作者：陳友德１，錢秋蘭１，高文１，李振華１，董豔春２
１ 天津水泥工業設計研究院****，２ 康達（承德）水泥****
飛砂料是預分解窯生產中經常出現的現象，對窯的生產操作和熟料質量均產生一定的影響，成為生產操作人員關注的焦點。國內很少見到有關單位系統研究的報道，只有一些生產廠家寫的有關飛砂料現象及減緩措施的文章，散見於各類刊物中，既不系統，也較零亂。本文主要以天津水泥工業設計研究院****的研究、生產實踐，同時借助國外的一些研究成果及國內一些生產線實際生產情況?
薰初步分析其生成原因和減緩措施，以促進國內有關單位的重視，加強此方面的研究，從根本上解決這個問題。
１飛砂料的危害性
預分解窯生產過程中，經常出現飛砂料，一些工廠介紹的文章稱熟料顆粒小於１ｍｍ時，稱之為飛砂料，少的低於窯產量的１０％，多的高達２０％～３０％，其危害性如下：
飛砂料易磨性差，不利於水泥粉磨。國外資料介紹純飛砂料易磨性差，個別資料稱粉磨時較正常熟料增加電耗２０％～３０％。
飛砂料形成熱高。國外資料介紹較普通熟料增加約熟料的強度亦較正常熟料低。
熟料在窯內煅燒時，受離心力的作用，產生離析，大顆粒一般集中在中間，隨著顆粒直徑變小，細顆粒則集中在窯筒體一邊。當熟料從窯頭落至篦床上時，大顆粒集中在一側，細顆粒集中在另一側，篦床橫截面中部為粗細顆粒的過渡部位。當窯速較快且窯內細顆粒飛砂熟料較多時，細顆粒集中在一側的現象尤為明顯。
堆積的細顆粒料層密度高，篦下冷風不易透過，熟料得不到冷卻，形成一條高溫紅色熟料帶（俗稱紅河），極易損壞料層下的篦板。
當篦冷機的噴速較高時，飛砂料則隨高溫熱氣流入窯和入三次風管，在此過程中，未經冷卻的飛砂料將熱量傳遞給三次風，提高了三次風溫，但飛砂料進入三次風管時，因其磨蝕性強，易對三次風管內耐火材料和三次風閥板造成磨蝕；當大量的飛砂料進入分解爐時，易使物料過熱，加重分解爐內物料負荷，影響了入窯物料分解率的控制。
飛砂料顆粒隨二次風入窯，再次在窯內加熱，易產生熟料的重結晶，再次產生不易粉磨的飛砂料；形成飛砂料的生產迴圈也影響窯的操作，在一定程度上造成熱工制度的混亂，同時造成窯頭混蝕，影響正確地判斷火焰溫度，此外飛砂料也易造成窯頭護板及耐火澆注料的磨蝕。
２飛砂料的主要成分
國外的研究報道稱，飛砂料主要是熟料煅燒過程中，生成的大晶格熟料，此類熟料不易成球，易形成粉塵料。我院的巖相分析也證明了飛砂料的晶格情況（圖１）。
飛砂料主要是在熟料煅燒過程中形成的，要分析其形成的原因，首先要對熟料在窯內煅燒過程中的物理、化學作用作一分析，也就是對窯內各帶作一介紹。
３熟料在窯內煅燒過程
窯料在預分解窯內煅燒成熟料時，根據其物理、化學作用過程，大致分成５個帶：即分解帶、過渡帶、液相燒成帶、最高溫度燒成帶、冷卻帶，各帶是根據其功能決定的，其長度因功能變化而變化，各帶的主要功能介紹如下：
３．１預熱器分解爐系統（ｃｚ）
從預熱器、分解爐系統的入窯生料分解率一般均大於９０％，未分解的生料在此帶加熱分解，已分解的生料中的ｆｃａｏ與ｓｉｏ２顆粒作用生成ｃ２ｓ，ｃ２ｓ生成時要放出熱量生料在此帶內較快的加熱分解，帶內有少量的ｃ２ｓ與游離ｃａｏ生成ｃ３ｓ。
預分解窯內的分解帶與入窯物料分解率有關，分解率愈高則此帶愈短。分解率愈低則帶愈長。
３．２過渡帶（ｈｚ）
物料從９００℃加熱至１３００℃，在此帶內物料溫度增加很快，液相僅有少量出現，但溫度上公升到～１３００℃時，液相突然大量增加，進入液相燒成帶。
３．３液相燒成帶（ｌｚ）
此帶內，液相已大量生成，隨著溫度增加，液相增加的速率不高，熟料顆粒開始形成。熟料顆粒的形成，取決於液相的性質和數量、顆粒在物料中的分布和在液相帶內停留的時間。在液相燒成帶內ｃ３ｓ開始生成，由於溫度增加，則ｃ３ｓ生成量愈來愈多，其晶格隨溫度增加而增大，當ｃ３ｓ晶格過大時，將不易成球，形成飛砂料。
３．４最高溫度燒成帶（ｍｚ）
