專利名稱：在水泥熟料的生產中使用鋼渣的方法和裝置的制作方法
技術領域：
概括地說，本發(fā)明涉及在長的回轉窯中制備水泥熟料。本發(fā)明尤其涉及在傳統(tǒng)的長的濕法或干法回轉窯中制備水泥熟料的方法和裝置，其中鋼渣與含氧化鈣的物料流一起加入窯的進料端，以使物料流和鋼渣朝向窯爐加熱端的熱區(qū)移動，鋼渣被熔融和分散到物料中，形成水泥熟料。
背景技術：
正如US5,156,676所述的，該文獻涉及的工藝可實現(xiàn)水泥組分的煅燒和燒結。采用濕法或干法回轉窯的典型工藝是眾所周知的。水泥原料如石灰石，粘土和砂子等經細磨并完全混合在窯爐的進料或供料端提供了基本上均勻的混合物。窯爐以一定的角度向下傾斜，以使窯爐的加熱端低于供料端。窯爐通常有四個工作區(qū)域，它們包括預煅燒區(qū)，煅燒區(qū)，燒結區(qū)和冷卻區(qū)。常規(guī)的燃料與預熱空氣混合，在加熱端被噴入窯內。在水泥制造工藝中一般使用的燃料為天然氣，油或煤粉。
當經細磨的水泥物料在回轉窯的供料端通入到回轉窯中時，在預煅燒區(qū)，物料從接近室溫被加熱到約1000°F。在該區(qū)域中，來自煅燒區(qū)的燃燒氣體的熱量被用來提高物料的溫度。另外，在該窯爐中，可將鏈條系統(tǒng)等連接到窯的內部，用來改進氣體和物料之間的熱交換效率。
當物料通過煅燒區(qū)時，物料的溫度由約1000°F增加到約2000°F，在該區(qū)域中，CaCO3分解，放出CO2。
在約2000°F的溫度下，經煅燒的物料接著通入到燒結或燒成區(qū)中，在該區(qū)域中，溫度被升高到約1500℃(2732°F)。在該區(qū)域中，最初的物料被轉變成典型的水泥化合物如硅酸三鈣，硅酸二鈣，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。然后，水泥熟料離開熟料被冷卻的煅燒區(qū)域，隨后進一步進行加工如研磨。
此外，從1774年就開始使用粒狀高爐礦渣作為水硬性物料(cementitiousmaterial)。在鐵的生產中，從高爐的頂部連續(xù)地裝入氧化鐵源、助熔石和燃料。由爐內獲得兩種產品在爐的底部收集到的熔化的鐵和浮在鐵熔池上的液態(tài)鐵高爐礦渣。這兩種產品在約1500℃(2732°F)的溫度下間歇地從爐中排放出。該渣主要由與得自助熔石的氧化鈣和氧化鎂結合的氧化硅和氧化鋁組成。用于砂漿或混凝土的這種渣的水硬活性可通過其組成和來自爐內的熔融物料冷卻的速率來確定。
另外，在鋼的生產中，發(fā)生了類似的過程，其中液態(tài)鋼渣浮在鋼熔池上。而且，鋼渣主要由與氧化鈣和氧化鎂結合的氧化硅和氧化鋁組成。對鋼渣和高爐礦渣的處置給其制造者帶來了大量的廢棄問題。
鋼渣和高爐礦渣由極硬的顆粒組成。鋼渣顆粒足以硬到能切割玻璃。高爐礦渣總是以細粉末形式使用，這就意味著需要使用大量的能量來將渣研磨和粉化成細粉形式。US 2600515公開了這類方法，其中高爐礦渣以細粉末混合物形式與石灰石一起被送入回轉水泥窯中，并直接輸入到窯的火焰中。同時并通過與燃料即煤粉，重油或煤氣相同的管路吹入渣粉。該工藝有幾個缺點。最明顯的一個缺點是需要大量的能量來粉末化和干燥物料，以使它能被吹進爐內。
鋼渣和高爐礦渣中的許多化合物是水泥化合物所共有的，在其有關的工藝中，已經有生成熱形成。鋼渣的X射線衍射分析表明組成是高熔化(highly fluxed)的β硅酸二鈣2CaO·SiO2(C2S)。在回轉窯的燒成區(qū)中，這種化合物在添加CaO后可轉變成3CaO·SiO2(C3S)。
試驗表明鋼渣對水泥回轉窯的運行沒有負作用。從回轉窯中散發(fā)的可揮發(fā)性物質得到改進，這是因為渣已預先進行了熱處理，大部分揮發(fā)性物質即二氧化碳、碳、揮發(fā)性有機物等已被除去。但是，如上所述，需要細磨或粉碎或粉化鋼渣，由此，對水泥制造工藝而言，增加了昂貴的步驟。發(fā)明的公開由于長期以來，人們已認識到鋼渣中的許多化合物是水泥化合物所共有的，且由于鋼渣可大量地獲得并存在著大量的廢棄問題，所以，如果鋼渣能以比目前要求的粉末態(tài)更粗的狀態(tài)使用，且，如果鋼渣能在窯的供料端而不是加熱端被加入到待送入窯中的物料中，那么在水泥制造工藝中可使用鋼渣將會是有益的。
