石英砂岩细度对熟料煅烧产生的影响

　　预分解窑生产中，为减少碱、氯等对生产的影响，大量采用石英砂岩（简称砂岩）、砂页岩等硅质原料。在煅烧过程中，SiO2相往往是煅烧过程中决定生料活性的主要因素，此外砂岩的磨蚀性大，易磨性差，难于粉磨，所磨制的生料中细度较粗，而生料反应速率取决于SiO2的粒度和比表面积，因此给实际生产带来一定的难度。本文借助和参考国内外有关资料和生产实践，讨论砂岩细度对熟料煅烧及其产品性能的影响。

　　1   生料易烧性  

　　生料易烧性是指生料转变为所期望的熟料矿物成分的难易程度，它是由原料的化学成分、矿物性能和生料细度所决定，现将有关公司的生料易烧性公式表述如下： 

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

　　方程式前半部分表示生料化学性能所起的作用，从公式来看，石灰饱和系数LSF、硅酸率SM值越高，则f-CaO值越高，煅烧温度也越高。方程式的后半部分则表示生料中不同矿物的细度对生料易烧性所起的作用，其中尤为受到关注的是生料中粗颗粒SiO2及少量酸性不溶物对生料易烧性有较大的影响，大于125μm的石灰石颗粒也有一定的影响。 

　　2  SiO2颗粒尺寸对C3S形成的影响  

　　SiO2与CaO是在900℃～1200℃以上的高温开始反应的，此时CaCO3中的CO2逸出后，所生成的CaO表面孔隙率多且疏松，而SiO2颗粒密实，因此SiO2在CaO晶格中扩散速率比CaO在SiO2晶格中低3～4倍，可以说SiO2相是煅烧过程中决定生料活性的主要因素。但是SiO2与CaO在高温条件下生成C2S、C3S，其形成过程及SiO2颗粒尺寸对C2S、C3S形成的影响有着不同的理论。 

　　1979年Christensen等人通过实验及严谨的理论分析和计算，提出了SiO2和CaO反应基质理论，指出水泥熟料煅烧过程中形成了不含CaO微粒的不同粒径的C2S基质，然后与CaO作用，形成C3S，这种观点普遍得到人们的认可。细颗粒SiO2所形成的C2S基质粒径小，与CaO反应生成C3S的转化率高，反应所生成的C3S晶格小；而粗颗粒SiO2所形成的C2S基质粒径大，与CaO反应生成C3S基质粒径大且转化率低，反应所生成的C3S晶格大。并且计算出细颗粒石英所生成的基质与CaO反应生成C3S的转化率为0.89，而粗颗粒的转化率仅为0.15，计算过程中还提出了SiO2颗粒由细变粗的转化率逐步变化的转换系数。 

　　 按照上述理论，在相同SiO2含量的生料中，当生料中SiO2粗颗粒含量较多时，由于转化率低，所生成的C2S量多，C3S量少，易生成大晶格的C2S和C3S熟料；而另一种生料中SiO2细颗粒含量较多时，因其转化率高，所形成的C3S量多，C2S量相应减少，易生成小晶格的C2S和C3S熟料。

　　水泥工厂生产操作手册中指出：生料中粗颗粒SiO2的含量为＞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%时，则在实际生产中易出现熟料煅烧问题。 

　　1980年F Mac Grego   

　　 Miller提出了熟料煅烧过程中生成的大晶格C2S、C3S熟料不易结粒，易形成粉状熟料，同时提出了粉状熟料的生成条件是熟料煅烧过程中C3S在烧成带的煅烧温度高且停留时间长，易使C3S晶格增大，形成大晶格的熟料。我院在生产实践中的一些岩相分析也证实了在生产过程中熟料的晶格大于60μm时，呈现粉状熟料，且熟料晶格愈大，窑的粉状熟料愈严重，对生产的影响也愈大。

　　曾对一台篦冷机进料口的堆积物进行测试，发现生料中大于45μm的SiO2含量为5%，大于125μm的CaCO3含量为7%，而堆积物中C3S的晶格大于80μm，C2S大于60μm，全部为疏松多孔的粉状熟料。

　　综上所述，粗颗粒的SiO2在生产过程中易生成大晶格的C2S和C3S熟料，这些熟料易在窑内形成粉状熟料。 

　　3  粉状熟料对热耗、电耗及熟料质量的影响 

　　3.1  热耗 

　　有些技术资料称，易烧性差且难于煅烧的生料，易生成大晶格C3S、C2S粉状熟料，较易烧性好的小晶格C3S、C2S结粒熟料的热耗增加125.4～167.2kJ/kg熟料。  

　　 3.2  电耗 

　　B.  Schenbel等人对各种窑型的15个熟料样品，在相同的比表面积下(3200cm2/g)进行了岩相、易磨性的测试，提出了用熟料中C3S含量、C2S含量、C3S晶格尺寸、C2S晶格尺寸来计算熟料粉磨电耗的方法，其计算结果与测试结果接近。提出了熟料中C3S含量越高，C3S晶格越小，越易粉磨，粉磨时电耗低；而C2S含量越高，晶格越大，越不易粉磨，粉磨时电耗高的观点。

