熟料28d强度较低的原因分析及解决措施

李承光，杨茂鑫

我公司现有一条6 000t/d熟料带9MW纯低温余热发电的新型干法水泥生产线，窑系统配置为双系列五级旋风预热器、喷腾式在线管道分解炉、ϕ 5m×74m回转窑及高效空气梁篦式冷却机。生料配料采用四组分配料，分别为石灰石、粘土、粉石英和铜渣。该生产线自2016年8月投产以来，生产运行正常，产量一直保持在6 600t/d以上，但熟料28d强度却一直处于55～58MPa之间，与我公司设定的内控指标（28d抗压强度≥60MPa）相差较大，造成水泥生产成本上升。针对上述问题，公司组织技术人员进行了分析和研究，查找原因，并采取了一系列富有成效的措施，使熟料28d强度达到了公司设定的内控指标。本文将对此进行介绍，供同仁参考。

1 原燃材料情况

1.1 原燃材料的化学成分

各种原燃材料的化学成分见表1，原煤的工业分析见表2。

1.2 原材料的特性

将所有原材料样品送广西大学进行X射线衍射分析及扫描电镜分析，结果如下：

石灰石：矿山石灰石品位呈东西向分布。东面石灰石呈黑灰色，主要矿物为方解石，含有较多石英，但石英晶粒细小，尺寸为20～30μm，属于易烧性较好的石灰石。西面石灰石呈灰白色，主要矿物为方解石，晶粒细小，结构均匀，属高品位的优质石灰石。

粘土质原料：粘土原料矿山分层较严重，有粘土及黑页岩两种。矿山表层及中层以粘土为主，底层是黑页岩。粘土为黄色块状，水分较高，主要粘土矿物为伊利石、蒙脱石和绿泥石，并含有少量石英，石英晶粒尺寸为10～20μm，碱含量为1.6%左右。黑页岩为黑灰色致密块状，主要粘土矿物为高岭石和绿泥石，并含有石英和少量方解石，石英晶粒尺寸为5～15μm，碱含量最高，为2.8%左右。粘土质原料的化学反应活性较好。

粉石英：呈黄白色粉状，主要矿物为石英，含有少量高岭石。石英晶粒尺寸在30～45μm范围内，分布均匀，比粘土质原料的晶粒稍粗。粉石英的化学反应活性稍差，但碱含量很低。

铜渣：铜渣为冶炼铜时排出的工业废渣，为深黑色粉状，铜渣中主要矿物为磁赤铁矿和铁橄榄石，其他为玻璃体。铜渣除了含有Si、Al、Fe、Ca、Mg的氧化物外，还含有一定数量的K、Na、Zn、Mn、Ti、Cu、Pb、As和P的氧化物，铜渣中的铁元素主要以Fe2+的形式存在。

表1 原燃材料化学成分，%

表2 原煤工业分析，%

2 熟料岩相分析

选取正常煅烧成的熟料送广西大学做岩相分析，通过岩相分析发现：

熟料中出现较多孔洞，A矿晶体大小不均匀，形状不规则，晶体尺寸为15～40μm，最大尺寸为50μm。A矿周围环绕着析出的小颗粒C2S晶体呈花环状结构。B矿以矿巢为主，形状不规则，晶体硕大，晶体尺寸为60～80μm，最大尺寸为100μm，B矿表面有平行晶纹。黑色中间相为板片状。

熟料岩相分析表明，在煅烧过程中，熟料温度偏低且冷却明显过慢。

3 影响熟料28d强度的原因分析

3.1 熟料硅酸盐矿物含量少

我公司一直采用较低SM的配料方案煅烧，熟料SM控制在2.5以下，熟料中的C3S+C2S含量在75%左右。之前也曾尝试过较高的SM，但窑况恶化，产量下降，细粉料多，游离钙偏高，加上生产任务较重，只能按较低的SM进行配料。

硅酸盐矿物是影响熟料强度的主要因素，熟料强度取决于水泥熟料中硅酸盐矿物的含量。罗云峰等[1]人的研究认为，C3S不仅影响早期强度，而且也影响熟料的28d强度；C2S对早期强度影响不大，却是决定28d强度的主要因素。熟料28d强度与C3S的含量相关性不太好，却与C3S+C2S含量的相关性较好，说明C2S对熟料28d强度有贡献。熟料中C3S+C2S的含量越高，则熟料28d抗压强度相对越高。要提高熟料28d抗压强度，必须在提高熟料C3S含量的同时提高熟料C3S+C2S的含量，即要坚持较高的KH、高SM配方，熟料中C3S+C2S含量最好＞77%。

