浅谈影响水泥熟料质量的因素

前言

熟料煅烧是水泥生产中比较关键的环节，能否做到优质、高产、低耗，对一家水泥生产企业的经济效益和市场竞争力都是非常关键的问题。熟料质量的好坏直接影响着后续水泥质量，甚至影响着水泥成品出厂，因此，煅烧出优质的水泥熟料是水泥生产过程中非常重要的工作。本文简要谈谈影响水泥熟料质量的因素，与行业同仁交流、探讨。

1、什么是水泥熟料

水泥熟料是以石灰石和粘土、铁质原料为主要原料，按适当比例配制成生料，烧至部分或全部熔融，并经冷却而获得的半成品。水泥熟料的主要矿物成分是硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。其中水泥熟料的主要矿物成分是硅酸三钙（C3S）主要起提供早期强度的作用，硅酸二钙（C2S）起提供后期强度的作用，铝酸三钙（C3A）对凝结有很大的影响，又和铁铝酸四钙（C4AF）一起作为熔剂矿物，起降低烧成温度的作用。

水泥熟料的形成主要分为以下几步。

（1）水分蒸发：入窑生料带有一定数量的自由水。当温度升高后，水分开始蒸发。于100～150℃，全部自由水分排出。

（2）黏土脱水：当温度升至450℃时，黏土中的高岭石(Al2O3·SiO2·2H2O)发生脱水反应，脱出其中的结晶水。

（3）碳酸盐分解：当温度升至600℃时，碳酸镁开始分解，至750℃时，碳酸镁的分解速率到达最大。当温度升至800℃时，碳酸钙开始分解，至900℃时碳酸钙的分解速率达到最大。

（4）固相反应：800～900℃时，石灰石分解出来的CaO和黏土中的Al2O3、铁粉中的Fe2O3反应形成CA、CF。900～1100℃，石灰石分解出来的CaO和黏土中的SiO2反应形成C2S。1100～1300℃时，形成C3A、C4AF。

（5）烧成反应：从1300～1450℃，再从1450℃降至1300℃，C2S和剩余的CaO反应形成C3S。C3S的形成是水泥烧成的关键步骤。这一过程的好坏直接景响水泥的质量。

（6）冷却过程：温度降至1300℃以下，C3A、C4AF开始析晶。熟料开始变得硬起来，对耐火材料产生强烈磨损。同时，C2S也有可能从可水化的β-C2S，转化为不水化的γ-C2S。为防止C2S的转化，需要快速冷却熟料。

2、影响水泥熟料质量的因素

根据水泥熟料形成的机理和过程可知，影响水泥熟料质量的因素有原料、燃料、生料质量、燃煤以及其它因素等。

2.1原材料因素

（1）原材料的品质

生产水泥熟料的主要原材料是石灰石，品质较低的石灰石，其氧化钙含量偏低，但结晶状态较好，且含有一定量结晶好的二氧化硅和白云石等，在水泥生产过程中，会严重地影响生料的易烧性，间接地影响水泥熟料的质量，因此，一般都要求石灰石氧化钙的含量不低于48%，如小于这个值配料就会困难，对熟料煅烧质量造成影响。

（2）石灰石杂质含量

一般CaO含量较低的石灰石往往内部夹杂有害成分较多，比如（MgO、K、Na，甚至还有结晶SiO2）所以用这种石灰石配料与用优质石灰石配料，在煅烧时对烧成系统的适应性也大不相同。一般用这种石灰石时往往产量低下、而且运转率还不高，最关键的还是熟料后期强度也不高，严重时甚至影响水泥出厂。所以低品位石灰石虽是比较廉价，但用的厂也比较少。

2.2 生料质量因素

（1）生料的易烧性

生料易烧性是说明其在煅烧过程中形成熟料的难易程度的特性指标，受生料的化学、物理性质及矿物组成等多种因素的影响。而影响生料易烧性的主要因素有生料的矿物组成、化学组成、颗粒组成、煅烧温度和时间、出现的液相量、熟料的相组成、煤的灰分以及窑内的气氛等。在这些因素中，至关重要的影响因素的生料的矿物组成、生料的化学组成和生料的颗粒组成（粒度）等三个因素。

（2）生料细度

生料的粉磨细度影响生料煅烧时熟料的形成速度。在一定程度上，生料磨得愈细，其比表面积愈大，生料在窑内的反应，如碳酸钙分解、固相反应与固液相反应等速度愈快，愈有利于游离氧化钙的吸收。若原料石灰石中含有较多的结晶良好的方解石晶体和粗大的石英颗粒，则所配生料的易磨性差，生料粗粒较多，反应能力低，影响熟料游离氧化钙的吸收。用这类原料配料磨制生料，在控制粉磨细度时，除了要有0.08 mm筛余指标要求外，还应考虑控制0.2 mm筛余指标，以保证生料颗粒均齐，熟料易于反应完全，从而有利于提高窑的产量和熟料质量。