　　生产实践中，粉状熟料普遍难磨，粉磨时电耗较高。Ｆ．Ｌ．Ｓ资料显示粉状熟料较结粒熟料电耗增加了40%。 

　　3.3  熟料强度  

　　根据有关资料介绍，C3S的晶格大于60μm时几乎不起水化作用，而飞砂料中一般C3S晶格大于60μm，熟料强度受到影响。 

　　B.  Schenbel等人通过测试证实，小晶格的C3S含量高，有利于熟料强度的提高。 

　　Duoda.W H曾对化学成分相同的两种水泥进行强度测试，一种15μm C3S的25d强度为391kg/cm2，而另一种40μm C3S的28d强度为293kg/cm2，证实小晶格C3S强度高。 

　　4  粗颗粒SiO2生成的粉状熟料对生产的影响在熟料煅烧过程中，生料中SiO2颗粒的粒径较粗，对C2S和CaO转换率较低，易使熟料中的f-CaO值偏高，操作人员为了控制f-CaO含量，不得不采用短急火焰来提高烧成带的温度和适当延长物料在烧成带的停留时间，这种煅烧方式又增加了粉状熟料的生成。其对生产的影响为： 

　　（1）燃烧器长期处在短急的高温火焰下，燃烧器头部外面的耐火浇注料极易受热损坏，当耐火浇注料损坏后，燃烧器的高温耐热钢也易受热变形，致使燃烧器头部各喷口形状和尺寸发生变化，影响火焰形状和熟料质量。 
　　（2）粉尘状熟料窑皮多孔、不稳定且易掉落，易使窑内耐火砖长期承受高温的热应力作用，造成过热损坏，影响火砖使用周期。 

　　熟料在窑内煅烧时，受离心力的作用，产生离析，大颗粒一般集中在中间，随着颗粒直径变小，细颗粒则集中在窑筒体一边。当熟料从窑头落至篦床上时，大颗粒集中在一侧，细颗粒集中在另一侧，篦床横截面中部为粗细颗粒的过渡部位。当窑速较快且窑内细颗粒粉状熟料较多时，细颗粒集中在一侧的现象尤为明显。堆积的细颗粒料层密度高，篦下冷风不易透过，熟料得不到冷却，形成一条高温红色熟料带（俗称红河），极易损坏料层下的篦板。此外，粉尘状熟料愈多，热工测定的冷却机效率也愈低。 

　　当篦冷机的冷却空气喷速较高时，粉状熟料则随高温热气流入窑和入三次风管。在此过程中，未经冷却的粉状熟料将热量传递给三次风，提高了三次风温，粉状熟料进入三次风管后，因其磨蚀性强，易对三次风管内耐火材料和三次风阀板造成磨蚀，粉状熟料进入分解炉内，加重了分解炉内物料负荷，影响了入窑物料分解率的控制。 

　　5  减缓SiO2颗粒过粗的措施 

　　SiO2颗粒细度影响熟料晶格尺寸，减缓SiO2颗粒细度过粗对熟料煅烧影响的措施如下： 

　　（1）大部分砂岩通过煅烧将显著改善破碎性和磨蚀性，但石英晶体过大或过小（隐晶）、结构疏松或泥质含量较高的砂岩，改善不明显，必须对样品进行试验后才能确定是否煅烧。 
　　（2）球磨机可通过适当改善配球球径，辊式磨或辊压机可通过增加辊压，来适当降低生料筛余细度，相应降低SiO2细度。  
　　（3）在不影响熟料质量的前提下，利用上述Ｆ．Ｌ．Ｓ公司的易烧性公式，也就是降低公式前半部分的化学率值来抵消生料中SiO2颗粒过粗的影响。举例如下：当生料中SiO2超过45μm的颗粒增加1%时，则熟料f-CaO含量将增加0.83%；若将LSF值降低1或SM值减少0.1时，则fCaO含量将分别降低0.34%和0.27%，二者之和为0.61%，将很大程度地减小粗颗粒SiO2的影响，此种方法在国内已有工厂在生产实践过程中予以应用，取得了较好效果。 
　　（4）石英砂岩是含有SiO2原料中活性最差的。生产实践证实，砂岩矿石中SiO2含量越高，其活性越差。在原料工作中尽量选用工厂附近SiO2活性较好及磨蚀性较低的砂岩，取代已经使用的活性较差的砂岩，来改善生料颗粒级配。也可采用单独粉磨砂岩再进行配料来改善生料颗粒级配，从而有利于熟料煅烧。 
　　（5）提高入窑物料的分解率，适当地增加预烧，尽量避免熟料在烧成带出现高温且时间长的状况，以减少粉状物料的生成。 

　　综上所述，当配料中砂岩含量较高且不易粉磨时，宜选用辊式磨，辊式磨易控制细颗粒产品；而球磨机在粉磨时，粗颗粒石英易在细料仓富集，难于粉磨。 

　　6  结束语  

　　 水泥熟料在煅烧过程中，SiO2相往往是决定生料活性的主要因素，不仅与之有关的熟料率值对熟料煅烧及产品质量有影响，而且SiO2细度起到重要作用，应在工程设计的原料工作和生产中予以重视。