水泥熟料快速烧成的最佳配方研究

　　1、引言

　　熟料速烧是水泥工业节能降耗的有效途径,国内外众多学者〔1～4〕的研究都主要集中在高热力梯度上,一般要求热力梯度在600～1500℃/min,甚至更高。现有的工业条件显然无法满足。本文旨在探讨如何利用现有水泥工艺设备,从调整熟料配方的角度出发实现熟料的快速烧成。 

　　2、熟料速烧回归方程的建立 

　　2.1  因素及位级表

　　采用二次正交回归设计。因素及位级见表1。 

表1  因素及位级  

　　2.2  试验方案及结果

　　根据表1的因素及位级,选用五因子二次回归正交表〔5〕安排试验方案。采用分析纯化学试剂配料,配好的生料混匀后,压成Φ5cm×5mm的生料片。在400℃温度下先将料片预热30min,然后送入已升温至1450℃的高温炉内,经8min炉温重新升至1450℃,在该温度下保温10min后取出急冷并测定其fCaO含量。试验方案及结果见表2所示。

　　2.3  回归方程

　　由表2结果计算得到熟料fCaO与熟料率值及矿化剂掺量的二次回归方程如下:

　　fCaO=-37.50KH 2-0.033SM 2-1.44IM 
　　2-1.94CaF22-0.39SO32+29.97KH ·SM -1.00KH ·IM +7.50KH 
　　·CaF2-2.00KH ·SO3+2.13SM ·IM-1.08SM ·CaF2-0.22SM ·SO3+1.10IM 
　　·CaF2+0.32IM ·SO3+21.73KH -24.94SM -1.23IM 
　　-3.34CaF2+2.7SO3+6.49

表2  二次回归正交试验方案及结果  

　　为了能直观地得出在速烧条件下,熟料的最佳配比方案以及熟料KH、SM、IM对fCaO的影响,利用上述回归公式绘制成fCaO等高线图,结果如图1和图2所示。  

图1  KH-SM等高线

　　L1—fCaO=0.5%;L2—fCaO=1%;L3—fCaO=2%;
　　L4—fCaO=3%;L5—fCaO=4%;L6—fCaO=5% 

图2  KH-SM等高线

　　L1—fCaO=0.5%;L2—fCaO=1%;L3—fCaO=2%;L4—fCaO=3% 

　　由图1和图2可见,在相同的KH和SM条件下,IM变化对fCaO含量变化影响不大;而在相同的IM条件下,变化SM或KH都将引起fCaO含量大的变化。

　　增大KH或SM,都将增大fCaO含量。因此,采用高KH,必须选择低SM方案,而采用高SM,则必须选择低KH方案。

　　从图1中选取KH=0.90、0.93、0.95、0.97的值作平行于横轴的直线,就可得到fCaO含量为1%、2%、3%和4%条件下允许的最大SM值。结果见表3所示。 

表3  允许的最大SM值

　　注:IM=1.2,SO3=1.5%,CaF2=0.8%。 

　　3、最佳配方实验验证

　　为了验证回归方程的可靠性,同时进一步探讨熟料速烧的最佳配方。重新配制了一批试样进行对比实验研究。

　　3.1  实验方法及配比

　　按表4的实验方案进行配料,所得生料在1450℃下煅烧,分别保温5min、10min、20min、35min、50min。其余实验方法同上。 

表4  验证实验方案  

　　3.2  实验结果

　　按表4实验方案进行实验,所得结果见表5。 

表5  1450℃时不同保温时间下fCaO含量(%) 

　　3.3  实验结果讨论 

　　根据表5的实验结果,可得出fCaO含量与KH、SM及保温时间的关系图,见图3和图4。

　　从图3和图4可知,随着保温时间的延长,fCaO含量均有所下降,但下降趋势越来越缓。同时结合水泥生产控制我们知道,在立窑生产中,熟料fCaO含量常控制在3%或更高,回转窑的fCaO含量一般控制在1%～1.5%左右。因此,对应不同的fCaO控制指标,分析图3我们就可得到在SM=2.2、IM=1.2条件下,对应不同fCaO控制值和不同保温时间时允许的最大KH,如表6所示。 

图3  不同保温条件下KH与fCaO的关系 

图4  不同保温条件下SM与fCaO的关系 

表6  允许的最大KH  

　　同样对图4分析可知:对应于不同的fCaO、时间控制指标,得到允许的最大SM值如表7所示(KH=0.93、IM=1.2)。 

表7  允许的最大SM值  

　　从表6和表7的数据可清楚地看到:在相同的fCaO控制指标下,烧成速度(保温时间)对KH和SM的选择有较大的影响,不合适的配比选择将引起fCaO过高,难以达到快速烧成的目的。烧成速度越快,KH和SM的选择应略为降低。同时将表7中保温10min条件下,SM的选择方案与表3的结果对比也可看到,验证实验的结果与回归公式给出的结果基本一致,表明回归方程有较好的重现性和较高的可靠性。

　　4、结论

　　(1)利用现有的工艺设施,在较快的升温速度下可实现熟料的快速烧成。熟料在高温带停留时间不同,KH和SM的选择也有所不同。

　　(2)影响熟料速烧的主要因素是KH和SM,IM影响较小。

　　(3)在速烧条件下,KH和SM的降低都将显著降低熟料fCaO含量。采用高KH时,应选择低SM方案;采用高SM时,应选择低KH方案。 

　　参考文献

　　1、S·SPRUNG.煅烧过程对熟料的形成和性能的影响.第七届国际水泥化学会议论文选集.北京:中国建筑工业出版社,1985,3:47

　　2、O·Phillipp,R·Schrader.在煅烧熟料时使用热、化学和机械活化.第六届国际水泥化学会议论文集,第一卷,北京:中国建筑工业出版社,1980,12:386

　　3  卢忠远,黄文熙,徐光亮.快速低温烧成硅酸盐水泥的研究.四川建材,1996,1

　　4  王志荣,陆宗贤,王师尹.水泥生料粒径与速烧工艺.硅酸盐学报,1993,4

　　5  白新桂.数据分析与试验优化设计.北京:清华大学出版社,1986,10:355