最高溫度燒成帶在火焰的最高溫度部位，窯內物料溫度達到最高值，ｃ３ｓ完全生成，熟料完成成球，熟料在此帶內完成全部煅燒過程。
３．５冷卻帶（ａｚ）
此帶內熟料開始降溫，熟料固化。
３．６窯內各帶氣體溫度、物料溫度、液相量、ｃ３ｓ生成率
窯內各帶氣體溫度、物料溫度、液相量、ｃ３ｓ生成率見圖２。
３．７窯內熟料顆粒生成情況
飛砂料的形成與熟料顆粒有關，更與ｃ３ｓ晶體生成的大小有著直接關係，也就是窯料在形成熟料過程中，在窯內各帶停留時間有關，更與窯料的內在效能有關。國外的研究資料稱：一些易燒的生料較易地完成煅燒熟料的物理、化學功能，即過渡帶、液相燒成帶較長、最大溫度燒成帶較短時且煅燒溫度相對較低時，ｃ３ｓ不易生成大晶格，熟料易結粒（圖４）。
而難燒的生料在煅燒過程中，在過渡帶、液相燒成帶停留時間較短，而在最大燒成帶停留時間較長，且溫度較高時，在此條件下，易生成大晶格的ｃ３ｓ，此類礦物不易成球，易生成飛砂料（圖３）。
４影響熟料結粒的因素
窯內熟料顆粒是在液相（有些資料稱熔體）作用下形成的，液相在晶體外形成毛細管橋。液相毛細管橋起到兩個作用：一是使顆粒結合在一起，另一作用是作為是中間介質，使ｃａｏ和ｃ２ｓ在熔融態內擴散生成ｃ３ｓ，顆粒的強度取決於毛細管橋的強度，橋的強度即連線顆粒的力隨液相表面張力和顆粒直徑的降低而增加。
毛細管橋的數量又和顆粒直徑的平方根成反比。要結好粒，必須有足夠的液相，並要求顆粒在液相內分布均勻，形成較高的表面張力和適宜的結粒時間和溫度。現對影響結粒的因素作一敘述。
４．１液相量
窯內液相量太少不易結粒，太多結成緻密的大塊熟料。液相量的計算公式較多，用得較多的計算公式為：
１４００℃時液相量
液相量在２５％～２８％時，對結粒最有利。
４．２生料易燒性
易燒性是指生料轉變為所企望的熟料相成分難易的程度，通過原料的化學成分、礦物效能和細度來確定，現將經多次優化的公司的易燒性公式表述如下：
式中時煅燒３０ｍｉｎ後的游離氧化
鈣 的粗顆粒石英
的粗顆粒石灰石
的其他酸性不溶礦物（長石等）
方程式前半部份表示生料化學效能所起的作用，從公式來看，石灰飽和係數ｌｓｆ、矽酸率ａｍ愈高，則ｆｃａｏ的值愈高，煅燒溫度也愈高，方程式的後半部份則表示生料中不同礦物的細度對易燒性所起的作用，其中尤為受到關注的是水泥熟料內主要原料的粗顆粒ｓｉｏ２及少量酸性不溶物，對易燒性有較大的影響，此外大於１２５μｍ的石灰石顆粒也有一定影響。
公式表明，在１４００℃時生料易燒性實驗時，其所得的ｆｃａｏ數值愈低，生料易燒，則燒成帶火焰溫度相應低些，相應易結粒，若生料易燒性實驗的ｆｃａｏ值愈高，生料難燒，則燒成帶火焰溫度也愈高，相應結粒差些，易生成飛砂料。
４．３生料成分、細度的均勻性
上節所述，不同成分的生料和細度對易燒性都有一定的影響，在生產的過程中，當出現原料成分及細度發生較大變化時，必然會引起物料在窯內物理、化學作用的位置及溫度的變化，將會引起熟料結粒的變化，當生料成分和細度變化的情況符合形成飛砂料的條件時，便會形成飛砂料。
４．４液相表面張力
液相表面張力是液相的重要性質，與結粒有著直接的關係。液相表面張力增大易結粒，熟料顆粒的大小與液相表面張力呈良好的線性關係見圖５。
液相的表面張力與元素外層電子的負電性有關，有些元素如：ｋ、ｃｌ、ｓ的表面張力值較低，不利於結粒。而ｍｇ、ａｌ等元素的表面張力值較高，有利於結粒。
一般熟料液相內含有幾種元素，它們之間的表面張力並非單元素表面張力的疊加。
液相表面張力與溫度有關，不同成分的熟料液相表面張力值在同一溫度時有所不同，但隨溫度的公升高，其液相表面張力值有所下降。圖６為ｐ＝１．３８純氧化物熟料的液相表面張力值與溫度的關係。
４．５液相粘度
不同成分熟料的液相粘度值是不同的，一般說來液相粘度值減少易結粒，液相粘度與溫度有關，隨溫度上公升而下降。
幾種元素共存的液相粘度值並非單元素值的疊加。
近年來，國內一些單位相繼報導了對結皮和結粒有較大的影響。為解釋此現象，現將復合存在時液相等粘度線示於圖７。從圖７來看，ｒ２ｏ含量增加，粘度值增加較大，不利於結粒。
