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        熟料28d強(qiáng)度較低的原因分析及解決措施

        2019-04-11 05:13:08李承光楊茂鑫
        水泥技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:銅渣窯內(nèi)熟料

        李承光,楊茂鑫

        我公司現(xiàn)有一條6 000t/d熟料帶9MW純低溫余熱發(fā)電的新型干法水泥生產(chǎn)線,窯系統(tǒng)配置為雙系列五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器、噴騰式在線管道分解爐、? 5m×74m回轉(zhuǎn)窯及高效空氣梁篦式冷卻機(jī)。生料配料采用四組分配料,分別為石灰石、粘土、粉石英和銅渣。該生產(chǎn)線自2016年8月投產(chǎn)以來(lái),生產(chǎn)運(yùn)行正常,產(chǎn)量一直保持在6 600t/d以上,但熟料28d強(qiáng)度卻一直處于55~58MPa之間,與我公司設(shè)定的內(nèi)控指標(biāo)(28d抗壓強(qiáng)度≥60MPa)相差較大,造成水泥生產(chǎn)成本上升。針對(duì)上述問(wèn)題,公司組織技術(shù)人員進(jìn)行了分析和研究,查找原因,并采取了一系列富有成效的措施,使熟料28d強(qiáng)度達(dá)到了公司設(shè)定的內(nèi)控指標(biāo)。本文將對(duì)此進(jìn)行介紹,供同仁參考。

        1 原燃材料情況

        1.1 原燃材料的化學(xué)成分

        各種原燃材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1,原煤的工業(yè)分析見(jiàn)表2。

        1.2 原材料的特性

        將所有原材料樣品送廣西大學(xué)進(jìn)行X射線衍射分析及掃描電鏡分析,結(jié)果如下:

        石灰石:礦山石灰石品位呈東西向分布。東面石灰石呈黑灰色,主要礦物為方解石,含有較多石英,但石英晶粒細(xì)小,尺寸為20~30μm,屬于易燒性較好的石灰石。西面石灰石呈灰白色,主要礦物為方解石,晶粒細(xì)小,結(jié)構(gòu)均勻,屬高品位的優(yōu)質(zhì)石灰石。

        粘土質(zhì)原料:粘土原料礦山分層較嚴(yán)重,有粘土及黑頁(yè)巖兩種。礦山表層及中層以粘土為主,底層是黑頁(yè)巖。粘土為黃色塊狀,水分較高,主要粘土礦物為伊利石、蒙脫石和綠泥石,并含有少量石英,石英晶粒尺寸為10~20μm,堿含量為1.6%左右。黑頁(yè)巖為黑灰色致密塊狀,主要粘土礦物為高嶺石和綠泥石,并含有石英和少量方解石,石英晶粒尺寸為5~15μm,堿含量最高,為2.8%左右。粘土質(zhì)原料的化學(xué)反應(yīng)活性較好。

        粉石英:呈黃白色粉狀,主要礦物為石英,含有少量高嶺石。石英晶粒尺寸在30~45μm范圍內(nèi),分布均勻,比粘土質(zhì)原料的晶粒稍粗。粉石英的化學(xué)反應(yīng)活性稍差,但堿含量很低。

        銅渣:銅渣為冶煉銅時(shí)排出的工業(yè)廢渣,為深黑色粉狀,銅渣中主要礦物為磁赤鐵礦和鐵橄欖石,其他為玻璃體。銅渣除了含有Si、Al、Fe、Ca、Mg的氧化物外,還含有一定數(shù)量的K、Na、Zn、Mn、Ti、Cu、Pb、As和P的氧化物,銅渣中的鐵元素主要以Fe2+的形式存在。

        表1 原燃材料化學(xué)成分,%

        表2 原煤工業(yè)分析,%

        2 熟料巖相分析

        選取正常煅燒成的熟料送廣西大學(xué)做巖相分析,通過(guò)巖相分析發(fā)現(xiàn):

        熟料中出現(xiàn)較多孔洞,A礦晶體大小不均勻,形狀不規(guī)則,晶體尺寸為15~40μm,最大尺寸為50μm。A礦周?chē)h(huán)繞著析出的小顆粒C2S晶體呈花環(huán)狀結(jié)構(gòu)。B礦以礦巢為主,形狀不規(guī)則,晶體碩大,晶體尺寸為60~80μm,最大尺寸為100μm,B礦表面有平行晶紋。黑色中間相為板片狀。

