也談飛砂產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防

0　引言
　　所謂飛砂是回轉(zhuǎn)窯燒成帶產(chǎn)生大量細(xì)粒并飛揚(yáng)的熟料。這種飛砂料的大小一般在1mm以下，在窯內(nèi)到處飛揚(yáng)[1]。飛砂料的出現(xiàn)，既影響熟料質(zhì)量，又影響窯的操作。據(jù)報(bào)導(dǎo)[2]，大同水泥廠曾因飛砂料的出現(xiàn)被迫降低煅燒溫度，從而使熟料強(qiáng)度下降5MPa。關(guān)于飛砂的成因，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，主要是SiO2含量太高、Al2O3和Fe2O3含量太低，因而液相出現(xiàn)太慢、液相量太少，熟料難以結(jié)粒，導(dǎo)致飛砂；另一原因是火焰太長(zhǎng)，煅燒溫度不夠高，在料層中還存在大量不飛揚(yáng)的料粒，未能結(jié)粒，待物料進(jìn)入冷卻帶，細(xì)料粒才到處飛揚(yáng)。文獻(xiàn)[1]還提出，克服飛砂的方法，若是由于SiO2太高引起則應(yīng)適當(dāng)降低硅酸率；若是由于煅燒操作中火焰太長(zhǎng)而引起，則應(yīng)適當(dāng)縮短火焰或縮短高溫帶。筆者認(rèn)為，還有一種飛砂是由于粘散料引起，而粘散料的產(chǎn)生則是由于高溫液相的表面張力太小所致。喬齡山[3]在分析飛砂形成機(jī)理時(shí)認(rèn)為，“國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)者忽視了液相表面張力和結(jié)粒的問(wèn)題”，“要使熟料有一定的結(jié)粒度，熟料液相應(yīng)有足夠的表面張力才能結(jié)成較好的顆?！薄Ｋ€指出:“硫酸鹽飽和度過(guò)高降低了液相粘度和表面張力”。這些觀點(diǎn)筆者很贊同。他所提出的表面張力太小形成的飛砂實(shí)際上是一種粘散料，這種飛砂的產(chǎn)生與液相量少所引起的飛砂在機(jī)理上完全不同。因此，解決這種飛砂的措施也應(yīng)該完全有別于液相量少所產(chǎn)生的飛砂。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上從硅酸鹽物理化學(xué)角度討論飛砂的成因并提出預(yù)防和解決飛砂問(wèn)題的措施或途徑。
1　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料結(jié)粒的機(jī)理
　　從水泥工藝學(xué)原理看，水泥熟料是一種多礦物的集合體，是結(jié)晶細(xì)小的人造巖石。這些結(jié)晶一般都在100μm以下，即小于0.1mm。有人認(rèn)為，水泥熟料中礦物晶體的平均尺寸為:阿利特65μm以下，貝利特55μm以下。出冷卻機(jī)的熟料塊度一般都在5～25mm，甚至更大些，是什么力量使幾十微米的小晶體“粘結(jié)”成幾毫米至幾十毫米的熟料？答案是熟料液相，是熟料液相將這些細(xì)小的晶體“粘結(jié)”起來(lái)。因此，熟料液相的數(shù)量和性質(zhì)對(duì)熟料的結(jié)粒大小起著關(guān)鍵作用。液相的什么性質(zhì)使它對(duì)小晶體有粘結(jié)力？主要是表面張力。
　　水泥熟料的燒結(jié)是在有液相的情況下進(jìn)行的。在固相反應(yīng)之前，物料呈粉狀。在過(guò)渡帶主要是固相反應(yīng)，生料中的CaO與SiO2、Al2O3、Fe2O3起化學(xué)反應(yīng)生成C2S、C3A和C4AF，此外尚有一部分未起化學(xué)反應(yīng)的CaO(約12%～13%)，物料呈細(xì)粒狀或粉狀。到了燒成帶，隨著煅燒溫度提高，開始出現(xiàn)液相，其液相量大約在20%～28%。在水泥熟料燒結(jié)過(guò)程中，液相有2種作用:一是為C2S+CaO→C3S的反應(yīng)提供條件，使C2S和CaO溶于液相起化學(xué)反應(yīng)，生成C3S；另一作用是像“膠結(jié)劑”一樣，潤(rùn)濕窯內(nèi)物料，從而使出窯熟料塊度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入窯物料的粒度。