（3）生料均匀性

生料均匀性不好的生料，会严重影响着熟料的岩相结构，它不仅使阿利特和贝利特分布不均，还使在氧化钙（CaO）过高的地方增加游离氧化钙（f-CaO）的含量，并成堆的分布在阿利特周围，甚至包裹着阿利特上；氧化钙（CaO）较低的地方，形成大量的贝利特晶体，如果烧成温度较低，或冷却速度慢，都较易变为r-C2S，使熟料易于粉化，降低风化活性。而熟料强度和游离氧化钙（f-CaO）有时会有所波动，往往也是由于生料成分不均匀所引起的。

 生料成分的不均匀还表现在给熟料烧结增加了困难，这是因为氧化钙（CaO）高的生料所需要的温度高，而氧化钙（CaO）低的生料所需要的温度低，氧化钙（CaO）高低悬殊的生料不均匀的分布，必将造成生料难于烧结，窑况不正常。氧化钙（CaO）低那部分生料易结大块；大块熟料过多，还直接影响熟料的冷却和窑内通风，降低了物料的热交换能力。这些因素都会导致窑的产量降低和能耗增高。

生料均化得好，不仅可以提高熟料的质量，而且对稳定窑的热工制度、提高窑的运转率、提高产量、降低能耗都有好处。

2.3 煤对水泥熟料质量的影响

在水泥生产过程中，煤不仅作为燃料，而且成为水泥中的一种成分。并且煤质的好坏直接影响水泥熟料的产量、质量以及企业的综合经济效益。

煤对窑内热工制度、熟料的产和质量影响较大的是：煤的发热量、灰分、挥发分、含水量、煤粉的细度以及碱、氯、硫的含量等。

（1）煤的发热量（热值）的影响

煤的发热量的高低直接影响到窑内的热工制度，影响窑内温度的高低，进而影响到C3S的形成，影响熟料的质量。而影响热值的主要因素为灰分，灰分过高，热值低。

热值高的煤，在保证熟料质量和产量生产过程中，煤的使用量势必会减少，进而产生的灰分量的比例会减少，对熟料质量及回转窑的稳定运行影响就小。反之，煤使用量的增多，燃烧过程中产生的灰分的比例增加，势必会影响熟料的质量及回转窑的稳定运行。

（2）煤的挥发分的影响

所谓挥发分即将煤隔绝空气加热到900℃左右，煤中的有机质和一部分矿物质就会分解成气体或者液体逸出，再减去煤中的水分。

当煤的挥发分Var<18%时，着火缓慢，形成黑火头过长，燃烧缓慢，降低火焰温度。

当煤的挥发分Var>18%时，由于挥发分会很快的分解燃烧，形成黑火头过短，物料在高温带停留时间短，对熟料的质量不利。当煤的挥发分过高时，在进行烘干和粉磨时，会有一部分挥发分逸出，不但造成热量的浪费，且易发生爆炸事故，同时，挥发分加高的煤有更大的经济效益，用来生产水泥是不经济的。

（3）煤的灰分的影响

灰分是煤在彻底燃烧后剩下的残渣。灰分的高低对煤的热值有着直接的影响。

灰分过高会导致煤的热值低，从而使烧成带的温度上不去，火焰发浑，飞沙料增多，窑况不稳，熟料产、质量下降；并且灰分高，产生灰分沉积及窑内液相量过早出现，引起窑内结圈、结蛋，严重影响窑内通风和大窑的安全稳定运行，进而引起篦冷机堆“雪人”，反过来有更严重地影响窑及预热器系统的稳定运行；再者，灰分过高，煤质差，造成相当部分的煤粉未完全燃烧。

未完全燃烧的煤粉进入C5旋风筒内及窑尾二次燃烧形成还原气氛和局部高温，造成下料管和上升烟道的结皮堵塞，导致系统阻力的增大，风机抽风量下降，整个系统通风不足，差生严重的不完全燃烧，从而形成恶性循环，煤中的有害成分在C3、C4筒富集，引起结皮、积料和塌料。

过高的灰分对熟料成分也有较大的影响。灰分高，煤的热值低，实物煤耗升高。煤灰沉落熟料中的比例大大增加，可以说成了组成熟料的一种重要物质，而煤灰的沉落量是波动很大的，因而不利于保证质量。由于煤灰分的掺入，一般使熟料的饱和系数降低，硅率降低，铝率提高，熟料f-CaO随煤的灰分含量增加而提高，熟料强度下降。

