提高水泥熟料質量的重要途徑一一溫煅燒和快速冷卻作者：-發(fā)布時間：2004-5-15作者：王善拔1胡如進2王宏偉3(1、廣州市建筑材料研究所5100302、國家建材局技術焙報研究所1000243、廣州市建筑建材處510030)0前言作為建筑材料水泥其最主耍的用途是生產混凝土用于工程建設，因此水泥的性能必須滿足混凝土生產及使用的要求。土木工程除要求混凝土有較高的強度外，還要求其和易性好，硬化后的耐久性要好。為達到這些要求，作為混凝土生產主要用材的水泥應該是強度高特別是早期強度高，質量均勻且穩(wěn)定，和易性好，與減水劑相適應性好。具體反映在要求水泥強度高、標準稠度用水量少、水化熱低等。熟料是水泥的主要組分，欲磨制高品質的水泥必須有高品質的熟料，因此首先應提高熟料的質量。在提高熟料質量的諸因素中，提高煅燒溫度、快速冷卻是最重要的工藝因素。本文就高溫煅燒和快速冷卻提高熟料質量的原因進行討論和分析。1高溫煅燒對熟料強度的影響提高煅燒溫度可以提高熟料強度，這是生產實踐中經常得以驗證的現(xiàn)象。李浩璇和楊家智［1］曾研究過不同煅燒溫度對摻復合礦化劑熟料性能的影響。在他們的實驗中，熟料的率值完全相同，但熟料的強度隨煅燒溫度的升高而提高。圖1是根據(jù)他們的實驗結果繪制的熟料強度與煅燒溫度的關系曲線。從圖1可見，當煅燒溫度從1350°C分別提高到1400°C和1425°C時，3d、7d和28d抗壓強度從23.6MPa、41.3MPa和52.7MPa分別提高到27.2MPa.44.0MPa,57.9MPa和41.4MPa、59.2MPa、64.0MPa。在這里要特別指出，這3種熟料的f一CaO相差無幾，分別為0.60%、0.41%和0.37%。也就是說，這3種熟料的A礦含量差別不是很大。煅燒溫度從1350C提高到1425C，f—CaO只減少0.23%、(0.6%—0.37%)，其C3S含量理論上只增加0.9%?1.0%，但28d強度卻從52.7MPa增加到64.0MPa，提高了11.3MPa°C3S含量增加如此之少，而強度提高卻如此之大，僅僅用C3S含量的增加很難合理地解釋，而歸因于煅燒溫度提高使C3S晶體結構變化更為合理些。冀東水泥廠［2］石灰石中的堿含量稍高，為降低煅燒溫度和改善水泥的某些性能，在石灰石中摻入1%的硫酸渣，使熟料中SO3上升了0.2%，MgO含量增加了0.12%，結果熟料熱耗降低了80KJ/Kg，窯筒體表面溫度下降19C，產量增加了1.4t/h，但7d強度卻下降了0.7MPa，28d強度下降了3.5MPa。這說明，煅燒溫度降低了，強度也降下來了。河南省七里崗水泥廠^3mX48m預分解窯因某種原因曾無意中煅燒過SM=2.8?2.9的熟料，由于料子難燒，只好提高煅燒溫度頂著燒，盡管熟料f—CaO高達3%?5%，但28d強度仍達70MPa以上，而安定性只為“曲”。這也證明，煅燒溫度高，熟料強度高。順昌水泥廠熟料強度一般都在62MPa以上，但在一段短時間內，熟料強度曾下降至56M?2，主要是MgO和SO3含量提高，使熟料煅燒溫度降低所致。爾后加強管理，使熟料升重從1302g提高到1342g，結果強度又恢復到62.3MPa。眾所周知，升重在一定程度上是煅燒溫度的反映，升重的提高可以認為是煅燒溫度的提高。這也說明，提高煅燒溫度可使熟料強度提高。筆者之一［3］在研究國內若干家預分解窯熟料中C3A+C4AF含量與強度關系中曾發(fā)現(xiàn)，C3A+C4AF含量高者，熟料強度一般都低°C3A+C4AF是熟料液相量的主體，液相量增加，熟料煅燒溫度降低。