建材行业标杆！华新节能降碳技术达到国际先进水平
华新建材在节能降碳技术上树立了行业标杆，其技术水平已达到国际先进标准，为绿色建筑和可持续发展做出了重要贡献。
电炉钢渣配烧高强熟料的技术要点
......
1．导言
20世纪90年代初，中国建筑材料科学研究院全面推广水泥立窑“添加晶种”熟料煅烧技术。在生料制备过程中，引入适量(3%～5%)的优质熟料作为煅烧反应中的“晶种”，可以在熟料烧成时起到“诱导结晶”的作用，取得了降低煤耗10%，提高产量10%的双重效果；同时，显著降低了熟料中fCaO的含量，水泥安定性合格率大幅度提高。但熟料晶种的生产成本较高。受晶种技术的启发，广大水泥工作者开始寻找经过高温处理、具有潜在物理化学活性、与硅酸盐水泥熟料化学成分及矿相组成相近的工业废渣作为“非熟料晶种”配料，获得了与熟料晶种相同的技术经济效果。
众所周知，通用水泥新标准采用ISO法检测强度，由于ISO法成型时水灰比提高、灰砂比降低，其强度对于水泥熟料硅酸率(SM)的高低颇为敏感。一般规律是：硅酸率高的水泥强度高，反之偏低。据笔者调查，目前仍有部分立窑企业采用高饱和系数(KH0.95～0.98)，高铁(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，熟料中硅酸盐矿物(C3S+C2S)总量偏少，一般在68%～70%，导致水泥的早期、后期强度偏低。为了进一步提高通用水泥的实物质量，应立足于企业所用原燃材料的实际状况，努力提高熟料的硅酸率，增加硅酸盐矿物的实际含量，向C3S+C2S≥75%的方向过渡，并降低熟料中的fCaO，达到兼顾强度和安定性指标的双重目的。现就采用电炉钢渣一料三代(代晶种、代矿化剂、代铁质原料)配制高硅酸率生料、烧制高强熟料的相关技术要点与水泥界同仁进行探讨。
3．采用电炉钢渣配料的相关技术要点
由表1化学分析数据可知，电炉钢渣中CaO含量在50%左右，与石灰石中主要成分CaO含量相当，但Fe2O3的含量较低(<3.0%)，CaO/SiO2>2.0，晶体发育良好的主要矿相C2S具有一定的潜在水硬活性。按5～8%配入生料中，可以取代等量的石灰石，并且能够在一定程度上降低生料配热，从而达到降低烧成热耗、减少实物配煤的目的。同时可实现“较高饱和系数，高硅酸率、高铝氧率(低铁)”配料方案。电炉钢渣中所含的CaF2和P2O5在烧成反应过程中，可起到良好的矿化剂作用，有效地破坏生料中Si—O、Al—O链，提高化学反应活性及煅烧、冷却速度。在Φ3.1×11m塔式机窑上使用后，熟料中硅酸盐矿物总量C3S+C2S≥74%，较过去提高4%左右，出窑熟料及出磨水泥安定性合格率达100%，熟料28d抗压强度≥55MPa（表2、表3）。
20世纪90年代初，中国建筑材料科学研究院全面推广水泥立窑“添加晶种”熟料煅烧技术。在生料制备过程中，引入适量(3%～5%)的优质熟料作为煅烧反应中的“晶种”，可以在熟料烧成时起到“诱导结晶”的作用，取得了降低煤耗10%，提高产量10%的双重效果；同时，显著降低了熟料中fCaO的含量，水泥安定性合格率大幅度提高。但熟料晶种的生产成本较高。受晶种技术的启发，广大水泥工作者开始寻找经过高温处理、具有潜在物理化学活性、与硅酸盐水泥熟料化学成分及矿相组成相近的工业废渣作为“非熟料晶种”配料，获得了与熟料晶种相同的技术经济效果。
众所周知，通用水泥新标准采用ISO法检测强度，由于ISO法成型时水灰比提高、灰砂比降低，其强度对于水泥熟料硅酸率(SM)的高低颇为敏感。一般规律是：硅酸率高的水泥强度高，反之偏低。据笔者调查，目前仍有部分立窑企业采用高饱和系数(KH0.95～0.98)，高铁(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，熟料中硅酸盐矿物(C3S+C2S)总量偏少，一般在68%～70%，导致水泥的早期、后期强度偏低。为了进一步提高通用水泥的实物质量，应立足于企业所用原燃材料的实际状况，努力提高熟料的硅酸率，增加硅酸盐矿物的实际含量，向C3S+C2S≥75%的方向过渡，并降低熟料中的fCaO，达到兼顾强度和安定性指标的双重目的。现就采用电炉钢渣一料三代(代晶种、代矿化剂、代铁质原料)配制高硅酸率生料、烧制高强熟料的相关技术要点与水泥界同仁进行探讨。
2．电炉钢渣的成分及矿相组成
电炉钢渣系钢铁企业采用电炉炼钢工艺，通过加入高活性石灰和高品位萤石消除钢中杂质成分时排出的工业废渣，外观呈灰白色粉末状，化学成分见表1，其主要矿相组成为C2S及C11A7·CaF2、CA等矿物，以C2S为主，可以作为熟料烧成中的“非熟料晶种”。此外，电炉钢渣中所含有的CaF2和P2O5具有较好的矿化作用，将其引入生料中，可以实现“一料三代”和高硅酸率、低铁配料。由于炼钢温度高于水泥立窑烧成温度，电炉钢渣中的硅酸盐矿物晶体已经形成，并发育良好，经打水急冷，使其具有较高的化学潜能和反应活性，作为“非熟料晶种”植入生料，不仅成本远低于优质熟料，而且所起到的“诱导结晶”的特殊作用与优质熟料效果完全相同。
表1 电炉钢渣化学成分(%)
|
