铜尾矿替代砂岩生产硅酸盐水泥熟料的应用研究论文

 

　　关键词：铜尾矿,砂岩,生料配料,熟料煅烧,理化性能

 

 

　　SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等作为水泥原料的主要化学成分，经过高温煅烧后生成的产物主要是C2S、C3S、C3A、C4AF等。根据生产经验，原材料的化学成分必须达到KH、SM和IM的要求才能烧制出高质量的熟料矿物。中条山集团和山西省建筑科学研究院分别对铜尾矿进行了全面的化学分析，数据表明中条山集团铜尾矿主要成分为SiO2、Al2O3、CaO及微量元素Mn、Zn、Cu、Ti等，并以KH（石灰饱和系数）、SM（硅率）和IM（铝率）作为基本指标，通过优化生料理论配比，进行铜尾矿生料配合比理论计算，应用铜尾矿代替硅质原料生产硅酸盐水泥熟料。利用铜尾矿中微量元素和氧化物可以起到矿化、助熔作用，并且在熟料煅烧过程中降低液相，提高生料的易烧性，同时也降低了烧成温度，缩短烧成时间，节约能源，降低了综合成本。

 

 

　　通过理论配比计算，铜尾矿作为硅质原料生产硅酸盐水泥熟料是可行的，可以降低熟料C3A含量，其中w（C3S）+w（C2S）=75.95%，m（CaO）/m（SiO2）=3.24，符合《硅酸盐水泥熟料》GB/21372—2008标准要求，具体配料计算数据见表1。

 

 

　　用铜尾矿代替砂岩生产通用硅酸盐水泥熟料，从现场实际反馈，使用铜尾矿后回转窑系统热工工艺稳定，提高了台效产量，降低了头煤、尾煤用量，降低了熟料f-CaO，提高了熟料立升重。具体数据如下：

 

　　砂岩为硅质原料烧制硅酸盐水泥熟料数据和铜尾矿为硅质原料烧制硅酸盐水泥熟料数据见表2和表3。

 

　　对表2和表3数据对比分析，可以得出：

 

　　1）使用铜尾矿用作硅质原料生产熟料可以提高产量5 t/h；

 

　　2）使用铜尾矿用作硅质原料生产熟料可以降低窑头喂煤量约1.8 t/h；

 

　　3）使用铜尾矿用作硅质原料生产熟料可以降低窑尾喂煤量约2.0 t/h；

 

　　4）使用铜尾矿用作硅质原料生产熟料可以降低回转窑电流73 A；

 

　　5）使用铜尾矿用作硅质原料生产熟料可以提高出窑熟料立升重。

 

 

 

　　砂岩为硅质原料烧制硅酸盐水泥熟料化学分析和铜尾矿为硅质原料烧制硅酸盐水泥熟料化学分析见表4和表5。

 

　　表4和表5数据对比可以看出：掺入铜尾矿作为硅质原料后熟料C3S含量略有提高，C2S含量略有降低，此外C3A含量明显下降，这也是掺入铜尾矿后早期水化放热量下降的主要原因。由于铜尾矿与生料界面的反应，C4AF的含量有所降低，同样提高和稳定了熟料三率值的合格率，有助于熟料早起强度的提升。

 

 

　　表6和表7数据对比可以看出：使用铜尾矿用作硅质原料生产硅酸盐水泥熟料，可以降低标准稠度用水量，缩短凝结时间，可以提高熟料3 d强度4 MPa左右，后期强度也略有增长，在实验室小磨制样时明显有缩短制样时间现象。

 

 

　　1）通过图1和图2对比可看出，使用铜尾矿代替砂岩作为硅质原料生产的熟料结构整体密实，砂岩作为硅质原料生产的熟料外观比较松散，主要是由于铜尾矿中所含Zn、Cu、Cr等重金属离子在煅烧的过程中，一部分扩散到空气中，另一部分则固化于熟料中，在28 d固化体试块重金属浸出浓度分析实验中，若浸出液中重金属含量越低，则说明熟料固化重金属含量越高。掺铜尾矿的水泥熟料相比于普通熟料浸出液中Zn质量分数同比降低最高可达30.0%，Cr质量分数同比降低最高可达数倍以上，这表明在一定范围内掺铜尾矿的熟料有利于固化重金属元素。

 

　　2）经过1 450℃煅烧后，水泥熟料主要包含C3S和C2S矿物，还含有少部分C3A、C4AF矿物，经与砂岩生产熟料相比，掺铜尾矿的水泥熟料C3S、C2S等矿物组成的量更大，铜尾矿含有少量熔点较低的FeO，FeO能够在烧结期间改变液相性能，降低液相出现的温度和液相黏度，从而促进固相反应，使得SiO2与CaO充分反应，C2S吸收CaO易形成C3S。并且随着铜尾矿替代量的提升，熟料中矿物量逐渐增多。此外，铜尾矿中所含的ZnO可以阻止β-C2S向γ-C2S转变，提高C2S的活性。铜尾矿所含有的微量元素Zn、Mn、Cu、Fe等还能够起到助熔的作用，降低反应共熔点。因此，以铜尾矿替代砂岩烧成水泥熟料可以促进矿物形成，改善水泥熟料的质量。

 

 

　　1）在生产过程中要时刻关注烟室温度变化；

 

　　2）由于铜尾矿配制生料易烧性好，应该时刻关注头、尾煤的用量变化；

 

　　3）利用筒体热扫描关注回转窑15~20 m左右窑皮变化，防止结圈、“结蛋”、“出雪人”等；

 

　　4）根据回转窑热工参数，紧密联系化验室，适当调整三率值，保证熟料F-CaO；

 

　　5）应根据生产实际及时调整燃烧器位置，防止结圈、出窑皮、跑生料现象。

 

 

　　结合对水泥熟料的质量要求，通过理论和实验研究优化配料方式，加强回转窑热工稳定技术控制，对铜尾矿生产水泥熟料过程中窑炉耗煤量、温度场、排放量等其它热工参数进行全面测试和评估，对生产过程中水泥窑炉进行实时监测和调控，最终确定了水泥回转窑倾斜角度和转速、窑内温度等工艺参数；通过对铜尾矿生产熟料的外观质量分析、物理性能和化学分析，用铜尾矿生产的熟料质量指标均优于现行国家标准。

 

　　1）铜尾矿作为硅质原料煅烧的水泥熟料易烧性得到改善，熟料矿物含量高，矿相好，随着铜尾矿替代量的增加，熟料中的矿物含量增多，F-CaO的含量降低；

 

　　2）利用铜尾矿部分取代砂岩与石灰石等原料混合煅烧制备水泥熟料，可以降低烧结温度，降低用煤量，提高水泥熟料的抗压强度，且随着铜尾矿掺量的增加，熟料的早起强度也会进一步提高；

 

　　3）掺铜尾矿制备水泥熟料在固化重金属方面具有明显优势，铜尾矿熟料28 d固化体试块浸出液中重金属离子含量比砂岩对照组低，Zn质量分数同比降低最高可达30.0%，Cr质量分数同比降低最高可达5倍以上，掺铜尾矿制备水泥熟料可以固化重金属离子；

 

　　4）利用铜尾矿生产硅酸盐水泥熟料符合《硅酸盐水泥熟料》GB—21372标准要求；

 

　　5）铜尾矿属于“固废综合利用目录”，可享受国家税收政策补助。