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使用動力學(xué)方法對含磷原燃料煅燒水泥熟料的評估

熟料內(nèi)含有的少量P2O5，明顯影響了熟料形成反應(yīng)過程中所生成的C3S、C2S的比率及相結(jié)構(gòu)和水泥質(zhì)量。其原因是，C2S內(nèi)、P2O5所形成的CxPy固態(tài)熔融體的飽和度確定消耗fCaO的程度和C3S生成量，在C2S內(nèi)飽和的CxPy固態(tài)熔融體內(nèi)，fCaO不和C2S作用生成C3S。

長時期以來，人們認為熟料中P2O5含量最大允許值為0.5%。近年來，隨著含磷的肉骨粉和廢塑料作為代用燃料煅燒熟料，通過原燃料均化及適當(dāng)?shù)靥岣呗手?，可將P2O5含量提高至0.8%～1.0%。為進一步增加含磷的代用燃料的使用量，有關(guān)研究人員通過動力學(xué)方法，對不同含量的P2O5原燃料煅燒熟料進行了研究。

熟料形成的動力學(xué)通常以熟料礦物C2S最終完成的步驟來表達，即：C2S+fCaO生成的C3S，也就是fCaO在熔體內(nèi)與C2S結(jié)合的程度。這與配料率值、物料易燒性、生料性能、煅燒工況與溫度等因素有關(guān)。反應(yīng)方程式為：

式中：

α——等溫煅燒時間t內(nèi)C2S與fCaO作用后，轉(zhuǎn)換為C3S的程度

k——反應(yīng)率

t——反應(yīng)時間

式中：

A——等溫煅燒時間內(nèi)C3S的含量

AEQ——通過理論計算所得到的C3S的最大含量，此值在熟料煅燒過程中是不可能達到的。

試驗為5組數(shù)據(jù)，采用同一種生料粉，其率值為：石灰飽和系數(shù)LSF=93.4%，硅酸率n=2.91、鋁氧率P= 1.64。原料成分見表1。

1　試驗過程及結(jié)果

表1　生料成分，%

表2　1 200s煅燒時間內(nèi)，不同含量的P2O5煅燒生成的C3S、C2S、fCaO含量，%

試驗按煅燒后，熟料內(nèi)P2O5含量分別為0.0%、0.8%、1.5%、3.0%和4.6%加入生料內(nèi)，然后烘干、均化、壓制成試塊，進行煅燒。其時間分別為420s、720s、1 200s、1 800s和3 600s，煅燒后的熟料進行礦物數(shù)量檢測和微細結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果大致如下（見圖1～圖4）：

（1）同一煅燒時間內(nèi)，熟料內(nèi)的P2O5含量增加，則C3S含量減少，C2S、fCaO含量增加。

（2）不同煅燒時間內(nèi)，熟料內(nèi)同一含量的P2O5，煅燒時間增加，C3S數(shù)量增加，C2S、fCaO數(shù)量相應(yīng)減少。

（3）煅燒時間在1 200s（20min）以內(nèi)，不同含量P2O5所生成的C3S、C2S數(shù)值變化均較大，而超過1 200s則變化數(shù)值趨于平穩(wěn)。

（4）熟料內(nèi)不同含量的P2O5，在同一時間內(nèi)所生成的C3S、C2S、fCaO數(shù)值變化較大，見表2。表2表明，在P2O5含量＜1.5%時，煅燒后所生成的C3S、C2S、fCaO含量與工業(yè)生產(chǎn)數(shù)值接近，而3.0%以上數(shù)值差別過大。

（5）同一含量P2O5，不同時間煅燒所形成的間隙物（主要為C3A、C4AF）數(shù)值不呈規(guī)律性變化。不同含量的P2O5，同一煅燒時間所形成的間隙物數(shù)值不呈規(guī)律性。

2　動力學(xué)反應(yīng)計算結(jié)果

按動力學(xué)方程式樣4計算的結(jié)果見圖5，其轉(zhuǎn)換數(shù)值見表3。

3　微細結(jié)構(gòu)檢測

通過顯微鏡對熟料內(nèi)不同含量的P2O5進行巖相檢測，大致是：熟料內(nèi)P2O5含量為0.0%、0.8%、1.5%，所檢測的C3S、C2S晶格尺寸及fCaO間隙物C3A、C4AF的形態(tài)，均與正常熟料接近，而熟料內(nèi)P2O5含量為3.0%、4.6%所檢測的C3S、C2S晶格尺寸均大于正常熟料晶格尺寸且形態(tài)也不一致。此類熟料在工業(yè)上無法應(yīng)用（C3S、C2S晶格圖從略）。

圖1　C3S煅燒變化狀況

圖2　C2S、fCaO煅燒變化狀況

圖3　fCaO煅燒變化狀況

圖4　C3A、C4AF煅燒化

圖5　P2O5含量0.5%～1.5%的C3S轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖6　P2O3含量3.0%、4.6%的C3S轉(zhuǎn)換系數(shù)

4　結(jié)語

在熟料煅燒過程中，生料中均勻分布的P2O5含量對熟料形成的動力學(xué)機理反應(yīng)十分復(fù)雜。C2S內(nèi)的固熔體因P2O5含量不一，C2S轉(zhuǎn)為C3S的轉(zhuǎn)換率也不一致。P2O5對C2S與fCaO在熔體內(nèi)作用生成C3S有明顯的抑制作用。即，P2O5在熟料內(nèi)含量越多，則C3S生成量越少。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)熟料內(nèi)P2O5在1.5%時，煅燒所生成熟料的C3S、C2S、fCaO，均能滿足工業(yè)煅燒熟料需求，按動力學(xué)轉(zhuǎn)換公式計算及微細結(jié)構(gòu)檢測，均符合常規(guī)熟料煅燒需求，而熟料內(nèi)P2O5在3.0%以上時，所煅燒的熟料C3S、C2S數(shù)量及動力學(xué)轉(zhuǎn)換公式計算及C3S、C2S礦物微細結(jié)構(gòu)均與煅燒的常規(guī)熟料有較大差別，所生產(chǎn)的熟料性能難以滿足工業(yè)需求。

本文采用的光學(xué)顯微間對熟料礦物進行巖相分析及動力學(xué)方法評估水泥原料，均對水泥熟料生產(chǎn)有利，可供有關(guān)部門借鑒。

有關(guān)動力學(xué)方法評估，巖相分析詳見原文。

陳友德編譯自

No.1/2015Cement International