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優質水泥的生產技術

類別:技術|水泥與混凝土   日期:2011-11-3        點擊率:112332        

 

吳笑梅1, 2,樊粵明1, 2
(1.華南理工大學 材料學院,廣東 廣州 510640;2.特種功能材料及其制備新技術教育部重點實驗室,廣東 廣州 510640)

中圖分類號:TQ172.1  文獻標識碼:B  文章編號:1002-9877(2007)03-0020-03

      隨著我國水泥產業結構的調整,新型干法窯生產線已逐步成為水泥生產工藝的主體。但由于各新型干法窯企業之間在設備選型、工藝配置及技術人員對質量的認識等方面(如無煙煤煅燒、分解爐爐型、生料磨及水泥磨工藝及設備選型、產質量與消耗目標等)仍存在著差異,各企業生產的產品質量亦參差不齊,或性能上存在著較大的差距。在《優質水泥的評價》[1]一文中,作者論述了對優質水泥性能的要求,即標準稠度用水量低;良好及穩定的外加劑相容性;合理或較低的早期強度,較高的后期和遠齡期強度;抗沖擊、耐磨性好;低收縮性;低水化熱。并從熟料礦物組成和水泥顆粒組成等方面提出了具體目標。本文將結合作者對優質水泥的研究及在水泥生產實踐中的體會闡述優質水泥的生產技術。
1 熟料率值的設定與調整
為了使水泥具有優質的性能,熟料中礦物組成應實現低C3A,較高的C2S、C4AF,適中的C3S含量。這種熟料率值設定為高硅酸率、中飽和系數、低鋁氧率,即KH=0.89~0.91,n=2.5~2.8,P=0.9~1.2。與常規熟料率值:KH=0.90~0.92,n=2.5~2.8,P=1.6~1.8相比,飽和系數略有降低,鋁氧率降幅較大。由于P值較低,這給新型干法窯的煅燒帶來一定的困難,會出現結粒大小不一、飛砂、“堆雪人”、熟料冷卻效果較差、早強較低等問題。因此,在該配方的實施過程中,要合理制定熟料升重及早期強度的考核要求,此外,還需減少熟料中K、Na、Cl等有害組分及對熟料質量不利的SO3及MgO的含量。按該率值燒成的熟料應具有更好的外加劑相容性,更低的水化熱和更好的抗腐蝕、抗沖擊和耐磨性[2]。
由于各廠生料的易燒性、窯燒成帶的熱力強度及操作水平都存在差異,可根據自身的實際情況對推薦配方進行調整:①生料易燒性較差、窯的燒成熱力不足或臺時產量要求較高時,可適當降低n值;②設備配置及操作水平難以適應這種燒成范圍較窄的配料,可適當提高P值,逐漸過渡;③當施工要求水泥早期強度較高(如P·O42.5水泥,3d強度要求30MPa以上),可適當提高KH和P值,降低n值。但上述調整都不利于水泥品質的優化。
2 熱工制度的優化
熟料各種礦物的實際含量和發育狀況與燒成溫度、冷卻速度及燒成氣氛緊密相關,良好的熱工制度是燒成優質熟料的又一關鍵因素。隨著熟料燒成溫度提高,硅酸鹽礦物固溶Al2O3、Fe2O3的含量增多,A礦晶軸比減小,邊棱清晰,這既提高了硅酸鹽礦物的活性,又減少了熔劑礦物的含量,對熟料強度及外加劑相容性均有利;加快熟料的冷卻速度,中間體(C3A、C4AF)析晶減少,對水泥與外加劑的相容性有利;窯內還原氣氛嚴重時,由于FeO的作用會使窯內物料結皮及結粒加劇,熟料升重增大,并降低熟料的燒成溫度,此時A礦發育不良, B礦晶型不理想,形成黃心料后C3A含量明顯增多,暗色中間體析晶嚴重,這將導致水泥強度下降,需水量增大,外加劑相容性變差。因此,熟料在合理的率值條件下,為使礦物發育良好,具有較高的固溶量及活性,獲得低需水量、良好外加劑相容性、良好的膠凝性,就要求提供良好的熱工制度,使物料實現快燒、急冷。
