利用硅锰渣和锡渣烧制硅酸盐水泥熟料

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引言

在立窑水泥生产中，金属尾矿和工业废渣单掺或复掺配料生产硅酸盐水泥熟料已经得到广泛应用，例如铅锌尾矿、锡渣、铜渣等，但是用硅锰渣配料生产水泥熟料还未见报道。广西某厂附近有冶炼硅锰合金和金属锡的厂家，每年排放数万吨废渣。笔者在该厂进行技术服务期间，利用硅锰渣和锡渣双掺配料，在该厂Φ3m×11m盘塔式机立窑上生产出了早期强度高的熟料，取得了显著的效果。


1 硅锰渣和锡渣的化学成分


硅锰渣是冶炼硅锰合金后排放的废渣，经水淬后成为结构疏松、粒径约1～10mm浅绿色颗粒，硅锰合金冶炼为还原过程，浅绿色表明硅锰渣中的锰是以MnO形式存在，在烧成时形成MnO2，这是一个放热过程，能降低熟料热耗。硅锰渣和锡渣的化学成分见表1，异组分见表2。

表1 硅锰渣和锡渣的化学成分 (%)

名称 [td]Loss [td]SiO2 [td]Al2O3 [td]Fe2O3 [td]CaO [td]MgO [td]Σ

硅锰渣 [td]－1.95 [td]38.47 [td]32.73 [td]0.89 [td]11.34 [td]5.39 [td]86.97

锡渣 [td]－6.49 [td]27.47 [td]11.22 [td]46.73 [td]11.98 [td]2.25 [td]93.16[/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr]

表2 硅锰渣和锡渣的异组分 (%)

名称 [td]MnO [td]ZnO [td]CuO [td]PbO [td]TiO2 [td]SO3 [td]P2O5 [td]FeO [td]Cr2O3

硅锰渣 [td]11.81 [td]0.082 [td]0.19 [td]0.053 [td]0.34 [td]0.33 [td]0.023 [td]－ [td]－

锡渣 [td]0.34 [td]0.67 [td]0.21 [td]0.56 [td]0.99 [td]1.08 [td]－ [td]3.24 [td]0.38[/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr]

2 配方设计和率值选择



2.1 原燃材料
该厂原燃材料的化学成分见表3。

表3 原燃材料的化学成分 (%)

名称 [td]Loss [td]SiO2 [td]Al2O3 [td]Fe2O3 [td]CaO [td]MgO [td]SO3

粘土 [td]8.65 [td]54.63 [td]20.97 [td]12.39 [td]0.42 [td]0.96 [td]－

石灰石 [td]42.35 [td]0.54 [td]0.44 [td]0.20 [td]54.03 [td]1.67 [td]－

煤灰 [td]－ [td]53.19 [td]18.17 [td]16.14 [td]5.36 [td]1.33 [td]3.91[/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr]

煤的工业分析见表4。

表4 煤的工业分析

Mad/% [td]Aad/% [td]Vad/% [td]FCad/% [td]Qnet,ad/(kJ/kg)

3.57 [td]27.55 [td]5.09 [td]63.79 [td]22 146[/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr] [/tr]

2.2 配方设计及率值的选择



2.2.1 锰的掺入量



郑洪武〔1〕等学者在研究锰、镁元素在水泥熟料形成过程中的行为时认为，锰、镁适当匹配掺进后促进熟料烧成(锰、镁复合MnO2的最佳掺量为0.2%～1.0%)，温度对锰、镁在熟料矿物中固溶量有很大的影响，温度越高，固溶量愈大。根据他们的研究，在工业性生产中利用含锰废渣配料时，必须解决两个问题:一是控制锰的掺入量，若锰过量加入会阻碍熟料烧成；二是煅烧时要提高烧成温度(控制在1400～1450℃之间为宜)。因此控制熟料中锰的含量在0.4%～0.6%之间。



2.2.2 KH值



该厂机立窑只设有一层保温层，保温效果差，耐火砖已严重磨损，铁砖以上耐火砖比铁砖凹进50～60mm。窑体的变化使中心通风不良的状况进一步恶化，保温性能变得更差。因此，在选择KH值时宜取低一些，取0.94±0.02。



2.2.3 P值



用硅锰渣和锡渣双掺配料，大大降低熔体粘度和熔体出现温度，熟料烧结过程加快，底火层变薄，烧结温度范围变窄。所以应选择高铝方案，其一，高铝配方需要高温煅烧，这与锰对烧成温度的要求一致；其二，提高铝率，会提高液相粘度，加宽烧结温度范围，有助于底火完整结实，P值控制为1.6±0.1。



2.2.4 n值



考虑到该厂立窑的现状，煅烧物料时容易造成中火变慢，中部物料沉落速度会加快，易产生“抽芯”现象，出现呲火及漏火。因此，n值宜取低一些，为1.5±0.1，以增加熔剂矿物，增加底火的强度。




3 应用效果及分析


使用硅锰渣和锡渣双掺配料，采用中饱和比、高熔剂矿物、高铝配方，应用小料球全黑生料暗火煅烧技术，在工业性生产中取得了显著效果，使用前后熟料的化学成分、物理性能见表5。



