熟料28d強度較低的原因分析及解決措施

李承光，楊茂鑫

我公司現有一條6 000t/d熟料帶9MW純低溫余熱發電的新型干法水泥生產線，窯系統配置為雙系列五級旋風預熱器、噴騰式在線管道分解爐、? 5m×74m回轉窯及高效空氣梁篦式冷卻機。生料配料采用四組分配料，分別為石灰石、粘土、粉石英和銅渣。該生產線自2016年8月投產以來，生產運行正常，產量一直保持在6 600t/d以上，但熟料28d強度卻一直處于55～58MPa之間，與我公司設定的內控指標（28d抗壓強度≥60MPa）相差較大，造成水泥生產成本上升。針對上述問題，公司組織技術人員進行了分析和研究，查找原因，并采取了一系列富有成效的措施，使熟料28d強度達到了公司設定的內控指標。本文將對此進行介紹，供同仁參考。

1 原燃材料情況

1.1 原燃材料的化學成分

各種原燃材料的化學成分見表1，原煤的工業分析見表2。

1.2 原材料的特性

將所有原材料樣品送廣西大學進行X射線衍射分析及掃描電鏡分析，結果如下：

石灰石：礦山石灰石品位呈東西向分布。東面石灰石呈黑灰色，主要礦物為方解石，含有較多石英，但石英晶粒細小，尺寸為20～30μm，屬于易燒性較好的石灰石。西面石灰石呈灰白色，主要礦物為方解石，晶粒細小，結構均勻，屬高品位的優質石灰石。

粘土質原料：粘土原料礦山分層較嚴重，有粘土及黑頁巖兩種。礦山表層及中層以粘土為主，底層是黑頁巖。粘土為黃色塊狀，水分較高，主要粘土礦物為伊利石、蒙脫石和綠泥石，并含有少量石英，石英晶粒尺寸為10～20μm，堿含量為1.6%左右。黑頁巖為黑灰色致密塊狀，主要粘土礦物為高嶺石和綠泥石，并含有石英和少量方解石，石英晶粒尺寸為5～15μm，堿含量最高，為2.8%左右。粘土質原料的化學反應活性較好。

粉石英：呈黃白色粉狀，主要礦物為石英，含有少量高嶺石。石英晶粒尺寸在30～45μm范圍內，分布均勻，比粘土質原料的晶粒稍粗。粉石英的化學反應活性稍差，但堿含量很低。

銅渣：銅渣為冶煉銅時排出的工業廢渣，為深黑色粉狀，銅渣中主要礦物為磁赤鐵礦和鐵橄欖石，其他為玻璃體。銅渣除了含有Si、Al、Fe、Ca、Mg的氧化物外，還含有一定數量的K、Na、Zn、Mn、Ti、Cu、Pb、As和P的氧化物，銅渣中的鐵元素主要以Fe2+的形式存在。

表1 原燃材料化學成分，%

表2 原煤工業分析，%

2 熟料巖相分析

選取正常煅燒成的熟料送廣西大學做巖相分析，通過巖相分析發現：

熟料中出現較多孔洞，A礦晶體大小不均勻，形狀不規則，晶體尺寸為15～40μm，最大尺寸為50μm。A礦周圍環繞著析出的小顆粒C2S晶體呈花環狀結構。B礦以礦巢為主，形狀不規則，晶體碩大，晶體尺寸為60～80μm，最大尺寸為100μm，B礦表面有平行晶紋。黑色中間相為板片狀。

熟料巖相分析表明，在煅燒過程中，熟料溫度偏低且冷卻明顯過慢。

3 影響熟料28d強度的原因分析

3.1 熟料硅酸鹽礦物含量少

我公司一直采用較低SM的配料方案煅燒，熟料SM控制在2.5以下，熟料中的C3S+C2S含量在75%左右。之前也曾嘗試過較高的SM，但窯況惡化，產量下降，細粉料多，游離鈣偏高，加上生產任務較重，只能按較低的SM進行配料。

硅酸鹽礦物是影響熟料強度的主要因素，熟料強度取決于水泥熟料中硅酸鹽礦物的含量。羅云峰等[1]人的研究認為，C3S不僅影響早期強度，而且也影響熟料的28d強度；C2S對早期強度影響不大，卻是決定28d強度的主要因素。熟料28d強度與C3S的含量相關性不太好，卻與C3S+C2S含量的相關性較好，說明C2S對熟料28d強度有貢獻。熟料中C3S+C2S的含量越高，則熟料28d抗壓強度相對越高。要提高熟料28d抗壓強度，必須在提高熟料C3S含量的同時提高熟料C3S+C2S的含量，即要堅持較高的KH、高SM配方，熟料中C3S+C2S含量最好＞77%。

