淤沙替代粉砂岩配料煅烧熟料的实践

朱精瑞 刘继斌 颜新传

葛洲坝集团水泥有限公司，湖北 荆门 448000

淤沙替代粉砂岩配料煅烧熟料的实践

朱精瑞 刘继斌 颜新传

葛洲坝集团水泥有限公司，湖北 荆门 448000

汉江淤沙配料比砂岩配料生产的熟料fCaO含量高，易烧性差；汉江淤沙配料，水泥的初凝时间及终凝时间延长，各龄期强度降低；适当提高熟料的KH和SM，熟料中fCaO的含量增大，水泥的凝结时间缩短，各龄期强度提高；适当提高熟料煅烧温度，熟料致密度增加，熟料中fCaO的含量显著降低，水泥的凝结时间明显缩短，各龄期抗压强度显著提高。利用淤沙配料，吨熟料淤沙的用量在0.2 t以上，可以几乎不用粉煤灰等铝质校正材料，三组分配料即可。生产上适当提高配料的饱和比及硅率，适当提高熟料的煅烧温度，同样可生产出质量优良的熟料。但淤沙配料，熟料中的碱含量有一定提高，难以用于生产低碱水泥。

淤沙 粉砂岩 配料 煅烧 易烧性 fCaO 强度

0 引言

自然资源是有限的，减少自然资源使用量和矿山开采对自然生态的破坏，是水泥企业应尽的责任和义务。而充分利用各种大量堆积的废弃物，减少对生态环境的破坏，又是我们水泥企业能够做到的。葛洲坝（钟祥）水泥有限公司坐落于汉水之滨，具有利用汉江淤沙作为校正原料的先天优势。如果能用汉江淤沙完全替代砂岩，则年可利用汉江清淤废弃物25万t，减少砂岩矿山资源开采量30万t，减少农田占用50亩。同时可减少挖掘和长距离运输产生的道路扬尘，可降低对道路沿线居民的粉尘污染。本文就淤沙替代粉砂岩配料煅烧熟料的实践进行总结介绍。

1 使用汉江淤沙存在的问题

钟祥公司位于汉江之滨，汉江淤沙较多，我公司尝试使用石灰石、铁矿石、淤沙、黏土四组分配料方案。使用的硅质校正原料淤沙的化学成分见表1。

表1 硅质校正原料淤沙的化学成分 %

该淤沙矿物组成主要以石英为主，含长石、云母等，硬度大、结构致密。其作为硅质校正原料，其含有粗大结晶硅，解决粗大结晶硅对煅烧的不利影响，是充分利用该淤沙的重点、难点。

2 生产初期生料及熟料特性

2.1 生料配比及细度调整

钟祥公司将生料细度控制为0.2 mm筛余小于2%，0.08 mm小于15%。一段时间的生产结果是：熟料28 d强度比较低，不能满足市场需求。配比调整后熟料检测数据见表2，熟料岩相分析见图1。

表2 配比调整后熟料检测数据

图1 熟料的岩相分析

从图1看，A矿短柱状、多边板状，晶粒大小：0.005 mm～0.040 mm；晶形规则，棱角较尖锐，边线平直。B矿浑圆形，边缘光滑，表面交叉条纹；晶粒大小：0.010 mm～0.050 mm。少量B矿巢内存有反应残余不溶物。黑色中间相呈点滴状，fCaO圆形，分散分布。

从矿物特征来看，主要表现在矿物大小均齐，晶形规则，但颗粒较小，表明窑内氧化气氛基本正常。A矿晶粒较小、晶形规则，棱角较尖锐，说明窑内熟料煅烧温度低。黑色中间相呈点滴状，说明熟料中玻璃相较多，熟料冷却效果好。少量B矿巢内存有反应残余不溶物，表明生料细度较粗，有部分结晶游离硅没有参加反应或反应不完全。

2.2 实验修正

直接掺入汉江淤沙之后熟料28 d强度低，工艺组将原材料送至集团中心实验室。实验室制备硅酸盐水泥熟料采用的工业原料有：石灰石、汉江淤沙、砂岩、粉煤灰和铁粉等。原料化学成分分析见表3；分别用砂岩和汉江淤沙为硅质原料配料，设计熟料率值见表4；按照设计率值配料，配制熟料的化学成分及矿物组成见表5。

