浅析水泥易烧性的研究对水泥生产节能降耗的意义

2015-08-30韩立杨

水泥技术 2015年3期

韩立杨

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韩立杨

对水泥生料易烧性的评定，国内外有多种不同的研究方法。影响水泥生料易烧性的因素众多，包括水泥生料的化学组分（决定其率值的控制范围）、水泥生料配制用的原材料的矿物特性（如晶体发育的完整程度、不同的矿物组成等）、水泥生料细度等。水泥原材料是水泥生产成本控制的第一道关口，水泥生料细度的控制将决定水泥生料磨的能耗，水泥生料易烧性又决定了水泥生产中能耗最多的环节——水泥熟料煅烧的过程能耗。通过对水泥生料易烧性的研究，适当放宽水泥生料细度的控制，设计一个良好的配料方案，在降低水泥熟料煅烧环节能耗的同时又可得到高强度的水泥熟料，为水泥中添加更多低成本的混合材打下基础，降低水泥生产的成本。根据水泥生料易烧性的研究结果，可更好地控制水泥熟料的煅烧过程，避免水泥熟料过烧时不必要能源的消耗，也可降低水泥熟料磨制过程中的能耗。水泥生料易烧性的研究对水泥质量、水泥生产过程中的能耗控制都有着重要的意义。

水泥生产；节能降耗；水泥生料；易烧性

1　引言

水泥生料易烧性与生料粉磨粒度、原材料特性、熟料煅烧制度、游离氧化钙控制等影响因素息息相关。我们将通过对水泥生料易烧性的研究，不断优化水泥生产工艺流程，在保证水泥熟料质量的同时达到节能降耗的目的。在此过程中，我们设计了K1450水泥生料易烧性指数工具，并利用此工具对水泥生料易烧性展开全面的探索与研究。

2　水泥生料易烧性影响因素的研究

2.1水泥原材料的特性对生料易烧性的影响

在水泥生产中，优选生料配料方案是影响水泥熟料产质量及能耗的关键。众所周知，生料煅烧过程是高温非均相反应过程，其易烧性受众多复杂因素的影响，其中原料特性对生料高温反应活性的高低起决定性作用，但是液相量及液相粘度的大小决定了最终水泥熟料矿物形成的速度。生产硅酸盐水泥的主要原料为石灰质和粘土质原料，有时需根据燃料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的不足，还可以利用工业废渣作为水泥的原料或混合材料进行生产。石灰岩中常含有其他混合物，并含有白云石、粘土、石英或燧石及硫酸钙杂质。其中，燧石主要成分为SiO2，通常为褐黑色，质地坚硬，含量高时很难粉磨，在煅烧过程中也不容易与CaO发生固相反应。其中，α-石英晶体以及石英晶体的发育状况等对生料的化学反应活性影响较大。一般来说，燧石愈不纯，α-石英晶体晶粒愈小，且为非均质时，对粉磨与煅烧的不良影响愈小。石灰石中的方解石矿相结构、结构形态、结晶体完整程度及晶体大小对熟料煅烧也有着很大的影响，同时，其所含杂质多少、杂质的成分、结构、分布情况等也必须充分考虑。所以不同的原料特性会形成不同的生料易烧性能，致使水泥熟料产质量及能耗差异较大。

2.2水泥生料率值对生料易烧性的影响

一般来说，我们可以把窑的煅烧看成是三元系统，可以通过三率值来进行分析：

LSH/KH：它是用来表征物料中的CaO被饱和的程度的一个指标。在正常情况下，该指标越高，物料越难于煅烧，物料的共熔温度越高，此时如能预知出磨成分的变化，适当调整用煤量或者减产，就可以烧成质量比较好的熟料，此时熟料中硅酸三钙的含量较高，熟料的强度也高。但饱和比太高时，物料的fCaO升高，会引起水泥的安定性不良。

SM：硅酸率的高低，表示水泥熟料中的硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例大小。当硅酸率偏大时，产生的液相量偏少，水泥窑头部的飞砂较大；当硅酸率偏低时，产生的液相量偏多，水泥窑尾部容易结圈。

