马家沟组石灰岩作为冶金石灰的焙烧研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶 工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 马家沟组石灰岩作为冶金石灰的焙烧研究① 董武斌 太钢矿业分公司东山石灰石矿，山西太原0 3 0 0 0 3 摘要针对盂县马家沟组灰岩煅烧时容易爆裂的特点，对比峰峰组石灰石，从微观结构、实验室马弗炉焙烧两方面对马家沟组石 灰石进行了研究。这些研究为利用回转窑煅烧马家沟组石灰岩提供了一定的技术支撑。 关键词马家沟组石灰岩；冶金石灰；焙烧 中图分类号T F 0 4 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．1 1 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 4 2 3 0 4 石灰岩作为冶金石灰原料，在钢铁工业中起着重 要作用J ，随着钢铁工业的快速发展，该资源甚至已 经形成了新的资源瓶颈。石灰岩从地质成形上分为峰 峰组和马家沟组。两种灰岩的自身结构特性，导致在 焙烧工艺条件一致的情况下，成品石灰、焙烧工艺参数 和回转窑窑况等有很大差异。分析两种灰岩矿物的热 破碎性，对石灰的焙烧工艺具有重要的指导意义。为 了澄清差异特性，针对盂县马家沟组灰岩容易爆裂的 特点旧J ，我们对比峰峰组石灰石进行了一系列的对比 研究使用偏光显微镜观察石灰石组成及形态、使用扫 描电镜观察石灰石／石灰微观结构、使用能谱仪分析石 灰石／石灰组成成份、利用实验室马弗炉进行焙烧试 验。这些研究为马家沟组灰岩利用回转窑煅烧提供了 一定的技术支撑。 1 岩矿分析 1 ．1 山西省内两种石灰石区域分布及成因 马家沟组作为奥陶纪灰岩在山西境内主要分布于 吕梁山、霍山、太行山及其之间的广大区域，该地层中 石灰石床为浅海一滨海相由机械沉积、化学沉积和生物 化学沉积的共同作用下形成的沉积石灰岩矿床，在成 岩作用阶段有一定的重结晶作用及轻微的白云岩化作 用‘3 | 。 峰峰组石灰岩主要分布于河津、翼城一线往北，兴 县木崖头、娄烦、定襄县尉池凹一线往南地区。峰峰组 成因与马家沟组成因基本相似，也是由海相沉积形成， 但其沉积时代一般晚于马家沟组。 1 。2 两种石灰石物理性质 马家沟组石灰石矿层节理、裂隙较发育。根据在 矿区矿层中取的物理力学样分析，垂直层理抗压强度 在3 5 。7 9 ．2M P a ，平均为4 9 ．8 7 5M P a ，平行层理抗压强 度在3 2 ．3 ～5 4 ．9M P a ，平均为4 4 ．7M P a ，矿石的抗压强 度较低。 峰峰组矿层节理比较发育，节理切割岩层，间隙一 般为0 ．1 ～1e m 。根据在矿区矿层中取的物理力学样 分析，垂直层理抗压强度在1 0 9 ．3 ～1 5 4 ．7M P a ，平均为 1 3 0 ．8 5M P a ，平行层理抗压强度在7 8 ．8 1 5 4 ．5M P a ，平 均为1 3 1 ．5 3M P a 。无论垂直层理还是平行层理，抗压 强度均明显高于马家沟组石灰石。 l1 3 石灰石组成结构分析 为了进一步澄清两种灰岩的结构特性，对峰峰组 石灰石、盂县马家沟组石灰石 包括东区、北区、南Ⅱ 区、南Ⅳ区四个采矿区 分别进行取样送检，5 个样品 通过偏光显微镜在放大1 0 0 倍的条件下进行观察，具 体分析情况如下 盂县东区岩石主要由泥晶方解石、微晶白云石 自形菱形晶 、少量微细晶方解石集合体替代的石膏 假晶、微量氧化铁质和泥质成分组成，泥晶方解石分布 较均，局部呈残体，微晶白云石呈均匀或透镜状分布， 岩石具微泥晶结构，块状构造。 