3.2 熟料碱含量偏高

对原材料的分析显示，熟料中的碱主要来自于粘土质原料中的黑页岩。我公司粘土质原料矿山位于二级公路旁边，受矿山地理位置限制，投产后的较长一段时间，对碱含量不同的粘土和黑页岩无法分别开采，进厂粘土质原料碱含量高且波动大，致使熟料中的碱含量偏高，最高达到0.81%。据资料介绍，碱和熟料矿物反应生成含碱矿物KC23S12和NC8A3，这将使C3S难以形成，熟料中A矿含量就会降低而影响强度。碱含量高还会导致C3S和C3A等矿物的水化加速，使熟料早期强度高而后期强度低。

在配料方案及操作参数基本相同的情况下，我公司生产线投产以来，出窑熟料碱含量与熟料28d抗压强度的关系见表3及图1。

由表3及图1可以看出，熟料碱含量与熟料28d抗压强度呈线性关系，并且随碱含量的增高，熟料28d抗压强度下降明显。这与资料[2]中的研究结果一致。

表3 熟料碱含量与熟料28d抗压强度的关系

图1 熟料碱含量与熟料28d抗压强度的关系

3.3 熟料烧成温度偏低

岩相分析结果表明，我公司熟料烧成温度偏低。通过窑头看火孔观察，火焰虽发亮但偏黄，说明火焰温度略低，这也验证了窑内煅烧温度偏低的现状。粉石英作为生料组分之一，反应活性稍差，但用量少，同时铜渣中Zn、Cu、Pb、P等微量元素具有矿化作用，铜渣所含的FeO能降低烧成温度和液相粘度[3]，加之SM较低，使生料过于易烧，生料高温承荷力较低，液相形成温度低，液相量大。如果继续提高烧成温度，会使窑内出现长厚窑皮及结圈、结大球等现象。

从提高熟料强度的角度出发，熟料的液相量应该是和高温有关，而不是配料所致，高的烧成温度，充分的烧结反应是熟料高强度的重中之重[4]。煅烧温度的提高，使熟料矿物晶体结构更为合理，有利于提高熟料矿物晶体中5～20μm晶体的比例。熟料矿物晶体中，5～20μm晶体比例的提高，有利于提高熟料强度。煅烧温度对熟料强度至关重要，应力求将煅烧温度控制在1 450℃以上。

3.4 熟料夹有较多黄心料

我公司煅烧出来的熟料结构不甚致密，结粒略显不均，易产生大颗粒熟料，粒径最大达80mm，部分大颗粒熟料表现为外表面黑色，内部棕黄色，游离氧化钙含量虽不高，但后期强度降低明显。挑选这种黄心料做强度试验，其28d抗压强度较正常熟料低5～7MPa。

由于窑内空气过剩系数低，氧气不充足，铜渣中的Fe2+在窑内煅烧时，未能充分氧化成Fe3+，加上熟料中Fe2O3含量较高，增加了Fe3+还原成Fe2+的机会和数量，导致黄心率增加，从而影响熟料质量的提高。Fe2+进入C3S晶格中，引起C3S分解成C2S和fCaO，导致C3S的实际含量小于化学分析结果计算的含量。

3.5 熟料冷却过慢

我公司熟料颗粒尺寸过大的比例较多，熟料未能得到有效的急冷，影响了熟料的冷却。对熟料进行的岩相分析也表明，我公司熟料冷却速率过慢。熟料慢冷会使已生成的C3S分解，矿物晶体会异常长大，对熟料强度产生影响，影响水泥的水化速率和活性。

已煅烧成的高温熟料急冷后，可使A矿晶体停止发育，保持晶体细小和晶格缺陷，位错密度大，同时使熟料中液相形成晶体的数量减少，玻璃相增加，从而提高熟料的水化速率和强度。急冷的另一好处是B矿保留高温型α "-C2S，冷却快的熟料中α "型B矿含量丰富，相当数量的高活性α "型B矿的存在，无疑会有利于熟料强度的提高。

