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立窑煅烧高硅熟料以及技术要点

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立窑煅烧高硅熟料以及技术要点

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技术交流
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2008/07/24
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  立窑水泥在我国国民经济建设的各个时期,曾做出过很大贡献,但实物质量仍参差不齐。自2001年实施通用水泥新标准之后,胶砂强度检验方法(ISO),因水灰比及成型方式等因素的改变,对熟料硅酸率的高低及其制成的水泥强度相当敏感。硅酸率高,熟料中形成的硅酸盐矿物多,水泥强度发挥良好、增长率高,反之则低。目前,相当一部分立窑企业已逐步改进生料配料向高硅方案过渡,同时对水泥粉磨工艺进行改造,产品实物质量有了提高。

  20世纪80年代,复合矿化剂配料技术推广应用过程中,绝大多数立窑厂采用的是KH、高液相量、高铁、低SM”三高一低配料方案。在当时的条件下,采用GBl77,85法检验胶砂强度,仍烧制出了600号甚至680号以上的高强熟料。进入20世纪90年代,随着我国加入世贸组织步伐的加快,通用水泥标准率先与国际标准接轨,对熟料、水泥胶强度的检测等同采用标准方法,即GBG1671-1999(ISO)。由于水灰比、灰砂比、标准砂颗粒级配成型方式及抗压试验机加荷速度等因素的改变,采用GBl77-85法检测高强度的熟料、水泥合格,采用ISO法检测胶砂时,强度却明显降低了一个档次。据中国建材院测试:采用高硅酸率配料制备的水泥:用ISO法检验时,胶砂强度降低幅度较小,低硅酸率水泥强度降低幅度大。由此可见,提高硅酸率对提高熟料及水泥的实物质量极其重要,国外立窑均采用高硅配料,并沿用至今。在采用高硅酸率配料煅烧高熟料的同时,必须加强对水泥粉磨工艺的改造,强化水泥的粉磨细度,增加成品中3~30μm颗粒的含量,充分发挥机械活化的技术优势。

  采用高硅酸率配料的技术要点:首先,应强化生产过程中原燃材料质量的管理,要求进厂材料质量相对稳定,并有较好的搭配均化措施,以缩小配料中化学成分的标准偏差。其次,在微机配料方面力求消除计量偏差,配比准确。实际生产中,一般采取使用硅铝比高的材料来上调硅酸率,也可采用低铁配料来提高硅酸率,即降低铁相。前一种方法常用,后者则要视原材料易烧性而定,Fe2O3过低会造成液相量不足,导致煅烧困难,熟料f-CaO升高,危及水泥安定性。

  采用高硅酸率配制过程中,必须注意以下几个方面关键因素:

  1.严格控制生料磨细度
  在稳定配料的条件下,制备质量合格的生料,是烧制高强熟料的前提。前苏联水泥化学家克拉夫铁科曾指出:在采用普通原料时增加可利特含量,就必须大大提高生料分散度及采用矿化剂来提高反应能力,生料反应活性取决于颗粒尺寸大小,生料磨细程度决定了生料的化学反应速度,尤其是200μm粗颗粒的含量越少越好。当生料中所含200μm粗颗粒筛余较多时,会显著推迟化学反应进程,导致C2S吸收f-CaO化学反应不完全,增加熟料f-CaO含量,熟料活性降低。
  从高温煅烧反应的角度来讲,200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO含量呈现出良好的线性关系:即生料磨细程度越粗,200μm粗颗粒筛余量越大,熟料形成有效强度矿物的程度越不完全,熟料f-CaO越高,强度和安定性越差(生料200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO的关系见表1)

1 生料200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO的关系

生料200μm筛余(%

0.01

0.36

0.84

1.23

2.17

熟料f-CaO含量(%)

