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1、截止到 2001 年末，我国已投产的 1000t/d 生产线有 57 条，熟料设计生产能力总计为 1762 万 t/年 1，这些干法生产线投产后，几乎都遇到过窑 2834m 段结圈问题，圈一旦形成，使该处的横断面积显著减少，对窑的热工制度破坏较大，轻则影响窑内通风，熟料产质量下降，重则阻碍物料运动，窑尾出现漏料，导致窑尾密封装置变形损坏，不得不止料处理，频繁结后圈，使窑的运转率降低，煤耗、电耗、砖耗大幅度上升，造成较大的经济损失。引起结圈的因素很多，形成的机理也较复杂，它与原料性质、生料成分、燃料燃烧特性和燃烧状况、煤灰和生料组成、窑的操作和生产管理水平等有关。本文通过对不同地域、不同时期投产
2、的 1000t/d 窑出现的 2834m 段结圈的原因进行分析，并结合生产实践的体会和认识，谈谈该段结圈的预防和处理。1结圈原因分析由于预分解窑生料的预热分解在预热器和分解炉内进行，生料入窑时，已有 90%95%的碳酸盐分解。回转窑的功能之一是将剩余的碳酸钙迅速分解的同时，石灰石质同粘土质组分间，通过质点的相互扩散，进行固相反应，形成C3A、C 4AF、C 2S。因 2834m 段正是固相反应带和烧成带交界的过渡带，这个区域内，物料一方面接受火焰辐射对流传给的热量，另一方面由于熟料矿物固相反应是放热反应，固相反应放出的热量约为 420500J/g，理论上放热量达420J/g 时，就足以使物料温
3、度升高 300以上，物料从 900升到 1250的时间约为 56min。通常情况下，硅酸盐水泥生料在 1250开始出现液相，因此在 2834m 这个区域本应不存在液相的产生和固化过程，也就不可能结圈，但是由于原材料形成地质年代和岩相结构上的差异，物料组分中MgO、R 2O、SO 3、TiO 2、P 2O5等次要氧化物含量的不合理，生料成分波动大，窑内热工制度不稳定，燃料燃烧特性和燃烧状况差等方面原因，致使液相开始出现的温度降低，液相在固相反应带提前出现，为结圈创造了条件。1.1低品位石灰石的影响根据资料 2报道，从成岩分析，低品位石灰石是在不适合生物生长的深海还原环境下化学沉积而成:SiO 2
4、、Al 2O3、Fe 2O3、CaCO 3及 MgCO3等混合型沉积，没有生物的分异作用，再在较高的地温和巨大的地压作用下，CaCO 3与SiO2、Al 2O3、Fe 2O3成分可以相互压溶化合在一起，造成 CaCO3晶格十分不完善，甚至可以形成易烧的 CaSiO3(硅灰石)、CaSO 4、CaOAl 2O3、CaOFe 2O3等矿物；由于晶格缺陷，SiO 2、Fe 2O3、Al 2O3、MgCO 3、SO 3、R 2O、Cl -等复杂成分增加，使 CaCO3分解温度和液相出现温度下降，这就易结圈。如西北某厂 1000t/d 生产线于 2001 年 11 月份进入调试和生产阶段，调试期间频繁出
5、现结后圈，最严重一次为 2002 年 2 月，刚点火 35h 就在窑 32m 处结圈，窑头返火严重，窑尾压力达-1500Pa 以上，被迫停窑，冷窑后进去打圈，发现结圈处只有 800mm 左右的孔，后又重复出现几次严重结圈，当时用的石灰石 CaO 仅为 45%，SiO 2等其他成分含量高达 8%9%，后经更换石灰石供应点，石灰石中 CaO 提高到 48%以上，结圈现象减少。1.2粘土质原料的影响试验表明:CaO 在 SiO2晶格中的扩散速度比 SiO2在 CaO 晶格中高 34 倍，因此，SiO 2相往往是生料活性的决定性因素，也是决定后圈能否形成的主导成分，我公司 1000t/d 预分解窑自
