浅谈提高水泥熟料强度的方法与实践

百科 2024-10-21 07:31 中国

0 引言

在新型的干法回转窑生产过程中，主要的控制思路是“五稳保一稳”。矿山石灰石的搭配开采、原材料的预均化和生料的配料、生料均化库均化属于原料均化环节，是干法生产技术的关键之一。加强均化作用是非常重要的，而每个均化环节对稳定入窑生料质量又有着不同作用。在一般情况下，就入窑生料成分稳定性而言有着以下要求：第一，生料化学成分需满足配料率值要求。第二，化学成分需在一定范围内波动，满足均匀性要求。前者是经过配料的方式进行实现，后者主要是经过均化的方式进行实现。

我公司现阶段的石灰石资源十分丰富，但是矿山石灰石主要是采用了平台段式进行开采，不同平段CaO含量波动较大，且边坡与顶部页岩含量大，石灰石品位低，导致有害成分高。回转窑喷煤管与回转窑非同轴布置，煤管的顶料煅烧，火焰不顺畅，导致熟料的烧结能力低。预热器系统阻力大，窑系统的风量不足，存在还原气氛。在此情况下，采取相应措施后，有效提升了熟料的强度。

1 原材料预均化的质量控制

（1）为满足生产需求，每周对石灰石矿山钻孔取样检测钙含量，根据不同位置石灰石化学成分检测，出具搭配使用方案，控制入厂窑用石灰石CaO含量平均在47%以上，同时对MgO含量进行有效的控制，经过搭配试验后，全部在矿山搭配入厂。在生料配料站不定时取石灰石样进行氧化钙含量测定，以确保窑用石灰石质量能够满足使用的要求。具体原料化学成分分析见表1。

（2）烟煤的质量控制。煤粉中烟煤热值和内水的含量会影响到火焰燃烧的形状及温度，煤中的水分含量越高，煤粉的燃烧状况越不稳定，导致烧成带温度高低不断变化。烟煤中全硫对熟料的煅烧和质量影响也很大，全硫的含量较高时，不仅容易造成预热器系统结皮较多，在严重的时候还会造成预热器的堵料。除此之外，熟料煅烧不好，后期增长率就大幅度下降，熟料28d强度也大幅度下降。经前期生产总结全硫在0.9%左右的烟煤，熟料的3 d强度是31 MPa，但是28 d平均强度只有53 MPa。对烟煤全硫进行控制，经过后期相关的数据分析得知，熟料硫碱比的控制为0.8以内，对熟料后期的强度不会造成任何的影响，熟料中的碱含量在0.6%左右，熟料中SO3含量在0.5%左右时，熟料3d，28d的强度和增进率比较正常，所以控制进厂的烟煤低位发热量≥5 000×4.18 J/g，内水含量≤3.5%，全硫含量≤1.0%，全硫若是超出了1.0%则拒收。

（3）原料的碱含量控制。尽可能的选择碱含量较低的原材料，熟料中碱大部分都是来自硅质原料，我公司选择碱含量较低的砂岩或翻砂料作为硅质矫正原料，经验值则是一般的熟料中每增加0.1%碱，熟料28d抗压强度就会下降0.9 MPa。

2 配料方案及燃烧器的优化措施

研究表明C3S有多种晶型，固溶在C3S中的杂质种类和数量是影响C3S晶型的主要原因。在实际生产过程中C3S的不同晶型对熟料的强度表现不可忽视。Stankik and Sulovesky研究发现:以C3S-M1型的水泥熟料比以C3S-M3型为主的抗压强度高约10%。陈益民研究指出:水泥熟料对称性高的C3S含量和熟料强度成正比；含量越高，熟料强度越高;含量越低则反之。若C3S含量相同，含有更多的三方晶型的C3S的水泥熟料比含有更多的单斜晶型的C3S的水泥熟料的28 d抗压强度要高出5 MPa左右。Nurse在水泥熟料胶砂强度实验中研究发现:M1型C3S比M3型C3S后期强度更高。为获得更多的C3S-M1，改变熟料三率值，改变其煅烧温度和保温时间，需探究不同的煅烧制度对不同率值的熟料的影响，总结得出更优异的配料方式和煅烧制度。

我公司通过熟料实践分析得出，通过调整燃烧器内外风比例，提高煤粉燃烧效率，可以将回转窑内熟料煅烧温度提高到1450℃以上，通过控制烧成带窑皮24~25 m，回转窑窑转速3.8~4.0 r/min，确保熟料烧成时间18~20 min左右，以稳定实现熟料C3S含量55%~60%之间，C2S含量16%~21%之间，大约有75%左右的硅酸盐。熟料强度最好的时候f-CaO含量在（1.0±0.2）%时，矿物质的含量之间的配比也是最合理的。另外在上半年，煤管与窑非同轴布置，不利于调节内外风，在很大程度上降低了烧结的能力，熟料的煅烧十分困难，f-CaO含量较高，合格率较低，所以对煤管进行同轴布置改造，同时对配料方案进行调整，现在为KH：0.92±0.02，SM：2.50±0.2，IM：1.3±0.2，适当降低熟料饱和比，增加熟料中的Fe2O3含量，对易烧性进行改善。在烧成条件的允许情况下，适当的提高二氧化硅含量，提高了硅酸盐的矿物质含量，调整过的配料方案实施之后，窑烧成的状态较好，强度十分稳定，在11月时，熟料3 d平均值30.5 MPa，28 d的平均值58.5 MPa。生料成分及熟料成分对比如表2，3所示。

