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高强水泥熟料生产的实践
摘要：蒙自瀛州水泥有限公司2012年均3d抗压强度达到33.5MPa、28d抗压强度达到67.7MPa。作者从优化工艺设计及设备选型,优化原燃材料及生料配比设计入手,主要从高饱和比、低液相量的配料方案,工业废渣提高易烧性等方面总结了高强熟料的生产经验。企业概况
蒙自瀛洲水泥有限责任公司有一条2500t/d新型干法水泥生产线和一家水泥粉磨站，年产水泥能力200万吨。2012年生产销售水泥135万吨，销售收入34970万元，利润5500万元。
公司能够生产62.5硅酸盐水泥的全系列通用水泥的企业之一，同时，具有较强的特种水泥开发能力，已开发了海工水泥、免压蒸C80管桩水泥、道路水泥等多种特种水泥。高强硅酸盐水泥熟料工业化生产的实践经验，已作为中国建筑材料科学研究总院承担的国家“十一五”科技支撑计划“绿色制造关键技术与装备”重点项目课题之一，“高性能水泥绿色制造工艺和装备”的关键研究课题，已经通过了国家科技部评审，目前正在国内新型干法水泥企业中应用推广。2高强熟料工业化生产经验
2.1 高强熟料生产的主要作法
高强熟料的工业化生产，涉及到企业从生产线工艺设计及改进、原辅燃料的筛选与品种确定，更是与企业的质量管理体系、过程质量控制能力密切相关；需要有一支高素质的员工队伍，切实把公司的质量方针“优选采购、优化操作、优质出厂、优良服务”落到实处。
（1）优化工艺设计及设备选型
a、提高各原燃材料的均化水平。水泥生产线设计时充分考虑各原材料预均化，石灰石采用园形预均化堆场，砂岩在进厂后先进入联合储库，均化搭配后再进入长形预均化堆场，原煤先进入联合储库后分品种堆放，并按配比进行计量秤准确计量后再进入长形预均化堆场，其他原材料也都进入联合储库预均化。
b、优化窑尾预热器分解炉设计。预热器采用国内先进的单系列低压损五级窑尾预热器，分解炉选型时充分考虑大容积、高分解率、高适应性的炉型，特别是进分解炉物料采用上、中、下三点进料形式，提高了分解炉对燃煤的适应性，同时提高生料的分解率，保证生料分解率在98%以上，而且窑尾预热器锥部及分解炉内基本无结皮。
c、采用国内先进的煤粉燃烧器及控制流推动篦式冷却机。设计采用了国内先进厂家的四通道煤粉燃烧器，该燃烧器具有调节方便，易于控制各风量比例和出口喷射流型，从而可获得能适应不同特性燃煤及工况条件下的火焰形状；为了提高热回收率，做到快速冷却出窑熟料，采用国内先进生产厂家的第三代控制流推动篦式冷却机，设计时适当放大了篦式冷却机的有效冷却面积，保证出篦冷机熟料温度＜65℃＋环境温度；同时提高了二次风温，尽量提高熟料煅烧温度。（2）优化原燃材料及生料配比设计
a、原材料（见表1）
注： ①本地区石灰石资源丰富，品质稳定。但有少量白云石，经均化可控，少量有矿化作用，并改善熟料色泽。②砂岩取自厂区周围，储量充足。SiO2含量高，风化程度高，易磨性好，碱含量低。③红土作为红土高原的地产，含铝量高，质量稳定，作铝质校正原料用。④带阳离子集团的工业废渣，含铁量较高，并含有多种微量元素。既可作为铁质校正原料，又可作为高温矿化剂。
b、燃煤及其工业分析（见表2）
注：①生产用煤炭，取自周边弥勒、泸西地区。②煤矿小，储量、开采量小。③热值低，挥发份低，燃点高（450℃），硫含量高 c、生料配比设计及控制值（见表3）
注：①要烧制高强度熟料，必须要有较高的C3S，因此设计熟料KH高，为0.945。②由于煤灰分高，绝对热量低，熟料N值高，容易产生飞砂料，同时要保证一定的液相量，因此设计熟料N率为2.45。
③为强化硅酸盐矿物生成，必须有一定的液相粘度，因此设计熟料P率为1.65.④加入少量带阳离子集团的工业废渣，利用其含有的多种微量金属元素与较高的MgO、S形成多元复合高温矿化剂，以改善熟料矿相形态，提高熟料强度。
⑤由于煤灰分高，热值低，为保证烧成热力，设计熟料热耗为3243kJ/kg（高海拔地区）。
⑥在生料库均化上，采用提高外环充气压力的方法（从45kPa提高到50kPa），使生料能够在库内充分混合，保证入窑生料的稳定性。
（3）优化熟料煅烧