本發(fā)明提供了鋼渣的這類應用，并提供了使用各種鋼渣的方法和裝置，這些鋼渣已被粗碎和篩分，以使將與物料一起被送入到窯爐進料端的粗鋼渣組分的直經為2”以下，由此獲得了使用鋼渣的全部優(yōu)點，而不存在需要將鋼渣細磨，粉碎的缺點。
如上所述，試驗表明鋼渣對水泥回轉窯的運行沒有負作用。從回轉窯中散發(fā)的揮發(fā)物質得到了改進，這是因為鋼渣已預先進行了熱處理，大部分的揮發(fā)物質即二氧化碳，碳，揮發(fā)性有機物等已被除去。由于鋼渣的上述經歷，在制鋼過程中所需的鋼渣的化學性已經獲得，由此節(jié)省了水泥制造過程中的能量。于是，使用這種鋼渣有許多優(yōu)點。首先，如早先所述的，無需對鋼渣進行細磨或粉碎或粉化。大量的粗渣(如本文定義的，鋼渣組分的直經為2”以下)可被摻入到水泥熟料組合物中，而僅需對常規(guī)的送入回轉窯的物料進行很小的化學改變。僅需對直經超過2”的鋼渣顆粒進行粗碎和篩分。
第二，無需干燥鋼渣，其固有水份通常為1～6％。在濕法回轉窯體系中，基本上實現(xiàn)了水分降低和節(jié)能。在干法回轉窯體系中，無需對鋼渣進行干燥。
第三，沒有因料漿圈或熟料結皮而堵塞窯爐。在濕法和干法回轉窯中，在粗鋼渣移動通過窯爐時，對物料結皮有清除作用。
第四，粗鋼渣可作為部分起始物料使用并在窯爐的供料端被輸入到窯爐中。鋼渣和濕物料可被分別輸入到回轉窯的供料端，也可末經混合一起被輸入到窯爐的供料端。
第五，為了使常規(guī)物料適應鋼渣，僅需要對物料組合物稍微進行一些化學改變。這通常是指物料必須富含氧化鈣。
第六，在回轉窯內的熱處理期間，經過擴散，粗鋼渣化合物結構轉變成所需的水泥熟料結構。
第七，當使用鋼渣時，因為鋼渣熔化的溫度低并且無須對鋼渣進行研磨或粉碎或粉化，所以實質上節(jié)省了能量。
第八，產量的增加幾乎與所使用的鋼渣量成正比。
第九，回轉窯工藝的外界條件因鋼渣的低揮發(fā)含量而得到改進。
第十，鋼渣的重復利用改善了環(huán)境，這是因為它對大量形成的鋼渣提供了一個重要的用途和目前鋼渣廢棄所存在著環(huán)境問題。
第十一，基本上降低了水泥產品的成本，這是因為節(jié)省了能量并且大量使用了低成本的鋼渣。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種采用制鋼過程中的副產品粗鋼渣生產水泥熟料的方法的操作回轉窯的裝置。
本發(fā)明的另一個目的是在窯的供料端將粗鋼渣輸入到水泥生產回轉窯中。
本發(fā)明的再一個目的對顆粒直經從最大基本上為2”到小于2”的各種顆粒大小的粗鋼渣的利用。
由此，本發(fā)明涉及采用具有供料端和加熱端的長回轉水泥窯制備水泥熟料的方法，水泥窯的加熱端相對于供料端是向下傾斜的，該方法包括從熱源直接加熱到窯爐的加熱端，將含二氧化鈣的物料流輸入到窯爐的供料端，以使物料流朝向窯的加熱端的熱的方向移動，在窯的供料端，將預定量的粗碎和篩分的鋼渣加到物料流中，以使物料流和鋼渣朝向窯的加熱端移動，鋼渣經加熱熔融并分散到物料中，形成水泥熟料。
本發(fā)明也涉及形成水泥熟料的裝置，包括具有供料端和加熱端的回轉水泥窯，加熱端相對于供料端是向下傾斜的，加熱端的熱源用于加熱回轉窯的內部，用于將含二氧化鈣的物料流和鋼渣輸送到回轉窯中的輸送裝置，以使物料流和鋼渣朝向窯的加熱端移動，鋼渣經加熱擴散到物料中，形成水泥熟料。
附圖概述在下面附圖的詳細描述中，將更充分地公開本發(fā)明的這些和其它更詳細的目的，其中

圖1是本發(fā)明形成水泥熟料的回轉窯系統(tǒng)的基本示意圖，其中物料和鋼渣一起被送入到回轉窯的進料端；圖2是物料和鋼渣被分別送入回轉窯進料端的示意圖，
圖3是本工藝的流程圖，其中物料和鋼渣以混合物的形式被送入窯爐的進料端；和圖4是另一工藝的流程圖，其中物料和鋼渣被分別送入回轉窯供料端或進料端。
