利用高镁废石烧制优质熟料，提高矿山资源综合利用率

1 摘要

石灰石中氧化镁含量越高对水泥熟料生产与产品质量越不利，为确保熟料品质下，要求原料氧化镁含量尽量越低越好，以维持窑烧成系统稳定，致产生大量暂无法利用的高镁石灰石堆存问题。

本项目属系统性制程改善，利用地质统计数字化分析，确定全矿生命周期的矿石品质地理空间分布，统计不同品质政策影响无法利用量的直观数据供决策，改善过程必须维持配料品质及烧成系统稳定，不同于其他长窑系统，短窑烧成系统尤为控制不易，烧成瓶颈的突破与团队沟通合作至为重要，透过持续的精细化改善，希望能够充分提高矿山资源综合利用，达到零排废，以避免废石堆置造成的占地、环境污染、地质灾害一系列的负面影响，同时还可以延长矿山可采年限，降低矿山生产成本，为企业永续发展做出正面贡献。

自2015年3月开始实施，至2016年6月基本达成既定目标，迄今为止，熟料3天及28天强度维持在30Mpa及58.5Mpa，熟料日产量维持在5400吨以上。

2 背景

「畚箕山矿区石灰岩矿区」地处湖北省武穴市长江北岸，属黄冈亚东水泥公司（以下简称黄冈亚东），矿产资源包括：探明的经济基础储量（121b）：2822万吨；控制的经济基础储量（122b）：8420万吨；推断的内蕴经济资源量（333）：9620万吨，资源储量总计20862万吨，平均剥采比0.37:1，废石剥离量预估达8000余万吨，此项目施行前（2015年2月底前），水泥厂设定入仓石灰石原料氧化镁的管制标准为1.4±0.1%，导致矿场开采过程中大量高镁石灰石（MgO）含量大于3.5%，无法掺配利用，只能运至废石场丢弃，截至2015年2月累计堆存量高达400多万吨，已经严重影响矿场的正常台段降阶及推进。

厂内烧成系统为两档短窑，长径分别为52mL和4.8m∅，采取薄料快烧，料在窑内停留时间短，要求入窑生料窑外分解率高（95％以上），来料及操作要稳定，否会导致预热机结料，另要求原燃料的有害成分硫、氯、碱分、MgO要低，在思考如何提高氧化镁管制标准，有以下关键点；

一、如何制定提高新的入仓石灰石氧化镁的管制标准限值？

二、氧化镁管制标准放宽后，矿场如何掺配废石，使入仓石灰石维持稳定符合新标准？

三、氧化镁管制标准提高后，短窑系统熟料生产如何因应，以确保品质与产量不下降。

为此亚泥（中国）控股公司技术与生产部于2015年3月召集黄冈亚东采掘、制造及品管三个单位联合成立专案小组，并由副执行长亲自担任小组召集人，展开高镁废石烧制优质熟料的专案研究，自2015年4月起氧化镁管制标准从原来的1.4%提高至1.6%，2015年6月起再提高至1.9%，至2016年1月最终确定入仓石灰石氧化镁含量为2.5±0.1%，并根据此标准制定适应高氧化镁的配料方案。

3 发现问题及分析反应

此项目的难度是如何统计全矿生命周期的矿石品质地理空间分布，虽然有地质勘探资料，但都是以间距（200米以上）剖面方式表示，地质报告上品质的计量及平均是以勘探线上的钻孔及探槽取样分析，依据化性及物性的不同，划定圈定不同层位，除了明显地质构造造成变化外，两个剖面件同样层位连接的部分，基本上是参考两条剖面的取样分析结果的平均化验结果，整个块段为一致的呈现，但实际上此矿存在很多小的不连续面，不同地理空间的品质分布，存在部分的差异，为呈现不同地理空间位置的化性差异，利用相关的地理资讯系统软体（GIS）及统计分析方法，进行不同地理空间的石灰石化性的推算，实施步骤：1、建立空间块体模型：在储量分布范围，建立四方体的大块体模型，再将大块体分切成6米×6米×6米主块体；2、制作数据库：包括勘探资料外，另收集三个月的钻孔化验资料；3、主块体赋值：特定空间位置的主矿体参考已建数据库的附近的数据，依据距离平方反比权重法（Inverse Distance Squared Weighting Method）决定已知空间位置的样本的化性对于特定空间化性影响的权重；

4、分层矿量及化性统计：全部主块体经过赋值的阶段后，再进行分层（台段）矿量及化性的统计，得到全矿区的灰岩平均品质：氧化钙（CaO）47.29%、氧化镁（MgO）4.20%，总矿量（含废石）为2.2亿吨；5、分析品质政策供决策：依照不同氧化镁的管制标准模拟，扣除配套设施#2角材场年处理高镁灰岩120万吨外，提出四种情境供决策参考：1）、若品质政策订在氧化镁（MgO）≤1.5%，全矿区需要剥离丢弃3122万吨；2）、若品质政策订在氧化镁（MgO）≤2.0%，全矿区需要剥离丢弃1605万吨；3)、若品质政策订在氧化镁（MgO）≤2.5%，全矿区需要剥离丢弃387万吨；4）、若品质政策订在氧化镁（MgO）≤3.0%，全矿区则不需要丢弃。经过专案小组充分讨论，最终决定将入仓石灰石氧化镁（MgO）的管制标准订为2.5±0.1%。（表1）

