0　引言
　　所謂飛砂是回轉(zhuǎn)窯燒成帶產(chǎn)生大量細粒并飛揚的熟料。這種飛砂料的大小一般在1mm以下，在窯內(nèi)到處飛揚[1]。飛砂料的出現(xiàn)，既影響熟料質(zhì)量，又影響窯的操作。據(jù)報導[2]，大同水泥廠曾因飛砂料的出現(xiàn)被迫降低煅燒溫度，從而使熟料強度下降5MPa。關于飛砂的成因，文獻[1]認為，主要是SiO2含量太高、Al2O3和Fe2O3含量太低，因而液相出現(xiàn)太慢、液相量太少，熟料難以結粒，導致飛砂；另一原因是火焰太長，煅燒溫度不夠高，在料層中還存在大量不飛揚的料粒，未能結粒，待物料進入冷卻帶，細料粒才到處飛揚。文獻[1]還提出，克服飛砂的方法，若是由于SiO2太高引起則應適當降低硅酸率；若是由于煅燒操作中火焰太長而引起，則應適當縮短火焰或縮短高溫帶。筆者認為，還有一種飛砂是由于粘散料引起，而粘散料的產(chǎn)生則是由于高溫液相的表面張力太小所致。喬齡山[3]在分析飛砂形成機理時認為，“國內(nèi)水泥生產(chǎn)者忽視了液相表面張力和結粒的問題”，“要使熟料有一定的結粒度，熟料液相應有足夠的表面張力才能結成較好的顆?！?。他還指出:“硫酸鹽飽和度過高降低了液相粘度和表面張力”。這些觀點筆者很贊同。他所提出的表面張力太小形成的飛砂實際上是一種粘散料，這種飛砂的產(chǎn)生與液相量少所引起的飛砂在機理上完全不同。因此，解決這種飛砂的措施也應該完全有別于液相量少所產(chǎn)生的飛砂。本文在前人研究工作的基礎上從硅酸鹽物理化學角度討論飛砂的成因并提出預防和解決飛砂問題的措施或途徑。
1　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料結粒的機理
　　從水泥工藝學原理看，水泥熟料是一種多礦物的集合體，是結晶細小的人造巖石。這些結晶一般都在100μm以下，即小于0.1mm。有人認為，水泥熟料中礦物晶體的平均尺寸為:阿利特65μm以下，貝利特55μm以下。出冷卻機的熟料塊度一般都在5～25mm，甚至更大些，是什么力量使幾十微米的小晶體“粘結”成幾毫米至幾十毫米的熟料？答案是熟料液相，是熟料液相將這些細小的晶體“粘結”起來。因此，熟料液相的數(shù)量和性質(zhì)對熟料的結粒大小起著關鍵作用。液相的什么性質(zhì)使它對小晶體有粘結力？主要是表面張力。
　　水泥熟料的燒結是在有液相的情況下進行的。在固相反應之前，物料呈粉狀。在過渡帶主要是固相反應，生料中的CaO與SiO2、Al2O3、Fe2O3起化學反應生成C2S、C3A和C4AF，此外尚有一部分未起化學反應的CaO(約12%～13%)，物料呈細粒狀或粉狀。到了燒成帶，隨著煅燒溫度提高，開始出現(xiàn)液相，其液相量大約在20%～28%。在水泥熟料燒結過程中，液相有2種作用:一是為C2S+CaO→C3S的反應提供條件，使C2S和CaO溶于液相起化學反應，生成C3S；另一作用是像“膠結劑”一樣，潤濕窯內(nèi)物料，從而使出窯熟料塊度遠遠大于入窯物料的粒度。
　　從硅酸鹽物理化學角度看，物料燒結的主要動力是粒子的表面張力。物料燒結一種是固相與固相之間的燒結；另一種是有液相或汽相情況下的燒結。我們首先討論有液相而不存在化學反應情況下的燒結。文獻[4]認為，使粒子拉緊的毛細管力主要有2部分:一是沿液相彎曲表面的2個方向上的壓力差引起的力ΔP=σ(1/ρ2-1/ρ1)，式中σ和ρ2、ρ1分別為液相彎曲面上的表面張力和半徑，見圖1。液相內(nèi)部的壓力比外部的小，顆粒在力的作用下受到壓緊作用，其作用力F1=ΔP•S，式中S為液相與固體界面壓力的垂直方向的投影面積，即粒子之間的凹橋強度與液相表面張力及粒子的直徑成正比；另一作用力是沿液相與固體接觸的周長，由液相表面張力引起的力F2。F2=Cσsin(ψ+θ)，C表示濕潤周長；ψ表示取決于液相量的角；θ表示濕潤邊界角。拉緊顆粒的總力為F=F1+F2。從上面的公式可看出，這2種拉緊顆粒的力都與表面張力成正比。另外，存在著將2個顆粒分開的外力，此力與顆粒的質(zhì)量P即與顆粒直徑的三次方成正比，因此由表面張力粘結而成的顆粒強度與液相表面張力成正比，而與粒徑成反比。即最終團粒的大小取決于表面張力和粒徑大小。當顆粒尺寸因粘結而增大到一定程度時，顆粒不再增大。在水泥熟料煅燒過程中，若液相包圍的是化學成分相同的2個粒子，則這2個粒子只能靠冷卻時液相的凝固而把它們連接起來。