3.2 熟料堿含量偏高

對原材料的分析顯示，熟料中的堿主要來自于粘土質原料中的黑頁巖。我公司粘土質原料礦山位于二級公路旁邊，受礦山地理位置限制，投產后的較長一段時間，對堿含量不同的粘土和黑頁巖無法分別開采，進廠粘土質原料堿含量高且波動大，致使熟料中的堿含量偏高，最高達到0.81%。據資料介紹，堿和熟料礦物反應生成含堿礦物KC23S12和NC8A3，這將使C3S難以形成，熟料中A礦含量就會降低而影響強度。堿含量高還會導致C3S和C3A等礦物的水化加速，使熟料早期強度高而后期強度低。

在配料方案及操作參數基本相同的情況下，我公司生產線投產以來，出窯熟料堿含量與熟料28d抗壓強度的關系見表3及圖1。

由表3及圖1可以看出，熟料堿含量與熟料28d抗壓強度呈線性關系，并且隨堿含量的增高，熟料28d抗壓強度下降明顯。這與資料[2]中的研究結果一致。

表3 熟料堿含量與熟料28d抗壓強度的關系

圖1 熟料堿含量與熟料28d抗壓強度的關系

3.3 熟料燒成溫度偏低

巖相分析結果表明，我公司熟料燒成溫度偏低。通過窯頭看火孔觀察，火焰雖發亮但偏黃，說明火焰溫度略低，這也驗證了窯內煅燒溫度偏低的現狀。粉石英作為生料組分之一，反應活性稍差，但用量少，同時銅渣中Zn、Cu、Pb、P等微量元素具有礦化作用，銅渣所含的FeO能降低燒成溫度和液相粘度[3]，加之SM較低，使生料過于易燒，生料高溫承荷力較低，液相形成溫度低，液相量大。如果繼續提高燒成溫度，會使窯內出現長厚窯皮及結圈、結大球等現象。

從提高熟料強度的角度出發，熟料的液相量應該是和高溫有關，而不是配料所致，高的燒成溫度，充分的燒結反應是熟料高強度的重中之重[4]。煅燒溫度的提高，使熟料礦物晶體結構更為合理，有利于提高熟料礦物晶體中5～20μm晶體的比例。熟料礦物晶體中，5～20μm晶體比例的提高，有利于提高熟料強度。煅燒溫度對熟料強度至關重要，應力求將煅燒溫度控制在1 450℃以上。

3.4 熟料夾有較多黃心料

我公司煅燒出來的熟料結構不甚致密，結粒略顯不均，易產生大顆粒熟料，粒徑最大達80mm，部分大顆粒熟料表現為外表面黑色，內部棕黃色，游離氧化鈣含量雖不高，但后期強度降低明顯。挑選這種黃心料做強度試驗，其28d抗壓強度較正常熟料低5～7MPa。

由于窯內空氣過剩系數低，氧氣不充足，銅渣中的Fe2+在窯內煅燒時，未能充分氧化成Fe3+，加上熟料中Fe2O3含量較高，增加了Fe3+還原成Fe2+的機會和數量，導致黃心率增加，從而影響熟料質量的提高。Fe2+進入C3S晶格中，引起C3S分解成C2S和fCaO，導致C3S的實際含量小于化學分析結果計算的含量。

3.5 熟料冷卻過慢

我公司熟料顆粒尺寸過大的比例較多，熟料未能得到有效的急冷，影響了熟料的冷卻。對熟料進行的巖相分析也表明，我公司熟料冷卻速率過慢。熟料慢冷會使已生成的C3S分解，礦物晶體會異常長大，對熟料強度產生影響，影響水泥的水化速率和活性。

已煅燒成的高溫熟料急冷后，可使A礦晶體停止發育，保持晶體細小和晶格缺陷，位錯密度大，同時使熟料中液相形成晶體的數量減少，玻璃相增加，從而提高熟料的水化速率和強度。急冷的另一好處是B礦保留高溫型α "-C2S，冷卻快的熟料中α "型B礦含量豐富，相當數量的高活性α "型B礦的存在，無疑會有利于熟料強度的提高。