優質熟料的燒成應控制好如下工藝參數:①實現薄料快燒。正常條件下窯速達到額定轉速的90%左右,這樣有利于獲得均勻及較快的傳熱速度,實現快燒。②調整火焰形狀,加強煤風混合能力。這有利于提高窯頭的熱力強度,提高熟料煅燒質量。用無煙煤煅燒時,燃燒器的選擇及調整十分重要。③在確保安全的前提下,煤粉細度宜控制細些,煙煤在5%~8%,無煙煤在1%以下,水分低些(<1.5%)。目的是加快煤粉的燃燒,確保熱力集中及煤灰沉降的均勻性。④減少一次風量,提高二、三次風溫,控制合適的燒成帶長度(15~20m左右,避免長焰低溫),煙室NOx>1 600ppm,O2含量在1%~3%,CO含量為零,頭煤比例不宜小于總煤量的35%。⑤盡量消除窯內冷卻帶,增大冷卻機前端用風量,加快高溫熟料的冷卻速度。⑥熟料升重控制指標宜根據礦物發育狀況及熟料的各項性能(如外加劑相容性、標準稠度用水量等)來設定,它往往與熟料率值、生料易燒性、熱工制度及破碎顆粒的狀況有關。fCaO含量多少只反映燒成反應完成的程度,并不完全代表礦物生長狀況及熟料的質量。優質熟料僅依靠fCaO含量的多少及其合格率來評價是不全面的。
3 水泥顆粒分布及其它因素的影響
3.1 水泥的顆粒分布
水泥顆粒分布對性能的影響研究表明[3]:①相同比表面積的同品種水泥,顆粒分布越窄,其堆積空隙率越大,標準稠度用水量越大,凝結時間越長,1d膠砂強度越低,且隨比表面積增大,1d膠砂強度增幅不大。②相同比表面積的同品種水泥,顆粒分布越窄,其Marsh曲線的飽和點越大,對應的Marsh時間越長,即外加劑相容性越差。配制混凝土達到同等工作度時,總水量及膠凝材料總量均要增大,混凝土生產成本明顯提高,收縮增大。水泥顆粒分布較寬時,外加劑相容性較好,隨比表面積增大飽和點增大,但對應的Marsh時間變化不大;水泥顆粒分布較窄時,隨比表面積增大飽和點增大,對應的Marsh時間顯著延長。由此可見,顆粒分布較寬的水泥,堆積密度較大,水泥漿體流動性較好,水泥比表面積增大時其流動性變化不大。
優化水泥的顆粒組成是生產優質水泥必不可少的步驟。實現水泥顆粒分布優化的技術措施有:
1)粉磨工藝流程的選擇及改進
優質水泥追求的是3~5μm以下的顆粒含量較小、顆粒分布較寬、堆積密度較大的顆粒組成。經多家企業生產實踐及顆粒的檢驗結果證明,管理較好、粉磨效率較高的高細磨粉磨出的水泥顆粒組成能滿足上述要求,水泥性能較好。而傳統的開流磨系統雖然水泥顆粒分布也較寬,由于過粉磨較嚴重,3~5μm以下的顆粒比例較多,對外加劑相容性不利。閉路系統粉磨出的水泥由于過粉磨現象減少,水泥的顆粒分布較窄,堆積密度較小,用O-Sepa等高效選粉機的閉路系統由于選粉效率高,會使水泥顆粒分布更加集中。雖然它可以提高水泥的強度,但對水泥其它性能不利[4]。在閉路磨系統上可通過改變選粉效率與循環負荷的關系在一定程度上來調整水泥的顆粒分布,或利用粉磨物料易磨性的差異來調整顆粒分布,但所得效果遠不如高細磨的好。
2)比表面積與篩余的控制
由配制混凝土的綜合性能情況來看,42.5強度等級的水泥比表面積宜控制在360~380m2/kg,80μm篩余宜控制在1%~2%,45μm篩余宜為10%~16%。在相同比表面積條件下,45μm篩余過小,則顆粒分布越集中,水泥早期強度低,標準稠度用水量大,流動性差,與外加劑相容性差,凝結時間長,干燥收縮大;45μm篩余過大,則顆粒分布過于分散,28d強度較低,流動性經時損失較大,粉磨電耗高,對資源是一種浪費。