圖1　顆粒和液相薄層燒結時它們之間作用力圖解[4]
　　不過，在熟料顆粒生長時，2個化學成分不同的粒子如C2S和CaO，則表面張力的粘結可為結晶所代替。因為C2S和CaO通過溶解擴散進行化學反應而結晶出C3S，粒子由固相連接，使液相連接由固相連接所代替。如果這2個粒子間沒有或有很少液相，若煅燒溫度足夠高，則也可在粒子內(nèi)的接觸處形成C3S。但由于沒有液相，這些晶體只能靠堆積作用與其它C3S相結合，它們通過表面的相互接觸而吸引在一起，因此易產(chǎn)生粉狀物料。在生產(chǎn)中，若SM太高，液相量太少，則缺乏足夠的液相將C2S和CaO相連或潤濕，或IM太高，液相大量出現(xiàn)太遲，就易產(chǎn)生粉狀物料，即飛砂現(xiàn)象。
2　飛砂產(chǎn)生的原因 　　
2.1　液相量不足是飛砂的主要原因
　　從上面的討論可以看出，產(chǎn)生飛砂主要是液相量太少的緣故。物料在燒成帶停留的時間很短，預分解窯約10～15min，濕法窯最長也不過25～30min。若沒有液相，C2S和CaO粒子通過固相反應長大至1mm以上是十分困難的。其結果是，這些細粒子隨窯內(nèi)氣體懸浮并被氣體帶走，即所謂飛砂。王杰曾[2]發(fā)現(xiàn)，飛砂料的CaO含量高，其硅酸率達3.31，說明飛砂料中液相很少，即飛砂是由液相量不足引起。液相量太大，熟料易結大塊，這是眾所周知的事實。反過來說，液相量少則熟料結粒小，液相量太少則熟料結粒太小，則產(chǎn)生飛砂。鋁率太高，液相量隨溫度提高而增加的速度太慢，也易產(chǎn)生飛砂。還原氣氛使Fe2O3變成FeO，也使液相量減少，從而產(chǎn)生飛砂。圖2為Fe2O3還原成FeO對液相量的影響。從圖2可見，在還原氣氛下，液相量減少。

圖2　熟料在氧化氣氛和Fe2O3全部還原成FeO時液相量含量與溫度的關系[2]
　　熟料礦物組成:C3S70%，C2S15%，C2F15%
　　很多人認為過渡帶長是飛砂的原因。筆者認為，過渡帶長只是現(xiàn)象，其根本原因在于液相量少，或液相量增加的速度太慢，不能及時產(chǎn)生足夠的液相將C2S和C3S等晶體連結在一起或通過化學反應生成C3S而連結在一起，因此產(chǎn)生飛砂。
2.2　表面張力太小是產(chǎn)生粘散料飛砂的原因
　　粘散料的特點是燒成帶物料過粘，成片狀下塌滑動，很少滾動，難以結粒，產(chǎn)生大量飛砂。液相表面張力太小是粘散料產(chǎn)生的主要原因。根據(jù)V•V•提姆阿瑟夫[5]的計算，熟料平均粒徑與表面張力有一個近乎線性的關系，表面張力每減少0.1N/m，熟料粒度減小10mm。圖3為熟料粒徑與硫酸鹽化程度的關系。從圖可見，當硫酸鹽化程度從67%增大至140%時(硫酸鹽含量從1.4%增加到2.3%)，熟料d50從6mm下降至1.5mm。根據(jù)提姆阿瑟夫的測定，硫酸鹽化程度從67%增加至140%時，液相表面張力減少0.05N/m，也就是說，表面張力減少0.05N/m，熟料粒徑從6mm下降至1.5mm，粒度減少了4.5mm。據(jù)此可以認為，液相表面張力太小，會使熟料粒度變細，從而產(chǎn)生飛砂。文獻[6]認為，熟料含有鎂、堿和硫中任何一種時，都會降低液相表面張力，見圖4。據(jù)報導，當MgO含量增加1%時，表面張力降低0.019N/m，含4%MgO時的表面張力為0.51N/m。