预分解窑飞砂料生成原因和减缓措施

  摘要：飞砂料是预分解窑生产中经常出现的现象，对窑的生产操作和熟料质量均产生一定的影响，成为生产操作人员关注的焦点。初步分析其生成原因和减缓措施，以促进国内有关单位的重视，加强此方面的研究，从根本上解决这个问题。

  1 飞砂料的危害性

  预分解窑生产过程中，经常出现飞砂料，一些工厂介绍的文章称熟料颗粒小于1mm时，称之为飞砂料，少的低于窑产量的10％，多的高达20％～30％，其危害性如下：

  飞砂料易磨性差，不利于水泥粉磨。国外资料介绍纯飞砂料易磨性差，个别资料称粉磨时较正常熟料增加电耗20％～30％。

  飞砂料形成热高。国外资料介绍较普通熟料增加约30～40kcal/kg，熟料的强度亦较正常熟料低。

  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飞砂熟料较多时，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。

  当篦冷机的喷速较高时，飞砂料则随高温热气流入窑和入三次风管，在此过程中，未经冷却的飞砂料将热量传递给三次风，提高了三次风温，但飞砂料进入三次风管时，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；当大量的飞砂料进入分解炉时，易使物料过热，加重分解炉内物料负荷，影响了入窑物料分解率的控制。

  飞砂料颗粒随二次风入窑，再次在窑内加热，易产生熟料的重结晶，再次产生不易粉磨的飞砂料；形成飞砂料的生产循环也影响窑的操作，在一定程度上造成热工制度的混乱，同时造成窑头混蚀，影响正确地判断火焰温度，此外飞砂料也易造成窑头护板及耐火浇注料的磨蚀。

  2 飞砂料的主要成分

  国外的研究报道称，飞砂料主要是熟料煅烧过程中，生成的大晶格熟料，此类熟料不易成球，易形成粉尘料。

  飞砂料主要是在熟料煅烧过程中形成的，要分析其形成的原因，首先要对熟料在窑内煅烧过程中的物理、化学作用作一分析，也就是对窑内各带作一介绍。

  3 熟料在窑内煅烧过程

  窑料在预分解窑内煅烧成熟料时，根据其物理、化学作用过程，大致分成５个带：即分解带、过渡带、液相烧成带、最高温度烧成带、冷却带，各带是根据其功能决定的，其长度因功能变化而变化，各带的主要功能介绍如下：

  3.1 预热器分解炉系统（CZ）

  从预热器、分解炉系统的入窑生料分解率一般均大于90％，未分解的生料在此带加热分解，已分解的生料中的fCaO与SiO2颗粒作用生成C2S，C2S生成时要放出热量（610kJ/kg），生料在此带内较快的加热分解，带内有少量的C2S与游离CaO生成C3S。

  预分解窑内的分解带与入窑物料分解率有关，分解率愈高则此带愈短。分解率愈低则带愈长。

  3.2 过渡带（HZ）

  物料从900℃加热至1300℃，在此带内物料温度增加很快，液相仅有少量出现，但温度上升到～1300℃时，液相突然大量增加，进入液相烧成带。

  3.3 液相烧成带（LZ）

  此带内，液相已大量生成，随着温度增加，液相增加的速率不高，熟料颗粒开始形成。熟料颗粒的形成，取决于液相的性质和数量、颗粒在物料中的分布和在液相带内停留的时间。在液相烧成带内C3S开始生成，由于温度增加，则C3S生成量愈来愈多，其晶格随温度增加而增大，当C3S晶格过大时，将不易成球，形成飞砂料。

  3.4  最高温度烧成带（MZ）

  最高温度烧成带在火焰的最高温度部位，窑内物料温度达到最高值，C3S完全生成，熟料完成成球，熟料在此带内完成全部煅烧过程。

  3.5  冷却带（AZ）

  此带内熟料开始降温，熟料固化。

  3.6  窑内各带气体温度、物料温度、液相量、C3S生成率

  3.7  窑内熟料颗粒生成情况

  飞砂料的形成与熟料颗粒有关，更与C3S晶体生成的大小有着直接关系，也就是窑料在形成熟料过程中，在窑内各带停留时间有关，更与窑料的内在性能有关。国外的研究资料称：一些易烧的生料较易地完成煅烧熟料的物理、化学功能，即过渡带、液相烧成带较长、最大温度烧成带较短时且煅烧温度相对较低时，C3S不易生成大晶格，熟料易结粒。而难烧的生料在煅烧过程中，在过渡带、液相烧成带停留时间较短，而在最大烧成带停留时间较长，且温度较高时，在此条件下，易生成大晶格的C3S，此类矿物不易成球，易生成飞砂料。

