湖南某水泥用灰巖礦廢石搭配綜合利用試驗

申錫坤

(中國建筑材料工業地質勘查中心湖南總隊，湖南 株洲 412001)

湖南某水泥用灰巖礦是一水泥生產線的配套石灰質原料礦山，已探明資源儲量8300萬t。此外，礦區范圍內尚有夾石910萬t，地表覆蓋層300萬t，礦層頂板40萬t，合計廢石1250萬t。為綜合利用這些廢石[1-3]，防止其排放對生態環境[4]的破壞，使礦山滿足綠色礦山建設[5]的要求，本文通過水泥用灰巖礦搭配廢石實驗室流程試驗[6]，包括易磨性試驗和易燒性試驗等，對礦山廢石作為水泥原料可用性進行了研究，經證實，廢石按一定比例搭配可作水泥生產的原料，其易磨性、易燒性以及生料、熟料、水泥產品的質量均較好。研究成果對礦山生產過程中廢石綜合利用具有一定參考意義。

1 礦床地質特征簡述

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

圖1 礦區典型4號勘查線綜合剖面簡圖

1.1 礦體特征

該礦床水泥用石灰巖礦體賦存于下石炭統大塘階石磴子段(C1d1)地層中。礦體為一向斜構造，部分地段略彎曲而呈弧形，向斜軸整體走向為70°～250°，近似東西向，軸以南，傾角25°，軸以北，傾角20°～25°，含礦層區域向斜軸長約2400m。按巖性特征及賦存層位，礦區劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個礦層。

Ⅰ礦層，賦存于石磴子段第六層(C1d1-6)地層中，位于向斜上部，其形態與Ⅱ礦層相似，受風化剝蝕作用影響，沿走向往北西逐漸尖滅，沿走向控制長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。巖性以灰色含泥質灰巖為主，偶夾泥灰巖。主要化學成分及含量：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，地表形態為寬條帶狀，沿走向、傾向、厚度方向連續對應，沿走向控制長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灰巖夾云質灰巖、含泥質灰巖。主要化學成分及含量：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

礦區內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，產狀與Ⅰ礦層一致，呈條帶狀分布，貫穿整個Ⅰ礦層，沿走向、傾向連續性較好，出露較穩定。走向控制長590.5m，地表出露水平寬為22.39～116.95m，厚度19.55～33.55m。巖性為泥質灰巖夾泥灰巖、泥巖。主要化學成分及含量：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大塘階石磴子段第七層(C1d1-7)地層中，其形態與Ⅰ礦層相似，受風化剝蝕作用影響沿走向往東、往西逐漸尖滅。沿走向控制長286.7m，地表出露水平寬為90.1m，厚度25.48～39.00m。巖性以泥質灰巖為主，夾含碳質泥質灰巖、泥灰巖。主要化學成分及含量：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

礦區內覆蓋層賦存于第四系(Q)地層中，廣泛分布于礦區溝谷、山坡及地勢低洼地帶，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 實驗室流程試驗

2.1 原、燃料種類與特點

本次試驗采用石灰質原料、硅鋁質原料、硅質校正料、鐵質原料、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)石灰質原料。

本次采用本礦區Ⅰ、Ⅱ礦層灰巖，夾層及頂板泥質灰巖，作為石灰質原料。

(2)硅鋁質原料及硅質校正料。

本次采用礦區覆蓋層黏土作為硅鋁質原料；采用石牛寨礦區的石英砂巖和興寧鎮的石英砂巖作為硅質校正料。石英巖尾礦塊度≤400mm，水分≤13.0%，其化學成分及含量：CaO 0.23%，MgO 0.25%，SiO293.57%，Al2O32.79%，Fe2O30.88%，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%，其工業分析結果：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%；其化學成分及含量：CaO 3.64%，MgO 0.49%，SiO261.09%，Al2O328.19%，Fe2O33.86%，SO31.24%。

(4)石膏。

來源于華潤集團鯉魚江電廠工業附產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%，其化學成分及含量見表1。

表1 脫硫石膏和氟石膏化學成分及含量(單位：%)

(5)混合材。

來源于華潤電力和三都電廠的爐渣、粉煤灰，以及當地的燒結煤矸石、玄武巖。爐渣、玄武巖、燒結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)鐵質原料。

采用郴州豐越環保科技有限公司和郴州钖濤環保科技有限公司的有色金屬灰渣作為鐵質校正料，塊度≤50mm，水分含量≤3.9%，其化學成分及含量見表2。

表2 有色金屬灰渣化學成分及含量 (單位：%)

