淺析煤矸石鋁質(zhì)材料的應(yīng)用熟料燒煅

陳星赟

（新疆和靜天山水泥有限責(zé)任公司，新疆 和靜 841300）

通過對煤炭的開采和洗選，會出現(xiàn)煤矸石固體廢棄物。我國每年煤矸石產(chǎn)量在1.5-2億噸之間，現(xiàn)階段煤矸石積存量高達(dá)50億噸，但是每年利用的煤矸石只有0.6億噸。若無法有效利用煤矸石，對環(huán)境和土地資源的污染和侵占問題日益嚴(yán)重，會威脅到人們的生命健康。為充分利用煤矸石，在水泥生產(chǎn)中，將煤矸石通過水泥熟料生產(chǎn)，生產(chǎn)硅鋁制原料，該原料是水泥制備重要的組成部分。在下文中對煤矸石作為硅鋁質(zhì)原料制備水泥過程進(jìn)行分析，為煤矸石利用在水泥生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)

（一）試驗(yàn)原料

選擇某水泥廠的石灰石、鐵尾礦以及石英砂巖，煤矸石和石膏作為試驗(yàn)原料，同時選擇某公司PII42．5型硅酸鹽水泥進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)原料的化學(xué)組成以及XRD圖譜作為試驗(yàn)參考，應(yīng)保證石灰石內(nèi)部還有方解石和白云石成分，煤矸石中還有石英和高嶺石成分，鐵尾礦內(nèi)還有石英和赤鐵礦成分，石英砂巖中還有石英成分[1]。

（二）生料配合比設(shè)計

在水泥熟料使用的配料進(jìn)行煅燒過程中應(yīng)根據(jù)合理率值，保證熟料進(jìn)行準(zhǔn)確的煅燒。借助煤矸石代替粘土作為生料進(jìn)行原料煅燒，應(yīng)控制硅酸鹽水泥熟料合理率值，在熟料合理率值范圍內(nèi)制備8種水泥。在對生料配合比進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計理論率值與實(shí)際率值有一定的差距。

（三）生料的制備

制備生料首先將不同的原料進(jìn)行粉磨，將粉磨后的原料放入到孔徑為0.075mm的方孔篩內(nèi)進(jìn)行篩選，并按照比例對合成的原料進(jìn)行均勻的混合。按照配比要求將10份水與生料進(jìn)行混合，將混合物放入規(guī)格為45mm×13mm規(guī)格的生料片內(nèi)，在壓力為12.5MPa下制作成生料，并制作好的生料放置在105℃環(huán)境下進(jìn)行干燥。

（四）生料的熱分析

對生料進(jìn)行熱分析，使用德國生產(chǎn)的STA4ogPC／PG型差示掃描量熱重儀進(jìn)行分析，在空氣環(huán)境下以每分鐘2O℃標(biāo)準(zhǔn)提升溫度。

（五）生料的煅燒

達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)的生料放置在坩堝中，對坩堝進(jìn)行加熱，并將溫度首次上升到800℃，保持一段時間后將溫度按照50℃的上升標(biāo)準(zhǔn)，從1300℃開始上升到1450℃。最后將加熱的試樣在恒溫的狀態(tài)下保存30分鐘，然后放置在室溫下，讓試樣的溫度降至室溫。

（六）熟料的f-CaO含量和線性收縮率測定

對熟料中f-CaO含量和線性收縮率進(jìn)行測定，先使用孔徑為0.075mm的方孔篩，對熟料進(jìn)行振動和磨粉處理后，按照乙醇-乙二醇原則對熟料中f-CaO含量進(jìn)行測定。熟料片的直徑使用游標(biāo)卡尺測定，根據(jù)公式nnS=—／J0---／-]e×100(1)／)計算熟料線性的收縮率，其中線性收縮率用S表示，生料片直徑用D表示。

（七）熟料的礦物組成分析

對熟料中存在的礦物質(zhì)進(jìn)行分析，采用3015型X射線衍射儀，分析熟料中礦物質(zhì)。該儀器額定電壓和電流，分別為40kV和100mA，采用Cu靶原理，產(chǎn)生的單色濾波在10-80范圍內(nèi)。

（八）水泥的凝結(jié)時間、水化熱和抗壓強(qiáng)度測試

在振動和粉磨熟料過程中，借助0.075mm方孔篩篩選熟料，將篩選好的熟料與CaSO·2HO，按照比例96:4進(jìn)行均勻混合后，以GBT1346-2011標(biāo)準(zhǔn)測試水泥的凝結(jié)時間。在測定水泥水化熱時，通過八通道微量熱儀以72小時為標(biāo)準(zhǔn)確定水膠比為0.5。熟料按照水灰比為0.28標(biāo)準(zhǔn)，制成規(guī)格為20mm×20mm×20mm的試塊后，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱1天后，將試塊的模體拆除，并將試塊放置在恒溫20℃環(huán)境中，以3天、28天為齡期要求測試試塊的抗壓強(qiáng)度。