4 采取的措施

4.1 改變配料方案

為了提高熟料硅酸鹽礦物含量，降低熟料堿含量，減少黃心料的產生，我們采取提高熟料SM，適當降低熟料Fe2O3及Al2O3含量，特別是Fe2O3含量的配料方案。該方案主要是通過降低生料中粘土質原料的配比，增加粉石英配比，減少銅渣配比來實現。新配料方案與原配料方案相比，粘土質原料的配比由原來的15.5%降到12%左右，粉石英的配比由原來的1.5%提高到4.3%左右，銅渣的配比由原來的2.2%降到1.9%左右，生料中堿含量由0.43%左右降到0.30%以下。該配料方案配出的熟料中，硅酸鹽礦物含量達到了77.21%，C3S含量為58.32%，調整后的熟料三率值為：KH=0.90±0.02，SM=2.55±0.1，AM=1.5±0.1；熟料Al2O3=4.9%～5.2%，R2O＜0.5%。粉石英配比及SM的提高，使得生料易燒性明顯下降，煅燒難度增加，導致熟料產量相對降低。經短暫的過渡后，熟料產量恢復正常，公司決定繼續選用高SM的配料方案，以獲得28d強度更高的熟料。

4.2 加強原燃材料的質量控制

（1）加強石灰石進庫前的質量控制。根據石灰石礦山東面和西面的質量分布狀況，確定合理的搭配比例，穩定和提高進庫石灰石質量，每4h對進庫石灰石快速檢驗一次，確保進庫石灰石CaO＞52.5%。

（2）針對粘土質原料礦山堿含量分層嚴重的特點，分別開采粘土和黑頁巖，以礦山表中層低堿粘土為主，適當開采部分底層高堿黑頁巖，進廠時分堆存放，按比例搭配使用，通過搭配將入預均化堆場粘土R2O控制在1.8%以內。

（3）為確保煤質穩定，公司決定只采購同一煤源地的煙煤，進廠煤的控制指標Qnet，ad＞23MJ/kg，Aad＜30%，Vad控制在18%左右。與此同時，改變原煤均化方式，采取“六堆等量堆存，隔堆依次填齊，水平等長取煤”的均化方法。經過調整，入窯煤粉灰分標準偏差穩定在0.6以下。

4.3 統一操作方法，優化操作參數

（1）調整窯頭用煤量及窯尾用煤量比例，逐步增加窯頭用煤量，減少分解爐用煤量，窯頭用煤量比例由原來的40%左右提高到43%左右。調整后，窯尾廢氣溫度下降了約10℃，廢氣帶走的熱量有所減少；窯頭用煤量增加后，燒成溫度有所提高，熟料結粒情況好轉，二次風溫提高約30℃。

（2）適當將燃燒器向窯口方向退出，并加大一次風用量，控制好內風和外風的風量、風速比例，內風閥門開度100%，外風閥門開度50%～70%。通過調整，為煤粉的燃燒提供了足夠的空間，加快了煤粉燃燒速度，縮短了窯內冷卻帶長度，火焰溫度有所提高，二次風溫繼續得到提高，達到了1 210～1 260℃。

（3）適當拉大窯尾排風，將高溫風機轉速從880r/min調整到905r/min（高溫風機電流提高至169A），這既保證了產量，又有效地避免了黃心料的產生。適當關閉三次風管閘閥，減小三次風量，加大窯內的通風，保證熟料燒成溫度在1 450℃以上，即窯頭看火時要始終看到白色的火焰。

（4）在生產過程中，采用薄料快燒的操作方法，在窯系統穩定的情況下盡量提高窯速，窯速由原來的4.1r/min提高到4.4r/min。降低窯內物料填充率，以減小窯內通風阻力，有利于熱傳導，防止產生大顆粒熟料，熟料易冷卻。

（5）在實際生產中要注意風、煤、料三者的合理匹配，增加喂料量的同時要加煤，加煤的同時要加風，風煤同步，增大窯內的通風量，以保證煤粉完全燃燒，徹底消除窯內還原氣氛。

4.4 加強篦冷機的操作及維護

（1）加強篦冷機的操作，尤其是高溫段的淬冷操作，加大冷卻風量，強化急冷，盡量使高溫段的熟料得到快速冷卻。運行時根據篦速及二次風溫，合理調整閥板開度，做到合理用風。

（2）控制好篦速，保證篦冷機篦床料層厚度在50～60cm之間，以提高二、三次風溫。

（3）定期檢查篦冷機鎖風閥是否失控漏風。檢修時清理風機群濾網及管道積灰，重點檢查充氣梁及篦縫，減少阻力，確保風路暢通。

5 效果

實踐證明，我公司為提高熟料28d強度所采取的措施是有效的。主要表現為窯內煅燒良好，窯前火焰白亮，物料被帶起高度較高。出窯熟料結粒細小均齊，細粉料含量少，直徑大部分在30mm，直徑≥80mm的顆粒幾乎沒有，熟料呈深黑色帶有金屬光澤，圓滑密實，升重達1 290g。自2017年10月中旬開始，熟料28d強度不斷提高，目前熟料強度均保持在60MPa以上，最高達到了65MPa，超過了內控指標要求，取得了良好的效果。