表3 原料化学成分分析 %

表4 设计生料率值 %

2.2.1 生料制备

将各原料配合，在试验球磨机中磨细，细度控制在0.080 mm筛筛余小于12%，制得生料。将生料加水拌合均匀，制成Φ 60 mm×8 mm的料饼，烘干，备烧。

2.2.2 熟料煅烧及水泥制备

将各组试样料饼在硅钼棒电炉中煅烧，煅烧条件为1 450 ℃×50 min，炉内降温至1 300 ℃取出，空气中自然冷却，制得熟料。为考察温度对熟料煅烧及水泥性能的影响，取B2生料在1470 ℃× 50 min条件下煅烧。将水泥熟料破碎，以95%熟料+5%磷石膏经实验球磨机磨细（细度0.080 mm 筛筛余小于3%），制得硅酸盐水泥。

表5 熟料的化学成分与矿物组成 %

2.2.3 水泥水化机理

采用甘油-乙醇法测定熟料中fCaO含量，D/max-rA 型X射线衍射仪测试水泥熟料及水化浆体的矿物组成，S-2500 型扫描电子显微镜和反光显微镜观察水化产物的形貌。将试样按水灰比0.30 加水，成型为20 mm×20 mm×20 mm净浆试体，标准条件养护，分别测定3 d、7 d和28 d各龄期的抗压强度，水泥凝结时间用Ф 4 cm×4 cm圆柱试模测定。

2.3 结果分析及讨论

2.3.1 生料的易烧性

选取A2和B2（KH=0.90，SM=2.6，IM=1.6）两种配料，按照 GB/T26566—2011进行易烧性试验，煅烧温度1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃，用甘油-乙醇法测定煅烧试样中的fCaO 含量。由图2可见，1 350 ℃下煅烧，熟料中 fCaO的含量较高，都在5%以上；1 400 ℃下烧制的熟料中fCaO的含量有了较大幅度的降低；在1 450 ℃下煅烧，熟料中fCaO 的含量均在1.50%以下，熟料烧成良好。但用淤沙配料，1 400 ℃以下烧制的熟料中fCaO 的含量明显高于砂岩配料，1 450 ℃下煅烧，两种配料熟料中fCaO的含量无明显差别，但淤沙配料的熟料仍然高于砂岩配料。说明淤沙配料生料的易烧性较差。主要是由于淤沙中的 SiO2以结晶形态存在，高温下的反应性能较差所致。

图2 不同煅烧温度下试样的fCaO含量

2.3.2 KH对熟料煅烧及水泥性能的影响

（1）熟料中fCaO的含量。

选不同KH配料的A1、A2、A3及B1、B2、B5 （KH=0.88、0.90、0.92，SM=2.6，IM=1.6）试样，在1 450 ℃下煅烧（B2试样在1 470 ℃下煅烧，记为 C2)，测定了试样中的fCaO含量，见图3。

图3 不同KH、SM及煅烧温度试样的fCaO含量

在1 450 ℃下煅烧，熟料烧结较致密，烧成良好。由图3可见，KH提高，熟料中fCaO含量增加。汉江淤沙配料时，熟料中fCaO含量比砂岩配料高。这与易烧性试验结果相一致。

（2）熟料的矿物形成。

分别对 A2 和 B1、B2、B5 熟料进行 XRD 图谱分析，结果见图4。由图4可以看出，试样A2 和 B1、B2、B5 的主要结晶矿物为C3S（d=3.02、2.17、1.76、1.62）、C2S（d=2.77、2.74、2.60）、C3A（d=2.68）以及 C4AF（d=7.29），熟料矿物衍射峰尖锐，矿物形成良好。另外，从图4 可以看出，B2 试样 C3S 的衍射峰低于 A2 试样，说明采用汉江淤沙配料不利于 C3S 的形成。