        熟料巖相分析表明,在煅燒過(guò)程中,熟料溫度偏低且冷卻明顯過(guò)慢。

        3 影響熟料28d強(qiáng)度的原因分析

        3.1 熟料硅酸鹽礦物含量少

        我公司一直采用較低SM的配料方案煅燒,熟料SM控制在2.5以下,熟料中的C3S+C2S含量在75%左右。之前也曾嘗試過(guò)較高的SM,但窯況惡化,產(chǎn)量下降,細(xì)粉料多,游離鈣偏高,加上生產(chǎn)任務(wù)較重,只能按較低的SM進(jìn)行配料。

        硅酸鹽礦物是影響熟料強(qiáng)度的主要因素,熟料強(qiáng)度取決于水泥熟料中硅酸鹽礦物的含量。羅云峰等[1]人的研究認(rèn)為,C3S不僅影響早期強(qiáng)度,而且也影響熟料的28d強(qiáng)度;C2S對(duì)早期強(qiáng)度影響不大,卻是決定28d強(qiáng)度的主要因素。熟料28d強(qiáng)度與C3S的含量相關(guān)性不太好,卻與C3S+C2S含量的相關(guān)性較好,說(shuō)明C2S對(duì)熟料28d強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。熟料中C3S+C2S的含量越高,則熟料28d抗壓強(qiáng)度相對(duì)越高。要提高熟料28d抗壓強(qiáng)度,必須在提高熟料C3S含量的同時(shí)提高熟料C3S+C2S的含量,即要堅(jiān)持較高的KH、高SM配方,熟料中C3S+C2S含量最好>77%。

        3.2 熟料堿含量偏高

        對(duì)原材料的分析顯示,熟料中的堿主要來(lái)自于粘土質(zhì)原料中的黑頁(yè)巖。我公司粘土質(zhì)原料礦山位于二級(jí)公路旁邊,受礦山地理位置限制,投產(chǎn)后的較長(zhǎng)一段時(shí)間,對(duì)堿含量不同的粘土和黑頁(yè)巖無(wú)法分別開(kāi)采,進(jìn)廠粘土質(zhì)原料堿含量高且波動(dòng)大,致使熟料中的堿含量偏高,最高達(dá)到0.81%。據(jù)資料介紹,堿和熟料礦物反應(yīng)生成含堿礦物KC23S12和NC8A3,這將使C3S難以形成,熟料中A礦含量就會(huì)降低而影響強(qiáng)度。堿含量高還會(huì)導(dǎo)致C3S和C3A等礦物的水化加速,使熟料早期強(qiáng)度高而后期強(qiáng)度低。

        在配料方案及操作參數(shù)基本相同的情況下,我公司生產(chǎn)線投產(chǎn)以來(lái),出窯熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)表3及圖1。

        由表3及圖1可以看出,熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系,并且隨堿含量的增高,熟料28d抗壓強(qiáng)度下降明顯。這與資料[2]中的研究結(jié)果一致。

        表3 熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

        圖1 熟料堿含量與熟料28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

        3.3 熟料燒成溫度偏低

        巖相分析結(jié)果表明,我公司熟料燒成溫度偏低。通過(guò)窯頭看火孔觀察,火焰雖發(fā)亮但偏黃,說(shuō)明火焰溫度略低,這也驗(yàn)證了窯內(nèi)煅燒溫度偏低的現(xiàn)狀。粉石英作為生料組分之一,反應(yīng)活性稍差,但用量少,同時(shí)銅渣中Zn、Cu、Pb、P等微量元素具有礦化作用,銅渣所含的FeO能降低燒成溫度和液相粘度[3],加之SM較低,使生料過(guò)于易燒,生料高溫承荷力較低,液相形成溫度低,液相量大。如果繼續(xù)提高燒成溫度,會(huì)使窯內(nèi)出現(xiàn)長(zhǎng)厚窯皮及結(jié)圈、結(jié)大球等現(xiàn)象。

        從提高熟料強(qiáng)度的角度出發(fā),熟料的液相量應(yīng)該是和高溫有關(guān),而不是配料所致,高的燒成溫度,充分的燒結(jié)反應(yīng)是熟料高強(qiáng)度的重中之重[4]。煅燒溫度的提高,使熟料礦物晶體結(jié)構(gòu)更為合理,有利于提高熟料礦物晶體中5~20μm晶體的比例。熟料礦物晶體中,5~20μm晶體比例的提高,有利于提高熟料強(qiáng)度。煅燒溫度對(duì)熟料強(qiáng)度至關(guān)重要,應(yīng)力求將煅燒溫度控制在1 450℃以上。