表5 熟料的物理性能、化学成分及率值

序号 [td=1,2]石膏 /% [td=1,2]比表面积 /(m2/kg) [td=1,2]稠度 /% [td=1,2]安定性 [td=2,1]凝结时间 /(h:min) [td=3,1]抗折强度 /MPa [td=3,1]抗压强度 /MPa [td=7,1]化学成分/% [td=3,1]率值
	初凝 [td]终凝 [td]1d [td]3d [td]28d [td]1d [td]3d [td]28d [td]Loss [td]SiO2 [td]Al2O3 [td]Fe2O3 [td]CaO [td]MgO [td]fCaO [td]KH [td]n [td]P
M0 [td]4 [td]312 [td]24.2 [td]疏松 [td]3:48 [td]5:28 [td]2.9 [td]5.5 [td]8.0 [td]12.4 [td]28.3 [td]58.6 [td]-0.14 [td]19.52 [td]6.73 [td]4.81 [td]63.71 [td]3.28 [td]3.53 [td]0.93 [td]1.69 [td]1.40
M1 [td]3 [td]291 [td]23.6 [td]合格 [td]2:31 [td]3:31 [td]4.2 [td]6.2 [td]8.4 [td]20.5 [td]34.5 [td]59.0 [td]0.10 [td]19.99 [td]7.39 [td]4.58 [td]63.46 [td]2.19 [td]2.30 [td]0.89 [td]1.67 [td]1.61
M2 [td]3 [td]309 [td]24.0 [td]合格 [td]2:23 [td]3:18 [td]4.3 [td]6.2 [td]8.5 [td]20.2 [td]35.3 [td]59.7 [td]-0.03 [td]19.99 [td]7.07 [td]4.58 [td]64.14 [td]2.19 [td]2.85 [td]0.91 [td]1.72 [td]1.54
M3 [td]3 [td]309 [td]24.2 [td]合格 [td]2:11 [td]3:30 [td]4.1 [td]5.8 [td]9.0 [td]18.6 [td]35.0 [td]59.3 [td]0.17 [td]18.88 [td]7.51 [td]5.07 [td]63.25 [td]3.75 [td]2.14 [td]0.93 [td]1.50 [td]1.48
M4 [td]3 [td]300 [td]24.4 [td]合格 [td]2:30 [td]3:15 [td]4.4 [td]6.4 [td]8.6 [td]21.8 [td]37.6 [td]58.4 [td]0.69 [td]18.70 [td]7.37 [td]4.78 [td]63.54 [td]2.80 [td]3.01 [td]0.95 [td]1.54 [td]1.54
M5 [td]3 [td]293 [td]24.2 [td]合格 [td]1:35 [td]2:20 [td]4.7 [td]6.2 [td]8.9 [td]20.4 [td]34.6 [td]60.5 [td]0.69 [td]17.95 [td]7.95 [td]4.88 [td]63.74 [td]2.24 [td]2.40 [td]0.97 [td]1.40 [td]1.63
M6 [td]3 [td]293 [td]24.2 [td]合格 [td]1:54 [td]2:44 [td]4.1 [td]6.1 [td]9.4 [td]19.2 [td]36.8 [td]61.9 [td]0.76 [td]17.98 [td]7.51 [td]4.74 [td]63.78 [td]1.94 [td]2.54 [td]0.99 [td]1.47 [td]1.58

注：M0为萤石和锡渣配料。



3.1 熟料煅烧特征



采用硅锰渣和锡渣双掺配料后，上火很快，窑内通风良好，窑温高，底火均匀稳定，很少偏火，偶有偏火，也很容易处理；块料多，结块而不粘边，卸料时很容易脱落，物料下落平整。以前用萤石和锡渣双掺配料，每班都要处理结窑2～3次。使用硅锰渣和锡渣配料后没有结窑现象，窑面操作比较安全，轻松。烧出的熟料多为烧结料，手感比较重，颜色乌黑，少量的颗粒料亦烧透，熟料烧成率高，没有粉化料、漏生料和黄料。



3.2 熟料的安定性好



使用后，熟料的fCaO一般都在3%以下，比用萤石、锡渣配料低得多。在生产实践中发现，即使生产失控(如KH偏高)而造成fCaO偏高，其安定性要比用萤石和锡渣配料时的类似情况要好。笔者认为其原因是:1)用硅锰渣和锡渣配料生料易烧性更好，熟料烧结过程缩短，呈死烧的几率减少，冷却快，fCaO被玻璃体包裹程度较轻，水化速度快；2)采用高铝配方，P值较高，加快了fCaO的消解速度，这与文献〔5〕的结果一致。



3.3 提高了熟料早期强度



从表6可看出，硅锰渣和锡渣双掺可显著地提高熟料强度尤其是1d、3d强度，显示出良好的早强性能。1d抗压、抗折强度分别达到18.6～21.8MPa和4.1～4.7MPa，3d抗压、抗折强度分别达到34.5～37.6MPa和5.8～6.4MPa。



3.4 熟料凝结时间正常



使用硅锰渣和锡渣烧制的硅酸盐水泥熟料凝结时间正常，未发现急凝或慢凝等不正常现象，初凝、终凝时间间隔较理想，而用萤石和锡渣配料时常出现初凝与终凝时间间隔长的现象。



3.5 立窑产量提高，能耗降低



使用后，立窑台时产量增加1.8t/h，提高21%；熟料配热降低12.5%，生料实物配煤量减少1%；吨熟料电耗减少3.7kWh，降低18%。




4 结语


用硅锰渣和锡渣双掺配料，采用高熔剂、高铝配方，锰掺量适宜，可生产早期强度高的硅酸盐水泥熟料，不仅提高了立窑的产质量，降低了能耗，而且利于工业废渣的综合利用，治理生态环境。