　　從硅酸鹽物理化學(xué)角度看，物料燒結(jié)的主要?jiǎng)恿κ橇Ｗ拥谋砻鎻埩?。物料燒結(jié)一種是固相與固相之間的燒結(jié)；另一種是有液相或汽相情況下的燒結(jié)。我們首先討論有液相而不存在化學(xué)反應(yīng)情況下的燒結(jié)。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，使粒子拉緊的毛細(xì)管力主要有2部分:一是沿液相彎曲表面的2個(gè)方向上的壓力差引起的力ΔP=σ(1/ρ2-1/ρ1)，式中σ和ρ2、ρ1分別為液相彎曲面上的表面張力和半徑，見圖1。液相內(nèi)部的壓力比外部的小，顆粒在力的作用下受到壓緊作用，其作用力F1=ΔP•S，式中S為液相與固體界面壓力的垂直方向的投影面積，即粒子之間的凹橋強(qiáng)度與液相表面張力及粒子的直徑成正比；另一作用力是沿液相與固體接觸的周長(zhǎng)，由液相表面張力引起的力F2。F2=Cσsin(ψ+θ)，C表示濕潤(rùn)周長(zhǎng)；ψ表示取決于液相量的角；θ表示濕潤(rùn)邊界角。拉緊顆粒的總力為F=F1+F2。從上面的公式可看出，這2種拉緊顆粒的力都與表面張力成正比。另外，存在著將2個(gè)顆粒分開的外力，此力與顆粒的質(zhì)量P即與顆粒直徑的三次方成正比，因此由表面張力粘結(jié)而成的顆粒強(qiáng)度與液相表面張力成正比，而與粒徑成反比。即最終團(tuán)粒的大小取決于表面張力和粒徑大小。當(dāng)顆粒尺寸因粘結(jié)而增大到一定程度時(shí)，顆粒不再增大。在水泥熟料煅燒過(guò)程中，若液相包圍的是化學(xué)成分相同的2個(gè)粒子，則這2個(gè)粒子只能靠冷卻時(shí)液相的凝固而把它們連接起來(lái)。

圖1　顆粒和液相薄層燒結(jié)時(shí)它們之間作用力圖解[4]
　　不過(guò)，在熟料顆粒生長(zhǎng)時(shí)，2個(gè)化學(xué)成分不同的粒子如C2S和CaO，則表面張力的粘結(jié)可為結(jié)晶所代替。因?yàn)镃2S和CaO通過(guò)溶解擴(kuò)散進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而結(jié)晶出C3S，粒子由固相連接，使液相連接由固相連接所代替。如果這2個(gè)粒子間沒有或有很少液相，若煅燒溫度足夠高，則也可在粒子內(nèi)的接觸處形成C3S。但由于沒有液相，這些晶體只能靠堆積作用與其它C3S相結(jié)合，它們通過(guò)表面的相互接觸而吸引在一起，因此易產(chǎn)生粉狀物料。在生產(chǎn)中，若SM太高，液相量太少，則缺乏足夠的液相將C2S和CaO相連或潤(rùn)濕，或IM太高，液相大量出現(xiàn)太遲，就易產(chǎn)生粉狀物料，即飛砂現(xiàn)象。
2　飛砂產(chǎn)生的原因 　　
2.1　液相量不足是飛砂的主要原因
　　從上面的討論可以看出，產(chǎn)生飛砂主要是液相量太少的緣故。物料在燒成帶停留的時(shí)間很短，預(yù)分解窯約10～15min，濕法窯最長(zhǎng)也不過(guò)25～30min。若沒有液相，C2S和CaO粒子通過(guò)固相反應(yīng)長(zhǎng)大至1mm以上是十分困難的。其結(jié)果是，這些細(xì)粒子隨窯內(nèi)氣體懸浮并被氣體帶走，即所謂飛砂。王杰曾[2]發(fā)現(xiàn)，飛砂料的CaO含量高，其硅酸率達(dá)3.31，說(shuō)明飛砂料中液相很少，即飛砂是由液相量不足引起。