表 1全矿区品质分布及品质政策情境分析

4 组织团队执行目标

明确分工专案小组各成员的功能与职责：采掘组负责矿场开采石灰石品质预配及人仓品质稳定，品管组负责原燃料品质控管及生料配料并管控熟料品质，制造组负责优化生产操作及加强精细化管理。为及时追踪品质变化，同时由采掘、制造及品管指定专人组成现场采验小组，采验小组每天根据矿山开采、品质检验与熟料生产情况，及时讨论后将讯息反馈至相关部门，并与相关部门沟通及建议优化改善措施。

4.1 采掘组具体做法： 

4.1.1 地质模型定期更新：初步建构完成地质模型，定期需要做地质模型更新，每日进行钻孔收尘粉料堆进行取样，大约8-12个孔取混合样，并以手持式GPS定位，若是岩层过渡带，可以密集取样，并依据化验结果更新数据库。

4.1.2 每日钻孔取样分析：每日取样化验的资料填入石灰石取样表及矿场现存量表。(表2)

表 2 矿场现存表

4.1.3拟定铲装运输计划：依据矿场现存量表制作隔天的配料计划，决定卡车配料车数，并事先安排铲运设备。（表3）

表 3 生产预配实配对照表

4.1.4 当日进料核实：当日生产依照实际派遣制作实际配料表，结合预配计划及实际配料结果，入大仓储存前，设置有自动取样器，目前设置15分钟取样一次，上下午各集样化验一次，于下个班作业前回馈检验结果，并产生当日的实际比较表格，是以检视进破碎机车数是否按照计划控制。（表4）

表 4 每日进仓配料汇总表

4.1.5 入仓均化作业：水泥厂石灰石仓为长方形仓，分成南北两处堆存，扣除取料机的作业空间，每次可以堆存约4万吨，堆存时间约5-6天，为达到均化效果，禁止定点下料，执行移动堆料，为避免最后一天的品质偏移过大，造成堆头的品质与整堆的平均品质有较大的变异，换堆取料时变异状况影响的时间过长，最后一天的堆料时堆头部分內缩1米，其全流程灰岩原料进仓品质控制全流程详图1。

图 1 灰岩原料进仓品质控制全流程

4.2 生产和品管组具体做法：为确保熟料生产与质量不下降，具体做法如下；

4.2.1 调整配料方案：根据高镁石灰石的特性，配料方案调整如下（表5）：

4.2.1.1 适当降低分解炉温度来降低脱酸，由目前的95～96％降低到93～94％，相应降低入窑生料温度，需同时注意料、风、煤等的配合，因为烧成范围窄，会导致旋窑的不稳定。

4.2.1.2 以上变动导致旋窑的不稳定及熟料品质的波动，但是实际情况比预料要差，实施第一个月，由于生料氧化镁及熟料三率值控制变化，造成产量降低及f-CaO上升，相关数据体如下（表6）：

表 6 调整熟料三率值第一个月制程产量及品质影响

4.2.1.3初期是预热机结料严重，结料快且硬，长时间的捅料使得窑况进一步恶化，f-cao频繁超限，甚至出现跑生料。产量比正常时下降近300吨/天，质量方面3天强度虽然变化不大，28天强度可能会有降幅，其正异常熟料比较详图2、3及表7。

图 2正常熟料XRD

图 3异常熟料XRD

4.2.2 团队讨论此一阶段出现的问题，并作以下调整。

4.2.2.1 采取高n值方案，制定熟料三率值：n值为2.85±0.1、p值为1.5±0.05、KH值为0.915±0.01。提高熟料n值，可以降低熟料液相量、提高耐火度，平衡因MgO提高增加的液相，减少窑内结圈结蛋，影响熟料品质；适当提高P值以进一步降低Fe2O3含量，在一定程度上拓宽烧结范围，提高生产操作弹性；适当提高熟料的KH值，使熟料强度得到一定的恢复，同时配料时还要防止MgO与R2O、SO3等低熔点有害物质的同时作用。

4.2.2.2 稳定生料配料：取样化验与配料工作采取更高的标准，以确保入窑生料成分一致稳定。

4.2.2.3 加强原燃料精细化管理：A)加强矿山矿层钻孔取样的监督，精准及时反馈取样化验结果；B)校正配料黏土、砂岩、铁质等做到源头取样化验，依照需求通知进厂，并做好取样代表性；仓储照要求分别堆放，避免混料，加强均化，以提高原料稳定性。C)砂岩、粘土、铁质矿的选择除要求其化学成份符合外，还特别关注其物理性质，以确保生料易烧性良好。

