預(yù)分解窯飛砂料生成原因和減緩措施

  摘要：飛砂料是預(yù)分解窯生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)窯的生產(chǎn)操作和熟料質(zhì)量均產(chǎn)生一定的影響，成為生產(chǎn)操作人員關(guān)注的焦點(diǎn)。初步分析其生成原因和減緩措施，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)有關(guān)單位的重視，加強(qiáng)此方面的研究，從根本上解決這個(gè)問(wèn)題。

  1 飛砂料的危害性

  預(yù)分解窯生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)飛砂料，一些工廠介紹的文章稱熟料顆粒小于1mm時(shí)，稱之為飛砂料，少的低于窯產(chǎn)量的10％，多的高達(dá)20％～30％，其危害性如下：

  飛砂料易磨性差，不利于水泥粉磨。國(guó)外資料介紹純飛砂料易磨性差，個(gè)別資料稱粉磨時(shí)較正常熟料增加電耗20％～30％。

  飛砂料形成熱高。國(guó)外資料介紹較普通熟料增加約30～40kcal/kg，熟料的強(qiáng)度亦較正常熟料低。

  熟料在窯內(nèi)煅燒時(shí)，受離心力的作用，產(chǎn)生離析，大顆粒一般集中在中間，隨著顆粒直徑變小，細(xì)顆粒則集中在窯筒體一邊。當(dāng)熟料從窯頭落至篦床上時(shí)，大顆粒集中在一側(cè)，細(xì)顆粒集中在另一側(cè)，篦床橫截面中部為粗細(xì)顆粒的過(guò)渡部位。當(dāng)窯速較快且窯內(nèi)細(xì)顆粒飛砂熟料較多時(shí)，細(xì)顆粒集中在一側(cè)的現(xiàn)象尤為明顯。堆積的細(xì)顆粒料層密度高，篦下冷風(fēng)不易透過(guò)，熟料得不到冷卻，形成一條高溫紅色熟料帶（俗稱紅河），極易損壞料層下的篦板。

  當(dāng)篦冷機(jī)的噴速較高時(shí)，飛砂料則隨高溫?zé)釟饬魅敫G和入三次風(fēng)管，在此過(guò)程中，未經(jīng)冷卻的飛砂料將熱量傳遞給三次風(fēng)，提高了三次風(fēng)溫，但飛砂料進(jìn)入三次風(fēng)管時(shí)，因其磨蝕性強(qiáng)，易對(duì)三次風(fēng)管內(nèi)耐火材料和三次風(fēng)閥板造成磨蝕；當(dāng)大量的飛砂料進(jìn)入分解爐時(shí)，易使物料過(guò)熱，加重分解爐內(nèi)物料負(fù)荷，影響了入窯物料分解率的控制。

  飛砂料顆粒隨二次風(fēng)入窯，再次在窯內(nèi)加熱，易產(chǎn)生熟料的重結(jié)晶，再次產(chǎn)生不易粉磨的飛砂料；形成飛砂料的生產(chǎn)循環(huán)也影響窯的操作，在一定程度上造成熱工制度的混亂，同時(shí)造成窯頭混蝕，影響正確地判斷火焰溫度，此外飛砂料也易造成窯頭護(hù)板及耐火澆注料的磨蝕。

  2 飛砂料的主要成分

  國(guó)外的研究報(bào)道稱，飛砂料主要是熟料煅燒過(guò)程中，生成的大晶格熟料，此類熟料不易成球，易形成粉塵料。

  飛砂料主要是在熟料煅燒過(guò)程中形成的，要分析其形成的原因，首先要對(duì)熟料在窯內(nèi)煅燒過(guò)程中的物理、化學(xué)作用作一分析，也就是對(duì)窯內(nèi)各帶作一介紹。

  3 熟料在窯內(nèi)煅燒過(guò)程

  窯料在預(yù)分解窯內(nèi)煅燒成熟料時(shí)，根據(jù)其物理、化學(xué)作用過(guò)程，大致分成５個(gè)帶：即分解帶、過(guò)渡帶、液相燒成帶、最高溫度燒成帶、冷卻帶，各帶是根據(jù)其功能決定的，其長(zhǎng)度因功能變化而變化，各帶的主要功能介紹如下：

  3.1 預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)（CZ）

  從預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)的入窯生料分解率一般均大于90％，未分解的生料在此帶加熱分解，已分解的生料中的fCaO與SiO2顆粒作用生成C2S，C2S生成時(shí)要放出熱量（610kJ/kg），生料在此帶內(nèi)較快的加熱分解，帶內(nèi)有少量的C2S與游離CaO生成C3S。

