应用水泥工艺外加剂技术 迎接水泥新标准挑战

     

　　2001年4月1日由国家技术监督局颁布实施的水泥新标准（GB175—1999等），是促使水泥质量上水平，实现我国水泥标准与ISO国际标准接轨的重要举措，也是对占我国水泥产量80%的立窗企业的严峻挑战。如何提高立窑水泥的实物质量、顺利实现新老标准的接轨，是每个立窑水泥企业亟待解决的现实问题。在此向立窑水泥企业介绍两种既能顺利实现新老标准接轨，又能增加企业经济效益的水泥工艺外加剂技术——高效复合生料速烧剂和高效复合水泥添加剂。

应用高效复合生料速烧剂技术提高水泥熟料的强度

一、影响水泥熟料强度的因素分析。

　　影响水泥熟料强度的主要因素是熟料的矿物组成和熟料的矿相结构。我国立窑水泥用ISO强度检验方法和用GB强度检验方法检验所所数据平均相差10兆帕。一是熟料矿物中对水泥熟料活性起主要作用的硅酸盐矿物含量偏低（<70%），早强矿物铝酸三钙含量偏低（<8%），铁铝酸四钙含量偏高（>13%）。二是熟料的矿相结构，中国建材研究院研究证明，熟料矿物晶体尺寸在20～70微米之间呈有缺陷的微细晶体时活性最高，R_ISO/R_GB比值高。随游离石灰、烧失量的增大，R_ISO/R_GB比值降低。耐熟料的矿物组成与太相结构主要取决于熟料的配料方案和熟料煅烧操作技术。

　　不同窑型，不同配料方案，ISO方法与GB方法检验数据差距较大。我国不同窑型水泥和国外水泥R_ISO与R_GB28天抗压强度（平均值）见表1。

表1

窑型	水泥数量 （个）	RISO-RGB 差值MPa	RISO-RGB	RISO/RGB
			RGB
国外	25	-1.9	-3.2%	0.96
新型干法	18	-8.31	-13.8%	0.86
湿法	13	-10.29	-15.8%	0.84
立窑	27	-9.64	-17.8%	0.82
立波尔	1	-13.60	-20.9%	0.79

　　从表1可以看出国外水泥R_ISO与R_GB间差距最小，R_ISO/R_GB比值达0.96，而我国水泥无论那种窑型，同国外水泥相比差距均较大，在我国现行各种窑型生产的水泥中R_ISO与R_GB间差距也较大。分析原因主要是构成水泥熟料的矿物组成和相似矿物组成的熟料煅烧状况不同造成的。

国内外水泥熟料成分及矿物组成见表2。

类别	SiO2	AI2O3	Fe2O3	CaO	f-CaO	KH	SM	LM	C3S	C2S	C3A	C4AF
国外水泥 （23个）	21.22	4.80	3.01	64.13	0.92	0.895	2.73	1.61	57	20	8	10
国内新型干法 （20个）	22.00	5.29	3.44	64.39	0.96	0.877	2.53	1.54	53	24	8	10
国内重点水泥 企业（56个）	21.14	5.59	4.44	74.74	1.14	0.889	2.12	1.27	54	20	7	14
国内立窑	20.62	5.63	4.68	64.07	2~3	0.92	2.0	1.2	59	14	7	14

　　从表2可以看出：国内新型干法窑生瓣水泥熟料4大矿物组成与国外水泥近似，但KH、SM、IM三个率值都比国外水泥稍低一些，看来这是是造成R_ISO与RGB强度差距的重要因素，国内重点水泥企业的窑型包括湿法、干法和立波尔窑，虽有较大差别，但均属低硅、高铁配料方案。国内立窑厂家多，但大多数采用低硅、高铁、高饱合比配料方案。我国水泥配料方案的重要特征是低硅、高铁。这对提高硅酸盐矿物含量和活性是不利的。从提高水泥熟料强度考虑，应尽量提高硅酸盐矿物含量（≥73%）、提高早强矿物含量（9%～10%）、降低铁铝酸四钙含量（＜13%）。欧洲通用水泥标准ENV197-1-92对波特兰水泥熟料提出这样规定“波特兰水泥熟料是一种水硬性材料，以形影不离地至少2/3是硅酸钙，其余为Al₂O₃、Fe₂O₃和其他氧化物。CaO/SiO₂重量比应不小于2.0”ENV197-1-92标准特别强调了硅酸盐矿物在4大矿折中所占比例，在Al₂O₃和Fe₂O3的关系中更重视Al₂O₃的作用。所以为提高水泥强度，适应新标准要求，立窑企业改进配料方案，向高硅、低铁型转变和采用与此配料方案相适应的烧成技术尤为重要。

