熟料性能提升的研究

【摘要】隨著我國國民經濟和工業技術的飛速發展，作為我國建材行業的主要基礎原材料之一的水泥取得了輝煌的成績，其產量已多年前位于世界領頭地位，為我國社會主義建設提供了重要的物質保障。水泥熟料的鍛燒是水泥生產工藝過程中最重要生產環節，普通水泥組成中水泥熟料占了很大比例，水泥熟料產量與質量的提高意味著水泥產量及質量的提高。

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，簡寫C3S，也稱為A礦，占50～60%，；硅酸二鈣，2CaO·SiO2，簡寫C2S，稱為B礦，占20～25%；鋁酸三鈣，3CaO·Al2O3，簡寫C3A，占5～10%；鐵鋁酸四鈣，4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫C4AF，占10～15%。

本文針對某水泥公司2016年上半年熟料質量存在的問題及影響因素進行分析研究，制定出解決問題的措施并應用到實際生產中。

【關鍵詞】水泥；熟料；性能；研究

該公司自2016年3月份開窯生產以來，熟料質量一直不盡人意，主要體現在：

（1）熟料堿含量高，標準稠度高，長期持續在25.0%以上，熟料與減水劑的適應性非常差。

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

除了熟料的化學成分和礦物組成影響著熟料的質量外，熟料的煅燒質量及冷卻效果也決定著熟料質量的好壞。因此，改善熟料性能的研究應從原燃材料、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、現狀

1.1原材料

熟料由生料粉經高溫煅燒至熔融狀態后冷卻而成，而生料又由石灰石、粘土質材料、鐵質和硅質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，外購的紅砂巖、硫酸渣、頁巖等，其化學成分見表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）頁巖

粘土質材料以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，為熟料提供硅、鋁和鐵元素。頁巖含有一定的堿，是由云母、長石等風化、伴生、夾雜而帶入。風化程度愈大，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。一般頁巖中的堿含量<3.0%時，熟料堿含量可以<1.0%。目前，該公司主要使用的粘土質材料是頁巖，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在高壓下膠結而成。根據膠結物不同分為長石質、粘土質和鈣質砂巖，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

鐵質材料主要為熟料生產提供部分Fe2O3，該公司目前使用的鐵質材料為硫酸渣，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，Fe2O3含量大于60%，堿含量基本在1.0%以內。

1.2生料和熟料

熟料化學成份和礦物組成的選擇，一般應根據原料和燃料的品質、水泥的品種和強度等級、生料制備和煤粉制備及熟料燒成工藝綜合考慮，以達到設備長時間運轉和優質高產低消耗的目的。熟料成份及率值組成確定后，即可根據所用原料化學成份進行配料計算，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量和產量，生料率值的設計與調整直接影響至熟料的礦物組成、易燒性以及熟料的各項物理性能。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、過程質量控制情況如下：

（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少于1200g/l的現象，f-CaO經常出現高于2.0%的情況。說明熟料煅燒溫度偏低，液相量形成量較少，CaO和SiO2反應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，因此適量熟料堿對熟料性能并不造成多少危害。但堿含量較高時，會出現燒成困難和預執器堵塞等，同時，堿會與熟料礦物反應生成對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，進而增加游離氧化鈣的含量。堿含量還會與熟料礦物反應，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，加水后很短時間內生產大量的水化產物，這些水化產物相互搭接，增大了漿體的塑性黏度和剪切應力，因而熟料早期強度高、標準稠度用水量高，但堿與熟料中硅酸鹽礦物發生反應，破壞硅酸鹽礦物晶格，減少了硅酸鹽礦物總量，導致熟料后期強度下降。

1.3生產工藝

該公司擁有一條日產4800噸熟料的水泥生產線，回轉窯規格為Ф4.8×74m，配備NC-SST/I（NST-I）型在線式分解爐，窯尾高溫風機風量為860000m3/h的，窯頭冷卻機為NC42340型第三代篦冷機，共分為九個風室十八臺風機，總的冷卻面積為133.2m2。

該公司2016年1月至5月份，回轉窯熱工工況紊亂，熟料質量大幅下滑，熟料標準稠度用水量高，28天抗壓強度低。主要體現在熟料煅燒溫度偏低、冷卻效果不理想，主要表現在：

（1）由于冷卻機效率低導致窯頭二次風溫較低，4、5月份甚至低至1100℃以下，煤粉燃燒變慢導致窯尾溫度較高，有時甚至高至1200℃以上，表明煤粉在窯內燒成帶并未完全燃燒，相當一部分被氣流帶至窯尾煙室燃燒，導致火焰拉長，火量不集中，燒成帶溫度偏低，也就是常說的“低溫長焰”。

（2）斜拉鏈熟料的溫度明顯逐月升高，特別在4、5月份，因氣溫逐漸升高，而篦冷機一段兩臺大功率風機因振動大，只能在低頻率運行，導致熟料冷卻效果顯著下降。

2、熟料性能調整

2.1降低熟料堿含量

為降低熟料的標準稠度用水量，提高熟料后期強度及強度增長率，于2016年6月份開始通過合理搭配礦山石灰石，改用堿含量較低的鋁質校正材料，控制熟料堿含量<0.70%，原材料成分變動如表2-1：

6月初通過調整生料配料方案，熟料堿含量基本控制在0.60%左右，具體數據見表2-2。

2.2提高冷卻效果

在5月底對這兩臺風機進行底座進行更換，震動減小，風機工作頻率恢復到49Hz，熟料冷卻效果顯著改善，二、三次風溫、風量趨于穩定，冷卻效果明顯上升，出篦冷機熟料溫度由之前的210℃左右下降至120℃左右。

經過控制熟料堿含量、改善煤粉質量以及入窯生料穩定性的調整，從6月份開始試生產10天，窯上煅燒反應良好，熟料質量有所提升，熟料巖相中的A礦數量多，發育完善，尺寸合理，B礦分布均勻，且呈細長交叉雙晶紋，中間相豐富，偶見點線狀C3A析出，但數量少，熟料物理性能前后對比見表1-1。

由以上數據可以看出，熟料質量大有好轉，標準稠度由原來的25.6下降到24.2，28天強度由原來的56.1MPa上升到59.7MPa，3天到28天增長率由原來的20.7MPa上升到26.5MPa。

小結：

本文研究了熟料中堿含量以及熟料冷卻狀況對熟料標準稠度及后期強度的影響，結論如下：

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

（2）熟料的冷卻效果對熟料性能影響較大，熟料冷卻效果差，屬慢冷熟料，熟料中A礦嚴重分解，游離氧化鈣含量增加，C3A析晶嚴重，導致熟料早期水化快，熟料標準稠度上升，熟料早期強度高，但后期強度低。