6、1997 年 12 月份投产，硅质原料一直由高硅粘土与中硅粘土两组分搭配使用，虽然不同点的中硅和高硅化学成分差异不大，如表 1，但是，不同的点搭配粉磨出来的生料易烧性差异较大，结后圈程度也不一样，见表 2。 表 1 我公司不同矿点中硅、高硅粘土成分 % 表 2 我公司不同点粘土搭配煅烧情况 1.3MgO 的影响据有关资料报道 3，适量 MgO(一般在生料中含量为 1.6%2.0%)可改善高硫碱比微组分对阿利特形成的不利影响，但是 MgO 含量超过 3.0%以上，则液相出现的温度降低，并且液相量增加迅速，液相粘度降低，烧成范围变窄，窑皮增长。河南新乡水泥厂 1992 年 6 月投产的 1000t
7、/d 预分解窑工艺线 4，1994年 12 月，由于石灰石的变化，熟料中 MgO 含量升高，波动在 2.6%4.9%之间，操作过程中出现长厚窑皮，由正常情况下的 1618m 拉长到 2430m，后圈高度达 600mm，窑内经常出大球，窑系统热工制度紊乱，熟料结粒粗大且不均匀，出现明显轻烧现象，产量降低，常因大蛋和后圈而停窑。我公司 2002 年 7 月18 日零点班窑 3336m 筒体温度最低为 187.5，最高为 304.6，看不到结圈，熟料产量 42t/h。白班 9:00 开始，入窑生料 MgO 含量慢慢升高，窑3336m 段开始长窑皮，至白班下班该段筒体温度最低处降为 120，18 日中
8、班 23:00，由于闪电下雨，高压电保护跳停，止火从窑头观察，窑 33m 处只剩下 1300mm 的洞，且圈后有 3 个 950mm 料球，来电后换用低镁石灰石库。19日零点班圈处窑皮不长，至交班时，3336m 段最低筒体温度已上升到 147，中班该圈全部垮掉。7 月 18 日 24h 取样平均结果(见表 3)，熟料中 MgO 达 5.25%，大大超出(正常熟料 MgO 约 2.3%)控制值范围。河南七里岗水泥厂 51000t/d 预分解窑 1998 年有一段时间，经常在窑中大齿轮前约 2m 即 34m 位置结圈，造成回转窑不能正常运转，有时从点火到圈完全形成约 50h，经取圈料进行分析(见表
9、 4)，MgO 含量有些偏高。 表 3 7 月 18 日熟料平均样分析结果 表 4 七里岗水泥厂圈料分析结果 1.4挥发性组分的影响一般情况下，生料最低共熔温度为 1250左右，HRifzmann 指出，硫酸钾、硫酸钙、硫酸钠共同存在时，最低共熔温度可低于 800，有氯化物存在时，最低共熔温度可接近 700；另一方面，挥发性组分形成的熔体会在生料或耐火砖表面铺展开来，起到“粘结剂”的作用，形成结圈。我公司 1000t/d 生产线 2001 年 1 月 18 日开始，从窑筒体温度扫描仪上观察到窑 3033.5m 位置长圈，为防止圈继续加厚，中控操作员采取加强煅烧操作，严格控制各工艺参数，降低煤粉
10、细度，降低窑尾温度，移动喷煤管位置等措施，圈不但没掉，而且越结越厚，到 1 月 20 日白班，窑头返火严重，被迫止料停窑。1 月 21 日人进窑打圈，发现 3033.5m 窑皮最厚达 680mm，最薄近400mm，从圈断面上看，圈不是一个整体，就象树的年轮一样，层次非常清晰，圈的表面很光滑，圈前后窑皮不厚，呈陡然凸起状，圈与耐火砖之间还有13mm 间隙，取圈样化验结果见表 5。 表 5 我公司 2001 年 1 月 18 日窑内圈样分析结果 注：SO 3是正常熟料的 57 倍(正常熟料 SO3约为 0.45%)。由表 5 表明，此圈为挥发性组分循环富集而结成的硫碱圈。我们重新选用中硅粘土，并且
11、在操作中提高烟室温度，此后窑连续运转 1 个多月，未见此段结圈影响生产。1.5配料方案的影响窑在 2834m 段能否成圈在很大程度上取决于与硅率有关的液相量，与铝率有关的液相量随温度而增加的速度及液相粘度，与石灰饱和系数有关的CaO/C2S 摩尔比。在水泥熟料烧结过程中，液相有 2 种作用:一是为C2S+CaOC 3S 的反应提供条件，使 C2S 和 CaO 溶于液相起化学反应，生成 C3S；另一作用是像“胶结剂”一样润湿窑内物料，从而使出窑熟料块度远远大于入窑物料的粒度和结窑皮；液相量以充填晶间孔隙 80%100%(相当于熟料质量的20%30%)为宜，充填率少于 80%，物料烧结不足，孔隙多
