調(diào)整原料結(jié)構(gòu)提高整體效果
1、傳統(tǒng)原料的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)原料指的是：高品位石灰石(CaO>48%)、粘土、鐵粉、礦化劑。
高品位石灰石在地質(zhì)成巖理論上確立為：(1)是淺海、高能、氧化帶環(huán)境條件沉積。(2)是生物(珊瑚、貝類)吸收CaCO3以生物化學(xué)方式沉積。(3)通過地溫、地壓和時(shí)間集儲(chǔ)作用再膠結(jié)成巖。
這樣的成巖過程給燒水泥帶來的結(jié)果：(1)由于它是高能氧化帶(波浪翻動(dòng)帶)，生物要得到生存，必須在吸進(jìn)CaCO3時(shí)排出SiO2、Al2O3、Fe2O3等異己成分形成完整的晶格，達(dá)到最強(qiáng)結(jié)構(gòu)力來抗衡自然條件。最終結(jié)果是高品位石灰石CaCO3分解溫度高，起始分解溫度830℃、沸騰分解溫度950℃、終止分解溫度1100℃，是水泥能耗居高不下的根本原因之一。(2)被生物排出的異己成分由于處在氧化帶，都氧化成高價(jià)穩(wěn)定的化學(xué)成分，例Fe2+→Fe3+，SiO2的Si-O四面體以高粘度的架狀結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，Al2O3變成高配位穩(wěn)定成分。結(jié)果使石灰石燒成中內(nèi)部固相和液相反應(yīng)不完善，即缺乏自身的反應(yīng)能力，也缺乏內(nèi)在的物理化學(xué)能量。這是產(chǎn)量難以提高的因素之一。
粘土是天然不穩(wěn)定的母巖：沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖經(jīng)風(fēng)化后而達(dá)到最穩(wěn)定組成的一種巖石——第四紀(jì)粘土巖。它的基本缺點(diǎn)：(1)無論礦物組成或化學(xué)成分均簡單穩(wěn)定，如Si是以高粘度架狀結(jié)構(gòu)的石英礦物和高嶺土中的Si4O104-的高粘度層狀結(jié)構(gòu)體形式出現(xiàn)；Fe是高價(jià)的赤鐵Fe2O3和褐鐵Fe2O3、nH2O；Al是高熔點(diǎn)的含水鋁石和Al-O四面體中的高粘度Al。所以粘土中的主要化學(xué)成分對燒水泥來說都是惰性的化學(xué)成分。(2)由于礦物組成簡單穩(wěn)定、熔點(diǎn)高，如蒙脫石粘土熔點(diǎn)最低1350℃；一般的高嶺土粘土熔點(diǎn)在1580℃；多水高嶺土粘土則高達(dá)1730℃。所以用粘土(含稀土元素粘土除外)是不能節(jié)能和高產(chǎn)的基本結(jié)癥之一。
鐵粉一般是化工廠(硫酸廠)從硫鐵礦FeS2中在較低溫度下提取硫酸后剩下來的Fe2O3渣：(1)在提硫的低溫下(450～700℃)SiO2尚未能轉(zhuǎn)化為活性SiO2。(2)Fe、Al及其它成分都氧化成穩(wěn)定的高價(jià)離子，已經(jīng)損失掉原有地質(zhì)潛在的化學(xué)能量。例如FeS2中的Fe是Fe2+，提硫后變成了Fe3+，氧化放掉了能量。
從上面的分析可知：傳統(tǒng)原料具有高分解點(diǎn)、高熔點(diǎn)、高粘度、低潛能等特點(diǎn)，可以確定是高能耗料。由于有這樣的缺點(diǎn)，近年開發(fā)了礦化劑技術(shù)，例如硫(S)型礦化劑石膏(CaSO4)、重晶石(BaSO4)，主要用來降低石灰石分解溫度;氟(F)型CaF2、KF、NaF等主要用來對付粘土中惰性的SiO2，以提高溶解度和降低粘度;鋇(Ba)型礦化劑促進(jìn)熟料礦物改性。但這些礦化劑由于自身性質(zhì)所限，不能大劑量摻入，達(dá)不到量變到質(zhì)變，效果有限;這些礦化劑地質(zhì)儲(chǔ)量少、產(chǎn)出少、昂貴，給配料帶來難度，也增加成本。