二、結(jié)果與討論

（一）生料易燒性分析

在對煤矸石生料易燒性分析時發(fā)現(xiàn)，煤矸石中f-CaO含量是影響熟料安定性的主要物質(zhì)，同時也是熟料燒成反應(yīng)以及配方合理重要的標(biāo)志。在提升生料的煅燒溫度過程中，生成的熟料中f-CaO含量逐漸減少，在溫度上升到1400℃時，此時燃燒狀態(tài)下的熟料中f-CaO含量為最低。以f-CaO含量為水泥熟料制成標(biāo)準(zhǔn)，將KH控制在0.89-0.95，IM控制在1.2-1.6，SM控制在2.1-2.6，都可以滿足水泥熟料制備要求。若生料內(nèi)含有較多的石灰石成分，降低煅燒溫度的同時，SM、IM降低可以降低f-CaO含量。熟料的收縮率在不同煅燒溫度下，隨著溫度的上升而上升，熟料煅燒時液相量也會增加。煤矸石作為鋁質(zhì)材料生料進(jìn)行煅燒，體現(xiàn)出的易燒性與SM、IM有關(guān)，對熟料煅燒過程中產(chǎn)生的液向量進(jìn)行有效的控制，可加減少熟料中f-CaO的含量。

（二）生料的熱分析圖譜

煤矸石制備鋁質(zhì)材料作為生料進(jìn)行煅燒，應(yīng)保證配料方法和煅燒過程相同，利于煤矸石在制備水泥生料時，可以通過常規(guī)方法進(jìn)行煅燒。在0-200℃區(qū)間內(nèi)，生料進(jìn)行脫水處理。當(dāng)溫度上升至500℃時，高嶺石脫水后會生成偏高嶺石，再將溫度上升至800℃時，生料中CaCO2會分解成CO2和CaO，這是由于CaCO2受熱發(fā)生的變化。在800℃溫度下，CaCO2出現(xiàn)分解吸熱峰情況，與4號生料相比，1號生料會移動至低溫區(qū)域，主要是由于1號生料內(nèi)有較少含量的石灰石，而且存在較多的煤矸石和尾礦所引起的。

（三）水泥的凝結(jié)時間和水化放熱

將煤矸石中鋁質(zhì)材料，與石膏按96:4混合后，在IM=1.55和SM=2.55，以及KH為0.89、0.91、0.93、0.95標(biāo)準(zhǔn)下配置生料，結(jié)合試驗(yàn)確定水泥凝結(jié)時間。煤矸石作為硅鋁質(zhì)原料，使水泥凝結(jié)時間符合標(biāo)準(zhǔn)。在不同配方中提高煅燒溫度，水泥制備過程中初凝、終凝時間都略有減少。水泥熟料制備過程中，將煤矸石和尾礦進(jìn)行熟料制備，在礦物質(zhì)中豐富的微量元素對熟料煅燒產(chǎn)生明顯的礦化效果，在使CaCO含量減少的同時，有助于減少煅燒過程消耗的能量，使熟料質(zhì)量進(jìn)一步提升[2]。

（四）熟料的XRD圖譜分析

水泥熟料以煤矸石配料制備為主，在制備過程中按照KH、IM、SM各自的范圍進(jìn)行生料配制，產(chǎn)生的熟料中C、S等元素含量較高，但是在不同的熱工工藝處理后，熟料中各礦物質(zhì)含量會發(fā)生變化。以較低的煅燒溫度為例，會提升f-CaO在熟料中的含量。

（五）水泥熟料的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)熟料理論率值IM=1.55，SM=2.55，KH為0.89、0.91、0.93、0.95為標(biāo)準(zhǔn)配置生料，將煅燒后生成的熟料與石膏按照96:4比例混合配比，對水泥熟料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，在3d內(nèi)與PII42．5型硅酸鹽水泥強(qiáng)度相比較低，在28d強(qiáng)度會與PⅡ42．5型硅酸鹽水泥相同。

結(jié)論：

綜上所述，將煤矸石作為硅鋁質(zhì)原料進(jìn)行水泥生料配制時，按照熟料率KH在0.89-0.95范圍，IM在1.2-1.6范圍內(nèi)，SM在2.1-2.6范圍內(nèi)，對配置的生料放置在1400℃下進(jìn)行煅燒，可以生成符合安定性的水泥熟料。