AM：表示熟料中的铝酸三钙和铁铝酸四钙的质量之比。一般说来，铝率高，那么液相的粘度也大，料不好烧。对于水泥成品来说，要控制水泥的初凝时间，就必须添加适量的石膏，一般铝率越高的料，所需添加的石膏也要适当增加。

水泥生产中用的煤，不仅为水泥熟料煅烧提供了热能，同时它也是水泥生料成分及水泥熟料煅烧过程中重要的参与者。煤灰的成分十分复杂，主要为SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3等成分，其含量与层聚积环境有关。煤灰加入水泥生料后有可能对原有水泥生料的配料方案产生较大影响，此时应及时调整水泥生料的配料方案以适应水泥熟料的生产。当水泥窑内的煤粉燃烧形成煤灰落入水泥生料中时，煤灰可以看作是多种矿物质组成的混合物，这种混合物并没有一个固定的熔点，而仅有一个熔化温度的范围。开始熔化的温度远比其中任一种组分纯净矿物质的熔点低。这些组分在一定温度下会形成一种共熔体，这种共熔体在熔化状态时，有溶解水泥生料中其他高熔点物质的性能，从而改变熔体的成分及其熔化温度，对水泥熟料的煅烧起着积极的作用。

2.3物料的粒径对水泥生料易烧性的影响

一般对于固相反应来说，粒径越大，反应越慢。根据经验，一般控制生料0.2mm筛筛余＜2%～3%，0.08mm筛筛余控制在10%～20%，在其他条件正常的情况下，fCaO会在一个合理的范围之内。此时，水泥生料颗粒大小均齐，几乎没有粗颗粒石英砂存在，具有良好的反应活性，有利于固相反应的进行。但水泥生料粒度的控制也直接受原材料特性的影响，如上文所说，如果原材料中含有较多的燧石，往往会造成选择性粉磨，生料中0.2mm方孔筛筛余中SiO2的含量高，生料粗颗粒石英多，微观均匀性差，此时需要将生料粒度控制得小一些，以提高水泥生料的化学反应活性；同理，石灰石中方解石结晶程度高，结晶体完整，晶体大，化学反应差时，需要降低生料细度以改善水泥生料的化学反应活性，达到提高生料易烧性的目的。

3　水泥生料易烧性影响因素对水泥生产节能降耗的意义

3.1水泥原材料特性及水泥生料颗粒细度控制的影响

为了保证一定程度的水泥生料的易烧性，水泥生料颗粒的粒度需要控制在一定的范围内，而将不同特性的水泥生料的原材料粉磨到控制的目标范围内，粉磨的电耗差别很大。如果采用的石灰岩中所含的方解石矿物晶体及粘土质原料所含的石英矿物晶体结晶完整并且晶粒尺寸较大，在磨至规定颗粒细度时会增加电耗和降低磨机产量；同时，此种情况下，由于矿物晶体结构完整，晶粒尺寸较大，化学反应活性比较低，为了提高化学反应活性又需要将原材料颗粒尺寸控制得更小，这就决定了使用此类原材料时势必会增加能耗。而如果使用泥灰岩，由于其含有的石灰岩和粘土已经呈均匀状态，易于水泥熟料的煅烧，有利于提高水泥窑的产量，降低燃料消耗，此时可适当放宽对水泥生料颗粒细度的控制，也就会降低水泥生料粉磨时的电耗；同时，由于泥灰岩的硬度低于石灰岩，易磨性较好，也有利于提高磨机产量，降低粉磨电耗。因此水泥原材料特性对水泥生产中的节能降耗有着重要的意义。