Na2O、K2O和SO3在熔融物中含量小于2%時，表面張力降低最劇烈。當分別加入2%的Na2O、K2O和SO3時，1450℃飽和熔融物表面張力從0.58N/m相應降低至0.46N/m、0.35N/m和0.36N/m。當繼續(xù)增加這些氧化物濃度達4%時，表面張力分別降低至0.40N/m、0.320N/m和0.333N/m。而純的Na2O和K2O的表面張力約為0.275N/m和0.150N/m。因此，在熟料中含有較多的堿和硫時，液相表面張力大幅度下降，熟料結粒細小，飛砂嚴重。淮海水泥廠[7]發(fā)現(xiàn)，當入窯生料中R2O大于1.0%時，物料難以結粒，大量飛砂產(chǎn)生。據(jù)介紹[2]，大同水泥廠的生料R2O>1.2%時，飛砂頻繁出現(xiàn)；當窯灰入窯量增加時，易出現(xiàn)飛砂。這2種情況均是由于堿含量大，使液相表面張力降低引起的。因為窯灰中堿含量比生料的高，窯灰入窯量增加就意味著增加堿含量。珠江水泥廠[8]原來控制LSF=94、SM=2.4、IM=1.5，窯的操作較好，熟料質(zhì)量高，后來希望再進一步提高熟料質(zhì)量而將LSF提高到96(SM和IM不變)，結果窯煅燒狀況較差，飛砂很大，窯口積“雪人”，三次風管沉降室堵塞，而熟料質(zhì)量未見升高反而下降。SM和IM保持不變，意味著液相量并不減少，為什么僅提高LSF就產(chǎn)生飛砂，可能是LSF提高迫使提高煅燒溫度。煅燒溫度提高，液相量應增加，但從圖5可見，表面張力的溫度系數(shù)為負值，溫度每提高1℃，表面張力下降2.3×10-4N/m。若提高煅燒溫度50℃，表面張力將下降0.0115N/m。大同水泥廠曾采用降低煅燒溫度的方法減少飛砂，收到成效。降低煅燒溫度其實質(zhì)是增大液相表面張力，從而使結粒變大。

圖3　不同硫酸鹽化程度對熟料顆粒分布的影響[5]

圖41450℃飽和熔融物表面張力等溫曲線[6]

圖5　熟料熔融物的表面張力與溫度的關系[6]
3　避免飛砂的措施 　　
3.1　配料方案必須與煅燒溫度相適應
　　液相量太少和液相量的大量出現(xiàn)太遲是飛砂的主要原因，因此保持適當?shù)囊合嗔渴潜苊怙w砂的主要措施。由于液相量與熟料的化學成分和煅燒溫度有關，合理的配料方案和合適的煅燒溫度是十分必要的。從配料方案來看，反映液相量的率值主要是硅酸率，而液相量隨溫度而增加的速度與鋁率有關。硅酸率太高則液相量太少，鋁率太高則液相隨溫度提高增加速度慢，即液相大量出現(xiàn)的時間遲。煅燒溫度高，則液相量增大，反之降低煅燒溫度則液相量減少。因此配料方案必須與熟料煅燒溫度相適應。如果熟料煅燒溫度高，則硅酸率可高些，鋁率也可高些；反之則不能。例如，國內(nèi)大型預分解窯熟料硅酸率一般都在2.5以上，但對某些小型旋風預熱器窯，2.5的硅酸率可能偏高。某一600t/d的五級旋風預熱器窯所用的燃煤與某大型預分解窯的相同，當硅酸率為2.5時，飛砂嚴重，后來將硅酸率降低至2.3左右，熟料煅燒正常，強度達64MPa，產(chǎn)量也達到設計指標。在這里要指出2個問題，一是不同窯型煅燒溫度可能不同。一般說來，大型預分解窯內(nèi)煅燒溫度高，旋風預熱器窯煅燒溫度比預分解窯低，但比濕法窯或干法中空窯的高些。因此，配料方案必須根據(jù)窯型和窯徑大小而異。其次，煅燒溫度與火焰溫度和火焰形狀有關。而影響火焰溫度的主要因素有煤粉的質(zhì)量(發(fā)熱量、水分和細度)以及一、二次風溫，特別是二次風溫的高低以及一、二次風的比例。一般說來，煤的發(fā)熱量高，煤粉的細度細，水分少，二次風溫高且用量大，則火焰溫度高。就相同質(zhì)量的煤粉而言，使用三通道噴煤管由于一次風比例小，二次風比例大，火焰粗短，其火焰溫度比單通道噴煤管的火焰溫度高。另外，由于結構的原因，三通道噴煤管使煤粉的燃燒狀況比單通道噴煤管要好，火焰粗短。此外用篦冷機冷卻熟料時二次風溫比單筒和多筒冷卻機的高。還有一點，就是考慮硅酸率時，必須考慮一些微組分如MgO、R2O和SO3的影響，因為這些微組分都會在燒成過程中以液相出現(xiàn)，增加液相量并影響液相粘度以及液相表面張力。