液相量太大，熟料易結(jié)大塊，這是眾所周知的事實(shí)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，液相量少則熟料結(jié)粒小，液相量太少則熟料結(jié)粒太小，則產(chǎn)生飛砂。鋁率太高，液相量隨溫度提高而增加的速度太慢，也易產(chǎn)生飛砂。還原氣氛使Fe2O3變成FeO，也使液相量減少，從而產(chǎn)生飛砂。圖2為Fe2O3還原成FeO對(duì)液相量的影響。從圖2可見，在還原氣氛下，液相量減少。

圖2　熟料在氧化氣氛和Fe2O3全部還原成FeO時(shí)液相量含量與溫度的關(guān)系[2]
　　熟料礦物組成:C3S70%，C2S15%，C2F15%
　　很多人認(rèn)為過(guò)渡帶長(zhǎng)是飛砂的原因。筆者認(rèn)為，過(guò)渡帶長(zhǎng)只是現(xiàn)象，其根本原因在于液相量少，或液相量增加的速度太慢，不能及時(shí)產(chǎn)生足夠的液相將C2S和C3S等晶體連結(jié)在一起或通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成C3S而連結(jié)在一起，因此產(chǎn)生飛砂。
2.2　表面張力太小是產(chǎn)生粘散料飛砂的原因
　　粘散料的特點(diǎn)是燒成帶物料過(guò)粘，成片狀下塌滑動(dòng)，很少滾動(dòng)，難以結(jié)粒，產(chǎn)生大量飛砂。液相表面張力太小是粘散料產(chǎn)生的主要原因。根據(jù)V•V•提姆阿瑟夫[5]的計(jì)算，熟料平均粒徑與表面張力有一個(gè)近乎線性的關(guān)系，表面張力每減少0.1N/m，熟料粒度減小10mm。圖3為熟料粒徑與硫酸鹽化程度的關(guān)系。從圖可見，當(dāng)硫酸鹽化程度從67%增大至140%時(shí)(硫酸鹽含量從1.4%增加到2.3%)，熟料d50從6mm下降至1.5mm。根據(jù)提姆阿瑟夫的測(cè)定，硫酸鹽化程度從67%增加至140%時(shí)，液相表面張力減少0.05N/m，也就是說(shuō)，表面張力減少0.05N/m，熟料粒徑從6mm下降至1.5mm，粒度減少了4.5mm。據(jù)此可以認(rèn)為，液相表面張力太小，會(huì)使熟料粒度變細(xì)，從而產(chǎn)生飛砂。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，熟料含有鎂、堿和硫中任何一種時(shí)，都會(huì)降低液相表面張力，見圖4。據(jù)報(bào)導(dǎo)，當(dāng)MgO含量增加1%時(shí)，表面張力降低0.019N/m，含4%MgO時(shí)的表面張力為0.51N/m。Na2O、K2O和SO3在熔融物中含量小于2%時(shí)，表面張力降低最劇烈。當(dāng)分別加入2%的Na2O、K2O和SO3時(shí)，1450℃飽和熔融物表面張力從0.58N/m相應(yīng)降低至0.46N/m、0.35N/m和0.36N/m。當(dāng)繼續(xù)增加這些氧化物濃度達(dá)4%時(shí)，表面張力分別降低至0.40N/m、0.320N/m和0.333N/m。而純的Na2O和K2O的表面張力約為0.275N/m和0.150N/m。因此，在熟料中含有較多的堿和硫時(shí)，液相表面張力大幅度下降，熟料結(jié)粒細(xì)小，飛砂嚴(yán)重。淮海水泥廠[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入窯生料中R2O大于1.0%時(shí)，物料難以結(jié)粒，大量飛砂產(chǎn)生。據(jù)介紹[2]，大同水泥廠的生料R2O>1.2%時(shí)，飛砂頻繁出現(xiàn)；當(dāng)窯灰入窯量增加時(shí)，易出現(xiàn)飛砂。這2種情況均是由于堿含量大，使液相表面張力降低引起的。