12、，不利于 CaO 和 SiO2的溶解与扩散，多形成100%，处于塑性状态的物料容易结成大于 30mm，甚至更大块，并且易在烧成带尾端即 2834m 结厚窑皮和圈，硅率低或者饱和比低，熟料中液相量就多，铝氧率低(Fe 2O3含量高)，熟料液相粘度低，液相表面张力也低，烧结范围变窄，一方面物料在固相反应带结圈、结蛋；另一方面，物料在烧成带又不易粘挂窑皮，严重磨损烧成带的耐火材料。另外 3在 3 个率值中，硅率 n 对挥发性组分的循环富集的影响也较大，硅率低，液相 100%填充物料的孔隙，使挥发组分的挥发受阻，从而使滞留物料中的K2SO4、Na 2SO4、CaSO 4、KCl 等含量增加，这进一步加
13、剧液相量生成，易结圈。如青海水泥厂 1000t/d 生产线 6，1998 年 10 月 28 日一次点火投料成功，但在投产后第 6第 7 月间，每次投料后 23d，在窑内过渡带部位即出现物料结蛋现象，并伴随后圈产生，蛋在圈后，这样料球无法越过结圈，而且越滚越大，结圈越结越厚，有时结圈处净空直径只剩 1m，而结蛋直径却可达 1.5m，后修改配料方案，结圈、结蛋问题得到根治，结圈前后熟料率值见表 6。 表 6 青海 1000t/d 窑结圈、结蛋前后配料熟料率值 1996 年 7 月点火投产的广西华宏水泥股份有限公司 7在试产当年出现几次后结圈，其特点是距窑口远，一般都在 30m 以外，其中 3 次
14、是由于生料 KH 低所致见表 7。 表 7 华宏 1000t/d 窑 3 次结圈熟料率值 1.6煤的燃烧特性及燃烧状况的影响不同种类、不同产地的煤，其燃烧特性差异较大，对窑的影响也很大，反映到操作上就是影响火焰的温度和火焰的长度、位置及形状，燃烧特性差的煤，挥发分开始析出的温度及着火温度均较高，火焰传播速度较慢，火焰温度下降，燃尽性能变差，一方面易在窑头形成细长的火焰形状，这种火焰有较强的向窑尾输送热量的能力，热量分配不合理，造成烧成带温度偏低，而窑尾温度显示正常或偏高，由于烧成带温度无仪表监控，窑中控操作员是根据窑尾烟室温度来操作的，在这种情况下，操作员往往误认为窑系统温度正常，热量后移使过
15、渡带温度过高，液相提前出现，增加了结长厚窑皮的因素；另一方面，这种火焰易在窑内产生机械和化学不完全燃烧，形成还原焰，产生大量 CO，使三价铁还原成二价铁，而 FeO 液相在 1100左右出现并能促使硅方解石2(CaOSiO 2)CaCO3的形成，而硅方解石在 11801220形成液相，这样就易使液相提前出现，将未熔的物料粘结在一起，造成结圈。另外煤粉的细度和烘煤用的废气粉尘浓度高也会导致液相提前出现，库尔曾指出:粗煤粒烧剩的焦煤粒掉落物料中燃烧时，能把其中的 Fe2O3还原成 FeO，与 SiO2反应生成低熔的铁橄榄石，其化学式为 2FeOSiO2，它与 C2S 形成一系列固溶体，其中钙铁橄榄
16、石(CFS)和 C2S 为有限固溶体，在 12001230时生成液相，用预热器废气进行煤烘干的生产线，在热风不净的情况下，窑灰会进入煤粉中，这样含有一定 CaO 的窑灰会使煤灰分熔点降低几百度，熔融的煤灰将促使 2834m 圈的形成。如 2001 年 8 月投产的浙江桐乡某 1000t/d 生产线，2002 年 4 月份，煤粉粗粉分离器内筒磨穿，煤粉细度粗(80m 方孔筛筛余达 12%以上)，且灰分大，造成黑火焰长，煤粉在射程内不能完全燃烧，还原气氛浓厚，主窑皮短且薄，副窑皮长而厚，常在 2836m 结圈，并且熟料黄心料多，停窑取圈样分析，Al2O3和 SiO2明显高于正常熟料，这与煤灰沉落掺入有关。后在 2002 年 5 月份大修时，更换了内筒，且把煤灰分控制在 28%以内，重新点火投料，窑内火焰顺畅、清亮、活泼有力，主窑皮增长(1416m)，副窑皮缩短(45m)，在窑内热力分布合理，28