图4 熟料的XRD分析图谱

图5 和图6 是对 A2 和 B2 熟料的反光显微镜分析。由分析知，两种配料烧制的熟料中 A 矿结晶良好，呈六角板状和短柱状，有一定的包裹物，尺寸 20μ m ～35μ m 之间，含量相对较高，占矿物总量的 60%以上；B 矿的形貌为不规则状和圆形颗粒状，尺寸较小，在5μ m ～15μ m 之间，含量在 20%左右；中间相交错分布于 A矿和 B 矿之间，黑色中间相较多，白色中间相较少，含量在 20%左右。对比 A2 和 B2 熟料矿物，主要差别是B2 熟料中有些 A 矿呈现一定程度熔蚀，边棱不齐，这与淤沙中杂质成分多、烧成时液相偏多相关。

图5 A2熟料的反光显微镜照片

图6 B2熟料的反光显微镜照片

图7和图8是对A2 和B2熟料的SEM分析。SEM分析与反光显微镜分析反映的熟料中矿物的形成情况基本相一致。

图7 A2熟料的扫描电镜照片

图8 B2熟料的扫描电镜照片

（3）水泥性能。

试验测得不同KH淤沙和砂岩配料试样的凝结时间和抗压强度如图9和图10所示。由图9可以看出，汉江淤沙配料比砂岩配料的初凝时间和终凝时间都延长。因为淤沙中有害杂质成分多，有碍C3S等矿物的形成。由前述光学显微镜及SEM分析已知，主要矿物C3S呈现一定程度熔蚀，边棱不齐，将影响其水化进程。XRD分析亦显示，淤沙配料比砂岩配料熟料中C3S矿物的衍射峰低，形成量少，这同样影响到水泥的水化及凝结。

图9 不同KH试样的凝结时间

图10 不同KH试样的抗压强度

由图10可见，随着KH值的升高，水泥的各龄期抗压强度提高。当采用汉江淤沙配料时，水泥的抗压强度较砂岩配料的有所降低。 因为在汉江淤沙中含有较多的有害杂质，其中 R2O 的含量接近4%，较高的碱含量使得液相粘度增加，并且在低温下形成含碱固溶体矿物，阻碍fCaO 的吸收及 C3S矿物的形成。另一方面汉江淤沙 SiO2的结晶比砂岩好，也直接影响熟料在煅烧过程中 C3S 矿物的形成，均导致水泥抗压强度降低。

2.3.3 SM及煅烧温度对熟料煅烧及水泥性能的影响

（1）熟料中 fCaO 的含量。

由图3中B2、B3和B4试样可见，试样中fCaO的含量随着SM的增大而增大。因为SM增大，液相量减少，离子的移动和扩散速率减缓，矿物形成困难，所以fCaO 的含量相应增大。适当提高煅烧温度可降低熟料中 fCaO 的含量，促进矿物形成。

（2）熟料矿物的形成。

分别对B2、B3、B4和C2熟料做XRD图谱分析,结果见图11。由图11可以看出，B2、B3、B4和C2熟料的主要结晶矿物C3S、C2S以及C3A各熟料矿物衍射峰尖锐，矿物形成良好。另外，从图11中可以看出，随着SM的升高，C3S 的衍射峰明显升高,说明C3S的含量随着SM的升高而增加。同样的KH时，提高SM则C3S的形成量增加。

图11 B2、B3、B4和C2熟料的XRD分析图谱

另由图11还可以看出，C2试样C3S矿物的衍射峰高于B2试样，说明在1 470 ℃的煅烧温度下，熟料中C3S的含量增加。因为提高煅烧温度，可使液相量增加，液相粘度降低，促进CaO和C2S的溶解和扩散，有利于C3S的形成。

（3）水泥性能。

在1 450 ℃下煅烧的B2、B3和B4 试样及在1 470 ℃下煅烧的 C2 试样的凝结时间及抗压强度如图12 和图 13 所示。

由图12和图13可以看出，随着熟料SM值的增大，煅烧温度的升高，熟料的初凝和终凝时间都明显缩短，水泥的各龄期强度呈上升趋势。尤其是煅烧温度提高，水泥的初凝时间缩短及各龄期强度的提高更显著。这与C3S的形成良好相关，与XRD分析相吻合。

