石英砂巖細度對熟料煅燒產(chǎn)生的影響

　　預(yù)分解窯生產(chǎn)中，為減少堿、氯等對生產(chǎn)的影響，大量采用石英砂巖（簡稱砂巖）、砂頁巖等硅質(zhì)原料。在煅燒過程中，SiO2相往往是煅燒過程中決定生料活性的主要因素，此外砂巖的磨蝕性大，易磨性差，難于粉磨，所磨制的生料中細度較粗，而生料反應(yīng)速率取決于SiO2的粒度和比表面積，因此給實際生產(chǎn)帶來一定的難度。本文借助和參考國內(nèi)外有關(guān)資料和生產(chǎn)實踐，討論砂巖細度對熟料煅燒及其產(chǎn)品性能的影響。

　　1   生料易燒性  

　　生料易燒性是指生料轉(zhuǎn)變?yōu)樗谕氖炝系V物成分的難易程度，它是由原料的化學(xué)成分、礦物性能和生料細度所決定，現(xiàn)將有關(guān)公司的生料易燒性公式表述如下： 

　　fCaO1400=0.343(LSF-93)+2.74(SM-2.3)+0.83Q45+0.10C125+0.39R45     (1) 
　　式中：fCaO1400-1400℃時煅燒30min后的f-CaO含量 
　　LSF-%CaO/(2.8%SiO2+1.18Al2O3+0.65%Fe2O3) 
　　SM-%SiO2/(%Al2O3+%Fe2O3) 
　　Q45—＞45μm的粗顆粒石英含量 
　　C125—＞125μm的粗顆粒石灰石含量 
　　R45—＞45μm的其他酸性不溶礦物（長石等）含量  

　　方程式前半部分表示生料化學(xué)性能所起的作用，從公式來看，石灰飽和系數(shù)LSF、硅酸率SM值越高，則f-CaO值越高，煅燒溫度也越高。方程式的后半部分則表示生料中不同礦物的細度對生料易燒性所起的作用，其中尤為受到關(guān)注的是生料中粗顆粒SiO2及少量酸性不溶物對生料易燒性有較大的影響，大于125μm的石灰石顆粒也有一定的影響。 

　　2  SiO2顆粒尺寸對C3S形成的影響  

　　SiO2與CaO是在900℃～1200℃以上的高溫開始反應(yīng)的，此時CaCO3中的CO2逸出后，所生成的CaO表面孔隙率多且疏松，而SiO2顆粒密實，因此SiO2在CaO晶格中擴散速率比CaO在SiO2晶格中低3～4倍，可以說SiO2相是煅燒過程中決定生料活性的主要因素。但是SiO2與CaO在高溫條件下生成C2S、C3S，其形成過程及SiO2顆粒尺寸對C2S、C3S形成的影響有著不同的理論。 

　　1979年Christensen等人通過實驗及嚴謹?shù)睦碚摲治龊陀嬎?，提出了SiO2和CaO反應(yīng)基質(zhì)理論，指出水泥熟料煅燒過程中形成了不含CaO微粒的不同粒徑的C2S基質(zhì)，然后與CaO作用，形成C3S，這種觀點普遍得到人們的認可。細顆粒SiO2所形成的C2S基質(zhì)粒徑小，與CaO反應(yīng)生成C3S的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)所生成的C3S晶格?。欢诸w粒SiO2所形成的C2S基質(zhì)粒徑大，與CaO反應(yīng)生成C3S基質(zhì)粒徑大且轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)所生成的C3S晶格大。并且計算出細顆粒石英所生成的基質(zhì)與CaO反應(yīng)生成C3S的轉(zhuǎn)化率為0.89，而粗顆粒的轉(zhuǎn)化率僅為0.15，計算過程中還提出了SiO2顆粒由細變粗的轉(zhuǎn)化率逐步變化的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 

　　 按照上述理論，在相同SiO2含量的生料中，當生料中SiO2粗顆粒含量較多時，由于轉(zhuǎn)化率低，所生成的C2S量多，C3S量少，易生成大晶格的C2S和C3S熟料；而另一種生料中SiO2細顆粒含量較多時，因其轉(zhuǎn)化率高，所形成的C3S量多，C2S量相應(yīng)減少，易生成小晶格的C2S和C3S熟料。