同樣可以認為，熟料煅燒溫度高則熟料強度高。立窯水泥廠中，煅燒溫度高熟料強度高的實例也不少。石井水泥廠、廣西北流水泥廠就是煅燒溫度高熟料強度高的典型例子。為何高溫煅燒能提高熟料強度?筆者認為：（1）高溫鍛燒可以提高熟料中硅酸鹽礦物的含量，增加A礦含量。鍛燒溫度高可以燒SM較高的料子，這樣硅酸鹽礦物含量提高，也可提高A礦含量。熟料燒成過程中主要發(fā)生如下反應：C2S+CaO-C3SoA礦是固溶少量Fe2O3.A12O3.MgO的C3S。煅燒溫度提高可促進上述反應的進行，減少f—CaO而增加C3S。從上式可看出，每減少1摩爾CaO就可增加1摩爾C3S。若按重量計，每減少1%的f—CaO，就可增加4.07%的C3S。據(jù)報導，國外新型干法窯熟料的28d強度一般比國內的高約4MPa?5MPa，主要是它們采取“高飽和比、高硅率、高鋁率”的三高配料方案，而我國新型干法窯多采取“中飽和比、高硅率、高鋁率”的配料方案，因此熟料中C3S含量比我國的高。當然反映在煅燒溫度上，也比我國的高。（2）高溫鍛燒可提高A礦和B礦的水硬活性。鍛燒溫度高，除了與A礦含量有關外，還可能與A礦和B礦的活性提高有關。據(jù)MaKi報導［4］，煅燒溫度提高，A礦由MI型向Mill型轉變。Mill型早期水化較慢，但3d后漿體致密，強度提高。圖2為煅燒溫度對C3S單礦強度的影響。從圖2可知，當煅燒溫度從1400°C提高到1500°C時，C3S的3d、7d、14d和28d抗壓強度從13.0MPa、18.3MPa、25.6MPa、30.0MPa分別提高到32.5MPa、52.3MPa、52.3MPa、77.5MPa。由此可見，煅燒溫度對C3S的強度影響很明顯。高溫煅燒及快速冷卻可使B礦保留活性較高的a'型。圖3為煅燒溫度對C2S抗壓強度的影響。從圖3可知，當煅燒溫度從1400C提高到1500C，強度增長明顯，其3d、7d、14d和28d的抗壓強度分別從0.8MPa、1.7MPa、2.2MPa和6.5MPa提高到1.8MPa、4.6MPa、10.2MPa和30.8MPa，其3個月、半年和1年的抗壓強度也從33.7MPa、38.3MPa和50.0MPa分別提高到74.3MPa、74.6MPa和75.0MPa。（3）高溫鍛燒可減少含鋁相的實際含量，從而減少其標準稠度用水量，改善其與減水劑的相適應性。煅燒溫度的提高除可使生燒料和輕燒料減少外，還可使液相粘度降低，鐵相中能溶進更多的A12O3,使鐵相從C4AF向C6A2F轉變，從而減少C3A含量°C3A含量的減少可降低水泥標準稠度用水量，改善其與減水劑的相適應性。2快速冷卻對熟料質量的影響（1） 快速冷卻可提高熟料強度。熟料在1300C以上進彳丁快速冷卻可提高其強度。因為高溫快冷，避免了C3S的轉晶反應，保留較多的C3S，同時A礦可保持晶型完整，不受液相融蝕。高溫快冷的另一好處是B礦保留高溫型a'—C2S。據(jù)Y.Ono報導［6］，冷卻快的熟料中a'型B礦含量豐富，可達40%（指占B礦比例），而冷卻慢的熟料中，a'型B礦占的比例幾乎為零，相應數(shù)量的高活性□'型B礦的存在無疑會有利于熟料強度的提高，特別是對于日礦含量較多的新型干法窯熟料。圖4為冷卻速度對貝利特水泥強度的影響。從圖4可知，冷卻速度越快，水泥強度越高。（2） 快速冷卻可減少水泥標準稠度用水量，提高其與減水劑的相適應性。通常我們所講的C3A含量實際上是潛在的C3A含量由化學成分計算而得。熟料中實際C3A含量除與鍛燒溫度有關外（煅燒溫度高，C3A含量少），還與冷卻速度有關?？