0.13

0.52

1.78

2.66

3.12

  某水泥厂在煅烧高硅酸率熟料的过程中,其生料200μm粗颗粒筛余为0,烧制的熟料28d抗压强度≥60MPa(ISO),便是一个很好的例证。所以,必须严格控制生料的磨细度,以改善生料的易烧性,加快高温下物料的化学反应速度,提高熟料的内在质量。实际生产中,生料200μm粗颗粒筛余应严格控制在05%以下。为了降低生料200μm粗颗粒含量,可以对生料磨内进行相关的技术改造,如采用磨前预处理+烘干粉磨选粉的闭路粉磨工艺,在降低入磨料粒度的同.时,缩小研磨体平均尺寸,优化设计磨内的填充率。此外,对磨机细磨仓衬板工作表面形状进行改进,由衬板的活化来激活研磨体对物料的细磨功能,提高磨机的粉磨效率,使出磨生料中有更多的精粉被选粉机分选。

  2.提高成球质量
  立窑煅烧过程中,料球质量直接影响到熟料的产量、质量及能耗。专家曾指出:生料球的质量和大小是影响煅烧过程最重要的因素,它仅次于立窑规格。目前,国内立窑企业多数采用预加水成球工艺,为提高成球质量奠定了良好的基础。实际生产中,可通过调整成球盘边沿线速度、倾角及下灰点位置等方法来实现提高成球质量的目的。料球粒径的大小和料球的均匀性,是影响料球间空隙率和煅烧过程风速、上火速度的重要因素(2列出了料球尺寸与对流传热系数的关系)

2 料球尺寸与对流传热系数的关系

球径(mm)

5

10

15

20

25

30

对流传热系数(kJ/··h)

721.3

573.2

502.1

465.5

424.3

400.4

  从表中数据可以看出:料球粒径越小,对流传热系数越大,传热传质速率越快。生产实践中也反映出:料球粒径越小,在窑中爆破率也越低,上火速度越快,熟料的产量、质量显著提高、能耗降低。在日常生产过程中,应努力提高成球质量,采用φ57mm小料球烧成,为改善煅烧操作、提高熟料质量,创造良好的条件。

  3.合理配热
  无论采用哪种配料方案,均涉及一个合理的生料配热问题,配热过低或过高都不利于提高熟料质量。配热过高,会导致窑内结大块,造成通风不良,出窑熟料有红火卸出、冷却状况差。过低则熟料烧成率低,熟料有效矿物形成量少,强度自然也不高。所以,必须选择合理的生料配热。
  我们在煅烧SM230~250高硅配料方案时,实际生料配热由2500Jg降至2300Jg,熟料28d抗压强度≥60MPa(ISO)f-CaO<250%,出磨水泥安定性合格率达98%以上。各企业可根据自己的原料特性摸索出合理的生料热值。

  4.强化煅烧操作及熟料急冷
  煅烧高硅酸率熟料,应采用暗火操作方法。明火煅烧不仅熟料热耗高、热量损失大、极易引起炸球,还影响窑内通风上火,使熟料质量差、f-CaO高、立窑产量低。采用喑火煅烧操作,一般控制湿料层厚度≥ 400mm,同时全风烧成,彻底杜绝明火造成的热损失过大。我们采用高硅配料后,立窑产量较过去提高04-08th,熟料质量稳定提高。强化对高硅配料的熟料急冷,可有效防止矿区在1250℃时分解出二次f-CaO,还可以避免βC2S675℃时转化δ2S,保证有效强度矿物的含量不降低,从而达到稳定熟料质量的目的。此外,经过急冷的熟料易碎、易磨性显著提高,可以提高水泥磨的台时产量,降低粉磨电耗。所以,必须加强熟料的急冷,窑型并非是决定产品质量的惟一因素。
  第一,采用新技术、新工艺装备的机立窑,完全可以稳定烧制出28d强度≥60MPa(ISO)的高强熟料,生产优质水泥。高硅配料是稳定提高熟料及水泥实物质量的主要技术途径;第二,采用高硅酸率(SM240~260)配料后,在合理配热、成球和煅烧操作的前提下,烧制的熟料强度增长率高,3~28d可增长30MPa,水泥3~28d强度增长率达22~25MPa,有利于加快混凝土施工进度;第三,高硅酸率熟料中硅酸盐矿物总量一般在74%以上,是其强度发挥良好的重要因素;第四,高硅酸率熟料由于铁相低、死烧块少,急冷后易磨性大幅度提高。同时,制成的水泥与减水剂的相容性较好,混凝土施工性能、耐久性能优良。