因?yàn)楦G灰中堿含量比生料的高，窯灰入窯量增加就意味著增加堿含量。珠江水泥廠[8]原來(lái)控制LSF=94、SM=2.4、IM=1.5，窯的操作較好，熟料質(zhì)量高，后來(lái)希望再進(jìn)一步提高熟料質(zhì)量而將LSF提高到96(SM和IM不變)，結(jié)果窯煅燒狀況較差，飛砂很大，窯口積“雪人”，三次風(fēng)管沉降室堵塞，而熟料質(zhì)量未見升高反而下降。SM和IM保持不變，意味著液相量并不減少，為什么僅提高LSF就產(chǎn)生飛砂，可能是LSF提高迫使提高煅燒溫度。煅燒溫度提高，液相量應(yīng)增加，但從圖5可見，表面張力的溫度系數(shù)為負(fù)值，溫度每提高1℃，表面張力下降2.3×10-4N/m。若提高煅燒溫度50℃，表面張力將下降0.0115N/m。大同水泥廠曾采用降低煅燒溫度的方法減少飛砂，收到成效。降低煅燒溫度其實(shí)質(zhì)是增大液相表面張力，從而使結(jié)粒變大。

圖3　不同硫酸鹽化程度對(duì)熟料顆粒分布的影響[5]

圖41450℃飽和熔融物表面張力等溫曲線[6]

圖5　熟料熔融物的表面張力與溫度的關(guān)系[6]
3　避免飛砂的措施 　　
3.1　配料方案必須與煅燒溫度相適應(yīng)
　　液相量太少和液相量的大量出現(xiàn)太遲是飛砂的主要原因，因此保持適當(dāng)?shù)囊合嗔渴潜苊怙w砂的主要措施。由于液相量與熟料的化學(xué)成分和煅燒溫度有關(guān)，合理的配料方案和合適的煅燒溫度是十分必要的。從配料方案來(lái)看，反映液相量的率值主要是硅酸率，而液相量隨溫度而增加的速度與鋁率有關(guān)。硅酸率太高則液相量太少，鋁率太高則液相隨溫度提高增加速度慢，即液相大量出現(xiàn)的時(shí)間遲。煅燒溫度高，則液相量增大，反之降低煅燒溫度則液相量減少。因此配料方案必須與熟料煅燒溫度相適應(yīng)。如果熟料煅燒溫度高，則硅酸率可高些，鋁率也可高些；反之則不能。例如，國(guó)內(nèi)大型預(yù)分解窯熟料硅酸率一般都在2.5以上，但對(duì)某些小型旋風(fēng)預(yù)熱器窯，2.5的硅酸率可能偏高。某一600t/d的五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯所用的燃煤與某大型預(yù)分解窯的相同，當(dāng)硅酸率為2.5時(shí)，飛砂嚴(yán)重，后來(lái)將硅酸率降低至2.3左右，熟料煅燒正常，強(qiáng)度達(dá)64MPa，產(chǎn)量也達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。在這里要指出2個(gè)問(wèn)題，一是不同窯型煅燒溫度可能不同。一般說(shuō)來(lái)，大型預(yù)分解窯內(nèi)煅燒溫度高，旋風(fēng)預(yù)熱器窯煅燒溫度比預(yù)分解窯低，但比濕法窯或干法中空窯的高些。因此，配料方案必須根據(jù)窯型和窯徑大小而異。其次，煅燒溫度與火焰溫度和火焰形狀有關(guān)。而影響火焰溫度的主要因素有煤粉的質(zhì)量(發(fā)熱量、水分和細(xì)度)以及一、二次風(fēng)溫，特別是二次風(fēng)溫的高低以及一、二次風(fēng)的比例。一般說(shuō)來(lái)，煤的發(fā)熱量高，煤粉的細(xì)度細(xì)，水分少，二次風(fēng)溫高且用量大，則火焰溫度高。就相同質(zhì)量的煤粉而言，使用三通道噴煤管由于一次風(fēng)比例小，二次風(fēng)比例大，火焰粗短，其火焰溫度比單通道噴煤管的火焰溫度高。另外，由于結(jié)構(gòu)的原因，三通道噴煤管使煤粉的燃燒狀況比單通道噴煤管要好，火焰粗短。此外用篦冷機(jī)冷卻熟料時(shí)二次風(fēng)溫比單筒和多筒冷卻機(jī)的高。還有一點(diǎn)，就是考慮硅酸率時(shí)，必須考慮一些微組分如MgO、R2O和SO3的影響，因?yàn)檫@些微組分都會(huì)在燒成過(guò)程中以液相出現(xiàn)，增加液相量并影響液相粘度以及液相表面張力。