焖倮鋮s可使一部分C3A和C4AF以玻璃體形式存在，冷卻速度越快，玻璃體含量越多，實際的C3A含量就越少。由于水泥標準稠度用水量隨C3A含量增加而增大，因此快速冷卻可以減少水泥標準稠度用水量。此外，由于。3A和C4AF，特別是C3A對減水劑的吸附量很大，因此C3A的減少可提高水泥與減水劑的相適應性。筆者曾研究過不同冷卻方式對摻復合礦化劑熟料中間相的乂一射線衍射峰的影響，結果表明，用急吹風冷卻的熟料中間相的C11A7?CaF2衍射峰比自然冷卻的低，這說明急吹風快冷的熟料C11A7?CaF2含量比自然冷卻的少。工業(yè)生產實踐同樣證明了這一點。圖5為篦式冷卻機和多筒冷卻機對化學成分基本相同的熟料C3A、C4AF含量的影響。從圖5可知，篦式冷卻機C3A衍射峰比多筒冷卻機的低。說明快速冷卻的熟料C3A實際含量少。因為篦式冷卻機對熟料的冷卻速度比多筒冷卻機的快。此外，高溫煅燒還可提高熟料產量。因為煅燒溫度高使化學反應速度加快。據(jù)報導［9］，當煅燒溫度從1360C提高到1420C時，熟料燒成時間可縮短一半。預分解窯內煅燒溫度高，其回轉窯轉速快產量高就是一個最好的佐證。3實現(xiàn)高溫煅燒快速冷卻的措施既然高溫鍛燒快速冷卻是提高熟料質量的重耍途徑，那么在生產中如何實現(xiàn)呢筆者認為，應米取以下措施：(1)提高煤粉的質量。對于回轉窯特別是預分解窯而言，提高鍛燒溫度主耍是提高火焰溫度，選擇優(yōu)質煤則是提高火焰溫度的物質基礎。據(jù)了解，不少預分解窯所用的煤發(fā)熱量都在25080kJ/kg以上。其次要提高煤粉制備的質量，主要是控制好煤粉的水分和細度。據(jù)認為，煤粉中保持1.0%?1.5%的水分可促進燃燒，且可避免煤粉在貯存過程中產生爆炸現(xiàn)象。但過量的水分會阻礙煤粉燃燒，使火焰變長，降低火焰溫度，并使廢氣溫度提高。煤粉水分每增加1%,火焰溫度約降低10°C?20°C，并使廢氣熱損失增加2%?4%。煤粉水分對煅燒溫度的影響比灰分的影響約大一倍。因此應嚴格控制煤粉的水分，一般以1.0%?1.5%為宜。其次應嚴格控制煤粉的細度。煤粉太粗，則黑火頭長，煤粉燃燼的時間長，火焰長，未燃燼的煤粉還易掉到熟料中，產生還原氣氛，引起熟料結大塊和窯內結圈，嚴重降低熟料質量，甚至引起旋風筒結皮堵塞。因此，在回轉窯的操作中，必須充分注意控制煤粉的細度和水分。(2)提高二次風溫度。提高二次風溫度也可以提高火焰溫度。煤的燃燒需?？諝?，而溫度高的二次風帶入的熱量比冷的二次風帶入的熱量大。在這方面，篦式冷卻機比單筒和多筒冷卻機優(yōu)勢大。采用厚料層操作的篦式冷卻機的入窯二次風溫一般都在1000C以上，而用單筒冷卻機的二次風溫度只有700C?800C。選擇合適的噴煤管。耍選擇一次風用量少的噴煤管，這樣可以減少一次風用量而增大二次風用量。大家知道，一次風溫度一般只有50C左右，而二次風溫度至少都在700C?800C以上。另外，要合理調節(jié)內外風和煤風，使火焰形狀與窯內物料煅燒相適應。一般說來，在不影響耐火材料壽命的前提下，應盡量采用短粗火焰，以便提高火焰溫度。(4)加強窯筒體保溫、減少系統(tǒng)漏風。(5)在水泥廠工藝設計中，盡量選用篦式冷卻機而不用單筒或多筒冷卻機。(6)對于立窯水泥廠來說，為了提高鍛燒溫度，同樣必須選擇發(fā)熱量高的優(yōu)質無煙煤，在工藝中要采取小料球煅燒方法。此外，在生料磨能力富裕的焙況下，盡量減小生料細度，提高生料進行化學反應的能力。4結語(1)高溫煅燒可提