3.2水泥熟料率值控制的影响

水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质熟料应该具有合适的矿物组成和岩相结构，而合适的矿物组成必须由适宜的化学成分来保证。水泥熟料中各氧化物之间的不同比例，决定着熟料中各种矿物组成的差异，由此而影响到熟料本身的物理性能和其煅烧的难易程度。因此我们用特征率值表示各氧化物含量之间某种特定的比例，并由此判断其矿物组成和易烧性情况。一般来说，熟料KH高，则C3S较多，C2S少，熟料强度高，但此时易烧性较差，煅烧困难，为保证熟料质量，需提高烧成温度，延长物料在烧成带的停留时间，从而导致窑产量低、热耗增加；而KH低，则C3S少而C2S较多，虽说要求烧成温度低，烧成热耗少，但水泥熟料早期强度偏低。而硅酸率和铝氧率则反映了水泥熟料中液相量的多少和液相粘度的情况，适宜的液相量和液相粘度均有利于提高水泥熟料的易烧性，提高窑的产量和降低煅烧热耗。

3.3游离氧化钙的影响

易烧性好坏的直接反映即水泥熟料中游离氧化钙的多少，而水泥熟料中游离氧化钙的多少对水泥粉磨功耗影响巨大，所以根据熟料易烧性研究，制定出既不影响熟料强度又不影响水泥安定性的最合理的游离氧化钙控制范围，能最大限度地在烧成环节降低热耗。水泥熟料中游离氧化钙过多将直接导致水泥安定性不良，水泥为不合格产品；而水泥熟料中游离氧化钙过低，往往呈过烧状态，甚至是死烧，此时的熟料质量缺乏活性，强度并不高，而且易磨性差，增加水泥粉磨电耗。

4　K1450水泥生料易烧性研究工具的应用

4.1“易烧性”的定义

所谓“易烧性”是指水泥生料通过煅烧形成水泥熟料的难易程度。即实现煅烧目标所需花费的代价。煅烧代价应视为生料粉磨至一定细度、在一定温度条件下煅烧所需的时间，并将一定代价下达到目标的程度、或者达到一定目标所需的代价作为生料易烧性衡量的尺度。

4.2生料易烧性研究方法

4.2.1Christensen易烧性相关公式

丹麦Christensen等人提出了计算生料易烧性指标（X）的实验相关参考公式：

式中：

LSF——石灰饱和系数

SM——硅酸率

K——+125μm方解石颗粒含量，%

Q——+44μm的石英颗粒含量，%

Christensen等人相关公式的变量范围见表1。

表1　Christensen易烧性相关公式的变量范围

4.2.2中国国家标准规定的生料易烧性实验方法

中国对生料易烧性的研究已建立了完整的实验方法，并已正式列为国家标准（GB/T 26566-2011），其易烧性实验方法基本上参照了Christensen等人的方法。标准规定：将ϕ13mm×13mm压块成型的生料在1 000℃预烧后，分别放入1 350℃、1 400℃和1 450℃的高温炉膛内恒温煅烧30min，以煅烧产物的fCaO作为生料易烧性评价指标。

4.2.3K1450易烧性指数研究工具

本实验方法用于测定水泥生料煅烧成水泥熟料的难易程度。易烧性指数通过对水泥生料的化学成分、水泥生料在高温炉内煅烧后的游离氧化钙在K1450模型上的计算得出。此指数将水泥生料的易烧性分为5个等级：＜30，易烧性极差；＞30且＜45，易烧性差；＞45且＜70，易烧性中等；＞70且＜140，易烧性好；＞140，易烧性极好。