        3.4 熟料夾有較多黃心料

        我公司煅燒出來(lái)的熟料結(jié)構(gòu)不甚致密,結(jié)粒略顯不均,易產(chǎn)生大顆粒熟料,粒徑最大達(dá)80mm,部分大顆粒熟料表現(xiàn)為外表面黑色,內(nèi)部棕黃色,游離氧化鈣含量雖不高,但后期強(qiáng)度降低明顯。挑選這種黃心料做強(qiáng)度試驗(yàn),其28d抗壓強(qiáng)度較正常熟料低5~7MPa。

        由于窯內(nèi)空氣過(guò)剩系數(shù)低,氧氣不充足,銅渣中的Fe2+在窯內(nèi)煅燒時(shí),未能充分氧化成Fe3+,加上熟料中Fe2O3含量較高,增加了Fe3+還原成Fe2+的機(jī)會(huì)和數(shù)量,導(dǎo)致黃心率增加,從而影響熟料質(zhì)量的提高。Fe2+進(jìn)入C3S晶格中,引起C3S分解成C2S和fCaO,導(dǎo)致C3S的實(shí)際含量小于化學(xué)分析結(jié)果計(jì)算的含量。

        3.5 熟料冷卻過(guò)慢

        我公司熟料顆粒尺寸過(guò)大的比例較多,熟料未能得到有效的急冷,影響了熟料的冷卻。對(duì)熟料進(jìn)行的巖相分析也表明,我公司熟料冷卻速率過(guò)慢。熟料慢冷會(huì)使已生成的C3S分解,礦物晶體會(huì)異常長(zhǎng)大,對(duì)熟料強(qiáng)度產(chǎn)生影響,影響水泥的水化速率和活性。

        已煅燒成的高溫熟料急冷后,可使A礦晶體停止發(fā)育,保持晶體細(xì)小和晶格缺陷,位錯(cuò)密度大,同時(shí)使熟料中液相形成晶體的數(shù)量減少,玻璃相增加,從而提高熟料的水化速率和強(qiáng)度。急冷的另一好處是B礦保留高溫型α "-C2S,冷卻快的熟料中α "型B礦含量豐富,相當(dāng)數(shù)量的高活性α "型B礦的存在,無(wú)疑會(huì)有利于熟料強(qiáng)度的提高。

        4 采取的措施

        4.1 改變配料方案

        為了提高熟料硅酸鹽礦物含量,降低熟料堿含量,減少黃心料的產(chǎn)生,我們采取提高熟料SM,適當(dāng)降低熟料Fe2O3及Al2O3含量,特別是Fe2O3含量的配料方案。該方案主要是通過(guò)降低生料中粘土質(zhì)原料的配比,增加粉石英配比,減少銅渣配比來(lái)實(shí)現(xiàn)。新配料方案與原配料方案相比,粘土質(zhì)原料的配比由原來(lái)的15.5%降到12%左右,粉石英的配比由原來(lái)的1.5%提高到4.3%左右,銅渣的配比由原來(lái)的2.2%降到1.9%左右,生料中堿含量由0.43%左右降到0.30%以下。該配料方案配出的熟料中,硅酸鹽礦物含量達(dá)到了77.21%,C3S含量為58.32%,調(diào)整后的熟料三率值為:KH=0.90±0.02,SM=2.55±0.1,AM=1.5±0.1;熟料Al2O3=4.9%~5.2%,R2O<0.5%。粉石英配比及SM的提高,使得生料易燒性明顯下降,煅燒難度增加,導(dǎo)致熟料產(chǎn)量相對(duì)降低。經(jīng)短暫的過(guò)渡后,熟料產(chǎn)量恢復(fù)正常,公司決定繼續(xù)選用高SM的配料方案,以獲得28d強(qiáng)度更高的熟料。

        4.2 加強(qiáng)原燃材料的質(zhì)量控制

        (1)加強(qiáng)石灰石進(jìn)庫(kù)前的質(zhì)量控制。根據(jù)石灰石礦山東面和西面的質(zhì)量分布狀況,確定合理的搭配比例,穩(wěn)定和提高進(jìn)庫(kù)石灰石質(zhì)量,每4h對(duì)進(jìn)庫(kù)石灰石快速檢驗(yàn)一次,確保進(jìn)庫(kù)石灰石CaO>52.5%。

        (2)針對(duì)粘土質(zhì)原料礦山堿含量分層嚴(yán)重的特點(diǎn),分別開(kāi)采粘土和黑頁(yè)巖,以礦山表中層低堿粘土為主,適當(dāng)開(kāi)采部分底層高堿黑頁(yè)巖,進(jìn)廠時(shí)分堆存放,按比例搭配使用,通過(guò)搭配將入預(yù)均化堆場(chǎng)粘土R2O控制在1.8%以?xún)?nèi)。