立窑水泥在我国国民经济建设的各个时期,曾做出过很大贡献,但实物质量仍参差不齐。自2001年实施通用水泥新标准之后,胶砂强度检验方法(ISO),因水灰比及成型方式等因素的改变,对熟料硅酸率的高低及其制成的水泥强度相当敏感。硅酸率高,熟料中形成的硅酸盐矿物多,水泥强度发挥良好、增长率高,反之则低。目前,相当一部分立窑企业已逐步改进生料配料向高硅方案过渡,同时对水泥粉磨工艺进行改造,产品实物质量有了提高。

  20世纪80年代,复合矿化剂配料技术推广应用过程中,绝大多数立窑厂采用的是KH、高液相量、高铁、低SM”三高一低配料方案。在当时的条件下,采用GBl77,85法检验胶砂强度,仍烧制出了600号甚至680号以上的高强熟料。进入20世纪90年代,随着我国加入世贸组织步伐的加快,通用水泥标准率先与国际标准接轨,对熟料、水泥胶强度的检测等同采用标准方法,即GBG1671-1999(ISO)。由于水灰比、灰砂比、标准砂颗粒级配成型方式及抗压试验机加荷速度等因素的改变,采用GBl77-85法检测高强度的熟料、水泥合格,采用ISO法检测胶砂时,强度却明显降低了一个档次。据中国建材院测试:采用高硅酸率配料制备的水泥:用ISO法检验时,胶砂强度降低幅度较小,低硅酸率水泥强度降低幅度大。由此可见,提高硅酸率对提高熟料及水泥的实物质量极其重要,国外立窑均采用高硅配料,并沿用至今。在采用高硅酸率配料煅烧高熟料的同时,必须加强对水泥粉磨工艺的改造,强化水泥的粉磨细度,增加成品中3~30μm颗粒的含量,充分发挥机械活化的技术优势。

  采用高硅酸率配料的技术要点:首先,应强化生产过程中原燃材料质量的管理,要求进厂材料质量相对稳定,并有较好的搭配均化措施,以缩小配料中化学成分的标准偏差。其次,在微机配料方面力求消除计量偏差,配比准确。实际生产中,一般采取使用硅铝比高的材料来上调硅酸率,也可采用低铁配料来提高硅酸率,即降低铁相。前一种方法常用,后者则要视原材料易烧性而定,Fe2O3过低会造成液相量不足,导致煅烧困难,熟料f-CaO升高,危及水泥安定性。

  采用高硅酸率配制过程中,必须注意以下几个方面关键因素:

  1.严格控制生料磨细度
  在稳定配料的条件下,制备质量合格的生料,是烧制高强熟料的前提。前苏联水泥化学家克拉夫铁科曾指出:在采用普通原料时增加可利特含量,就必须大大提高生料分散度及采用矿化剂来提高反应能力,生料反应活性取决于颗粒尺寸大小,生料磨细程度决定了生料的化学反应速度,尤其是200μm粗颗粒的含量越少越好。当生料中所含200μm粗颗粒筛余较多时,会显著推迟化学反应进程,导致C2S吸收f-CaO化学反应不完全,增加熟料f-CaO含量,熟料活性降低。
  从高温煅烧反应的角度来讲,200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO含量呈现出良好的线性关系:即生料磨细程度越粗,200μm粗颗粒筛余量越大,熟料形成有效强度矿物的程度越不完全,熟料f-CaO越高,强度和安定性越差(生料200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO的关系见表1)

1 生料200μm粗颗粒筛余与熟料f-CaO的关系

生料200μm筛余(%

0.01

0.36

0.84

1.23

2.17

熟料f-CaO含量(%)

