石英砂巖細(xì)度對(duì)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(duì)生產(chǎn)的影響，大量采用石英砂巖（簡(jiǎn)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(xì)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(shí)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(shí)踐，討論砂巖細(xì)度對(duì)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(xì)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(shí)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(zhǎng)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(xì)度對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，因此SiO2在CaO晶格中擴(kuò)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(duì)C2S、C3S形成的影響有著不同的理論。 

　　1979年Christensen等人通過實(shí)驗(yàn)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治龊陀?jì)算，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(diǎn)普遍得到人們的認(rèn)可。細(xì)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??；而粗顆粒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(jì)算出細(xì)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(jì)算過程中還提出了SiO2顆粒由細(xì)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(dāng)生料中SiO2粗顆粒含量較多時(shí)，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(xì)顆粒含量較多時(shí)，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(cè)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(shí)，則在實(shí)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)，易使C3S晶格增大，形成大晶格的熟料。我院在生產(chǎn)實(shí)踐中的一些巖相分析也證實(shí)了在生產(chǎn)過程中熟料的晶格大于60μm時(shí)，呈現(xiàn)粉狀熟料，且熟料晶格愈大，窯的粉狀熟料愈嚴(yán)重，對(duì)生產(chǎn)的影響也愈大。

　　曾對(duì)一臺(tái)篦冷機(jī)進(jìn)料口的堆積物進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)各種窯型的15個(gè)熟料樣品，在相同的比表面積下(3200cm2/g)進(jìn)行了巖相、易磨性的測(cè)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(jì)算熟料粉磨電耗的方法，其計(jì)算結(jié)果與測(cè)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(shí)電耗低；而C2S含量越高，晶格越大，越不易粉磨，粉磨時(shí)電耗高的觀點(diǎn)。

　　生產(chǎn)實(shí)踐中，粉狀熟料普遍難磨，粉磨時(shí)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(qiáng)度  

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

　　B.  Schenbel等人通過測(cè)試證實(shí)，小晶格的C3S含量高，有利于熟料強(qiáng)度的提高。 

　　Duoda.W H曾對(duì)化學(xué)成分相同的兩種水泥進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，一種15μm C3S的25d強(qiáng)度為391kg/cm2，而另一種40μm C3S的28d強(qiáng)度為293kg/cm2，證實(shí)小晶格C3S強(qiáng)度高。 

　　4  粗顆粒SiO2生成的粉狀熟料對(duì)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(duì)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(dāng)延長(zhǎng)物料在燒成帶的停留時(shí)間，這種煅燒方式又增加了粉狀熟料的生成。其對(duì)生產(chǎn)的影響為： 

　?。?）燃燒器長(zhǎng)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(dāng)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(zhǎng)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(shí)，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(xì)顆粒則集中在窯筒體一邊。當(dāng)熟料從窯頭落至篦床上時(shí)，大顆粒集中在一側(cè)，細(xì)顆粒集中在另一側(cè)，篦床橫截面中部為粗細(xì)顆粒的過渡部位。當(dāng)窯速較快且窯內(nèi)細(xì)顆粒粉狀熟料較多時(shí)，細(xì)顆粒集中在一側(cè)的現(xiàn)象尤為明顯。堆積的細(xì)顆粒料層密度高，篦下冷風(fēng)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(cè)定的冷卻機(jī)效率也愈低。 

　　當(dāng)篦冷機(jī)的冷卻空氣噴速較高時(shí)，粉狀熟料則隨高溫?zé)釟饬魅敫G和入三次風(fēng)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(fēng)，提高了三次風(fēng)溫，粉狀熟料進(jìn)入三次風(fēng)管后，因其磨蝕性強(qiáng)，易對(duì)三次風(fēng)管內(nèi)耐火材料和三次風(fēng)閥板造成磨蝕，粉狀熟料進(jìn)入分解爐內(nèi)，加重了分解爐內(nèi)物料負(fù)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(xì)度影響熟料晶格尺寸，減緩SiO2顆粒細(xì)度過粗對(duì)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(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)后才能確定是否煅燒。 
　?。?）球磨機(jī)可通過適當(dāng)改善配球球徑，輥式磨或輥壓機(jī)可通過增加輥壓，來適當(dāng)降低生料篩余細(xì)度，相應(yīng)降低SiO2細(xì)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(dāng)生料中SiO2超過45μm的顆粒增加1%時(shí)，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(shí)，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(shí)踐過程中予以應(yīng)用，取得了較好效果。 
　　（4）石英砂巖是含有SiO2原料中活性最差的。生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，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(jí)配。也可采用單獨(dú)粉磨砂巖再進(jìn)行配料來改善生料顆粒級(jí)配，從而有利于熟料煅燒。 
　?。?）提高入窯物料的分解率，適當(dāng)?shù)卦黾宇A(yù)燒，盡量避免熟料在燒成帶出現(xiàn)高溫且時(shí)間長(zhǎng)的狀況，以減少粉狀物料的生成。 

　　綜上所述，當(dāng)配料中砂巖含量較高且不易粉磨時(shí)，宜選用輥式磨，輥式磨易控制細(xì)顆粒產(chǎn)品；而球磨機(jī)在粉磨時(shí)，粗顆粒石英易在細(xì)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(duì)熟料煅燒及產(chǎn)品質(zhì)量有影響，而且SiO2細(xì)度起到重要作用，應(yīng)在工程設(shè)計(jì)的原料工作和生產(chǎn)中予以重視。