  4  影响熟料结粒的因素

  窑内熟料颗粒是在液相（有些资料称熔体）作用下形成的，液相在晶体外形成毛细管桥。液相毛细管桥起到两个作用：一是使颗粒结合在一起，另一作用是作为是中间介质，使CaO和C2S在熔融态内扩散生成C3S，颗粒的强度取决于毛细管桥的强度，桥的强度即连接颗粒的力随液相表面张力和颗粒直径的降低而增加。毛细管桥的数量又和颗粒直径的平方根成反比。要结好粒，必须有足够的液相，并要求颗粒在液相内分布均匀，形成较高的表面张力和适宜的结粒时间和温度。现对影响结粒的因素作一叙述。

  4.1 液相量

  窑内液相量太少不易结粒，太多结成致密的大块熟料。液相量的计算公式较多，用得较多的计算公式为：

  1400℃时液相量L＝3.0Al2O3＋2.25Fe2O3＋K2O＋Na2O＋MgO

  液相量在25％～28％时，对结粒最有利。

[Page]

  4.2 生料易烧性

  易烧性是指生料转变为所企望的熟料相成分难易的程度，通过原料的化学成分、矿物性能和细度来确定，现将经多次优化的F.L.Smidth公司的易烧性公式表述如下：

  fCaO1400℃=0.343LSF-93＋2.7AM-2.3＋0.83Q45＋0.10C125＋0.39R45

  方程式前半部份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AM愈高，则fCaO的值愈高，煅烧温度也愈高，方程式的后半部份则表示生料中不同矿物的细度对易烧性所起的作用，其中尤为受到关注的是水泥熟料内主要原料的粗颗粒SiO2及少量酸性不溶物，对易烧性有较大的影响，此外大于125μｍ的石灰石颗粒也有一定影响。

  公式表明，在1400℃时生料易烧性实验时，其所得的fCaO数值愈低，生料易烧，则烧成带火焰温度相应低些，相应易结粒，若生料易烧性实验的fCaO值愈高，生料难烧，则烧成带火焰温度也愈高，相应结粒差些，易生成飞砂料。

  4.3 生料成分、细度的均匀性

  上节所述，不同成分的生料和细度对易烧性都有一定的影响，在生产的过程中，当出现原料成分及细度发生较大变化时，必然会引起物料在窑内物理、化学作用的位置及温度的变化，将会引起熟料结粒的变化，当生料成分和细度变化的情况符合形成飞砂料的条件时，便会形成飞砂料。

  4.4 液相表面张力

  液相表面张力是液相的重要性质，与结粒有着直接的关系。液相表面张力增大易结粒，熟料颗粒的大小与液相表面张力呈良好的线性关系。

  液相的表面张力与元素外层电子的负电性有关，有些元素如：K、Cl、S的表面张力值较低，不利于结粒。而Mg、Al等元素的表面张力值较高，有利于结粒。

  一般熟料液相内含有几种元素，它们之间的表面张力并非单元素表面张力的叠加。

  液相表面张力与温度有关，不同成分的熟料液相表面张力值在同一温度时有所不同，但随温度的升高，其液相表面张力值有所下降。

  4.5 液相粘度

  不同成分熟料的液相粘度值是不同的，一般说来液相粘度值减少易结粒，液相粘度与温度有关，随温度上升而下降。

  几种元素共存的液相粘度值并非单元素值的叠加。

  近年来，国内一些单位相继报导了MgO、R₂O、SO₃对结皮和结粒有较大的影响。R₂O含量增加，粘度值增加较大，不利于结粒。SO₃含量增加，粘度值降低，但SO₃的粘度值较R₂O低得多，因此SO3存在时结粒有所改善。若R₂O、SO₃均存在时，MgO含量增加，液相粘度值大大降低，有利于结粒。