  預(yù)分解窯內(nèi)的分解帶與入窯物料分解率有關(guān)，分解率愈高則此帶愈短。分解率愈低則帶愈長(zhǎng)。

  3.2 過(guò)渡帶（HZ）

  物料從900℃加熱至1300℃，在此帶內(nèi)物料溫度增加很快，液相僅有少量出現(xiàn)，但溫度上升到～1300℃時(shí)，液相突然大量增加，進(jìn)入液相燒成帶。

  3.3 液相燒成帶（LZ）

  此帶內(nèi)，液相已大量生成，隨著溫度增加，液相增加的速率不高，熟料顆粒開(kāi)始形成。熟料顆粒的形成，取決于液相的性質(zhì)和數(shù)量、顆粒在物料中的分布和在液相帶內(nèi)停留的時(shí)間。在液相燒成帶內(nèi)C3S開(kāi)始生成，由于溫度增加，則C3S生成量愈來(lái)愈多，其晶格隨溫度增加而增大，當(dāng)C3S晶格過(guò)大時(shí)，將不易成球，形成飛砂料。

  3.4  最高溫度燒成帶（MZ）

  最高溫度燒成帶在火焰的最高溫度部位，窯內(nèi)物料溫度達(dá)到最高值，C3S完全生成，熟料完成成球，熟料在此帶內(nèi)完成全部煅燒過(guò)程。

  3.5  冷卻帶（AZ）

  此帶內(nèi)熟料開(kāi)始降溫，熟料固化。

  3.6  窯內(nèi)各帶氣體溫度、物料溫度、液相量、C3S生成率

  3.7  窯內(nèi)熟料顆粒生成情況

  飛砂料的形成與熟料顆粒有關(guān)，更與C3S晶體生成的大小有著直接關(guān)系，也就是窯料在形成熟料過(guò)程中，在窯內(nèi)各帶停留時(shí)間有關(guān)，更與窯料的內(nèi)在性能有關(guān)。國(guó)外的研究資料稱：一些易燒的生料較易地完成煅燒熟料的物理、化學(xué)功能，即過(guò)渡帶、液相燒成帶較長(zhǎng)、最大溫度燒成帶較短時(shí)且煅燒溫度相對(duì)較低時(shí)，C3S不易生成大晶格，熟料易結(jié)粒。而難燒的生料在煅燒過(guò)程中，在過(guò)渡帶、液相燒成帶停留時(shí)間較短，而在最大燒成帶停留時(shí)間較長(zhǎng)，且溫度較高時(shí)，在此條件下，易生成大晶格的C3S，此類礦物不易成球，易生成飛砂料。

  4  影響熟料結(jié)粒的因素

  窯內(nèi)熟料顆粒是在液相（有些資料稱熔體）作用下形成的，液相在晶體外形成毛細(xì)管橋。液相毛細(xì)管橋起到兩個(gè)作用：一是使顆粒結(jié)合在一起，另一作用是作為是中間介質(zhì)，使CaO和C2S在熔融態(tài)內(nèi)擴(kuò)散生成C3S，顆粒的強(qiáng)度取決于毛細(xì)管橋的強(qiáng)度，橋的強(qiáng)度即連接顆粒的力隨液相表面張力和顆粒直徑的降低而增加。毛細(xì)管橋的數(shù)量又和顆粒直徑的平方根成反比。要結(jié)好粒，必須有足夠的液相，并要求顆粒在液相內(nèi)分布均勻，形成較高的表面張力和適宜的結(jié)粒時(shí)間和溫度?，F(xiàn)對(duì)影響結(jié)粒的因素作一敘述。

  4.1 液相量

  窯內(nèi)液相量太少不易結(jié)粒，太多結(jié)成致密的大塊熟料。液相量的計(jì)算公式較多，用得較多的計(jì)算公式為：

  1400℃時(shí)液相量L＝3.0Al2O3＋2.25Fe2O3＋K2O＋Na2O＋MgO

  液相量在25％～28％時(shí)，對(duì)結(jié)粒最有利。

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  4.2 生料易燒性

  易燒性是指生料轉(zhuǎn)變?yōu)樗笸氖炝舷喑煞蛛y易的程度，通過(guò)原料的化學(xué)成分、礦物性能和細(xì)度來(lái)確定，現(xiàn)將經(jīng)多次優(yōu)化的F.L.Smidth公司的易燒性公式表述如下：

  fCaO1400℃=0.343LSF-93＋2.7AM-2.3＋0.83Q45＋0.10C125＋0.39R45

  方程式前半部份表示生料化學(xué)性能所起的作用，從公式來(lái)看，石灰飽和系數(shù)LSF、硅酸率AM愈高，則fCaO的值愈高，煅燒溫度也愈高，方程式的后半部份則表示生料中不同礦物的細(xì)度對(duì)易燒性所起的作用，其中尤為受到關(guān)注的是水泥熟料內(nèi)主要原料的粗顆粒SiO2及少量酸性不溶物，對(duì)易燒性有較大的影響，此外大于125μｍ的石灰石顆粒也有一定影響。