4.3 制造组具体做法：

4.3.1 转变思想，增强自信：因氧化镁的大幅提高，必然对于生产造成重大影响，需加强教育生产单位同仁适应新的配料方案，努力达成既定目标。

4.3.2 收集文献，夯实基础：收集国内各水泥公司在高镁石灰石应用中遇到的情况及解决措施，了解同行业中高镁石灰石烧制熟料中出现的问题及处理措施。夯实基础知识，提高对高镁石灰石烧制优质熟料的认知。

4.3.3 加强培训，凝聚力量：加强学习MgO对熟料烧成的影响机理及应对措施，了解高镁石灰石在煅烧过程中的影响，结球成因，分析窑圈的影响因素，及风、煤、料、窑速的配合对黄心料产生的影响，抓住关键点，消除不利影响。

4.3.4 加强精细化生产管理：a)稳定窑尾进料室温度在1000~1050℃，C5下料温度：850~860℃，避免温度变化造成窑况不稳定。b)加强现场巡检，及时清理进料室、上升道结料及各下料管的结皮，预防堵塞影响系统通风。c)对预热机上升道缩颈处进行改造，增大通风面积，加强窑内通风，避免燃料燃烧不完全造成还原气氛，影响生产。d)采用薄料快烧策略，降低窑内填充率，防止窑内结圈、结大球等。e)利用停窑机会，彻底清理冷却机空气分布板迷宫内积料，保证空气分布板通风良好，确保达到熟料急冷的效果。

4.4 经反复调试，烧成渐趋于稳定，各项指标详述如下。

4.4.1 到2016年5月份，将熟料MgO由2015年初的1.8％提高到3.6％，f-cao及产量已趋正常（表8）；

4.4.2 中间一段时间熟料SM值控制比较高，一度达到2.9，后续慢慢往下调到2.8，烧成也比较稳定（表9）；

4.4.3 强度方面有略微降低的趋势，MgO的提高导致熟料中有效成分CaO降低，及存在一部分的有害游离MgO，导致强度有所降低（表10）。

表10黄冈亚东2015/01~2016/06熟料3及28天强度变化趋势

5 经验推广：

黄冈亚东全矿区生产量约63%的灰岩提供集团湖北亚东水泥公司（以下简称湖北亚东）船运到厂，黄冈亚东灰岩供应量约占湖北亚东生产需求量的70-75%，2016年1月黄冈亚东矿区水泥灰岩氧化镁（MgO）的管制标准更新为2.5±0.1%，开始供应湖北亚东，应原料变化，湖北亚东开始调整制程熟料三率值，表11-13为2015年8月至2017年10月制程调整前中后各项数据变化趋势，其熟料3天抗压强度维持在大于30MPa以上，28天抗压强度大于57MPa以上，熟料产量基本可维持在5400-5500吨之间。

表 11湖北亚东2015/08~2017/10熟料氧化镁变化趋势

表 12湖北亚东2015/08~2017/10熟料SM及KH率值变化趋势

表 13湖北亚东2015/08~2017/10熟料3及28天强度变化趋势

6 实施成果：

6.1 2015年7月至2021年5月节省排废成本34,158,503元，增加资源利用量4,101,653吨。（表14）

6.2 延长资源使用年限0.71年。

6.3 黄冈亚东窑平均日产量可达5350-5400吨，湖北亚东窑平均日产量维持在5400-5500吨。

6.4 黄冈亚东熟料3天、28天强度平均达到30.5MPa及58MPa，最高可达31MPa及59MPa，湖北亚东熟料3天抗压强度可以维持在大于30MPa以上，28天抗压强度大于57MPa以上。

表 14石灰石MGO提高后掺入高镁石灰石量及节省金额表

7 结论：

水泥厂制程从原料的制配到水泥产品的产出，是整体性的系统问题，原料品质政策的改变，除改变原来矿场生产的管制作业外，品管的原料配置及熟料烧制参数的调整同样重要，须协同寻求系统的动态平衡。

本项目目标的达成系有四方面因素：1、数字化分析：利用数字化建立矿山的数值化矿山地质块体模型，准确统计出全矿区的平均品质及品质分布情况，并能模拟各种品质管制标准供决策；2、最高技术主管的决断：完整数字分析通过最高技术主管的果断决策，使得项目可以顺利推展；3、精细化管理：所有的实施程序需要透过充分的讨论，并引用外界的资讯，将所有的程序细化至可以操作及成果检视；4、平行合作：打破专业藩篱，互相平行探讨合作，攻关克难突破瓶颈。

绿色矿山是国家长期资源政策，为实现矿产资源开发全过程的资源利用的目标，本司遵循国家政策，致力实践发展成资源节约型及品质卓越型企业，本项目于2015年4月启动，2016年6月达到既定目标，后续持续优化完善，并于2018年获选为第一届绿色矿山科学技术奖三等奖。