  4.6 物料在窑内各带停留时间的影响

  原料成分，入窑物料分解率，火焰形状等因素，决定了物料在窑内各带的停留时间，也决定了熟料结粒的大小。

  若原料不易煅烧，入窑物料分解率低，相应物料在分解带和过渡带停留时间就长，而在熔融带的停留时间就短些。在此条件下，易生成大晶格的C2S，此类C2S和fCaO很难结合也难结粒。若生料中有难烧物质，则需较高的烧成温度，此时未结粒物质反应较快，C3S在此条件下易生成难以结粒的大晶格矿物。

  4.7 生料率值的影响

  KH值高，物料不易煅烧，所需的煅烧温度高，最高温度带较长，相应熔融带缩短，易结细粒。

  硅酸率SM增加，烧成温度增高，物料不易煅烧，易结细粒。

  铝氧率AM增加，液相粘度增大，烧成温度增高，物料熔融困难，C2S和fCaO结合生成C3S困难。

  液相量与铝氧率和温度有一定的关系，当AM＝1.63时，有利于结粒。AM值偏离1.63值愈大，对熟料结粒愈不利。

  5 减缓飞砂料的措施

  从一些发表的研究资料和生产过程中出现的飞砂情况来看，飞砂料的起因很复杂，涉及到生料成分、生料细度、生料均匀性以及熟料煅烧状况、燃料性能、熟料在煅烧过程中在窑内各带的停留时间及煅烧温度、工艺装备状况等均有一定程度的关系，在生产过程中，寻找飞砂料的成因及解决措施是有一定的复杂性，为简化措施，重点从原料性能和煅烧状况来解决。

  5.1 原料性能

  当生产过程中，出现飞砂料时，应考虑在不影响熟料强度和性能的前提下，适当改变配料率值，如降低KH值、硅酸率SM值，将铝氧率AM值接近1.63，适当降低易烧性指数、提高液相量、减少不易磨易和煅烧的大颗粒石英和石灰石等物质，适当调节原料中的MgO、R₂O、SO₃的含量。使原料成分、生料易烧性、液相表面张力液体粘度等均有利于结粒。

  生产过程中，尽可能保持生料成分的均匀，以避免出现不利于结粒的成分和细度波动值过大的生料入窑。

  5.2 改善窑的操作

  为使熟料结粒均齐，应尽量提高入窑物粒分解率，改善篦冷机的操作，尽可能提高二次和三次风温，改善喷煤管火焰形状，延长物料在窑内分解带和过渡带和液相烧成带的停留时间，在最高温度带保持合适的烧成温度，以上操作状况有利生成小晶格C3S料，也有利于结粒。

  提高入窑物料分解率的措施是加强窑、预热器、三次风管、废气管道等装备的密闭，减少漏风，改善预热器、分解炉的性能，提高换热效率，增强上述装备的隔热，减少散热损失等。

  在操作中，尽量避免物料在过渡带、液相烧成带过短的停留，在最高温度烧成带过长时间停留及过高的烧成温度，上述操作状况有利于生成大晶格的C3S，不利于熟料结粒。

  当前，生产过程中出现燃料品位降低，燃料所含的热值、灰分、挥发分、硫含量、水分的数值变化较大，因此必须配用与燃料性能变化相匹配的燃烧器，以保证火焰形状有利于结粒。

  在生产过程中，尽量避免过高提产，此时入窑物料分解率一般较低，易出现窑料在窑内欠烧，不得不延长最高温度烧成带和提高烧成温度来降低熟料中的fCaO，造成C3S晶格过大，生成飞砂料。同时应避免窑内呈还原气氛，此种状况虽然入窑物料的分解率较高，但窑内火焰燃烧不充分，不利于物料的热交换，当物料进入最高温度烧成带时只得延长烧成带的长度和提高烧成温度，来降低熟料中的fCaO，此时，易生成大晶格熟料飞砂料。

  6  结束语

  飞砂料是预分解窑生产过程中经常出现的现象，对生产造成一定的危害。为了减缓飞砂料，应从窑内熟料形成的物理、化学作用入手，分析寻找飞砂料形成的原因，如原料性能以及窑内煅烧过程中，熟料在各带的停留时间和温度，尤其是液相烧成带和最高温度烧成带的停留时间和温度对结粒的影响，从而找出减缓飞砂料生成的措施。