生料配料方案的改进及选择技术
2006-02-23 00:00
1 立窑生产配料方案的现状
影响水泥熟料强度的主要因素是熟料的矿物组成和熟料的岩相结构，这主要取决于熟料的配料方案和窑的煅烧条件及操作技术。物料在不同窑内的受热情况和煅烧过程不完全相同，因此设汁的熟料组成也有所不同。不同窑型硅酸盐水泥熟料各率值见表1。
窑型 KH SM IM 熟料热耗 预分解回转窑 0.86～0.89 2.4～2.8 1.4～1.8 2930～3750 湿法长回转窑 0.88～0.91 1.5～2.6 1.0～1.8 5833～7520 干法回转窑 0.86～0.89 2.0～2.4 1.0～1.6 5850～7520 立波尔回转窑 0.85～0.88 1.9～2.3 1.0～1.8 4000～5850 立窑(无矿化剂) 0.85～0.90 1.9～2.2 1.2～1.4 4200～5430 立窑(掺矿化剂) 0.92～0.97 1.6～2.2 0.9～1.4 3350～5000
立窑生产特点不同于回转窑，从含煤生料成球喂入窑内至熟料从窑底卸出，经历了8.5m～11m高度的从上而下运动，下沉速度一般为1.2-1.3m/h。窑底鼓入的高压空气从下而上运动。随着料球向下运动，煤由表及里产生燃烧，温度逐渐升高，沿窑高度不问温度不同。根据物料的温度和进行的物理化学变化，一般沿高度分为预热带、高温带和冷却带，其中预热带和高温带只占窑高的20%左右，一般为1.5m～1.8m，其中最关键的是高温带，温度为1300°C～1450°C～1300°C，物料进行化学变化和物理化学变化，部分物料出现熔融，物料粘结成烧结体形成“底火”，在这一带烧成需要的熟料。在立窑中，这一带的高度一般为0.6m-1.2m，为保证物料化学反应完全，物料需要在这一带停留20～30min。立窑中不同位置“底火”的厚度不同，一般中部厚，边部薄，边部物料在高温带停留时间不足时易出现欠烧物料；立窑中不同位置，物料的下沉速度也不同，如果中部快，边部慢，严重时产生“抽芯”现象，在“底火”层二肋部位产生断裂，在断裂部位产生漏生及呲火，也出现欠烧物料。
立窑由于窑型固有的特点，不同部位熟料煅烧时通风、温度和高温带的停留时间有所不同，生料成分的均匀性一般不如回转窑水泥厂，烧成的熟料中fCaO含量也较高，因而立窑设计熟料的矿物组成与回转窑熟料有所不同，早期立窑水泥厂熟料的强度一般也比回转窑低。早期立窑熟料配料时KH=0.85～0.90，SM=1.9～2.2，IM=1.2～1.4；80年代以来，经过水泥科技工作者和立窑水泥厂的长期努力，立窑水泥厂生料的成分均匀性已得到了较大的改善，同时采用了个黑生料、复合矿化剂、预加水成球等技术，立窑熟料的KH值逐步得到提高，达到了0.90～0.94，熟料强度也逐步得到提高；近年来，一些条件好的立窑水泥厂，进一步改善了生料均匀性，采用了小料球煅烧、立窑烧成带保温等新技术，熟料KH值提高到0.92～0.97，SM提高到2.3左右，熟料强度达到了与新型干法回转窑熟料相同的水平。 2 立窑水泥熟料的矿物组成及结构分析
立窑熟料的主要矿物为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C3S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)，但不同的水泥厂，这四种矿物之间的比例有所不问；熟料的矿物组成决定了水泥的水化速度、水化产物本身的强度、形态、尺寸以及彼此形成网络结构时各种键的比例，因此对水泥强度的增长起着最为重要的作用。水泥熟料四种单矿物净浆水化形成水泥石的抗压强度见表2。单矿物 3d 7d 28d 180d C3S 24.22 30.98 42.16 57.84 β-C2S 1.73 2.16 4.51 28.04 C3A 7.55 8.14 8.04 6.47 C4AF 15.10 16.74 18.24 19.22
在四种矿物中，C3S早期和后期强度都最高，是决定水泥强度的最重要因素；C2S早期强度低，28天时强度也比C3S低，但长期强度增加幅度大，1年时 强度赶上C3S强度；C3A水化很快，对缩短凝结时间和提高早期强度有明显作用。C4AF的强度也能不断增长。水泥水化时各矿物还互相影响，互相促进。同时，其它微量矿物含量虽然很少，但在一定条件下也有明显影响。尽管如此，单矿物的绝对强度及增进率，可以帮助我们分析与判断水泥的主要性能，判断水泥质量的变化和以此选择更为合理的矿物组成。
