電爐鋼渣配燒高強熟料的技術(shù)要點
20世紀(jì)90年代初，中國建筑材料科學(xué)研究院全面推廣水泥立窯“添加晶種”熟料煅燒技術(shù)。在生料制備過程中，引入適量(3%～5%)的優(yōu)質(zhì)熟料作為煅燒反應(yīng)中的“晶種”，可以在熟料燒成時起到“誘導(dǎo)結(jié)晶”的作用，取得了降低煤耗10%，提高產(chǎn)量10%的雙重效果；同時，顯著降低了熟料中fCaO的含量，水泥安定性合格率大幅度提高。但熟料晶種的生產(chǎn)成本較高。受晶種技術(shù)的啟發(fā)，廣大水泥工作者開始尋找經(jīng)過高溫處理、具有潛在物理化學(xué)活性、與硅酸鹽水泥熟料化學(xué)成分及礦相組成相近的工業(yè)廢渣作為“非熟料晶種”配料，獲得了與熟料晶種相同的技術(shù)經(jīng)濟效果。
眾所周知，通用水泥新標(biāo)準(zhǔn)采用ISO法檢測強度，由于ISO法成型時水灰比提高、灰砂比降低，其強度對于水泥熟料硅酸率(SM)的高低頗為敏感。一般規(guī)律是：硅酸率高的水泥強度高，反之偏低。據(jù)筆者調(diào)查，目前仍有部分立窯企業(yè)采用高飽和系數(shù)(KH0.95～0.98)，高鐵(熟料中Fe2O3＞4.5%)、高液相量(L1450℃≥28%～32%)，低硅酸率(SM1.60～1.80)的“三高一低”配料方案，熟料中硅酸鹽礦物(C3S+C2S)總量偏少，一般在68%～70%，導(dǎo)致水泥的早期、后期強度偏低。為了進一步提高通用水泥的實物質(zhì)量，應(yīng)立足于企業(yè)所用原燃材料的實際狀況，努力提高熟料的硅酸率，增加硅酸鹽礦物的實際含量，向C3S+C2S≥75%的方向過渡，并降低熟料中的fCaO，達到兼顧強度和安定性指標(biāo)的雙重目的?，F(xiàn)就采用電爐鋼渣一料三代(代晶種、代礦化劑、代鐵質(zhì)原料)配制高硅酸率生料、燒制高強熟料的相關(guān)技術(shù)要點與水泥界同仁進行探討。
2．電爐鋼渣的成分及礦相組成
電爐鋼渣系鋼鐵企業(yè)采用電爐煉鋼工藝，通過加入高活性石灰和高品位螢石消除鋼中雜質(zhì)成分時排出的工業(yè)廢渣，外觀呈灰白色粉末狀，化學(xué)成分見表1，其主要礦相組成為C2S及C11A7·CaF2、CA等礦物，以C2S為主，可以作為熟料燒成中的“非熟料晶種”。此外，電爐鋼渣中所含有的CaF2和P2O5具有較好的礦化作用，將其引入生料中，可以實現(xiàn)“一料三代”和高硅酸率、低鐵配料。由于煉鋼溫度高于水泥立窯燒成溫度，電爐鋼渣中的硅酸鹽礦物晶體已經(jīng)形成，并發(fā)育良好，經(jīng)打水急冷，使其具有較高的化學(xué)潛能和反應(yīng)活性，作為“非熟料晶種”植入生料，不僅成本遠低于優(yōu)質(zhì)熟料，而且所起到的“誘導(dǎo)結(jié)晶”的特殊作用與優(yōu)質(zhì)熟料效果完全相同。
表1 電爐鋼渣化學(xué)成分(%)
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Loss |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
CaF2 |
P2O5 |
|
6.52 |
21.88 |
7.96 |
2.32 |
50.68 |
2.08 |
9.31 |
1.19 |
由表1化學(xué)分析數(shù)據(jù)可知，電爐鋼渣中CaO含量在50%左右，與石灰石中主要成分CaO含量相當(dāng)，但Fe2O3的含量較低(<3.0%)，CaO/SiO2>2.0，晶體發(fā)育良好的主要礦相C2S具有一定的潛在水硬活性。按5～8%配入生料中，可以取代等量的石灰石，并且能夠在一定程度上降低生料配熱，從而達到降低燒成熱耗、減少實物配煤的目的。同時可實現(xiàn)“較高飽和系數(shù)，高硅酸率、高鋁氧率(低鐵)”配料方案。電爐鋼渣中所含的CaF2和P2O5在燒成反應(yīng)過程中，可起到良好的礦化劑作用，有效地破壞生料中Si—O、Al—O鏈，提高化學(xué)反應(yīng)活性及煅燒、冷卻速度。在Φ3.1×11m塔式機窯上使用后，熟料中硅酸鹽礦物總量C3S+C2S≥74%，較過去提高4%左右，出窯熟料及出磨水泥安定性合格率達100%，熟料28d抗壓強度≥55MPa（表2、表3）。
表2 使用前后熟料化學(xué)成分及礦物組成(%)
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項目 |
Loss |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
fCaO |
KH- |
SM |
IM |
C3S |
C2S |
C3A |
C4AF |
C3S+C2S |
L1450℃ |
|
使用前 |
1.01 |
20.44 |
5.52 |
4.32 |
63.67 |
3.08 |
3.04 |
0.87 |
2.08 |
1.28 |
47.38 |
22.87 |
7.33 |
13.13 |
70.25 |
26.28 |
|
使用后 |
0.31 |
21.55 |
5.15 |
3.21 |
64.67 |
2.82 |
2.03 |
0.88 |
2.57 |
1.60 |
52.41 |
22.27 |
8.22 |
9.76 |
74.68 |
22.67 |