3.2　避免用高堿高鎂原料和高硫燃煤
　　降低熟料中堿和硫的含量必須避免用高堿的原料和高硫的燃料。一般說來，堿主要來自粘土質(zhì)原料，也有一些是來自石灰石，因此在選擇原料和燃煤時應嚴格控制堿和硫的含量。MgO不僅可增加液相量，降低液相粘度，還可降低液相表面張力。因此，若MgO含量太高，加上一定數(shù)量的K2O、Na2O和SO3，也可產(chǎn)生粘散料，形成飛砂。白鰭豚水泥有限公司[9]熟料R2O為1.0%，MgO為4.4%時，窯內(nèi)飛砂嚴重。但適當控制R2O和MgO含量，提高窯速，提高煤的細度，飛砂現(xiàn)象得到改善。如果限于原材料條件，非用高堿高鎂原料和高硫燃煤不可，那么應考慮這些微組分的影響，在配料方案上適當降低飽和比、提高硅酸率；在操作上避免用粗短的高溫火焰，而采用較長的低溫火焰。
3.3　減少窯灰入窯量
　　窯灰含堿量一般比生料的高，因此窯灰的入窯量應慎重考慮。特別是堿含量高的原料，其窯灰堿含量更高，應減少其窯灰入窯量，避免由于堿含量太高而引起粘散料類型的飛砂。對堿含量較低的窯灰，也應將其均勻摻入，即與出磨生料混合均勻后再入窯。窯灰中硫的含量也比生料的高，因此減少窯灰入窯量也將減少熟料中的硫含量。
3.4　提高煤粉質(zhì)量
　　要提高煤粉質(zhì)量，除了選擇熱值高的煤外，應特別注意煤粉的細度和水分。大同水泥廠曾發(fā)現(xiàn)，煤粉水分大(2.5%～3.5%)、煤粉粗(0.08mm篩余為2.5%～3.5%)時，還原氣氛嚴重，也易產(chǎn)生飛砂。
　　這里必須指出，飛砂是水泥熟料煅燒過程中的一種復雜現(xiàn)象，目前國內(nèi)對此研究較少。就目前的認識水平看，無論是產(chǎn)生機理還是預防措施，都有很多問題值得討論和研究。本文所提出的飛砂產(chǎn)生機理和預防措施僅僅是初步的。各廠應針對本廠的具體情況采取適合本廠的工藝措施，才能減少或避免飛砂產(chǎn)生。
　　參考文獻　　
　　[1]　中國建筑工業(yè)出版社，中國硅酸鹽學會.硅酸鹽辭典[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1984:360.
　　[2]　王杰曾，陸純煊.大同水泥廠飛砂圓球形成機理及消除方法的探討[A].第四屆水泥學術會議論文選集[C].北京:中國建材工業(yè)出版社，1992:135.
　　[3]　喬齡山.飛砂料形成的機理及解決辦法[J].水泥，1999，(8):19.
　　[4]　B B 季馬謝夫，Б C 阿爾巴茨.波特蘭水泥熟料液相的燒結過程[A].第六屆國際水泥化學會議論文集[C]，第1卷:水泥熟料化學.鐘白茜等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1980:300.
　　[5]　S Sprung.煅燒水泥熟料時的一些技術問題起因和解決辦法(內(nèi)部資料).趙炳源，田明生譯.
　　[6]　Ю M 布特，B B 季馬謝夫，A П 奧索金.熟料形成過程的機理和熟料的結構變型[A].第六屆國際水泥化學會議論文集[C]，第1卷:水泥熟料化學.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1980:233.
　　[7]　王桂章，王士軍，孫承梓.我廠SP窯窯前“飛砂”現(xiàn)象初探[J].水泥•石灰，1992，(3):10.
　　[8]　珠江水泥廠.日產(chǎn)4000噸SLC窯的運行[A].懸浮預熱和預分解窯技術經(jīng)驗交流會論文集[C].北京:中國建材工業(yè)出版社.1992:166.
　　[9]　張峰，于海峰.解決粘散料的措施[J].水泥，1999