3 熟料煅烧及冷却过程管理

熟料的强度高低与硅酸盐矿物生成的多少及种类有很大关系，加强熟料煅烧和急冷的方法能够有效的改善熟料的质量，经过相关的试验分析得知，经过合理的煅烧及急冷的硅酸盐水泥熟料28 d抗压强度是最高的，所以熟料煅烧应该保持合理的生料成分、适宜的窑炉用风及冷却效果。

（1）窑内煅烧气氛将直接影响到熟料的强度，如果窑内呈现还原气氛，C3S、C4AF的晶体会出现严重的变形，甚至出现破坏，造成了熟料强度明显降低，所以要控制合理的火焰形状，加强熟料煅烧，调整三次风管的开度，控制合理的窑炉用风，确保煤粉燃烧完全。

（2）确保入窑生料的稳定和煤质均匀，维持稳定的窑内热工制度。我公司因为石灰石频繁换堆、原材料均化不好、生料的均化库均化效果差等原因造成入窑成分不稳定，进而导致窑内的热工制度不够稳定。利用错峰检修季，我公司在原料磨入磨皮带上增设中位元素在线分析仪，同时对生料均化库实施彻底的清理，修复卸料装置，使得10月的生料KH合格率从原来的不足70%提升至95%以上，给煅烧提供有利的条件，为生产优质的熟料打下了坚实的基础。入窑生料成分变化对比如图1,2所示。

(3)为解决预热器系统阻力大导致窑系统的供风不足问题，对阻力较大的C2、C3、C4旋风筒进行降阻改造，将原有的旋风筒进风口易积料水平台段改为斜面，同时抬高上顶盖高度，增宽进口横向尺寸(顶盖提高约65cm,侧面外扩约45cm)，以减少进口积料，增大通风面积，降低系统阻力约800Pa。同时对烧成系统各检修门更换密封压条，加强漏风点的堵漏。除此之外，经过适当调整窑转速，降低窑内的物料填充率，改善窑内通风，使煤粉燃烧完全，确保了窑内物料的化学反应完全，矿物的发育情况较为良好。

(4)确保熟料具备稳定的强度条件就是熟料能够得到有效地急冷，并且对篦床速度进行合理的控制，料层的厚度控制在800~900 mm合理范围之内。如果料层厚度较厚，就会影响篦冷机上风量，从而影响熟料的冷却效果。如果料层较薄，就会使风吹穿，也会影响熟料的急冷。因此熟料的厚度不宜过厚也不宜过薄。同时调整生料配料方案，使熟料中的液相量的比例下降，促使硅酸率的提高，有效地避免熟料结块或结大球现象的发生。细小的熟料能够快速冷却，实现有效的急冷，其晶体发育也比较好。调整前后熟料结粒情况如图3,4所示。

4 改善生料易烧性

生料的易烧性是指水泥生料煅烧形成熟料的难易程度。其影响因素包括生料的潜在矿物组成、原料的性质和颗粒组成、生料的均匀性和生料的细度、生料的热处理、矿化剂等。研究表明控制合理的生料细度，尤其是控制生料0.2mm筛筛余及掺加合适比例的生料矿化剂能有效改善生料易烧性，提高熟料的产质量。

(1)生料矿化剂是一种能够加速生料矿物分解、提高熟料产量和质量的新型添加剂。生料颗粒粒径的大小影响着碳酸盐分解和固相反应过程，特别当粒径超过200μm时会直接影响生料的易烧性，对煅烧不利。我公司在生料入磨皮带上均匀加入0.10%~0.15%的生料矿化剂，改善生料粉磨状况，降低碳酸钙分解温度，以达到改善生料易烧性的目的。加入生料矿化剂后，<3μm和>80μm颗粒含量明显减少，3~80μm含量增加。生料颗粒特征粒径分布变窄有利于生料中碳酸盐分解和熟料烧成。

(2)生料当中颗粒的粒径大小对生料的易烧性有着一定的影响，尤其当颗粒直径大于200μm时会对生料的易烧性能产生很大的影响。水泥熟料的煅烧过程是非均相的固相反应，这种反应利用颗粒之间的面和点来进行的，然后反应物利用产物层来进行移动和扩散。如果生料越细，颗粒粒径就越小，表面积就越大，反应的接触面积增加，反应的产物层厚度反而减小，使反应与扩散的能力提升。如果固相反应速度越快，熟料矿物质的分布就会越均匀。如果生料的细度过于粗大，而且粗颗粒含量还比较多，固相反应发生的不够完全，就会导致熟料的微观结构不够均匀。研究表明，生料细度过于粗大会产生岩相结构的差异，在A矿周边能够观察到还没被吸收的游离氧化钙，还有一部分的没有进行化学作用的游离氧化钙被A矿包裹着，进而对熟料的质量产生直接的影响。因此，我公司在设备允许的前提下适当控低生料细度，80μm筛筛余由原来的18.0%±2.0%降至12.0%±2.0%,0.2 mm筛筛余控制不超1.0%(见图5)。经过调整以后，窑热工制度进一步稳定，熟料的产质量均得到提升，同时熟料煅烧的能耗也有所降低。

5 结语

总而言之，在原材料满足其使用要求的情况下，充分利用生料矿化剂等新技术产品改善生料易烧性，对原燃料中有害成分含量进行控制，按照原材料和窑工况制定出适宜的配料方案，再经过合理的煅烧和冷却后，可获得理想的熟料强度。

——作者：王福宏，潘政，李宗刚，雷洪凯，冯广聪，李冲，李炯，付帅

——单位：新泰中联泰丰水泥有限公司

——来源：《水泥工程》2024年4期

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