表3 使用前后熟料力學(xué)性能
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項目 |
細(xì)度 |
安定性 |
抗折強度／抗壓強度(MPa) | |
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3d |
28d | |||
|
使用前 |
3.0 |
合格 |
5.5/23.2 |
8.9/50.8 |
|
使用后 |
3.0 |
合格 |
6.6/33.2 |
.1/56.7 |
由表2、表3中數(shù)據(jù)可知，使用電爐鋼渣配制生料，熟料硅酸率顯著提高，在生產(chǎn)工藝不變的前提下，熟料fCaO降低至2.20%以下，28d強度提高6MPa左右，出磨水泥安定性良好。
眾所周知，水泥熟料中硅酸鹽礦物依靠固相反應(yīng)生成，由于電爐鋼渣中含有一定數(shù)量與水泥熟料相同的硅酸鹽礦相組成，在生料配料時引入電爐鋼渣，實際上是預(yù)先植入了“晶種”，該晶種在熟料煅燒過程中具有“類質(zhì)同晶”功能，起到“誘導(dǎo)結(jié)晶”的特殊作用。從結(jié)晶學(xué)原理可知：結(jié)晶包括了晶體形成和晶體長大兩個過程，結(jié)晶速率取決于晶粒的形成速率(核化速率)和由此產(chǎn)生的晶體形成速度?！熬ХN”的介入，有效地降低了晶體形成時的核化勢壘，打破了原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng)的動態(tài)平衡，促使高溫條件下固相反應(yīng)速度進一步加快，為C2S吸收fCaO形成C3S反應(yīng)創(chuàng)造了良好的條件。
電爐鋼渣作為“非熟料晶種”配料，在液相出現(xiàn)之前，具有顯著的催化作用，并加速石灰石的分解進程，促進了CaO與Al2O3、SiO2、Fe2O3的化合反應(yīng)，從而明顯地改善了生料的易燒性，使熟料中fCaO含量大幅度降低，實際出窯熟料fCaO多在2.0%以下，熟料及水泥的早、后期強度和安定性合格率顯著提高。同時，由于生料易燒性的改善，生料配煤量也隨電爐鋼渣摻入比例的增加而下降，一般可節(jié)省實物配煤量1%左右，充分顯示出晶種技術(shù)的優(yōu)勢所在。
采用電爐鋼渣配料后，出窯熟料冷卻效果更好，而且窯的產(chǎn)量有較大幅度的提高，一般在原基礎(chǔ)上可增產(chǎn)10%～15%。由于該渣中帶入的高反應(yīng)活性CaO不需要消耗分解熱，呈多數(shù)鏈結(jié)構(gòu)的SiO2因打水急冷已大部分?jǐn)嗔?，使C2S產(chǎn)生較多的晶格缺陷，自身已具備較高的物理潛能和化學(xué)反應(yīng)活性，促進了燒成帶固相反應(yīng)速度，從而使實物配煤量明顯降低，有效地消除了窯內(nèi)結(jié)大塊影響通風(fēng)并導(dǎo)致還原氣氛的弊端，促使物料在煅燒過程中上火、下移速度加快，增強了出窯熟料的冷卻效果，熟料手感不燙手，熟料受到急冷，其所含高活性玻璃體數(shù)量大幅度增加。
電爐鋼渣中所含的CaF2和P2O5均是熟料煅燒反應(yīng)過程中優(yōu)良的礦化劑和促進劑。其中，P2O5還是β-C2S的晶格穩(wěn)定劑，可有效阻止β-C2S向γ-C2S轉(zhuǎn)化，防止熟料粉化，提高熟料燒成率，當(dāng)摻量在一定范圍內(nèi)，具有最佳的礦化效果。促進CaCO3分解的同時，降低了液相生成溫度和粘度，提高了C2S的形成速率，突出地顯示了“一料三代”的特殊功效。
采用電爐鋼渣配料燒制高強熟料，應(yīng)注意以下技術(shù)要點。
3.1 嚴(yán)格控制生料細(xì)度
生料的磨細(xì)程度密切關(guān)系到熟料形成過程的化學(xué)反應(yīng)速度，尤其是其中粗顆粒的含量。如果生料中200μm粗顆粒含量高，會導(dǎo)致熟料中游離氧化鈣含量明顯增加，有效強度礦物形成數(shù)量減少。200μm粗顆粒含量與熟料fCaO含量呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性。所以，必須嚴(yán)格加以控制。煅燒電爐鋼渣配制的生料，一般情況下，生料200μm篩余應(yīng)控制在0.80%以下為宜。
3.2 采用中暗火煅燒操作
無論采用那種原材料配制生料，都應(yīng)提倡暗火煅燒操作，杜絕明火燒窯。在煅燒電爐鋼渣配料的過程中，濕料層厚度以≥400mm為宜。
3.3 努力提高成球質(zhì)量
料球的粒徑和均齊性直接影響到球間空隙率和對流傳熱效果，從而影響全窯通風(fēng)，上火及傳熱效率，最終直接影響到熟料的實物質(zhì)量。
電爐鋼渣料上火速度快，在有預(yù)加水成球工藝的廠家，可以采取調(diào)整成球盤角度及線速度的辦法，提高成球粒徑的均齊性，實現(xiàn)小料球(Φ5～7mm)快燒。料球粒徑越小、越均齊，其對流傳熱系數(shù)越高，煅燒反應(yīng)速度越快，增產(chǎn)效果及fCaO降低幅度越顯著，是降低燒成能耗，提高熟料產(chǎn)、質(zhì)量的重要技術(shù)手段。所以，應(yīng)努力改善成球質(zhì)量，為穩(wěn)定立窯煅燒創(chuàng)造良好條件。
本文摘自：中國建筑建材網(wǎng)
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