盂县北区岩石主要由泥晶、微晶方解石、微量微细 晶替代的石膏假晶、氧化铁质、泥质成分、生物碎屑海 百合茎圆茎，等生物碎片组成。矿物细小，分布均匀， 岩石具泥微晶结构，块状构造，见有少量晚期方解石细 脉侵人。 盂县南Ⅱ区岩石主要由泥微晶方解石、少量自形 菱形微晶白云石、石膏假晶 微晶方解石替代 、微量 氧化铁质成分、泥质成分组成。方解石，白云石晶体大 小，分布均匀，石膏假晶不均匀分布，局部集中，岩石具 泥微晶结构，块状构造。 盂县南Ⅳ区岩石主要由泥晶、微晶方解石、微量生 物碎屑海百合茎等生物碎片、氧化铁质、泥质成分、微 ①收稿日期2 0 1 4 0 6 1 I 作者简介董武斌 1 9 6 9 - ，男，山西武乡人，高级工程师，硕士，主要从事矿山企业生产、技术管理及安全管理工作。 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 量白云石组成，泥微晶方解石晶体大小，分布均匀，少 量白云石自形晶零星分布，岩石具泥微晶结构，块状 构造。 峰峰组岩石主要由泥晶、微晶方解石、细砂屑泥晶 灰岩、少量亮晶填隙物生物碎屑及碎片、微量氧化铁 质、泥质成分组成。岩石具内碎屑结构，含生物屑泥晶 结构，孔隙式胶结，颗粒支撑，层状构造。 5 个样品显微镜下观察情况对比见表1 。 表l 两类石灰石组成成分及含量 从偏光显微结构检测初步判断马家沟组灰岩部 分样品中存在石膏假晶，石膏假晶主要以方解石集合 体的形式存在，且方解石集合体晶体较大，其细晶颗粒 可达到0 ．0 6 3 0 ．2 5m m ，有研究证明石灰石晶体粒径 小于0 ．1m m 时利于煅烧，由于泥晶方解石与细晶方解 石集合体尺寸与形态的差异，导致其受热后膨胀的不 均一性，从而导致石灰石在2 0 0 4 0 0 ℃时出现爆 裂‘4 | 。 2 电镜扫描石灰石、石灰的微观结构 对峰峰组石灰石、马家沟组石灰石以及两组石灰 石利用回转窑焙烧生产的石灰分别取样送检，使用电 镜观察样品晶体大小，如图1 所示。 图1两种石灰石及焙烧得到的石灰的扫描电镜图像 a 峰峰组石灰石； b 马家沟组石灰石； c 峰峰组石灰石焙烧的石 灰； d 马家沟组石灰石焙烧的石灰 从图l 可以看出，马家沟组石灰石比峰峰组石灰 石晶体大，其焙烧得到的石灰晶体是峰峰组石灰石焙 烧得到石灰晶体的2 倍。具体对比分析见表2 。 表2 扫描电镜图像对比分析结果 3 能谱仪鉴定石灰石、石灰的组成元素 为了进一步检测石灰石和石灰的差异性，进一步 做了E D S 鉴定，结果见图2 。 “受 一曩I “茬i 一]蔷⋯i ． ]沪⋯手7 a 峰峰组石灰石在不同区域，成分稳定，没有出现明显异常 ■o o o o _ 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。■■■■一l _ ●{ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ 口_ _ _ _ - ■■■■■’ l - 一 “ ．-- i 赫T1]孰 i] j t{ ． 一 ‘ b 马家沟组石灰石明显出现白云石质化矿相 一{{ 一。一i j 茅一i ．；] } j i ．i ． ] }”霸 ．； ] c 峰峰组煅烧的石灰E D S 中没有出现大的异常 ●i 一； _ i ‰T ．1 ] 赢1 ．气焉{ 三．。 气 d 马家沟组煅烧的石灰出现了比较多的氧化镁及接他杂质 图2 两种石灰石及焙烧得到石灰的能谱图分析结果 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月董武斌马家沟组石灰岩作为冶金石灰的焙烧研究 盂县马家沟组石灰石质地松软，石灰石成分构成有 明显异质化，含有较多的白云石质化的碳酸钙和其他杂 质，这些特点导致在煅烧过程中极易发生爆裂粉化现象。 