此外傳統(tǒng)原料不僅易燒性差，相對易磨性也較差，所以從地質(zhì)眼光看傳統(tǒng)原料，可以提出這樣的看法：(1)用高品位石灰石是不經(jīng)濟(jì)的；(2)用粘土是不合理的；(3)用礦化劑是多余的。當(dāng)然，要因地制宜。
2、水泥燒成的關(guān)鍵與矛盾
SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO是水泥化學(xué)的四大組成成分，也是天然巖石的造巖成分。這四個(gè)成分已經(jīng)分析得很清楚：Al2O3、Fe2O3燒成升到800℃以上時(shí)會(huì)與CaO固相反應(yīng)，降溫到1300℃以下時(shí)會(huì)析出C4AF、C3A，是活性最大的組分。CaO到800℃以上與SiO2固相反應(yīng)生成C2S，到1250℃以上再與C2S液相反應(yīng)產(chǎn)出C3S。CaO的化合，取決于SiO2是否有能力。所謂能力，主要是SiO2在原料礦物中存在的結(jié)構(gòu)型式和它相對應(yīng)的粘度，表現(xiàn)它參與反應(yīng)的不同活性。所以SiO2是四大成分中決定易燒性的主導(dǎo)成分。對Si質(zhì)原料的選擇是燒成的第一關(guān)鍵。
燒成的第二關(guān)鍵是共熔點(diǎn)(最低共熔點(diǎn)，液相出現(xiàn)溫度)。它不僅決定著煤耗，更決定著CaO在液相中溶解進(jìn)入C2S，形成C3S。所以燒水泥主要技術(shù)關(guān)鍵是：SiO2和共熔點(diǎn)。應(yīng)該針對這兩個(gè)關(guān)鍵來采取各種技術(shù)措施。
燒水泥由于原料的分解點(diǎn)與共熔點(diǎn)不吻合而存在這樣一個(gè)矛盾：石灰石在燒成時(shí)的沸騰分解溫度是900～950℃，這時(shí)分解出來的CaO保持著CaCO3微孔型晶格、活性最高，可以形成C2S、C3A、C4AF。但沒有液相，不能擴(kuò)散來形成C3S，要等到最低共熔點(diǎn)(1250℃)出現(xiàn)液相時(shí)才有機(jī)會(huì)擴(kuò)散。但是CaO升到這個(gè)溫度已經(jīng)過燒(死燒石灰)，見圖1，原微孔型晶格6.7Å收縮到CaO立方體晶格1.06Å，活性鈍化。所以必須再提高溫度到1400～1500℃，使活性高起來，再進(jìn)入沸騰反應(yīng)階段，才能完成真正的燒成。這就產(chǎn)生了石灰石分解點(diǎn)與共熔點(diǎn)不一致的矛盾，導(dǎo)致水泥燒成能耗高、產(chǎn)量低、效果差。雖用了很多礦化劑技術(shù)，也難于扭轉(zhuǎn)這種狀況。
3、調(diào)整原料結(jié)構(gòu)的方向和模式
傳統(tǒng)原料存在地質(zhì)成因的缺點(diǎn)決定了燒成的關(guān)鍵性矛盾。應(yīng)該認(rèn)識：燒水泥是天然巖石通過人為的意圖再造就的一個(gè)人造巖石學(xué)過程，它的成分和形成因素與天然巖石完全一致。巖石燒巖石，燒水泥應(yīng)建立在天然巖石學(xué)基礎(chǔ)上。所以應(yīng)以地質(zhì)成巖理論為基礎(chǔ)，來選擇不飽和、低粘度SiO44-等絡(luò)陰離子的Si質(zhì)原料和低熔點(diǎn)巖礦原料。目的是在水泥燒成過程中SiO2能成為積極主動(dòng)參與反應(yīng)的成分，能使石灰石分解點(diǎn)與熔點(diǎn)吻合起來，從而提高燒成整體效果。