3.2　避免用高堿高鎂原料和高硫燃煤
　　降低熟料中堿和硫的含量必須避免用高堿的原料和高硫的燃料。一般說(shuō)來(lái)，堿主要來(lái)自粘土質(zhì)原料，也有一些是來(lái)自石灰石，因此在選擇原料和燃煤時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制堿和硫的含量。MgO不僅可增加液相量，降低液相粘度，還可降低液相表面張力。因此，若MgO含量太高，加上一定數(shù)量的K2O、Na2O和SO3，也可產(chǎn)生粘散料，形成飛砂。白鰭豚水泥有限公司[9]熟料R2O為1.0%，MgO為4.4%時(shí)，窯內(nèi)飛砂嚴(yán)重。但適當(dāng)控制R2O和MgO含量，提高窯速，提高煤的細(xì)度，飛砂現(xiàn)象得到改善。如果限于原材料條件，非用高堿高鎂原料和高硫燃煤不可，那么應(yīng)考慮這些微組分的影響，在配料方案上適當(dāng)降低飽和比、提高硅酸率；在操作上避免用粗短的高溫火焰，而采用較長(zhǎng)的低溫火焰。
3.3　減少窯灰入窯量
　　窯灰含堿量一般比生料的高，因此窯灰的入窯量應(yīng)慎重考慮。特別是堿含量高的原料，其窯灰堿含量更高，應(yīng)減少其窯灰入窯量，避免由于堿含量太高而引起粘散料類型的飛砂。對(duì)堿含量較低的窯灰，也應(yīng)將其均勻摻入，即與出磨生料混合均勻后再入窯。窯灰中硫的含量也比生料的高，因此減少窯灰入窯量也將減少熟料中的硫含量。
3.4　提高煤粉質(zhì)量
　　要提高煤粉質(zhì)量，除了選擇熱值高的煤外，應(yīng)特別注意煤粉的細(xì)度和水分。大同水泥廠曾發(fā)現(xiàn)，煤粉水分大(2.5%～3.5%)、煤粉粗(0.08mm篩余為2.5%～3.5%)時(shí)，還原氣氛嚴(yán)重，也易產(chǎn)生飛砂。
　　這里必須指出，飛砂是水泥熟料煅燒過(guò)程中的一種復(fù)雜現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較少。就目前的認(rèn)識(shí)水平看，無(wú)論是產(chǎn)生機(jī)理還是預(yù)防措施，都有很多問(wèn)題值得討論和研究。本文所提出的飛砂產(chǎn)生機(jī)理和預(yù)防措施僅僅是初步的。各廠應(yīng)針對(duì)本廠的具體情況采取適合本廠的工藝措施，才能減少或避免飛砂產(chǎn)生。
　　參考文獻(xiàn)　　
　　[1]　中國(guó)建筑工業(yè)出版社，中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì).硅酸鹽辭典[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1984:360.
　　[2]　王杰曾，陸純煊.大同水泥廠飛砂圓球形成機(jī)理及消除方法的探討[A].第四屆水泥學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集[C].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1992:135.
　　[3]　喬齡山.飛砂料形成的機(jī)理及解決辦法[J].水泥，1999，(8):19.
　　[4]　B B 季馬謝夫，Б C 阿爾巴茨.波特蘭水泥熟料液相的燒結(jié)過(guò)程[A].第六屆國(guó)際水泥化學(xué)會(huì)議論文集[C]，第1卷:水泥熟料化學(xué).鐘白茜等譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980:300.
　　[5]　S Sprung.煅燒水泥熟料時(shí)的一些技術(shù)問(wèn)題