二、改进配料方案。

　　为适应新标准、提高水泥熟料强度的需要，不仅硅配盐矿物和铝酸三钙绝对含量要高，而且比例关系要匹配，从国内外水泥熟料情况分析比较看，高硅、低铁配料方案，是实现优质高产的重要技术措施。中国建材研究院制订大水泥新标准时所作大量试验发现硅率高的熟料磨制水泥强度下降小，反之则大。事实上熟料硅率高，则意味着强度矿物——硅酸盐矿物多，所以磨制水泥强度高。因而许多厂都已开始尝试提高硅率的配料方案。中国建材研究院赵介山教授经长期研究，取得良好效果，并赂全国推荐的高硅、低铁配料方案为KH=0.88～0.94、SM_≥2.3 IM_≥2.0，生料中Fe₂O₃含量一般在2%以下。这一方案可以烧出质量相当高难度的熟料。C₃S+C₂S≥73%，f-CaO≤2%，3天抗压强度≥43兆帕，28天抗压强度≥65兆帕，而且熟料产量高，易磨性好。对于原燃材料条件不太具备的水泥厂，亦应尽量向高硅、低铁方案靠近。高硅、低铁方案易烧性较差，所以南非要有改善易烧性的高效复合生料速烧剂技术或太生命线剂技术的配合，方可取得较好的效果

三、应用高效复合生料速烧剂，提高熟料强度。

　　高将近复合生料速烧剂是配合高硅、低铁配料方案，为提高硅酸盐矿物组成，改善硅酸盐物矿相结构而研究开发的具有高效复合催化功能，用于熟料煅烧的高新技术产品，可大大提高生料的易烧性。

　　1.高效复合生料速烧剂的作用机理。

　　①降低反应物质点间的键能，提高化学反应活性，强化SiO₂与CaO的反应能力。

　　②促使液相提前出现，增加液相量，降低液相粘度，降低烧成温度，加速硅酸盐矿物的形成。

　　③促使早强矿物及C₃S微晶的形成，从而加速了硅酸盐矿物的形成过程。

　　④由于微量元素的固溶，提高了矿的中有缺陷的微晶的含量，同时对C₃S和β-C₂S起稳定作用。

　　⑤加入速烧剂后由于熟料在较低温度下（1200～1300℃）快速烧成，因而窑内上火速度明显加快，底火上移而变薄，中间底火变浅，窑内通风阻力减肥少，有利于窑内通风均匀和熟料冷却，使整个熟料烧成时间减少，特别是减少了窑内还原气氛，使水泥熟料在煅烧时形成良性循环，故能提高熟料产、质量，降低熟料热耗。

　　对于高硅、低铁方案，由于Fe₂O₃含量较小，加之还原气氛的减少，Fe₂O₃还原成FeO的机会很小，那么FeO固溶到C₃S中，致使C₃S→C₂S+f-CaO的机会大大降低，同时由于速烧剂中Ba2+的存在，Ba2+固溶到β-C₂S中，阻了β-C₂S→γ-C₂S的转变。速烧剂对促进硅酸盐矿物的形成，改善熟料的矿相结构，提高水泥熟料的活性，起到决定性作用。

　　2.使用高效复合生料速烧剂注意事项。

　　①按0.5%～0.8%的量均匀反入到生料中，生料成分要稳定，生料的900孔筛筛余≤0.5%，生料比表面积≥300平方米/千克；

　　②选择高硅、低铁适宜的配料方案；

　　③煤质要稳定，发热量≥5000千卡/千克；±200千卡/千克；

　　④确保成球质量：球径3～5毫米占90%以上；

　　⑤保证暗火操作，提高全风率；

　　⑥加强立窑保温，采用优化的窑体结构和高效节能卸料塔篦子。

　　3.使用效果。

　　高效生料速烧剂使用效果见表3。

　　大量生产实践证明，使用高效生料速烧剂：

　　①熟料以哩产量提高15%以上。

　　②标准煤耗降低15%以上。

　　③熟料质量：3d抗压强度≥40兆帕，28天抗压强度≥62兆帕，f-CaO≤2.0%，烧失量≤1.0%。

　　④吨熟料成本降低10元/吨以上。

表3 某厂使用高效生料速烧剂技术经济效果

状态	立窑台时（t/h）	熟料标煤耗（kg/t)	熟料成本（元/t）	KH	SM	IM	f- CaO	C3S	C2S	C3A	C4AF	熟料强度（MPa）
												抗折			抗折
												3	7	28	3	7	28
使用前	11.3	139	132	0.95	1.9	1.2	3.2	46.2	26.1	7.8	14.2	5.2	6.8	8.6	32.3	40	54.2
使用后	13.5	115	119	0.92	2.3	1.8	2.4	56.7	19.2	9.2	11.6	6.8	7.6	8.6	41.2	51	63.5
比较	19.46%	-17.27%	-13	-0.03	+0.4	+0.6	-0.8	-	-	-	-	-	-	-	+8.9	-	+9.5
说明	本表到Φ3×11m机立窑使用高效生料速烧剂技术三个月的平均结果，高效生料速烧剂掺加量占生料的0.7%