在掺加了矿化剂的立窑水泥厂，其水泥熟料中还有一定量CaF、C4A3S、α-C2S、α-C2S、C12A7等矿物，与上述四种矿物协同发挥作用。 由于立窑熟料煅烧时温度和在高温带的停留时间有所不同，生料成分的均匀性一般也不如回转窑水泥厂，立窑烧成的熟料中fCaO含量一般比回转窑熟料高，回转窑熟料中fCaO一般<1%，而立窑熟料中一般为2.0%-3.5%。
由于立窑生料是和煤粉混合成球后煅烧，料球中的煤粉燃烧后在立窑熟料中产生很多小孔洞，这种特点使立窑熟料易磨性要比回转窑熟料好。 3 提高硅酸钙矿物含量配料方案的选择意见 在水泥生产中，水泥厂应该根据自己厂所用的原料与燃料特点、工艺和操作水平确定既适合本厂情况又先进的配料方案，达到质量好、产量高又好烧的目的。在立窑水泥厂，目前大多采用以下三种配料方案。
(1)高饱和比高铝方案：KH=0.92～0.96，SM=2.0～2.2，IM=1.6～I.9
(2)高硅低铁方案：KH=0.90～0.94，SM=2.2～2.4，IM=1.3～1.5
(3)高饱和比低硅方案：KH=0.94～0.98，SM=1.6～1.8，IM=1.3～1.5。 石灰饱和系数KH为熟料中全部氧化钙生成硅酸钙(C3S+C2S)所需要的氧化钙含量与全部氧化硅生成硅酸三钙所需要氧化钙最大含量的比值，也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。KH高，反映出熟料中C3S含量高。随着生产条件的改进，立窑熟料KH值逐步提高，是一个大趋势。
中国建材科学研究院制定六项水泥新标准时所做的大量试验发现，硅酸率高的熟料磨制水泥强度下降少，反之则多。熟料硅酸率高，则熟料中硅酸盐矿物(C3S+C2S)含量高，在KH值相同时，硅酸率SM高，熟料中C,S也相应提高。所以近年来，许多水泥工作者都开始尝试提高硅酸率的配料方案。国内一些著名学者经过研究，推荐的配料方案为：KH=0.88～0.94，SM>2.3，IM>2，生料中Fe203，一般在2％以下。熟料中C3S+C2S>73%、fCaO<2%、3天抗压强度>43MPa(老标准，下同)、28天抗压强度>65MPa，而且熟料产量高，易磨性好。对于原、燃料条件具备的立窑水泥厂，应考虑尽量向高硅、低铁方案靠近。高硅、低铁方案易烧性较差，需要有改善易烧的矿化剂技术配合。
对于原燃料中含硫量高的立窑水泥厂，在水泥三氧化硫不超标的前提下，也可以有意识地加大生料中硫的比例，使烧成时能形成足够量的早强和高强矿物硫铝酸钙，以提高水泥的早期和后期强度。
浙江省一些水泥厂用劣质煤为燃料，掺加多种矿化剂，采用高铝、高铁、低硅酸率(SM=1.4～1.6)的配料方案，熟料3d抗压强度高于38MPa，熟料28天抗压强度稳定在60～65MPa，也取得了良好的效果。
立窑企业在生料配料时，一般都要加入矿化剂。这类组分量虽不多，但对熟料的煅烧和质量都有重要影响。两种或两种以上矿化剂同时使用时，称为复合矿化剂。最常用的是氟化钙和石膏。近年来对重晶石(硫酸钡)、氧化镁、氧化锌等也进行了研究和试验。研究表明，熟料中含有一定量的氧化钡(1%-3%)，能提高水泥的早期强度和后期强度，钡离子固熔进C2S后，能阻止其向γ-C2S转化，提高C2S的活性；少量氧化锌(<1%～2%)的加入，固熔进C2S后，也能阻止其向γ-C2S转化，提高C2S的活性，并可改善水泥的早期强度等性能；在生料中掺加适量硫酸钡、氧化镁后，可以降低液相出现的温度和液相粘度，从而降低烧成温度和熟料单位热耗，有利于增加产量，提高熟料质量；在原料条件具备的立窑水泥厂，可以从铜矿渣、铅锌尾矿等原料中引入锌，山含镁量较高的石灰石中引入镁，复合掺加萤石、重品石或石膏，组成多元素复合矿化剂。
在生料的制备中，现代立窑企业对生料均匀性和配热准确程度的要求更高。一定要在生料制备系统和均化上下功夫。实践证明，谁进行原料燃料和生料配料系统的改造谁就受益匪浅，，一批脱颖而出的立窑企业，无一不是在生料制备系统和均化上下了大功夫。要努力使入窑生料碳酸钙波动±0。5％时，合格率应达到95％以上；以碳酸钙标准偏差汁算时，应努力达到<±0．2％。以确保配料方案实施。 摘自《中国水泥》