0.13

0.52

1.78

2.66

3.12

  某水泥厂在煅烧高硅酸率熟料的过程中,其生料200μm粗颗粒筛余为0,烧制的熟料28d抗压强度≥60MPa(ISO),便是一个很好的例证。所以,必须严格控制生料的磨细度,以改善生料的易烧性,加快高温下物料的化学反应速度,提高熟料的内在质量。实际生产中,生料200μm粗颗粒筛余应严格控制在05%以下。为了降低生料200μm粗颗粒含量,可以对生料磨内进行相关的技术改造,如采用磨前预处理+烘干粉磨选粉的闭路粉磨工艺,在降低入磨料粒度的同.时,缩小研磨体平均尺寸,优化设计磨内的填充率。此外,对磨机细磨仓衬板工作表面形状进行改进,由衬板的活化来激活研磨体对物料的细磨功能,提高磨机的粉磨效率,使出磨生料中有更多的精粉被选粉机分选。

  2.提高成球质量
  立窑煅烧过程中,料球质量直接影响到熟料的产量、质量及能耗。专家曾指出:生料球的质量和大小是影响煅烧过程最重要的因素,它仅次于立窑规格。目前,国内立窑企业多数采用预加水成球工艺,为提高成球质量奠定了良好的基础。实际生产中,可通过调整成球盘边沿线速度、倾角及下灰点位置等方法来实现提高成球质量的目的。料球粒径的大小和料球的均匀性,是影响料球间空隙率和煅烧过程风速、上火速度的重要因素(2列出了料球尺寸与对流传热系数的关系)

2 料球尺寸与对流传热系数的关系

球径(mm)

5

10

15

20

25

30

对流传热系数(kJ/··h)

721.3

573.2

502.1

465.5

424.3

400.4

  从表中数据可以看出:料球粒径越小,对流传热系数越大,传热传质速率越快。生产实践中也反映出:料球粒径越小,在窑中爆破率也越低,上火速度越快,熟料的产量、质量显著提高、能耗降低。在日常生产过程中,应努力提高成球质量,采用φ57mm小料球烧成,为改善煅烧操作、提高熟料质量,创造良好的条件。

  3.合理配热
  无论采用哪种配料方案,均涉及一个合理的生料配热问题,配热过低或过高都不利于提高熟料质量。配热过高,会导致窑内结大块,造成通风不良,出窑熟料有红火卸出、冷却状况差。过低则熟料烧成率低,熟料有效矿物形成量少,强度自然也不高。所以,必须选择合理的生料配热。
  我们在煅烧SM230~250高硅配料方案时,实际生料配热由2500Jg降至2300Jg,熟料28d抗压强度≥60MPa(ISO)f-CaO<250%,出磨水泥安定性合格率达98%以上。各企业可根据自己的原料特性摸索出合理的生料热值。

  4.强化煅烧操作及熟料急冷
  煅烧高硅酸率熟料,应采用暗火操作方法。明火煅烧不仅熟料热耗高、热量损失大、极易引起炸球,还影响窑内通风上火,使熟料质量差、f-CaO高、立窑产量低。采用喑火煅烧操作,一般控制湿料层厚度≥ 400mm,同时全风烧成,彻底杜绝明火造成的热损失过大。我们采用高硅配料后,立窑产量较过去提高04-08th,熟料质量稳定提高。强化对高硅配料的熟料急冷,可有效防止矿区在1250℃时分解出二次f-CaO,还可以避免βC2S675℃时转化δ2S,保证有效强度矿物的含量不降低,从而达到稳定熟料质量的目的。此外,经过急冷的熟料易碎、易磨性显著提高,可以提高水泥磨的台时产量,降低粉磨电耗。所以,必须加强熟料的急冷,窑型并非是决定产品质量的惟一因素。
  第一,采用新技术、新工艺装备的机立窑,完全可以稳定烧制出28d强度≥60MPa(ISO)的高强熟料,生产优质水泥。高硅配料是稳定提高熟料及水泥实物质量的主要技术途径;第二,采用高硅酸率(SM240~260)配料后,在合理配热、成球和煅烧操作的前提下,烧制的熟料强度增长率高,3~28d可增长30MPa,水泥3~28d强度增长率达22~25MPa,有利于加快混凝土施工进度;第三,高硅酸率熟料中硅酸盐矿物总量一般在74%以上,是其强度发挥良好的重要因素;第四,高硅酸率熟料由于铁相低、死烧块少,急冷后易磨性大幅度提高。同时,制成的水泥与减水剂的相容性较好,混凝土施工性能、耐久性能优良。

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