优化熟料煅烧是一个系统工程，蒙自瀛洲水泥有限责任公司针对企业所使用的原辅燃料特点，经过长期的研究探索，总结出高原地区获得高强熟料的煅烧要点：
a、调节好喷煤管。
由于使用高灰分烟煤作为燃料，存在着煤的热值低、着火点高，窑口温度低的特点。为此，喷煤管的调节显得尤为重要。我们采用开大内风，关小外风，结合适量中心风，合理控制一次风机的风量和窑头用煤风量，使窑头火焰形状规则、有力。为了避免无烟煤煅烧形成长窑皮及高灰分沉积形成后结圈，采用垂直方向压低喷煤管头部，水平方向喷煤管向料带起方向靠拢，这样就缩短了火焰的长度，保证了火焰的热力强度及料、气的热交换，使主窑皮控制在22米左右。二次风温的提高可以缩短火焰黑火头，我们采用降低篦冷机一段篦速，增加一段风机的用风量，使出窑熟料既能够在一段快速冷却，又能增加一段冷却风的热量。b、提高生料kH值
由于煤灰分高，煤灰中含有较多的二氧化硅，为了保证熟料的三率值，生料中kH值就较高，一般控制在1.1－1.2之间，生料中氧化钙含量一般在44.5%左右，为了合理控制分解炉内碳酸钙的分解，分解炉出口温度需适当提高，一般控制在880℃左右，碳酸钙的分解率能达到95%以上。
c、合理用风
由于分解炉与烟室之间的缩口较大，风速较小，为了避免塌料，就需适当拉大高温风机的用风量，同时为了确保高温煅烧，窑头用煤需适量增加，一般控制在38%左右。窑内通风量也需加大，根据窑的煅烧情况，三次风阀开度在25－40%，这样既能保证分解炉的用风量，又能保证窑内的用风量。
d、均匀下料
C4下料有三个下料点，通过摸索三点下料的各种方案，现在认为上点下料40%，中点及下点下料各为30%较为合理，这样能使物料均匀分布在分解炉内，形成稳定的流态床，避免局部下料造成塌料或局部高温引起结皮。
e、薄料快烧
薄料快烧是操作中的一大特色，通过加快窑速，增加窑内物料的带起高度，加大物料与高温气体的接触面积，增加热传导的效率，使窑内物料受热均匀，出窑熟料结粒致密、粒径匀称。稳定的操作是生产高强度熟料的有力保证，为此，我们制定了操作作业指导书，具体规定了对工艺参数、工序质量、机械设备等方面的要求，对操作员进行统一思想，统一操作思路，稳定了窑的煅烧，真正实现了三班保一窑的目的。
（4）严格质量管理
蒙自瀛洲水泥有限责任公司通过积极推行精细化管理、加强现场管理、开展质量管理小组活动、合理化建议、废渣综合利用攻关小组等系列工作，有机的、综合性的把质量管理活动结合到高强熟料工业化生产中来，在生产产品的过程中，通过质量管理产生更佳的效益。
a、熟料化学成分及矿物组成（见表4—表6）
b、熟料物理性能（见表7-表9）
c、熟料产量及能耗（见表10-表12）
2.2 高强熟料生产的主要经验
经过三年多的研究，蒙自瀛洲水泥有限责任公司熟料的日产量稳步提升，从2010年初的2153t，提高到2012年末的2964t，提升实际产能37.6%；标准煤耗下降趋势明显，从2010年均的122.25kg/t，逐步下降到2012年均的113.75g/t;熟料3天强度和28天强度有了显著提高，从2010年均的30.7MPa、66.9MPa，分别提高到2012年均的33.5MPa、67.7MPa，到2012年底，已经连续31个月，稳定生产28天强度>65MPa的高强熟料，在1400m的高海拨地区，用2500t/d新型干法水泥生产线，创造了国内水泥行业的高强熟料工业化生产新记录。
通过几年来的研究，公司获得了高强熟料工业化生产的宝贵经验和关键技术，主要有以下四个方面，与同行分享：
（1）水泥熟料的相优化匹配。利用传统原材料石灰石、粘土、铁粉等配料生产硅酸盐水泥熟料时，C3S的计算矿物组成在60%～65%，C2S计算矿物含量为10-18%，溶剂矿物（C3A+C4AF）含量为15%～20%时，水泥生产具有较好的的易烧性，由此配料烧制的水泥熟料具有较优的矿相结构，强度可达62-66MPa。配料时引入工业废渣如铅锌尾矿后，可以适当提高KH值，所配的生料同样具有较好的易烧性，烧制的熟料28天强度可达65.2-69.5MPa。