实验步骤：

（1）按照标准制备对应于水泥生料的煤灰样品；（2）按照实际生产中的耗煤量计算水泥生料与煤灰的配比，并按此比例配备一定量的混合原料；

（3）将配备好的混合原料掺加10%的蒸馏水搅拌均匀，在压力机上压制水泥生料试块；

（4）将水泥生料试块置于耐高温的托盘上，放在鼓风式干燥箱内105～110℃下烘干2h；

（5）将烘干后的试样移至高温炉内，按照预先设定的程序升温至1 450℃，并在1 450℃下保温30min后取出，置于室温下快速冷却；

（6）将冷却后的水泥熟料试样粉磨成＜80μm的细粉，收集于样品袋内供游离氧化钙的检测；

（7）按照GB-T176-2008水泥化学分析方法测定游离氧化钙；

（8）按照GB-T176-2008水泥化学分析方法用荧光分析仪测定水泥生料的化学成分；

（9）按照GB-1345—2005水泥细度检验方法对水泥生料测定200μm和80μm筛筛余；

（10）用X射线衍射仪测定＞125μm的方解石晶体含量和＞44μm粗颗粒石英晶体的含量。

4.3K1450研究工具的应用案例

按照K1450实验方法，我们取两个工厂正常生产的生料在实验室内进行生料易烧性的测试，同时用已知易烧性指数的内部控制标准生料样品进行平行实验。值得强调的是，我们在实验过程中对实验室马弗炉状态、化学分析测试游离氧化钙进行了同步监控，保证了数据的准确性。

我们对两个工厂的水泥生料设计了不同的KH率值，并在1 450℃下做易烧性实验，同时对其中两种水泥生料在不同温度下做易烧性研究。我们对不同率值配比下的生料用XRF做了化学组分分析，并对易烧性水泥熟料试块做fCaO测试，见表2、表3、表4所示。

由表2中的数据可以发现，水泥生产过程中这两种水泥生料的粒度在常规控制范围内，88-1号水泥生料粒度比75-1号水泥生料略细，粗颗粒石英和方解石也在可接受范围内。

根据表中数据，对KH-fCaO做图分析（图1、2）。

表2　75-1、88-1两种生料不同粒度下的筛余，%

表3　参天（CTP）、地维（DWP）生料配入不同比例煤灰后的化学成分，%

表4　参天（CTP）、地维（DWP）生料配入不同比例煤灰后的率值、1 450℃煅烧后fCaO及K1450指标，%

图1　1450℃煅烧温度下参天（CTP）fCaO与KH的关系

图2　1450℃地维（DWP）fCaO与KH的关系

可以看出，同一煅烧温度下，水泥生料的易烧性结果与水泥生料的KH基本上成线性的反比关系。线性比受不同生料特性的影响呈现不同的结果。

对75-4、88-4两种水泥生料在不同煅烧温度下做易烧性研究实验，测定游离氧化钙，结果如表5所示。

将表5中数据用图3表示，可以看出，在不同温度煅烧的情况下，游离氧化钙对数与温度成良好的线性关系。根据两者之间的线性关系，可通过实验确定获取特定游离氧化钙时的煅烧温度，这样即可在工厂将煅烧温度控制在一个合理的范围内，既能保证熟料游离氧化钙的控制指标，又能最大限度地节约能源，避免水泥熟料过烧情况的发生。

将表5中数据用图4表示可知，同一种生料在不同温度下煅烧后，熟料中游离氧化钙的值与煅烧时的温度成指数关系。从实验中三种水泥生料的测试结果可以看出，实验室内部控制标准样品的易烧性更好，而且此生料样品烧成范围比较宽。而其余两个工厂的水泥生料样品易烧性较差，欲将烧成的熟料游离氧化钙控制在1.5%以下，对烧成温度要求比较高；另外，其烧成范围比较窄，对水泥窑的操作要求比较高。

5　结语

利用K1450水泥易烧性研究工具，对不同的水泥生料配料方案设计多组交叉实验，并对实验数据进行分析与归纳，帮助我们了解了水泥易烧性多项影响因素及其各项因素对水泥生料易烧性的影响原理。水泥生料易烧性受水泥生料化学组分的影响最大，对特定组分的水泥生料易烧性基本与石灰石饱和系数KH成线性反比关系，即KH值越高易烧性越差。同时，水泥生料易烧性与水泥生料的细度、水泥生料中＞125μm方解石的含量、＞45μm粗颗粒石英晶体的含量有着密切的联系，将其控制在一定的范围内就不会对水泥生料易烧性的优劣起决定性的作用。水泥生料易烧性的研究对水泥生料细度、KH值、水泥熟料煅烧时的温度、fCaO和水泥中矿物组成等各项指标的控制均有着指导意义。