低堿高硅率高抗硫酸鹽水泥熟料的研發及生產實踐

曹勤，鄧蓀，劉帥明，胡國林，朱璟

1 前言

我公司有一條3 200t/d水泥熟料生產線和一條年產100 萬噸骨料生產線，另有一座石灰石礦山，已開采40 余年，礦山資源質量劣化。目前石灰石CaO 含量大幅下降，SiO2含量大幅上升，原料品位較低且波動較大，石灰石CaO 含量平均在40%～42%，SiO2含量約為25%。為了更加合理利用石灰石礦山資源，在不外購高鈣石灰石的情況下，通過改進熟料配料，采用硅酸率SM＞3.2的配料方案，將石灰石礦山開采的CaO含量≥40%的石灰石用于生產水泥熟料，CaO 含量＜40%的石灰石用于生產骨料，研發生產了SM為3.50 左右（一般為2.20～2.80）的低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料。采用低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料生產的水泥堿含量低，滿足了易受硫酸鹽侵蝕、凍融和干濕作用的海港工程、水利工程及地下工程建設市場需求，且符合國家標準GB/T 748-2005《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》技術要求，填補了江西省低堿高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥的市場空白。GB/T 748-2005《抗硫酸鹽水泥》P·HSR42.5水泥技術指標要求見表1、表2。

表1 GB/T 748-2005關于P·HSR42.5水泥化學成分要求，%

表2 GB/T 748-2005關于P·HSR42.5水泥物理性能要求

2 原燃材料選擇與生料配料方案

2.1 石灰石

我公司開采的石灰石礦石呈隱晶-微晶質塊狀構造，堅硬性脆，主要化學成分為方解石，含少量硅質和鎂質，新鮮礦石單軸抗壓強度＞100MPa。目前，石灰石CaO 含量總體分布比例為：CaO＞48%（一級品）占10%，CaO 為45%～48%（二級品）占40%，CaO為28%～45%（等外品）占50%。礦山石灰石整體質量CaO為40%～42%、SiO2為25%左右。

為控制生產成本，生產水泥熟料用石灰石不外購高鈣石灰石，全部使用企業自有礦山的低鈣高硅石灰石。通過專職石灰石質量管理員指導礦山搭配開采與鏟裝運輸，加強石灰石進廠搭配與預均化管理，確保預均化后的石灰石CaO含量達45.5%左右。搭配及預均化后的配料庫庫底石灰石質量情況如表3所示。該礦山石灰石堿含量較低，是生產低堿熟料的重要保證。

表3 搭配及預均化后的配料庫庫底石灰石質量情況，%

2.2 鋼渣

采用鋼渣作為生料鐵質材料配料。鋼渣作為生料鐵質材料配料時，可改善生料易燒性，降低熟料煤耗，利于企業資源綜合利用。鋼渣是煉鋼廠廢渣，其化學成分與硅酸鹽熟料相似，相比于鐵粉配料，鋼渣配料時，熟料中MgO 含量較高，生產熟料時可起到助熔作用。此外，鋼渣含有相對較多的微量組分，可通過不同種類的離子摻雜，穩定熟料C3S 高溫晶型，還可通過調控配比，得到活性較高的C3S晶型。鋼渣質量情況如表4所示。

表4 鋼渣質量情況,%

2.3 原礦鐵粉

公司采用的原礦鐵粉，鐵鋁含量較高，硅含量較低，SM為1.08，AM為0.85，但K2O含量略高，需控制其摻入量。原礦鐵粉質量情況如表5所示。

表5 原礦鐵粉質量情況,%

2.4 煙煤

燃料選用空干基發熱量＞5 400kcal/kg、煤灰Al2O3含量＞30.0%的煙煤。因石灰石原料SiO2含量過高，選擇煤灰Al2O3含量較高的煙煤，有助于提高熟料中的Al2O3含量，利于窯的正常煅燒。煤粉細度控制0.08mm篩篩余5.0%±1.0%，水分≤1.5%，熟料燒成熱耗取值750kcal/kg.cl。煤粉工業分析及煤灰化學成分如表6、表7所示。

表6 煤粉工業分析

表7 煤灰化學成分，%

2.5 生料配料

在做好石灰石礦山搭配開采、石灰石原料搭配破碎、配料庫預均化等石灰石預配料后，生料磨磨頭庫底配料為三組分配料，配比方案為：石灰石88%～94%、鋼渣4%～9%、原礦鐵粉1%～4%。生料配比方案如表8 所示。生料化學成分如表9 所示。生料粉細度0.08mm 篩篩余為16.0%±2.0%，0.2mm篩篩余≤2.0%，生料水分≤0.5%。

表8 生料配比方案，%

表9 生料化學成分，%

水泥熟料中的堿含量主要來源于石灰石、粘土和鐵粉等原料中的堿成分，粘土中的長石和云母堿含量較高，因此，粘土的堿含量一般也比較高。我公司石灰石原料屬于高硅低鈣、堿含量低的原料，且生料配料中很少摻入粘土，使得生料含堿低、熟料含堿也低，最終生產出的水泥堿含量也低。