        (3)為確保煤質(zhì)穩(wěn)定,公司決定只采購(gòu)?fù)幻涸吹氐臒熋?,進(jìn)廠煤的控制指標(biāo)Qnet,ad>23MJ/kg,Aad<30%,Vad控制在18%左右。與此同時(shí),改變?cè)壕绞?,采取“六堆等量堆存,隔堆依次填齊,水平等長(zhǎng)取煤”的均化方法。經(jīng)過(guò)調(diào)整,入窯煤粉灰分標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定在0.6以下。

        4.3 統(tǒng)一操作方法,優(yōu)化操作參數(shù)

        (1)調(diào)整窯頭用煤量及窯尾用煤量比例,逐步增加窯頭用煤量,減少分解爐用煤量,窯頭用煤量比例由原來(lái)的40%左右提高到43%左右。調(diào)整后,窯尾廢氣溫度下降了約10℃,廢氣帶走的熱量有所減少;窯頭用煤量增加后,燒成溫度有所提高,熟料結(jié)粒情況好轉(zhuǎn),二次風(fēng)溫提高約30℃。

        (2)適當(dāng)將燃燒器向窯口方向退出,并加大一次風(fēng)用量,控制好內(nèi)風(fēng)和外風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)速比例,內(nèi)風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度100%,外風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度50%~70%。通過(guò)調(diào)整,為煤粉的燃燒提供了足夠的空間,加快了煤粉燃燒速度,縮短了窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度,火焰溫度有所提高,二次風(fēng)溫繼續(xù)得到提高,達(dá)到了1 210~1 260℃。

        (3)適當(dāng)拉大窯尾排風(fēng),將高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?80r/min調(diào)整到905r/min(高溫風(fēng)機(jī)電流提高至169A),這既保證了產(chǎn)量,又有效地避免了黃心料的產(chǎn)生。適當(dāng)關(guān)閉三次風(fēng)管閘閥,減小三次風(fēng)量,加大窯內(nèi)的通風(fēng),保證熟料燒成溫度在1 450℃以上,即窯頭看火時(shí)要始終看到白色的火焰。

        (4)在生產(chǎn)過(guò)程中,采用薄料快燒的操作方法,在窯系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下盡量提高窯速,窯速由原來(lái)的4.1r/min提高到4.4r/min。降低窯內(nèi)物料填充率,以減小窯內(nèi)通風(fēng)阻力,有利于熱傳導(dǎo),防止產(chǎn)生大顆粒熟料,熟料易冷卻。

        (5)在實(shí)際生產(chǎn)中要注意風(fēng)、煤、料三者的合理匹配,增加喂料量的同時(shí)要加煤,加煤的同時(shí)要加風(fēng),風(fēng)煤同步,增大窯內(nèi)的通風(fēng)量,以保證煤粉完全燃燒,徹底消除窯內(nèi)還原氣氛。

        4.4 加強(qiáng)篦冷機(jī)的操作及維護(hù)

        (1)加強(qiáng)篦冷機(jī)的操作,尤其是高溫段的淬冷操作,加大冷卻風(fēng)量,強(qiáng)化急冷,盡量使高溫段的熟料得到快速冷卻。運(yùn)行時(shí)根據(jù)篦速及二次風(fēng)溫,合理調(diào)整閥板開(kāi)度,做到合理用風(fēng)。

        (2)控制好篦速,保證篦冷機(jī)篦床料層厚度在50~60cm之間,以提高二、三次風(fēng)溫。

        (3)定期檢查篦冷機(jī)鎖風(fēng)閥是否失控漏風(fēng)。檢修時(shí)清理風(fēng)機(jī)群濾網(wǎng)及管道積灰,重點(diǎn)檢查充氣梁及篦縫,減少阻力,確保風(fēng)路暢通。

        5 效果

        實(shí)踐證明,我公司為提高熟料28d強(qiáng)度所采取的措施是有效的。主要表現(xiàn)為窯內(nèi)煅燒良好,窯前火焰白亮,物料被帶起高度較高。出窯熟料結(jié)粒細(xì)小均齊,細(xì)粉料含量少,直徑大部分在30mm,直徑≥80mm的顆粒幾乎沒(méi)有,熟料呈深黑色帶有金屬光澤,圓滑密實(shí),升重達(dá)1 290g。自2017年10月中旬開(kāi)始,熟料28d強(qiáng)度不斷提高,目前熟料強(qiáng)度均保持在60MPa以上,最高達(dá)到了65MPa,超過(guò)了內(nèi)控指標(biāo)要求,取得了良好的效果。

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