  公式表明，在1400℃時(shí)生料易燒性實(shí)驗(yàn)時(shí)，其所得的fCaO數(shù)值愈低，生料易燒，則燒成帶火焰溫度相應(yīng)低些，相應(yīng)易結(jié)粒，若生料易燒性實(shí)驗(yàn)的fCaO值愈高，生料難燒，則燒成帶火焰溫度也愈高，相應(yīng)結(jié)粒差些，易生成飛砂料。

  4.3 生料成分、細(xì)度的均勻性

  上節(jié)所述，不同成分的生料和細(xì)度對(duì)易燒性都有一定的影響，在生產(chǎn)的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)原料成分及細(xì)度發(fā)生較大變化時(shí)，必然會(huì)引起物料在窯內(nèi)物理、化學(xué)作用的位置及溫度的變化，將會(huì)引起熟料結(jié)粒的變化，當(dāng)生料成分和細(xì)度變化的情況符合形成飛砂料的條件時(shí)，便會(huì)形成飛砂料。

  4.4 液相表面張力

  液相表面張力是液相的重要性質(zhì)，與結(jié)粒有著直接的關(guān)系。液相表面張力增大易結(jié)粒，熟料顆粒的大小與液相表面張力呈良好的線性關(guān)系。

  液相的表面張力與元素外層電子的負(fù)電性有關(guān)，有些元素如：K、Cl、S的表面張力值較低，不利于結(jié)粒。而Mg、Al等元素的表面張力值較高，有利于結(jié)粒。

  一般熟料液相內(nèi)含有幾種元素，它們之間的表面張力并非單元素表面張力的疊加。

  液相表面張力與溫度有關(guān)，不同成分的熟料液相表面張力值在同一溫度時(shí)有所不同，但隨溫度的升高，其液相表面張力值有所下降。

  4.5 液相粘度

  不同成分熟料的液相粘度值是不同的，一般說(shuō)來(lái)液相粘度值減少易結(jié)粒，液相粘度與溫度有關(guān)，隨溫度上升而下降。

  幾種元素共存的液相粘度值并非單元素值的疊加。

  近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位相繼報(bào)導(dǎo)了MgO、R₂O、SO₃對(duì)結(jié)皮和結(jié)粒有較大的影響。R₂O含量增加，粘度值增加較大，不利于結(jié)粒。SO₃含量增加，粘度值降低，但SO₃的粘度值較R₂O低得多，因此SO3存在時(shí)結(jié)粒有所改善。若R₂O、SO₃均存在時(shí)，MgO含量增加，液相粘度值大大降低，有利于結(jié)粒。

  4.6 物料在窯內(nèi)各帶停留時(shí)間的影響

  原料成分，入窯物料分解率，火焰形狀等因素，決定了物料在窯內(nèi)各帶的停留時(shí)間，也決定了熟料結(jié)粒的大小。

  若原料不易煅燒，入窯物料分解率低，相應(yīng)物料在分解帶和過(guò)渡帶停留時(shí)間就長(zhǎng)，而在熔融帶的停留時(shí)間就短些。在此條件下，易生成大晶格的C2S，此類C2S和fCaO很難結(jié)合也難結(jié)粒。若生料中有難燒物質(zhì)，則需較高的燒成溫度，此時(shí)未結(jié)粒物質(zhì)反應(yīng)較快，C3S在此條件下易生成難以結(jié)粒的大晶格礦物。

  4.7 生料率值的影響

  KH值高，物料不易煅燒，所需的煅燒溫度高，最高溫度帶較長(zhǎng)，相應(yīng)熔融帶縮短，易結(jié)細(xì)粒。

  硅酸率SM增加，燒成溫度增高，物料不易煅燒，易結(jié)細(xì)粒。

  鋁氧率AM增加，液相粘度增大，燒成溫度增高，物料熔融困難，C2S和fCaO結(jié)合生成C3S困難。

  液相量與鋁氧率和溫度有一定的關(guān)系，當(dāng)AM＝1.63時(shí)，有利于結(jié)粒。AM值偏離1.63值愈大，對(duì)熟料結(jié)粒愈不利。