3 加強水泥熟料質量監測

高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料對f-CaO含量要求比較嚴格，一般要求f-CaO＜1.0%，實際生產中，f-CaO含量控制目標為0.6%±0.2%。

（1）每1h取樣檢測1次水泥熟料游離氧化鈣含量，將f-CaO 含量控制在0.6%±0.2%。每1h 進行1 次熟料化學成分熒光全分析，根據分析結果及時調整生料率值控制目標值；每1d進行2次熟料化學成分人工全分析，以校正熒光檢測結果。每1d 進行1 次熟料強度檢測，測定熟料3d、7d、28d 強度及各項物料性能指標。

（2）中控操作人員主要關注在線元素分析儀10min 實時統計數據，核驗生料KH值是否滿足生料配料要求，及時調整生料配料組分，同時兼顧SM值和AM值，保持與生料配料要求接近。

（3）保持現場配料站下料穩定、磨機運行平穩、配料秤不斷料。質檢人員及時關注出窯熟料三率值是否達到KH值為0.855～0.875、SM值為3.30～3.50、AM為0.80～1.00，如熟料三率值偏差大，及時修正生料控制指標。

4 改善中控操作

我公司石灰石原料鈣含量低、硅含量高，生產的高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料SM值通常在3.20～3.80（一般為2.20～2.80）。高硅率熟料耐火難燒、飛砂量大，易增加窯運行負荷。通過不斷改進中控操作，合理匹配窯系統風、煤、料和分解爐溫度的關系，控制篦冷機料層厚度，合理調節燒成帶溫度，確保了高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料的燒成質量。中控主要控制參數見表10，低堿高硅高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料化學成分、三率值與礦物組成見表11，物理性能見表12。

表10 中控主要控制參數

表11 低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料化學成分及三率值與礦物組成，%

表12 低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料物理性能

4.1 加大頭尾煤比例，調節三次風開度

熟料飛砂料多，易通過二次風倒灌入窯，影響窯頭煤粉燃燒，增加窯運行負荷，導致窯穩定性變差，影響產品質量。為確保窯內達到煅燒溫度，加大了頭尾煤比例（45%：55%），但此舉導致窯內燃燒空間變小，部分未完全燃燒的煤粉在燒成帶末端易形成煤粉圈。為確保煤粉燃燒更充分，將三次風開度增加至50%～55%，提升了二次風溫的同時，降低了窯內風速，避免了大量飛砂入窯，減輕了窯煅燒負荷。

4.2 控制篦冷機料層厚度

篦冷機的操作主要以控制一段料層厚度為主。料層過厚，會影響窯內供氧，影響煤粉燃燒；料層過薄，會將大量飛砂吹入窯內。從實際操作來看，一段料層厚度控制在700～900mm 為宜，既能保證窯內供氧，又能確保二次風溫穩定在1 100℃左右。

4.3 確保燒成帶溫度穩定

煅燒高硅率熟料時，窯的可調節范圍較窄，操作稍不當，易造成窯內結圈，影響系統通風及熟料質量。通過將煤管位置重新定位在中心“0”位，對煤管火焰形狀進行調整，加大內旋流風（內風風翅由0 調至+2.0），使火焰粗壯有力，確保了燒成帶溫度的穩定。

4.4 加強燒成系統漏風治理

為提高煤粉燃盡率，使火力更為集中，同時避免窯內結圈，應嚴格控制煤粉細度和水分，加強燒成系統漏風治理。尤其是三次風閥處，必須每天檢查密封情況，同時，對閥板至分解爐入口處積料進行清理，確保風、煤、料混合均勻，避免局部高溫。

5 低堿高硅率高抗硫酸鹽水泥質量

我公司低堿高硅率高抗硫酸鹽水泥熟料的硅酸鹽礦物含量比一般硅酸鹽水泥熟料多，中間相少，這使得我公司低堿高硅率高抗硫酸鹽水泥熟料有更好的抗硫酸鹽性。

采用95%低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥熟料、5%天然二水石膏制成的水泥SO3控制為1.6%～2.2%，比表面積控制為～350m2/kg 比較合理。低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥物理性能如表13所示，化學成分如表14所示。

表13 低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥物理性能

表14 低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥化學成分,%

6 結語

通過采用資源劣化的自有礦山高硅低鈣石灰石，從原燃料選擇、配料方案、中控操作等方面進行技術改進，我公司成功研發生產了P·HSR42.5低堿高硅率高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，滿足了易受硫酸鹽侵蝕、凍融和干濕作用的海港工程、水利工程及地下工程建設市場需求，填補了江西省低堿高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥的市場空白，探索出了一條可大量使用礦山高硅低鈣石灰石生產特種水泥熟料的新路徑。