　　水泥工廠生產(chǎn)操作手冊中指出：生料中粗顆粒SiO2的含量為＞200μm者大于0.05%，90～200μm者大于1.00%，＞45μm者大于2.00%，且＞125μm者CaCo3含量大于5.00%時，則在實際生產(chǎn)中易出現(xiàn)熟料煅燒問題。 

　　1980年F Mac Grego   

　　 Miller提出了熟料煅燒過程中生成的大晶格C2S、C3S熟料不易結(jié)粒，易形成粉狀熟料，同時提出了粉狀熟料的生成條件是熟料煅燒過程中C3S在燒成帶的煅燒溫度高且停留時間長，易使C3S晶格增大，形成大晶格的熟料。我院在生產(chǎn)實踐中的一些巖相分析也證實了在生產(chǎn)過程中熟料的晶格大于60μm時，呈現(xiàn)粉狀熟料，且熟料晶格愈大，窯的粉狀熟料愈嚴重，對生產(chǎn)的影響也愈大。

　　曾對一臺篦冷機進料口的堆積物進行測試，發(fā)現(xiàn)生料中大于45μm的SiO2含量為5%，大于125μm的CaCO3含量為7%，而堆積物中C3S的晶格大于80μm，C2S大于60μm，全部為疏松多孔的粉狀熟料。

　　綜上所述，粗顆粒的SiO2在生產(chǎn)過程中易生成大晶格的C2S和C3S熟料，這些熟料易在窯內(nèi)形成粉狀熟料。 

　　3  粉狀熟料對熱耗、電耗及熟料質(zhì)量的影響 

　　3.1  熱耗 

　　有些技術(shù)資料稱，易燒性差且難于煅燒的生料，易生成大晶格C3S、C2S粉狀熟料，較易燒性好的小晶格C3S、C2S結(jié)粒熟料的熱耗增加125.4～167.2kJ/kg熟料。  

　　 3.2  電耗 

　　B.  Schenbel等人對各種窯型的15個熟料樣品，在相同的比表面積下(3200cm2/g)進行了巖相、易磨性的測試，提出了用熟料中C3S含量、C2S含量、C3S晶格尺寸、C2S晶格尺寸來計算熟料粉磨電耗的方法，其計算結(jié)果與測試結(jié)果接近。提出了熟料中C3S含量越高，C3S晶格越小，越易粉磨，粉磨時電耗低；而C2S含量越高，晶格越大，越不易粉磨，粉磨時電耗高的觀點。

　　生產(chǎn)實踐中，粉狀熟料普遍難磨，粉磨時電耗較高。Ｆ．Ｌ．Ｓ資料顯示粉狀熟料較結(jié)粒熟料電耗增加了40%。 

　　3.3  熟料強度  

　　根據(jù)有關(guān)資料介紹，C3S的晶格大于60μm時幾乎不起水化作用，而飛砂料中一般C3S晶格大于60μm，熟料強度受到影響。 

　　B.  Schenbel等人通過測試證實，小晶格的C3S含量高，有利于熟料強度的提高。 

　　Duoda.W H曾對化學(xué)成分相同的兩種水泥進行強度測試，一種15μm C3S的25d強度為391kg/cm2，而另一種40μm C3S的28d強度為293kg/cm2，證實小晶格C3S強度高。 

　　4  粗顆粒SiO2生成的粉狀熟料對生產(chǎn)的影響在熟料煅燒過程中，生料中SiO2顆粒的粒徑較粗，對C2S和CaO轉(zhuǎn)換率較低，易使熟料中的f-CaO值偏高，操作人員為了控制f-CaO含量，不得不采用短急火焰來提高燒成帶的溫度和適當延長物料在燒成帶的停留時間，這種煅燒方式又增加了粉狀熟料的生成。其對生產(chǎn)的影響為： 

　?。?）燃燒器長期處在短急的高溫火焰下，燃燒器頭部外面的耐火澆注料極易受熱損壞，當耐火澆注料損壞后，燃燒器的高溫耐熱鋼也易受熱變形，致使燃燒器頭部各噴口形狀和尺寸發(fā)生變化，影響火焰形狀和熟料質(zhì)量。 
　?。?）粉塵狀熟料窯皮多孔、不穩(wěn)定且易掉落，易使窯內(nèi)耐火磚長期承受高溫的熱應(yīng)力作用，造成過熱損壞，影響火磚使用周期。 