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化学分析数据可知，电炉钢渣中CaO含量在50%左右，与石灰石中主要成分CaO含量相当，但Fe2O3的含量较低(<3.0%)，CaO/SiO2>2.0，晶体发育良好的主要矿相C2S具有一定的潜在水硬活性。按5～8%配入生料中，可以取代等量的石灰石，并且能够在一定程度上降低生料配热，从而达到降低烧成热耗、减少实物配煤的目的。同时可实现“较高饱和系数，高硅酸率、高铝氧率(低铁)”配料方案。电炉钢渣中所含的CaF2和P2O5在烧成反应过程中，可起到良好的矿化剂作用，有效地破坏生料中Si—O、Al—O链，提高化学反应活性及煅烧、冷却速度。在Φ3.1×11m塔式机窑上使用后，熟料中硅酸盐矿物总量C3S+C2S≥74%，较过去提高4%左右，出窑熟料及出磨水泥安定性合格率达100%，熟料28d抗压强度≥55MPa（表2、表3）。
表2 使用前后熟料化学成分及矿物组成(%)
|
项目 |
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 使用前后熟料力学性能
|
项目 |
细度 |
安定性 |
抗折强度／抗压强度(MPa) | |
|
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中数据可知，使用电炉钢渣配制生料，熟料硅酸率显著提高，在生产工艺不变的前提下，熟料fCaO降低至2.20%以下，28d强度提高6MPa左右，出磨水泥安定性良好。
众所周知，水泥熟料中硅酸盐矿物依靠固相反应生成，由于电炉钢渣中含有一定数量与水泥熟料相同的硅酸盐矿相组成，在生料配料时引入电炉钢渣，实际上是预先植入了“晶种”，该晶种在熟料煅烧过程中具有“类质同晶”功能，起到“诱导结晶”的特殊作用。从结晶学原理可知：结晶包括了晶体形成和晶体长大两个过程，结晶速率取决于晶粒的形成速率(核化速率)和由此产生的晶体形成速度。“晶种”的介入，有效地降低了晶体形成时的核化势垒，打破了原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系统的动态平衡，促使高温条件下固相反应速度进一步加快，为C2S吸收fCaO形成C3S反应创造了良好的条件。
电炉钢渣作为“非熟料晶种”配料，在液相出现之前，具有显著的催化作用，并加速石灰石的分解进程，促进了CaO与Al2O3、SiO2、Fe2O3的化合反应，从而明显地改善了生料的易烧性，使熟料中fCaO含量大幅度降低，实际出窑熟料fCaO多在2.0%以下，熟料及水泥的早、后期强度和安定性合格率显著提高。同时，由于生料易烧性的改善，生料配煤量也随电炉钢渣掺入比例的增加而下降，一般可节省实物配煤量1%左右，充分显示出晶种技术的优势所在。
采用电炉钢渣配料后，出窑熟料冷却效果更好，而且窑的产量有较大幅度的提高，一般在原基础上可增产10%～15%。由于该渣中带入的高反应活性CaO不需要消耗分解热，呈多数链结构的SiO2因打水急冷已大部分断裂，使C2S产生较多的晶格缺陷，自身已具备较高的物理潜能和化学反应活性，促进了烧成带固相反应速度，从而使实物配煤量明显降低，有效地消除了窑内结大块影响通风并导致还原气氛的弊端，促使物料在煅烧过程中上火、下移速度加快，增强了出窑熟料的冷却效果，熟料手感不烫手，熟料受到急冷，其所含高活性玻璃体数量大幅度增加。
电炉钢渣中所含的CaF2和P2O5均是熟料煅烧反应过程中优良的矿化剂和促进剂。其中，P2O5还是β-C2S的晶格稳定剂，可有效阻止β-C2S向γ-C2S转化，防止熟料粉化，提高熟料烧成率，当掺量在一定范围内，具有最佳的矿化效果。促进CaCO3分解的同时，降低了液相生成温度和粘度，提高了C2S的形成速率，突出地显示了“一料三代”的特殊功效。
采用电炉钢渣配料烧制高强熟料，应注意以下技术要点。
3.1 严格控制生料细度
生料的磨细程度密切关系到熟料形成过程的化学反应速度，尤其是其中粗颗粒的含量。如果生料中200μm粗颗粒含量高，会导致熟料中游离氧化钙含量明显增加，有效强度矿物形成数量减少。200μm粗颗粒含量与熟料fCaO含量呈现出良好的正相关性。所以，必须严格加以控制。煅烧电炉钢渣配制的生料，一般情况下，生料200μm筛余应控制在0.80%以下为宜。
3.2 采用中暗火煅烧操作
无论采用那种原材料配制生料，都应提倡暗火煅烧操作，杜绝明火烧窑。在煅烧电炉钢渣配料的过程中，湿料层厚度以≥400mm为宜。
3.3 努力提高成球质量
料球的粒径和均齐性直接影响到球间空隙率和对流传热效果，从而影响全窑通风，上火及传热效率，最终直接影响到熟料的实物质量。
电炉钢渣料上火速度快，在有预加水成球工艺的厂家，可以采取调整成球盘角度及线速度的办法，提高成球粒径的均齐性，实现小料球(Φ5～7mm)快烧。料球粒径越小、越均齐，其对流传热系数越高，煅烧反应速度越快，增产效果及fCaO降低幅度越显著，是降低烧成能耗，提高熟料产、质量的重要技术手段。所以，应努力改善成球质量，为稳定立窑煅烧创造良好条件。
本文摘自：中国建筑建材网
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投稿：news@ccement.com
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