

(4) 易磨性試驗(yàn)評(píng)述

試驗(yàn)結(jié)果表明，本礦區(qū)Ⅰ礦層灰?guī)r、Ⅱ礦層灰?guī)r、夾層及頂板泥質(zhì)灰?guī)r的易磨性，按中國水泥發(fā)展中心的易磨性等級(jí)分類均屬中等，在同類物料中也屬中等；石英砂巖的易磨性則屬較差，在同類物料中屬中等；黏土的易磨性屬較好。

四個(gè)組合原料的易磨性均為中等，生料1、生料2和生料3的易磨性與一般水泥廠生料的易磨性平均值接近。生料4的易磨性在同類物料中則屬略差，生料設(shè)備系統(tǒng)選型應(yīng)對(duì)此加以考慮。雖然單獨(dú)石英砂巖的易磨性較差，若控制其配合比(至少可參照生料4石英砂巖的配合比5.1%)，則生料的易磨性屬中等，對(duì)粉磨工藝不會(huì)有大的影響；夾層及頂板泥質(zhì)灰?guī)r的粉磨功指數(shù)并不大。因此若控制其配比，則可將生料的易磨性控制在中等級(jí)別，此舉可充分利用廢石。

2.3.2 易燒性試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)方法。

參照GB/T 26566-2011《水泥生料易燒性試驗(yàn)方法》[13]執(zhí)行。

(2) 試驗(yàn)方案和原料配合比。

試驗(yàn)方案和原料配合比見表8。方案1同時(shí)探究了生料細(xì)度變化對(duì)易燒性的影響，兩種生料的設(shè)計(jì)細(xì)度分別為80μm篩，篩余10±1%和15±1%；方案2考察Ⅱ級(jí)品灰?guī)r原料對(duì)生料易燒性的影響；方案3、方案4分別考察摻入夾層、頂板泥質(zhì)灰?guī)r對(duì)生料易燒性的影響。

表8 試驗(yàn)方案與原料配合比表

(3) 生料細(xì)度。

各方案生料細(xì)度[14]見表9。

(4) 試驗(yàn)結(jié)果。

易燒性試驗(yàn)結(jié)果見表10。由表可知，隨著燒成溫度的逐漸提高，fCaO含量呈逐漸下降的趨勢(shì)。

表10 易燒性試驗(yàn)結(jié)果表

(5) 易燒性試驗(yàn)評(píng)述。

方案1、2、3、4生料的易燒性均為中等；方案1、2、3、4熟料率和所采用的輔助原料相同，區(qū)別在于：方案1搭配Ⅱ礦層灰?guī)r，方案2搭配Ⅰ礦層灰?guī)r，方案3、4搭配夾層和頂板泥質(zhì)灰?guī)r。在同等條件下方案1的反應(yīng)率、液相量均優(yōu)于方案2、3、4，但易燒性均為中等，表明夾層和頂板泥質(zhì)灰?guī)r對(duì)生料的易燒性影響不大，今后生產(chǎn)中可以與Ⅱ礦層灰?guī)r搭配使用，建議搭配比例20%。

通過方案1和方案1-1的比較可以得知：生料細(xì)度越小，其反應(yīng)K值越大；熟料1450℃液相量影響不大；在一定的細(xì)度范圍內(nèi)，生料細(xì)度對(duì)其易燒性影響不大。

2.4 生料、熟料質(zhì)量評(píng)價(jià)

(1) 生料化學(xué)成分。

各方案生料化學(xué)成分及含量見表11。

表11 生料化學(xué)成分及含量表 (單位：%)

(2) 熟料化學(xué)成分及有用礦物組成(燒成溫度1450℃)

燒成溫度[15]為1450℃時(shí)，各方案熟料化學(xué)成分及含量、有用礦物組成及含量分別見表12、表13。

表12 熟料化學(xué)成分及含量表 (單位：%)

表13 熟料有用礦物組成及含量表 (單位：%)

由表可知，熟料中有害成分MgO、SO3、Cl-等含量均較低，且均未超標(biāo)。

由表可知，熟料有用礦物[16]以C3S、C2S為主，且總含量除了2號(hào)方案外，均超過了95%，滿足規(guī)范要求。

綜合表12、表13可知，本次試驗(yàn)的熟料質(zhì)量[17]較好，并據(jù)此可知，本次試驗(yàn)的生料以及水泥產(chǎn)品的質(zhì)量均較好。

2.5 易磨、易燒性能的綜合評(píng)價(jià)

通過主要原料和組合原料的易磨性試驗(yàn)，本礦區(qū)石灰質(zhì)原料、黏土質(zhì)原料易磨性均屬中等。在今后生產(chǎn)中，通過控制Ⅱ礦層灰?guī)r、夾層及頂板泥質(zhì)灰?guī)r原料配比(夾層可搭配20%、頂板泥質(zhì)灰?guī)r可搭配15%)，可將生料的易磨性控制在中等水平，可充分利用廢石，實(shí)現(xiàn)水泥礦山減排的綠色礦山建設(shè)目標(biāo)。

通過易燒性試驗(yàn)，可以看出：本礦區(qū)石灰質(zhì)原料配合比的生料易燒性均屬中等；生料細(xì)度只要達(dá)到一定的范圍后，細(xì)度與生料易燒性不呈線性關(guān)系，但細(xì)度超過一定值后會(huì)對(duì)易燒性影響很大。因此建議控制生料細(xì)度和熟料率值為：+80μm篩余＜10%，+200μm篩余≤0.2%，KH=0.91±0.01，SM=2.6±0.1，AM=1.6±0.1。

3 結(jié)論

(1)通過本次流程試驗(yàn)得出，本礦床水泥用灰?guī)r礦搭配一定比例的礦山廢石，可作水泥生產(chǎn)的原料，且易磨性、易燒性質(zhì)量均較好，研究成果對(duì)礦山生產(chǎn)過程中廢石綜合利用具有一定指導(dǎo)意義。通過廢石資源化綜合利用，實(shí)現(xiàn)礦山固廢零排放，既增加了礦山資源效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，又能取得很好的生態(tài)效益。

(2)本次試驗(yàn)熟料中的有害成分MgO、SO3、Cl-等含量均較低，有用礦物C3S、C2S等總含量基本超過了95%，說明生料、熟料及水泥產(chǎn)品的質(zhì)量均較好。

(3)由于本次試驗(yàn)僅對(duì)水泥原料的易磨性和易燒性進(jìn)行了研究，因此建議在生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)原料的燃盡特性、可磨性、磨蝕性、揮發(fā)性等以及濕黏性物料塑性指數(shù)等性能的研究。