 

应用高效复合水泥添加剂提高水泥强度

　　适应新标准要求，提高水泥活性是关键，在混凝土中我国水泥约有20%～40%没有发挥水化作用。水泥的活性与水泥熟料的矿物组成、矿相结构有关，与水泥磨细程度、颗粒级配、颗粒形貌有关。为使水泥（含混合材）更好地发挥活性，一是物理激发——高细粉主要原因；二是化学激发——采用对混凝土无害的化学物质激发水泥的活性。如何在技术经济条件眄顺利实现新老标准接轨，采用具有助磨、增强等复合功能高效复合水泥添加剂技术将是最理想的选择。

一、高效复合水泥添加剂作用机理。

　　高效复合水泥添加剂通过助主要原因功能提高主要原因机产量，提高比表面积，从而提高水泥强度。其增强功能主要是添加剂中的化学物质与水泥中的硅、锃等进行化学反应形成有助水泥增强的中间物质，同时造成水泥中氧化物的晶格缺陷，提高其反应活性。

表4 使用高效复合水泥添加剂增加混合材料掺加量

内容	熟料	石膏	矿渣	沸石	炉渣	粉煤灰	石灰石	添加剂	SO3	细度	3天		7天		28天
序号
											抗折	抗压	抗折	抗压	抗折	抗压
1#	95	5	-	-	-	-	-	-	2.6	4.0	5.7	33	6.8	42.2	8.0	55.4
2#	41.8	8	50	-	-	-	5	0.8	3.4	3.8	4.8	25.2	5.8	39.8	6.9	48.5
3#	54.2	5	20	5	5	-	-	0.8	2.2	4.2	4.9	26.2	5.7	39.0	7.0	49.0
4#	64.2	5	10	10	10	-	-	0.7	2.4	3.5	4.7	24.3	5.6	38.4	6.8	47.3
5#	64.2	5	-	30	-	-	-	0.8	3.3	3.0	4.7	25.1	5.7	38.2	6.7	46.8
6#	64.2	5	-	-	30	-	-	0.8	2.3	3.2	4.9	24.0	5.8	39.0	6.9	47.0
7#	64.2	5	-	-	-	30	-	0.8	2.4	3.1	23.2	23.2	5.8	38.2	7.0	49.0

 

二、使用注意事项。

　　1.按0.5%～0.8%的比例（粉状）计量，均匀加入水泥麻中与熟料、石膏、混合材等共同粉磨。

　　2.入磨物料综合水分≤1.5%。

　　3.水泥粉磨细度4900孔筛筛余≤5%，比表面积≥320平方米/千克，比表面积愈大，效果越好。

　　4.混合材的种类和比例，以矿渣效果最好，其次是火山灰、煤矸石、粉煤灰等，混掺时矿渣最好占混合材决量一半以上。

　　5.通过试验，找出石膏最佳掺入量。

　　6.尽量提高水泥中Al₂O_3含量。

三、使用效果。

　　高效复合水泥添加剂为粉状物料，使用时按0.5%～0.8%比例，从磨头加入，与其他物料共同粉磨。在提高水泥强度、增加混合材掺量、降低成本方面效果显著。其使用效果9以某厂为便）见表4、表5。

　　从表4看出应用添加剂技术在同等情况下，可大幅度提高混合材掺量，这是水泥企业降低成本的重要手段，具有可观的经济效益和社会效益。从表5可以看出，不掺添加剂，ISO强度与GB强度3天抗压强度相差5兆帕以上，28天抗压强度相差10兆帕以上，增加0.5%外加剂后，3天抗压强度相差1～2兆帕，有的基本不变，28天抗压强度仅差4～5兆帕，显然外加剂技术是适应新标准的重要技术，同时可大幅度降低水泥生产成本，提高企业经济效益。

　　总之，适应水泥新标准，既要保证生产水泥达到新标准要求，企业又要获得最大的经济效益和社会效益，那么在立窑系统应用高效生料速烧剂最大限度地提高水泥熟料强度，降低熟料成本。在水泥系统应用高效复合水泥添加剂技术，努力提高水泥活性，增加混合材掺量，是企业迎接水泥新标准挑战，提高企业经济效益的重要技术。