　　熟料在窯內(nèi)煅燒時，受離心力的作用，產(chǎn)生離析，大顆粒一般集中在中間，隨著顆粒直徑變小，細顆粒則集中在窯筒體一邊。當熟料從窯頭落至篦床上時，大顆粒集中在一側(cè)，細顆粒集中在另一側(cè)，篦床橫截面中部為粗細顆粒的過渡部位。當窯速較快且窯內(nèi)細顆粒粉狀熟料較多時，細顆粒集中在一側(cè)的現(xiàn)象尤為明顯。堆積的細顆粒料層密度高，篦下冷風不易透過，熟料得不到冷卻，形成一條高溫紅色熟料帶（俗稱紅河），極易損壞料層下的篦板。此外，粉塵狀熟料愈多，熱工測定的冷卻機效率也愈低。 

　　當篦冷機的冷卻空氣噴速較高時，粉狀熟料則隨高溫熱氣流入窯和入三次風管。在此過程中，未經(jīng)冷卻的粉狀熟料將熱量傳遞給三次風，提高了三次風溫，粉狀熟料進入三次風管后，因其磨蝕性強，易對三次風管內(nèi)耐火材料和三次風閥板造成磨蝕，粉狀熟料進入分解爐內(nèi)，加重了分解爐內(nèi)物料負荷，影響了入窯物料分解率的控制。 

　　5  減緩SiO2顆粒過粗的措施 

　　SiO2顆粒細度影響熟料晶格尺寸，減緩SiO2顆粒細度過粗對熟料煅燒影響的措施如下： 

　　（1）大部分砂巖通過煅燒將顯著改善破碎性和磨蝕性，但石英晶體過大或過小（隱晶）、結(jié)構(gòu)疏松或泥質(zhì)含量較高的砂巖，改善不明顯，必須對樣品進行試驗后才能確定是否煅燒。 
　?。?）球磨機可通過適當改善配球球徑，輥式磨或輥壓機可通過增加輥壓，來適當降低生料篩余細度，相應(yīng)降低SiO2細度。  
　?。?）在不影響熟料質(zhì)量的前提下，利用上述Ｆ．Ｌ．Ｓ公司的易燒性公式，也就是降低公式前半部分的化學(xué)率值來抵消生料中SiO2顆粒過粗的影響。舉例如下：當生料中SiO2超過45μm的顆粒增加1%時，則熟料f-CaO含量將增加0.83%；若將LSF值降低1或SM值減少0.1時，則fCaO含量將分別降低0.34%和0.27%，二者之和為0.61%，將很大程度地減小粗顆粒SiO2的影響，此種方法在國內(nèi)已有工廠在生產(chǎn)實踐過程中予以應(yīng)用，取得了較好效果。 
　?。?）石英砂巖是含有SiO2原料中活性最差的。生產(chǎn)實踐證實，砂巖礦石中SiO2含量越高，其活性越差。在原料工作中盡量選用工廠附近SiO2活性較好及磨蝕性較低的砂巖，取代已經(jīng)使用的活性較差的砂巖，來改善生料顆粒級配。也可采用單獨粉磨砂巖再進行配料來改善生料顆粒級配，從而有利于熟料煅燒。 
　?。?）提高入窯物料的分解率，適當?shù)卦黾宇A(yù)燒，盡量避免熟料在燒成帶出現(xiàn)高溫且時間長的狀況，以減少粉狀物料的生成。 

　　綜上所述，當配料中砂巖含量較高且不易粉磨時，宜選用輥式磨，輥式磨易控制細顆粒產(chǎn)品；而球磨機在粉磨時，粗顆粒石英易在細料倉富集，難于粉磨。 

　　6  結(jié)束語  

　　 水泥熟料在煅燒過程中，SiO2相往往是決定生料活性的主要因素，不僅與之有關(guān)的熟料率值對熟料煅燒及產(chǎn)品質(zhì)量有影響，而且SiO2細度起到重要作用，應(yīng)在工程設(shè)計的原料工作和生產(chǎn)中予以重視。