影响水泥熟料强度的主要因素是熟料的矿物组成和熟料的岩相结构，这主要取决于熟料的配料方案和窑的煅烧条件及操作技术。物料在不同窑内的受热情况和煅烧过程不完全相同，因此设汁的熟料组成也有所不同。不同窑型硅酸盐水泥熟料各率值见表1。
窑型 KH SM IM 熟料热耗 预分解回转窑 0.86～0.89 2.4～2.8 1.4～1.8 2930～3750 湿法长回转窑 0.88～0.91 1.5～2.6 1.0～1.8 5833～7520 干法回转窑 0.86～0.89 2.0～2.4 1.0～1.6 5850～7520 立波尔回转窑 0.85～0.88 1.9～2.3 1.0～1.8 4000～5850 立窑(无矿化剂) 0.85～0.90 1.9～2.2 1.2～1.4 4200～5430 立窑(掺矿化剂) 0.92～0.97 1.6～2.2 0.9～1.4 3350～5000
立窑生产特点不同于回转窑，从含煤生料成球喂入窑内至熟料从窑底卸出，经历了8.5m～11m高度的从上而下运动，下沉速度一般为1.2-1.3m/h。窑底鼓入的高压空气从下而上运动。随着料球向下运动，煤由表及里产生燃烧，温度逐渐升高，沿窑高度不问温度不同。根据物料的温度和进行的物理化学变化，一般沿高度分为预热带、高温带和冷却带，其中预热带和高温带只占窑高的20%左右，一般为1.5m～1.8m，其中最关键的是高温带，温度为1300°C～1450°C～1300°C，物料进行化学变化和物理化学变化，部分物料出现熔融，物料粘结成烧结体形成“底火”，在这一带烧成需要的熟料。在立窑中，这一带的高度一般为0.6m-1.2m，为保证物料化学反应完全，物料需要在这一带停留20～30min。立窑中不同位置“底火”的厚度不同，一般中部厚，边部薄，边部物料在高温带停留时间不足时易出现欠烧物料；立窑中不同位置，物料的下沉速度也不同，如果中部快，边部慢，严重时产生“抽芯”现象，在“底火”层二肋部位产生断裂，在断裂部位产生漏生及呲火，也出现欠烧物料。
立窑由于窑型固有的特点，不同部位熟料煅烧时通风、温度和高温带的停留时间有所不同，生料成分的均匀性一般不如回转窑水泥厂，烧成的熟料中fCaO含量也较高，因而立窑设计熟料的矿物组成与回转窑熟料有所不同，早期立窑水泥厂熟料的强度一般也比回转窑低。早期立窑熟料配料时KH=0.85～0.90，SM=1.9～2.2，IM=1.2～1.4；80年代以来，经过水泥科技工作者和立窑水泥厂的长期努力，立窑水泥厂生料的成分均匀性已得到了较大的改善，同时采用了个黑生料、复合矿化剂、预加水成球等技术，立窑熟料的KH值逐步得到提高，达到了0.90～0.94，熟料强度也逐步得到提高；近年来，一些条件好的立窑水泥厂，进一步改善了生料均匀性，采用了小料球煅烧、立窑烧成带保温等新技术，熟料KH值提高到0.92～0.97，SM提高到2.3左右，熟料强度达到了与新型干法回转窑熟料相同的水平。 2 立窑水泥熟料的矿物组成及结构分析
立窑熟料的主要矿物为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C3S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)，但不同的水泥厂，这四种矿物之间的比例有所不问；熟料的矿物组成决定了水泥的水化速度、水化产物本身的强度、形态、尺寸以及彼此形成网络结构时各种键的比例，因此对水泥强度的增长起着最为重要的作用。水泥熟料四种单矿物净浆水化形成水泥石的抗压强度见表2。单矿物 3d 7d 28d 180d C3S 24.22 30.98 42.16 57.84 β-C2S 1.73 2.16 4.51 28.04 C3A 7.55 8.14 8.04 6.47 C4AF 15.10 16.74 18.24 19.22
在四种矿物中，C3S早期和后期强度都最高，是决定水泥强度的最重要因素；C2S早期强度低，28天时强度也比C3S低，但长期强度增加幅度大，1年时 强度赶上C3S强度；C3A水化很快，对缩短凝结时间和提高早期强度有明显作用。C4AF的强度也能不断增长。水泥水化时各矿物还互相影响，互相促进。同时，其它微量矿物含量虽然很少，但在一定条件下也有明显影响。尽管如此，单矿物的绝对强度及增进率，可以帮助我们分析与判断水泥的主要性能，判断水泥质量的变化和以此选择更为合理的矿物组成。