3.2 石膏的品種與摻量
石膏在水泥中的作用不僅是調整凝結時間,越來越多的研究表明,石膏的品種與摻量對水泥的外加劑相容性、膠砂強度、收縮率都有顯著影響[5,6]。粉磨優質水泥時,石膏的選擇應注意:①選擇結晶水含量較高(13%以上)的優質石膏。這種石膏的溶解速度較快,對改善水泥的外加劑相容性有利,同時可避免帶入過多的泥質,影響水泥的性能。②在滿足凝結時間與強度性能的要求下,適當提高水泥中SO3含量有利于改善水泥與外加劑的相容性,減少流動性能的經時損失,降低水泥凈漿或砂漿的收縮率。③硬石膏、二水石膏和工業石膏對水泥性能有不同的影響,應根據水泥膠砂強度、外加劑相容性及生產成本等數據進行評價。有研究表明,陶瓷工業廢棄的石膏模作緩凝劑對水泥的外加劑相容性及強度均較有利[6]。
3.3 混合材的品種與摻量
水泥的外加劑相容性與混合材自身的性能密切相關。需水量小,又有利于改善水泥顆粒分布的混合材對改善水泥的外加劑相容性有利。燒黏土、燒頁巖及較低溫度燒成的煤渣雖然火山灰活性較高,但其需水性很大,顆粒表面電價高,使水泥的外加劑相容性變差,這類材料不宜作優質水泥的混合材。石灰石作混合材能促進硅酸鹽礦物的水化,自身需水量小,且易磨性好,有利于改善水泥的顆粒分布,降低水泥的標準稠度用水量,改善水泥的外加劑相容性,是優質水泥首選的混合材;礦渣的化學活性高,玻璃體含量多,需水量小,易磨性差,摻入少量礦渣與熟料共同粉磨時對改善水泥顆粒組成、提高水泥膠砂28d及遠齡期強度、改善外加劑相容性均有利;粉煤灰的品質差異很大,需水量大、燒失量高、活性差的粉煤灰應慎用,而優質的粉煤灰也是優質水泥較好的混合材。
4 水泥的溫度
為改善水泥與外加劑的相容性,降低混凝土拌合物的入模溫度,減少混凝土的開裂,在氣溫較高的季節,應控制出廠水泥溫度(< 65℃)。生產優質水泥的企業應增設水泥冷卻設備,在夏季或使用單位有要求時(如高速公路),控制出廠水泥的溫度。
5 結束語
生產優質水泥是混凝土技術發展與社會發展的需要。新型干法窯工藝從硬件方面為生產優質水泥熟料創造了良好的條件,水泥生產技術人員應從混凝土綜合性能方面去認識水泥的品質,掌握生產優質水泥的關鍵技術,調整好各環節的工藝參數,充分發揮生產設備的優勢,生產優質的水泥供給社會。本文衷心地希望我國水泥工業進行結構調整的同時,水泥的品質也有長足的進步與提高!
參考文獻:
[1] 吳笑梅,樊粵明.優質水泥的評價[J].水泥,2007,(2):
[2] 吳笑梅,樊粵明,鐘景裕,等.珠江水泥廠配料方案及其水泥特性的研究[J].水泥,2005,(8):11-14.
[3] 吳笑梅,樊粵明,郭文瑛.水泥顆粒分布對其使用性能的影響[J].水泥,2004,(10):5-9.
[4] 吳笑梅,樊粵明,郭文瑛.不同粉磨工藝水泥的顆粒、礦物組成分布及性能(英文)[J].華南理工大學學報,2004,32(8):58-63.
[5] 謝 燕,吳笑梅,樊粵明.磷石膏作緩凝劑與減水劑相容性的研究[J].水泥,2006,(7):1-4.
[6] 吳笑梅.水泥與外加劑相容性的流變學與水泥工藝學研究[D].廣州:華南理工大學,2004,12.
(編輯 胡如進)



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