4 采取的措施

4.1 改变配料方案

为了提高熟料硅酸盐矿物含量，降低熟料碱含量，减少黄心料的产生，我们采取提高熟料SM，适当降低熟料Fe2O3及Al2O3含量，特别是Fe2O3含量的配料方案。该方案主要是通过降低生料中粘土质原料的配比，增加粉石英配比，减少铜渣配比来实现。新配料方案与原配料方案相比，粘土质原料的配比由原来的15.5%降到12%左右，粉石英的配比由原来的1.5%提高到4.3%左右，铜渣的配比由原来的2.2%降到1.9%左右，生料中碱含量由0.43%左右降到0.30%以下。该配料方案配出的熟料中，硅酸盐矿物含量达到了77.21%，C3S含量为58.32%，调整后的熟料三率值为：KH=0.90±0.02，SM=2.55±0.1，AM=1.5±0.1；熟料Al2O3=4.9%～5.2%，R2O＜0.5%。粉石英配比及SM的提高，使得生料易烧性明显下降，煅烧难度增加，导致熟料产量相对降低。经短暂的过渡后，熟料产量恢复正常，公司决定继续选用高SM的配料方案，以获得28d强度更高的熟料。

4.2 加强原燃材料的质量控制

（1）加强石灰石进库前的质量控制。根据石灰石矿山东面和西面的质量分布状况，确定合理的搭配比例，稳定和提高进库石灰石质量，每4h对进库石灰石快速检验一次，确保进库石灰石CaO＞52.5%。

（2）针对粘土质原料矿山碱含量分层严重的特点，分别开采粘土和黑页岩，以矿山表中层低碱粘土为主，适当开采部分底层高碱黑页岩，进厂时分堆存放，按比例搭配使用，通过搭配将入预均化堆场粘土R2O控制在1.8%以内。

（3）为确保煤质稳定，公司决定只采购同一煤源地的烟煤，进厂煤的控制指标Qnet，ad＞23MJ/kg，Aad＜30%，Vad控制在18%左右。与此同时，改变原煤均化方式，采取“六堆等量堆存，隔堆依次填齐，水平等长取煤”的均化方法。经过调整，入窑煤粉灰分标准偏差稳定在0.6以下。

4.3 统一操作方法，优化操作参数

（1）调整窑头用煤量及窑尾用煤量比例，逐步增加窑头用煤量，减少分解炉用煤量，窑头用煤量比例由原来的40%左右提高到43%左右。调整后，窑尾废气温度下降了约10℃，废气带走的热量有所减少；窑头用煤量增加后，烧成温度有所提高，熟料结粒情况好转，二次风温提高约30℃。

（2）适当将燃烧器向窑口方向退出，并加大一次风用量，控制好内风和外风的风量、风速比例，内风阀门开度100%，外风阀门开度50%～70%。通过调整，为煤粉的燃烧提供了足够的空间，加快了煤粉燃烧速度，缩短了窑内冷却带长度，火焰温度有所提高，二次风温继续得到提高，达到了1 210～1 260℃。

（3）适当拉大窑尾排风，将高温风机转速从880r/min调整到905r/min（高温风机电流提高至169A），这既保证了产量，又有效地避免了黄心料的产生。适当关闭三次风管闸阀，减小三次风量，加大窑内的通风，保证熟料烧成温度在1 450℃以上，即窑头看火时要始终看到白色的火焰。

（4）在生产过程中，采用薄料快烧的操作方法，在窑系统稳定的情况下尽量提高窑速，窑速由原来的4.1r/min提高到4.4r/min。降低窑内物料填充率，以减小窑内通风阻力，有利于热传导，防止产生大颗粒熟料，熟料易冷却。

（5）在实际生产中要注意风、煤、料三者的合理匹配，增加喂料量的同时要加煤，加煤的同时要加风，风煤同步，增大窑内的通风量，以保证煤粉完全燃烧，彻底消除窑内还原气氛。

4.4 加强篦冷机的操作及维护

（1）加强篦冷机的操作，尤其是高温段的淬冷操作，加大冷却风量，强化急冷，尽量使高温段的熟料得到快速冷却。运行时根据篦速及二次风温，合理调整阀板开度，做到合理用风。

（2）控制好篦速，保证篦冷机篦床料层厚度在50～60cm之间，以提高二、三次风温。

（3）定期检查篦冷机锁风阀是否失控漏风。检修时清理风机群滤网及管道积灰，重点检查充气梁及篦缝，减少阻力，确保风路畅通。

5 效果

实践证明，我公司为提高熟料28d强度所采取的措施是有效的。主要表现为窑内煅烧良好，窑前火焰白亮，物料被带起高度较高。出窑熟料结粒细小均齐，细粉料含量少，直径大部分在30mm，直径≥80mm的颗粒几乎没有，熟料呈深黑色带有金属光泽，圆滑密实，升重达1 290g。自2017年10月中旬开始，熟料28d强度不断提高，目前熟料强度均保持在60MPa以上，最高达到了65MPa，超过了内控指标要求，取得了良好的效果。