3.1 石灰石的調(diào)整方向
石灰石的調(diào)整方向應(yīng)該低品位化。從成巖分析，低品位石灰石是不適合生物生長的深海還原環(huán)境下化學(xué)沉積形成：(1)SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3、MgCO3等混合型沉積，沒有生物的分異作用。再在較高的地溫和巨大的地壓作用下，CaCO3與SiO2、Al2O3、Fe2O3成分可以相互壓溶化合在一起，造成CaCO3晶格十分不完善，甚至可以形成對燒成有利的CaSiO3(硅灰石)、CaSO4(石膏)、CaO·Al2O3、CaO·Fe2O3等礦物。(2)由于晶格缺陷，SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgCO3、K、Na等復(fù)雜成分的增加，使CaCO3的分解溫度下降;見圖2，CaO為48%的石灰石，沸騰分解點(diǎn)為860℃、CaO為45%時(shí)分解溫度為840℃、CaO為35%～40%時(shí)分解溫度下降到822.5℃。若是矽卡巖中CaCO3分解溫度可以低到750～800℃。這是降低燒成熱耗的一個(gè)關(guān)鍵。(3)它是缺氧、缺生物活動(dòng)環(huán)境沉積，沉積的變價(jià)金屬離子都是趨于低價(jià)化，例如Fe2O3還原成FeS2或FeO，積蓄了化學(xué)能量;另外海洋中浮游生物死亡沉積和陸上帶去的有機(jī)質(zhì)沉積下去均能保持炭質(zhì)(C)(寒武以前灰?guī)r除外，因?yàn)榈厍蛏线€沒有生物)。例如廣東石炭系沉積CaO45%以下灰?guī)r發(fā)熱量有418～627kJ/kg;浙江寒武系低品位灰?guī)r發(fā)熱量有83.6～125.4kJ/kg。在燒成中發(fā)揮這種能量的作用，會(huì)達(dá)到很好節(jié)能效果。(4)低品位石灰石成分復(fù)雜，礦物組成較多，巖石結(jié)構(gòu)力弱，易磨性好，能起到提高磨機(jī)產(chǎn)量的效果。(5)SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3因機(jī)械沉積，成巖時(shí)巨大的地壓形成它們緊密結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu)，在燒成時(shí)可以進(jìn)行很好的固相反應(yīng)，也利于液相反應(yīng)。(6)在巖石中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO是成互輔平衡的關(guān)系。CaO低，SiO2、Al2O3、Fe2O3一定升高。這樣可以代替掉粘土或部分粘土，可以減少用粘土的工藝成本。例如浙江臨安青山水泥廠用CaO40%～44%石灰石+煤兩組分，能耗在3344kJ/kg熟料以下，產(chǎn)量高，強(qiáng)度也好。
3.2 粘土原料的調(diào)整方向
以地質(zhì)巖石存在的熔點(diǎn)規(guī)律：(1)SiO2含量高、飽和度高、熔點(diǎn)高、熔液粘度大。(2)巖石中礦物組成簡單的熔點(diǎn)高，復(fù)雜的熔點(diǎn)低、結(jié)構(gòu)力弱?？偟娜埸c(diǎn)規(guī)律：粘土類最高，變質(zhì)巖類最低：粘土>沉積巖>巖漿巖>變質(zhì)巖。
從降低共熔點(diǎn)和SiO2粘度出發(fā)，調(diào)整粘土原料的方向應(yīng)該?