ｓｏ３含量增加，粘度值降低，但ｓｏ３的粘度值較ｒ２ｏ低得多，因此ｓｏ３存在時結粒有所改善。若ｒ２ｏ、ｓｏ３均存在時，ｍｇｏ含量增加，液相粘度值大大降低，有利於結粒。
４．６物料在窯內各帶停留時間的影響
原料成分，入窯物料分解率，火焰形狀等因素，決定了物料在窯內各帶的停留時間，也決定了熟料結粒的大小。
若原料不易煅燒，入窯物料分解率低，相應物料在分解帶和過渡帶停留時間就長，而在熔融帶的停留時間就短些。在此條件下，易生成大晶格的ｃ２ｓ，此類ｃ２ｓ和ｆｃａｏ很難結合也難結粒。若生料中有難燒物質，則需較高的燒成溫度，此時未結粒物質反應較快，ｃ３ｓ在此條件下易生成難以結粒的大晶格礦物。
４．７生料率值的影響
ｋｈ值高，物料不易煅燒，所需的煅燒溫度高，最高溫度帶較長，相應熔融帶縮短，易結細粒。
矽酸率ｓｍ增加，燒成溫度增高（圖８），物料不易煅燒，易結細粒。
鋁氧率ａｍ增加，液相粘度增大，燒成溫度增高，物料熔融困難，ｃ２ｓ和ｆｃａｏ結合生成ｃ３ｓ困難。
液相量與鋁氧率和溫度有一定的關係，當ａｍ＝１．６３時，有利於結粒。ａｍ值偏離１．６３值愈大，對熟料結粒愈不利。
５減緩飛砂料的措施
從一些發表的研究資料和生產過程中出現的飛砂情況來看，飛砂料的起因很複雜，涉及到生料成分、生料細度、生料均勻性以及熟料煅燒狀況、燃料效能、熟料在煅燒過程中在窯內各帶的停留時間及煅燒溫度、工藝裝備狀況等均有一定程度的關係，在生產過程中，尋找飛砂料的成因及解決措施是有一定的複雜性，為簡化措施，重點從原料效能和煅燒狀況來解決。
５．１原料效能
當生產過程中，出現飛砂料時，應考慮在不影響熟料強度和效能的前提下，適當改變配料率值，如降低ｋｈ值、矽酸率ｓｍ值，將鋁氧率ａｍ值接近１．６３，適當降低易燒性指數、提高液相量、減少不易磨易和煅燒的大顆粒石英和石灰石等物質，適當調節原料中的的含量。使原料成分、生料易燒性、液相表面張力液體粘度等均有利於結粒。
生產過程中，盡可能保持生料成分的均勻，以避免出現不利於結粒的成分和細度波動值過大的生料入窯。
５．２改善窯的操作
為使熟料結粒均齊，應盡量提高入窯物粒分解率，改善篦冷機的操作，盡可能提高二次和三次風溫，改善噴煤管火焰形狀，延長物料在窯內分解帶和過渡帶和液相燒成帶的停留時間，在最高溫度帶保持合適的燒成溫度，以上操作狀況有利生成小晶格ｃ３ｓ料，也有利於結粒。
提高入窯物料分解率的措施是加強窯、預熱器、三次風管、廢氣管道等裝備的密閉，減少漏風，改善預熱器、分解爐的效能，提高換熱效率，增強上述裝備的隔熱，減少散熱損失等。
在操作中，盡量避免物料在過渡帶、液相燒成帶過短的停留，在最高溫度燒成帶過長時間停留及過高的燒成溫度，上述操作狀況有利於生成大晶格的ｃ３ｓ，不利於熟料結粒。
當前，生產過程中出現燃料品位降低，燃料所含的熱值、灰分、揮發分、硫含量、水分的數值變化較大，因此必須配用與燃料效能變化相匹配的燃燒器，以保證火焰形狀有利於結粒。
在生產過程中，盡量避免過高提產，此時入窯物料分解率一般較低，易出現窯料在窯內欠燒，不得不延長最高溫度燒成帶和提高燒成溫度來降低熟料中的ｆｃａｏ，造成ｃ３ｓ晶格過大，生成飛砂料。同時應避免窯內呈還原氣氛，此種狀況雖然入窯物料的分解率較高，但窯內火焰燃燒不充分，不利於物料的熱交換，當物料進入最高溫度燒成帶時只得延長燒成帶的長度和提高燒成溫度，來降低熟料中的ｆｃａｏ，此時，易生成大晶格熟料飛砂料。
６結束語
飛砂料是預分解窯生產過程中經常出現的現象，對生產造成一定的危害。為了減緩飛砂料，應從窯內熟料形成的物理、化學作用入手，分析尋找飛砂料形成的原因，如原料效能以及窯內煅燒過程中，熟料在各帶的停留時間和溫度，尤其是液相燒成帶和最高溫度燒成帶的停留時間和溫度對結粒的影響，從而找出減緩飛砂料生成的措施。
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