4 热工焙烧分析 为了比较峰峰组和马家沟组石灰石煅烧冶金石灰 的差异，分别从峰峰组和马家沟组石灰石的代表中随 机取样，在实验室马弗炉中进行煅烧试验。 4 ．1 取样 分别取盂县马家沟东区、北区、南Ⅱ区、南Ⅳ区、峰 峰组石灰石置于马弗炉内进行焙烧试验，观察焙烧过 程中发生的变化并计算烧成后的粉率以及2m 高自由 落体后的粉率。 4 ．2 试验数据记录及分析 1 不同温度下的焙烧情况。在6 0 0 7 0 0 ℃时所 取的石灰石样品均产生表面裂纹；但盂县马家沟石灰 石呈现深度纵横裂纹，易碎裂，峰峰组石灰石不易碎 裂；两组石灰石在7 0 0 ℃时表面均有开始分解现象。 2 各区石灰石经试剂处理、室温入炉升温至 10 5 0 ℃保温1h 的焙烧情况。岩石在高温下的热膨 胀应力是由于岩石的矿物在高温下发生膨胀、收缩、晶 型转变、化学分解以及由于这些因素形成空隙、裂隙而 产生的。为了减少岩石的应力作用∞J ，在马弗炉煅烧 实验中尝试采用L H G 、L H T 等溶液对石灰石改性处 理，焙烧过程中发现改性溶液对于崩裂有所减缓但并 不显著，具体实验情况见表3 ，实验时崩裂情况见图3 。 表3 马弗炉煅烧实验情况 蚕警髫 瓷莲辫 ，■■嘲骥_ 奄蠢譬8 “J 图3 马弗炉内石灰石崩裂情况 实验发现①煅烧过程中盂县东区、北区石灰石 在焙烧过程中发生崩裂现象较严重，盂县南Ⅱ区偶尔 发生崩裂；②崩裂现象均发生在炉内加热至3 0 0 ～4 0 0 ℃区间时，并且听到崩裂声音后炉内样品碎裂成粉状， 而其它的石灰石均未发生崩裂现象；③盂县东区、北 区、南Ⅱ区的烧成粉率显著高于其它石灰石的烧成粉 率；④摔落试验粉率未发现显著差异。 3 各区石灰石成份与烧成后石灰成份对比。将 样品石灰石及烧成后的石灰化验后成分含量见表4 。 表4 两类石灰石成分及烧成后石灰成分 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 由表4 可以看出盂县马家沟石灰石M g O 、S i O 含量均比峰峰组石灰石高，盂县南Ⅱ区、南Ⅳ区石灰石 M g O 含量约为峰峰组石灰石的2 ～3 倍。 盂县东区、北区石灰石烧制的石灰C a O 含量与峰 峰组石灰没有区别，但盂县南Ⅱ区、南Ⅳ区石灰石烧制 石灰C a O 含量显著低于峰峰组石灰、而M g O 含量显著 高于峰峰组石灰。 5 回转窑煅烧马家沟组灰岩存在的主 要问题 由于马家沟组灰岩的特点，回转窑煅烧马家沟组 灰岩时，由于石灰石在窑内粉裂造成预热器内阻力大， 而窑尾风机无法将窑头抽成负压，导致窑头在正压情 况下一方面粉尘影响煤粉的燃烧、另一方面往窑外喷 灰甚至火焰，严重制约回转窑产能的发挥和成品石灰 的品质。 6 结语 通过对石灰岩原矿结构、成品结构分析，以及实验 室煅烧研究，对峰峰组与马家沟组石灰岩的结构特性 及焙烧成石灰的工艺特点有了更深人的认识，主要结 论如下 1 马家沟组石灰石由于地质成因的缘故，其在 3 0 0 ～4 0 0o C 下由于矿物的膨胀、晶粒转型、化学分解 等因素，致使不规则的晶粒结构和杂质导致焙烧过程 中更易发生爆裂粉化现象。 2 使用改性剂处理后可以使马家沟组灰岩焙烧 时崩裂现象有所缓解，但效果并不十分显著，需进一步 深入研究。 3 由于工业大生产与实验室条件差异较大，针对 回转窑烧嘴的研究，如控制风压、风量、预热器加料方 式等需与现场紧密结合，下一步要深人开展现场研究， 探索回转窑焙烧马家沟组石灰岩作为冶金石灰之用的 最佳工艺参数组合。 参考文献 [ 1 ]毛玉如，方梦翔，骆仲泱．0 2 ／C O 气氛下石灰石煅烧分解的动力 学和热力学研究[ J ] ．电力环境保护，2 0 0 4 4 4 3 - 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