（2）工业废渣替代原料。根据本地区原材料的情况，在水泥熟料的矿物组成范围内，利用钢渣、铜渣、铅锌矿尾矿、污泥等工业废弃物替代部分原料。如：通过研究表明，铜渣替代铁质原材料在1350～1450℃的煅烧范围内能明显的改善生料易烧性。进一步研究表明，铜渣易烧性改善的原理是促进了阿利特在低温下的结晶成核与成长，利用铜渣促进熟料烧成技术后，同样矿物组成的熟料28天强度降低2～3MPa，但是由于铜渣能够改善易烧性，促进熟料形成，可以适当提高饱和比来制备28天强度达到65MPa的高强熟料。
（3）高活性阿利特结构控制。研究表明：随着IM的增加，阿利特中Al2O3的固溶量增加，Fe2O3的固溶量减少；阴离子掺杂对Al2O3和Fe2O3在阿利特中的固溶量有较大影响，随着氟磷的掺杂，Al2O3的固溶量增加，Fe2O3的固溶量减少；随着煅烧温度升高以和淬冷开始温度的升高，Al2O3在阿利特中的的固溶量升高，Fe2O3的固溶量有所降低，MgO的固溶量则没有明显变化；氧化气氛条件下烧成的阿利特中Al2O3的固溶量要高于还原条件下的Al2O3的固溶量；随着煅烧温度的升高，阿利特对称性呈升高的趋势，当烧成温度从1250℃升高到1500℃，普通不掺杂熟料中阿利特室温保留晶型从MⅠ逐步转变为MⅠ和MⅢ型混合体；氧化气氛烧成熟料中阿利特的对称性高于还原气氛烧成的。
（4）煤质的影响。挥发分在25%左右的烟煤是高强熟料的最佳燃料。在使用热值低，挥发份低的烟煤时，可通过煤粉细度来调整燃烧特性，可以保证劣质煤也能满足高强熟料生产的要求。要降低熟料烧成热耗、提高质量必须降低窑头喷入煤粉的细度。对煤粉按粒度进行分级，低灰粗粉部分窑头燃烧、高灰细粉部分在分解炉中燃烧，同时可掺加不大于30%的高热值无烟煤，以提高烧成热力强度。
2.3 高强熟料工业化生产的应用效果
（1）高强熟料和高掺量混合材制备高性能水泥。研究结果表明，采用①高强熟料复掺30%-40%的矿渣微粉与粉煤灰或②硅酸盐水泥复掺10%烧页岩、10%铅锌尾矿、5%页岩、5%煤矸石或③高强熟料复掺30%～50%的矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石灰石以及黑石或④35%～40%的高强熟料复掺5%～6%的煅烧磷石膏、30%的矿渣粉、1%的化学激发剂、20%-30%的钢渣粉、低钙和高钙粉煤灰、镁矿渣粉均可制备得到高掺量混合材的高性能水泥，水泥强度等级都达到或超过42.5，混合材掺量较我国水泥工业平均掺量提高10-30%，水泥生产的综合能耗降低15%以上。
（2）高性能水泥的水化放热较低。复掺矿渣微粉与粉煤灰的高性能水泥与硅酸盐水泥相比，水化放热主峰峰宽化并分裂成两个峰，水化放热峰值明显降低，水泥水化累积放热出现明显下降。如复掺40%的粉煤灰和矿渣的高性能水泥3天水化放热由硅酸盐水泥Ⅰ型的226J/g降低到约180J/g。
（3）用于混凝土具有良好的工作性和耐久性。生产高性能水泥是高强熟料的目标，研究表明，高性能水泥用于混凝土具有良好的工作性和耐久性，CI-渗透系数降低20%以上。如：复掺矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石灰石等掺合料的42.5高性能水泥配制的C60混凝土的28dCI-扩散系数与电通量分别为133×10-14m2/s，比硅酸盐水泥配置相同等级混凝土（28d CI-扩散系数为173×10-14m2/s）分别降低约23%。
（4）外加剂适应性良好。对于高掺量混合材的高性能水泥来说，基准减水剂（萘系）、脂肪族类高效泵送剂HX-201、聚羧酸系高性能减水剂TK-PC02以及三聚氰胺高效减水剂的饱和掺量分别为0.8%、1.8%、0.4%及1.8%。2.4 高强熟料工业化生产的适用性
蒙自瀛洲水泥有限责任公司 2500t/d新型干法水泥生产线是由中材国际南京水泥设计研究院设计，结合当地1400m的高海拨特点，原材燃料、混合材的资源状况作了优化调整，因此，高强熟料工业化生产，理论上均可在其他新型干法水泥线上进行，可以在同行业中进行推广。由于存在着区域分布、原材燃料、混合材资源的化学物理性能差异，以及企业质量控制能力、操作技能的熟练状况，应用企业可以结合蒙自瀛洲水泥有限责任公司的做法进行研究探索。