2.2 采樣種類、方法及其代表性

石灰質原料為本礦區Ⅰ、Ⅱ礦層灰巖，夾層及頂板泥質灰巖；硅鋁質原料為本礦區黏土。

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

表3 各類原料試驗樣基本情況一覽表

本礦區灰巖礦石、夾層、頂板及黏土的主要有益、有害組分波動及平均含量與所采試驗樣的化學成分對比見表4、表5。

表4 石灰質試樣有益、有害組分含量對比表 (單位：%)

表5 黏土質試樣有益、有害組分含量對比表

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

2.3 流程試驗

流程試驗包括易磨性[8-9]和易燒性[10-11]試驗兩種。

2.3.1 易磨性試驗

(1) 試驗方法。

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

(2) 試驗方案。

試驗方案分單獨原料、組合原料方案。單獨試驗原料分Ⅰ礦層灰巖、Ⅱ礦層灰巖、夾層、頂板、石英砂巖、黏土和鐵質原料等7種。組合試驗原料由部分單獨原料按一定配合比進行組合而成(表6)。

表6 組合原料及組合方案表 (單位：%)

(3) 試驗結果

單獨、組合原料易磨性試驗結果見表7。

表7 單獨、組合原料易磨性試驗結果表

(4) 易磨性試驗評述

試驗結果表明，本礦區Ⅰ礦層灰巖、Ⅱ礦層灰巖、夾層及頂板泥質灰巖的易磨性，按中國水泥發展中心的易磨性等級分類均屬中等，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，生料設備系統選型應對此加以考慮。雖然單獨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，對粉磨工藝不會有大的影響；夾層及頂板泥質灰巖的粉磨功指數并不大。因此若控制其配比，則可將生料的易磨性控制在中等級別，此舉可充分利用廢石。

2.3.2 易燒性試驗

(1) 試驗方法。

參照GB/T 26566-2011《水泥生料易燒性試驗方法》[13]執行。

(2) 試驗方案和原料配合比。

試驗方案和原料配合比見表8。方案1同時探究了生料細度變化對易燒性的影響，兩種生料的設計細度分別為80μm篩，篩余10±1%和15±1%；方案2考察Ⅱ級品灰巖原料對生料易燒性的影響；方案3、方案4分別考察摻入夾層、頂板泥質灰巖對生料易燒性的影響。

表8 試驗方案與原料配合比表

(3) 生料細度。

各方案生料細度[14]見表9。

(4) 試驗結果。

易燒性試驗結果見表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。

表10 易燒性試驗結果表

(5) 易燒性試驗評述。

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，區別在于：方案1搭配Ⅱ礦層灰巖，方案2搭配Ⅰ礦層灰巖，方案3、4搭配夾層和頂板泥質灰巖。在同等條件下方案1的反應率、液相量均優于方案2、3、4，但易燒性均為中等，表明夾層和頂板泥質灰巖對生料的易燒性影響不大，今后生產中可以與Ⅱ礦層灰巖搭配使用，建議搭配比例20%。

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

2.4 生料、熟料質量評價

(1) 生料化學成分。

各方案生料化學成分及含量見表11。

表11 生料化學成分及含量表 (單位：%)

(2) 熟料化學成分及有用礦物組成(燒成溫度1450℃)

燒成溫度[15]為1450℃時，各方案熟料化學成分及含量、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。

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

綜合表12、表13可知，本次試驗的熟料質量[17]較好，并據此可知，本次試驗的生料以及水泥產品的質量均較好。

2.5 易磨、易燒性能的綜合評價

通過主要原料和組合原料的易磨性試驗，本礦區石灰質原料、黏土質原料易磨性均屬中等。在今后生產中，通過控制Ⅱ礦層灰巖、夾層及頂板泥質灰巖原料配比(夾層可搭配20%、頂板泥質灰巖可搭配15%)，可將生料的易磨性控制在中等水平，可充分利用廢石，實現水泥礦山減排的綠色礦山建設目標。

通過易燒性試驗，可以看出：本礦區石灰質原料配合比的生料易燒性均屬中等；生料細度只要達到一定的范圍后，細度與生料易燒性不呈線性關系，但細度超過一定值后會對易燒性影響很大。因此建議控制生料細度和熟料率值為：+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 結論

(1)通過本次流程試驗得出，本礦床水泥用灰巖礦搭配一定比例的礦山廢石，可作水泥生產的原料，且易磨性、易燒性質量均較好，研究成果對礦山生產過程中廢石綜合利用具有一定指導意義。通過廢石資源化綜合利用，實現礦山固廢零排放，既增加了礦山資源效益和社會經濟效益，又能取得很好的生態效益。

(2)本次試驗熟料中的有害成分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、熟料及水泥產品的質量均較好。

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