2.4 实验结果

（1）汉江淤沙配料比砂岩配料生产的熟料fCaO含量高，易烧性差。

图12 不同SM及温度试样的凝结时间

图13 不同SM及温度试样的抗压强度

（2）汉江淤沙配料，水泥的初凝时间及终凝时间延长，各龄期强度降低。

（3）适当提高熟料的KH和SM，熟料中fCaO的含量增大，水泥的凝结时间缩短，各龄期强度提高；适当提高熟料煅烧温度，熟料致密度增加，熟料中fCaO的含量显著降低，水泥的凝结时间明显缩短，各龄期抗压强度显著提高。

利用淤沙配料，吨熟料淤沙的用量在0.2 t以上，可以几乎不用粉煤灰等铝质校正材料，三组分配料即可。生产上适当提高配料的饱和比及硅率，适当提高熟料的煅烧温度，同样可生产出质量优良的熟料。但淤沙配料，熟料中的碱含量有一定提高，难以用于生产低碱水泥。

3 配料调整及优化煅烧方案

3.1 配料调整

根据上述中心实验室的数据和分析，专家组结合钟祥公司的窑线情况首先做了配料调整。熟料三率值由KH=0.90±0.02、SM=2.55±0.10、IM=1.50±0.10调整为KH=0.92±0.01、SM=2.65±0.10、IM=1.60±0.10，适当提高熟料饱和比和硅酸率、铝氧率。

3.2 优化煅烧方案

针对熟料矿物岩相分析，以及中心化验室提供的基础信息，寻找到合理的配料。我们在钟祥公司现有的工艺装备下，进行工艺调整。首先生料粉磨控制指标以及预分解窑用一次风压力进行了调整，适当降低生料产量(台时)，将生料细度由原来的0.08 mm筛余小于15%调整到小于11%；同时进一步控制煤粉细度，将煤粉细度尽量控制在2%左右。为进一步提高熟料煅烧温度，我们采用降低一次风用量，同时为获得较大的一次风动量，提高一次风压力，将一次风压力由厂家提供的35 kPa提高到45 kPa，一次风量由原来的42 Hz降低到37 Hz。同时包括喷煤管位置，三次风闸板等工艺设备也进行了相应的微调。操作上调整系统温度控制，适当降低入窑物料分解率，严格控制尾温。

4 调整结果

通过近半年在钟祥公司的实践来看，钟祥公司的熟料不论从外观还是内在品质都有了较大的改观。28 d熟料强度提高了4 MPa，平均达到了57 MPa以上，热工制度稳定的情况下能到达60 MPa，其熟料质量在葛洲坝水泥集团内处于中上水平，而且水泥制品的使用性能也有较大幅度提高。调整后的相关数据见表6和图14。

表6 调整后的相关数据

图14 调整后熟料的岩相分析

我们在现场捡的熟料外观呈灰黑色，致密，熟料断面较好，有一定的金属光泽。从图14可知，A矿呈短柱状、多边板状，晶粒大小：0.005 mm～0.055 mm；晶形规则，棱角尖锐，边线平直。B矿呈浑圆形，边缘光滑，表面交叉条纹；晶粒大小：0.010 mm～0.060 mm。B矿巢内存有反应残余不溶物较少。黑色中间相呈点滴状，fCaO呈圆形，分散分布。总体来看达到了调整目的，窑内煅烧温度得到了提高，游离硅明显减少，并且A矿比较多。

5 结束语

我公司在保证熟料28 d强度≥58 MPa，同时不增加熟料热耗的前提下，充分利用汉江清淤泥沙完全替代砂岩作为硅质校正材料，生产优质熟料。汉江淤沙作为硅质校正原料，其含有粗大结晶硅，解决粗大结晶硅对煅烧的不利影响，是充分利用汉江淤沙的重点、难点。实践证明，突破难点，不仅要优化原燃材料、配料方案、更新工艺方案、选粉机、煅烧设备等，还要充分利用化学分析仪器，提升生产管理精细化，提高操作人员技能。

TQ172.4

B

1008-0473(2016)04-0040-07 DOI编码：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.04.009

2016-03-28）