在掺加了矿化剂的立窑水泥厂，其水泥熟料中还有一定量CaF、C4A3S、α-C2S、α-C2S、C12A7等矿物，与上述四种矿物协同发挥作用。 由于立窑熟料煅烧时温度和在高温带的停留时间有所不同，生料成分的均匀性一般也不如回转窑水泥厂，立窑烧成的熟料中fCaO含量一般比回转窑熟料高，回转窑熟料中fCaO一般<1%，而立窑熟料中一般为2.0%-3.5%。
由于立窑生料是和煤粉混合成球后煅烧，料球中的煤粉燃烧后在立窑熟料中产生很多小孔洞，这种特点使立窑熟料易磨性要比回转窑熟料好。 3 提高硅酸钙矿物含量配料方案的选择意见 在水泥生产中，水泥厂应该根据自己厂所用的原料与燃料特点、工艺和操作水平确定既适合本厂情况又先进的配料方案，达到质量好、产量高又好烧的目的。在立窑水泥厂，目前大多采用以下三种配料方案。
(1)高饱和比高铝方案：KH=0.92～0.96，SM=2.0～2.2，IM=1.6～I.9
(2)高硅低铁方案：KH=0.90～0.94，SM=2.2～2.4，IM=1.3～1.5
(3)高饱和比低硅方案：KH=0.94～0.98，SM=1.6～1.8，IM=1.3～1.5。 石灰饱和系数KH为熟料中全部氧化钙生成硅酸钙(C3S+C2S)所需要的氧化钙含量与全部氧化硅生成硅酸三钙所需要氧化钙最大含量的比值，也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。KH高，反映出熟料中C3S含量高。随着生产条件的改进，立窑熟料KH值逐步提高，是一个大趋势。
中国建材科学研究院制定六项水泥新标准时所做的大量试验发现，硅酸率高的熟料磨制水泥强度下降少，反之则多。熟料硅酸率高，则熟料中硅酸盐矿物(C3S+C2S)含量高，在KH值相同时，硅酸率SM高，熟料中C,S也相应提高。所以近年来，许多水泥工作者都开始尝试提高硅酸率的配料方案。国内一些著名学者经过研究，推荐的配料方案为：KH=0.88～0.94，SM>2.3，IM>2，生料中Fe203，一般在2％以下。熟料中C3S+C2S>73%、fCaO<2%、3天抗压强度>43MPa(老标准，下同)、28天抗压强度>65MPa，而且熟料产量高，易磨性好。对于原、燃料条件具备的立窑水泥厂，应考虑尽量向高硅、低铁方案靠近。高硅、低铁方案易烧性较差，需要有改善易烧的矿化剂技术配合。
对于原燃料中含硫量高的立窑水泥厂，在水泥三氧化硫不超标的前提下，也可以有意识地加大生料中硫的比例，使烧成时能形成足够量的早强和高强矿物硫铝酸钙，以提高水泥的早期和后期强度。
浙江省一些水泥厂用劣质煤为燃料，掺加多种矿化剂，采用高铝、高铁、低硅酸率(SM=1.4～1.6)的配料方案，熟料3d抗压强度高于38MPa，熟料28天抗压强度稳定在60～65MPa，也取得了良好的效果。
立窑企业在生料配料时，一般都要加入矿化剂。这类组分量虽不多，但对熟料的煅烧和质量都有重要影响。两种或两种以上矿化剂同时使用时，称为复合矿化剂。最常用的是氟化钙和石膏。近年来对重晶石(硫酸钡)、氧化镁、氧化锌等也进行了研究和试验。研究表明，熟料中含有一定量的氧化钡(1%-3%)，能提高水泥的早期强度和后期强度，钡离子固熔进C2S后，能阻止其向γ-C2S转化，提高C2S的活性；少量氧化锌(<1%～2%)的加入，固熔进C2S后，也能阻止其向γ-C2S转化，提高C2S的活性，并可改善水泥的早期强度等性能；在生料中掺加适量硫酸钡、氧化镁后，可以降低液相出现的温度和液相粘度，从而降低烧成温度和熟料单位热耗，有利于增加产量，提高熟料质量；在原料条件具备的立窑水泥厂，可以从铜矿渣、铅锌尾矿等原料中引入锌，山含镁量较高的石灰石中引入镁，复合掺加萤石、重品石或石膏，组成多元素复合矿化剂。
在生料的制备中，现代立窑企业对生料均匀性和配热准确程度的要求更高。一定要在生料制备系统和均化上下功夫。实践证明，谁进行原料燃料和生料配料系统的改造谁就受益匪浅，，一批脱颖而出的立窑企业，无一不是在生料制备系统和均化上下了大功夫。要努力使入窑生料碳酸钙波动±0。5％时，合格率应达到95％以上；以碳酸钙标准偏差汁算时，应努力达到<±0．2％。以确保配料方案实施。 摘自《中国水泥》
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