  5 減緩飛砂料的措施

  從一些發(fā)表的研究資料和生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的飛砂情況來(lái)看，飛砂料的起因很復(fù)雜，涉及到生料成分、生料細(xì)度、生料均勻性以及熟料煅燒狀況、燃料性能、熟料在煅燒過(guò)程中在窯內(nèi)各帶的停留時(shí)間及煅燒溫度、工藝裝備狀況等均有一定程度的關(guān)系，在生產(chǎn)過(guò)程中，尋找飛砂料的成因及解決措施是有一定的復(fù)雜性，為簡(jiǎn)化措施，重點(diǎn)從原料性能和煅燒狀況來(lái)解決。

  5.1 原料性能

  當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)飛砂料時(shí)，應(yīng)考慮在不影響熟料強(qiáng)度和性能的前提下，適當(dāng)改變配料率值，如降低KH值、硅酸率SM值，將鋁氧率AM值接近1.63，適當(dāng)降低易燒性指數(shù)、提高液相量、減少不易磨易和煅燒的大顆粒石英和石灰石等物質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)原料中的MgO、R₂O、SO₃的含量。使原料成分、生料易燒性、液相表面張力液體粘度等均有利于結(jié)粒。

  生產(chǎn)過(guò)程中，盡可能保持生料成分的均勻，以避免出現(xiàn)不利于結(jié)粒的成分和細(xì)度波動(dòng)值過(guò)大的生料入窯。

  5.2 改善窯的操作

  為使熟料結(jié)粒均齊，應(yīng)盡量提高入窯物粒分解率，改善篦冷機(jī)的操作，盡可能提高二次和三次風(fēng)溫，改善噴煤管火焰形狀，延長(zhǎng)物料在窯內(nèi)分解帶和過(guò)渡帶和液相燒成帶的停留時(shí)間，在最高溫度帶保持合適的燒成溫度，以上操作狀況有利生成小晶格C3S料，也有利于結(jié)粒。

  提高入窯物料分解率的措施是加強(qiáng)窯、預(yù)熱器、三次風(fēng)管、廢氣管道等裝備的密閉，減少漏風(fēng)，改善預(yù)熱器、分解爐的性能，提高換熱效率，增強(qiáng)上述裝備的隔熱，減少散熱損失等。

  在操作中，盡量避免物料在過(guò)渡帶、液相燒成帶過(guò)短的停留，在最高溫度燒成帶過(guò)長(zhǎng)時(shí)間停留及過(guò)高的燒成溫度，上述操作狀況有利于生成大晶格的C3S，不利于熟料結(jié)粒。

  當(dāng)前，生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)燃料品位降低，燃料所含的熱值、灰分、揮發(fā)分、硫含量、水分的數(shù)值變化較大，因此必須配用與燃料性能變化相匹配的燃燒器，以保證火焰形狀有利于結(jié)粒。

  在生產(chǎn)過(guò)程中，盡量避免過(guò)高提產(chǎn)，此時(shí)入窯物料分解率一般較低，易出現(xiàn)窯料在窯內(nèi)欠燒，不得不延長(zhǎng)最高溫度燒成帶和提高燒成溫度來(lái)降低熟料中的fCaO，造成C3S晶格過(guò)大，生成飛砂料。同時(shí)應(yīng)避免窯內(nèi)呈還原氣氛，此種狀況雖然入窯物料的分解率較高，但窯內(nèi)火焰燃燒不充分，不利于物料的熱交換，當(dāng)物料進(jìn)入最高溫度燒成帶時(shí)只得延長(zhǎng)燒成帶的長(zhǎng)度和提高燒成溫度，來(lái)降低熟料中的fCaO，此時(shí)，易生成大晶格熟料飛砂料。

  6  結(jié)束語(yǔ)

  飛砂料是預(yù)分解窯生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)造成一定的危害。為了減緩飛砂料，應(yīng)從窯內(nèi)熟料形成的物理、化學(xué)作用入手，分析尋找飛砂料形成的原因，如原料性能以及窯內(nèi)煅燒過(guò)程中，熟料在各帶的停留時(shí)間和溫度，尤其是液相燒成帶和最高溫度燒成帶的停留時(shí)間和溫度對(duì)結(jié)粒的影響，從而找出減緩飛砂料生成的措施。