因此控制进场煤的灰分，对窑系统的稳定运行、熟料的质量及企业的综合经济效益都是十分重要的。

（4）煤粉中的含水量的影响

要降低煤粉中的含水量势必会影响煤磨的台时产量，并且出磨废气温度会相对较高，容易造成煤磨系统发生爆炸或着火事故；同时出磨温度过高，会对后面的收尘（袋式收尘气）、尾排设备腐蚀较大。

但是，如果煤粉中含水量较高，不仅会影响煤粉的输送，而且所含的水分会严重影响煤粉的燃烧速度，从而改变火焰形状和窑内温度分布，降低熟料产、质量。

（5）煤粉中碱、氯、硫的含量的影响

我们都知道，碱、氯、硫在窑内分解、气化、挥发，随窑内气体流向窑尾系统逸散。但温度降到一定限度时，其中一部分挥发性组分呈凝聚、聚集、粘附于生料颗粒表面重返高温区循环，影响生产，有时形成R2SO4、RCl，沉降、结皮、堵塞。

硫是煤中的有害成分，它以多种形式存在于煤中，有机硫和无机硫都有，单质硫较少。无机硫通常以硫酸盐或硫的化合物的形式存在，在燃烧过程中生成SO2；有机物则直接进行燃烧，生成SO2，这些反应都是比较复杂的连锁反应。生成的SO2与水化合生成亚硫酸，一部分随气体排出，污染大气，另一部分则吸附在设备表面，腐蚀其金属部件如果吸附在生料上，泽合碱金属氮化物发生反应，生成碱金属的硫酸盐，在温度较低时，会凝聚在物料盒设备表面上，影响熟料质量和对操作不利，所以煤中硫含量不宜过高，一般不要超过4%。

生产的熟料要求其Na2O<1.3%.高含碱量对熟料的煅烧和质量有较大的影响。含碱量过高，破坏熟料矿物C3S、C2S、C3A的形成；影响液相粘度；造成水泥结块、快凝；使混凝土发生“碱-集料反应”，致使混凝土局部膨胀，引起构筑物变形，甚至开裂。

（6）煤粉的细度的影响

一般要外预分解窑中煤粉细度控制位80μm筛筛余<7%。煤粉越细，其表面积越大，越容易着火，燃烧越迅速。但形成的火焰短，并且煤粉过细容易造成粉体的团聚，从而可能出现堵塞，不利于煤粉的存储和向炉、窑输送。煤粉过粗，燃烧所需的时间长，形成的火焰长度过长，对燃烧不利，并且灰分大的煤，煤粉越粗，灰分越大，从而对熟料质量和窑的稳定运转影响也越大。

（7）煤质的均匀性

由于进场的煤的批次品质不一样，在不能得到很好的预均化的情况下，在某一时段内输送进入窑、炉的煤粉的品质相差较大，会造成窑、炉内的热工制度的不稳定，对烧成系统造成一定的影响，并且对窑上中控操作人员的技术素质有很大的考验。

2.4其它因素

（1）入窑生料饱和比

入窑生料饱和比提高后，虽出窑熟料中C3S含量有所提高，但煅烧困难、热耗增加、窑尾结皮加重、窑内通风不好，另使熟料游离钙含量也相应地由原来的小于1.5%提髙到1.8%左右，从而造成28d抗压强度降低。

（2）熟料结粒

熟料结粒不好，飞砂料多，增加了回转窑窑内通风阻力，减少了煤粉的燃烧空间，降低了火焰的强度，导致熟料烧结状况不好，最终导致28d熟料强度下降。

(3)冷却机冷却影响

因C3S在1250-2065℃温度范围内稳定，低于或高于该范围会发生分解而影响熟料28d的强度。

(4)熟料中氧化镁的影响

氧化镁含量高会降低锻烧温度，降低物料 共融点，增加液相量，从而有利于物料的锻烧;但由此又可能带来喂煤量减少、锻烧温度下降，因热力不足而使C3S的形成相对困难并影响熟料强度。

(5)回转窑内出现还原气氛的影响

(6)中控操作对熟料质量的影响。

3、结束语

熟料质量是确保水泥质量的核心，熟料质量达不到要求，难以生产优质的水泥产品。其中生料配料和煅烧是决定熟料质量的关键。从生料到熟料，是一个化学反应过程，参与化学反应的某一物质的量，不得过剩或不足，否则，化学反应形成的结果，达不到配料设计和熟料质量的要求。只有设计合理的熟料率值，通过良好的煅烧，才能生产出优质的水泥熟料。

来源：泥人君

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