本發(fā)明的最佳實施方式本發(fā)明使鋼渣以最大為2”的各種粒徑的大小在回轉水泥窯的供料端，作為分開的組分加入到窯的供料端中。大部分鋼渣的顆粒直徑小于2”，因此，為達到所需的最大顆粒大小，需要粗碎和篩分過程，本發(fā)明要求的鋼渣無須細碎或粉碎或粉化。本發(fā)明提供了使用各種鋼渣的方法，這種鋼渣的顆粒大小比回轉水泥窯工藝中以前公認的顆粒要粗一些，使鋼渣的化學組成即C2S等成為水泥熟料的組成部分。正如本領域熟練的技術人員所清楚的，鋼渣的化學性作為水泥整個組分的部分應是清楚的并可控制的，因此，欲加入到物料中的鋼渣量應與物料和其化合物平衡。
在100％鋼渣的試驗爐燒成試驗中，確定了鋼渣的熔點，它是在水泥窯中使用的關鍵。如表I可見，確定熔點為2372°F/1300℃，這可使顆粒大小甚至達到直徑2”的鋼渣加到窯的供料端中。
表I鋼渣試驗爐燒成

列于表I中的試驗在各溫度下進行15分種，鋼渣的顆粒大小為約3/8”。由表中結果可以確定該鋼渣在回轉窯的鏈條帶中將不增稠漿料，引起料漿圈或由于顆粒大小增加灰塵損失。此外，它將降低含水量至2.2％。在回轉窯的煅燒區(qū)和燒成區(qū)之間處，鋼渣開始熔融并與其它物料化合。由于熔點低，無須研磨或粉碎或粉化這些物料，例如在現(xiàn)有技術中，為與其它組分化合，要求80％的這些物料過200目篩。在鋼渣中已經完成了C2S的形成，并且在回轉窯中，在其熔化的相同溫度區(qū)域進行C3S的形成。鋼渣的X-射線衍射分析表明組成是高熔融的β，硅酸二鈣2CaO·SiO2(C2S)。這種化合物在回轉窯的燒成區(qū)可用加入的CaO轉變成3CaO·SiO2(C3S)。C3S是水泥中主要的承壓強度化合物。
本發(fā)明的裝置示于圖1。裝置10包括按眾所周知的方式由帶動窯旋轉的法蘭14支承的回轉窯12。窯爐具有供料端16和加熱端或燒成區(qū)18。正如現(xiàn)有技術中眾所周知的，加熱端18相對于供料端16向下傾斜。在回轉窯12的加熱端18中，燃料源20產生火焰22，以使溫度約為1500℃(2732°F)。水泥原料或物料如石灰石，粘土，砂子等通過變速輸送帶24被輸送到回轉窯12中。如果使用濕漿料，變速輸送帶24將物料送入研磨機26中，并從研磨機26送入回轉窯12的供料端16中。物料以料流28通過回轉窯12朝向火焰22移動。在窯12內發(fā)生了眾所周知的化學過程，水泥熟料20離開窯12的加熱端18，用于進一步的處理?，F(xiàn)有技術中眾所周知的污染控制裝置32和34分別位于窯12的加熱端和供料端。在加熱端18，污染控制裝置32的外部，廢氣38被排放到大氣中且廢產品40被回收。
在供料端16，污染控制設備34除去排放的廢氣36并回收廢產品42。
在本發(fā)明中，鋼渣44通過輸送裝置46，例如變速輸送帶加入到物料48中，物料是在回轉窯12的供料端16處通過集灰斗56(圖2)送入的?？刂破?5控制輸送帶24和46的速度，以便相對于隨其化學組成而定的物料而言，提供適當比例的鋼渣44。這類控制在現(xiàn)有技術中是眾所周知的，將不再予以詳細討論。
圖2是分別將鋼渣和物料送入到回轉窯12進料端的裝置的示意圖。
在圖2中，可以看出鋼渣50落入給料斗52中，通過輸送系統(tǒng)54向上輸送，聚積在55處，以便通過集灰斗56輸入回轉窯12的進料端16中?？砂慈魏我阎姆椒▽⑽锪纤腿氲礁G爐的進料端。在類似的方法中，物料58落入給料斗60中，通過輸送裝置62向上輸送，在64處落到給料斗56中，而被送入回轉窯12的進料端16中。圖1或圖2的裝置產生了所需的結果。
表II列出了從鋼渣堆料場隨機采集的6種鋼渣試樣的化學分析結果。當然，表II中鋼渣的化學分析值可改變，這取決于鋼渣的來源。
表II鋼渣

可見鋼渣組成極相同，適合于制造水泥，還可以看出平均游離氧化鈣為0.50％，平均LOI(燒失量)為1.40。游離水為1％，結合水為1％。
鋼渣的X射線衍射分析表明組成是高熔融的β硅酸二鈣2CaO·SiO2(C2S)。該化合物在燒成區(qū)通過添加的CaO可被轉變成硅酸三鈣3CaO·2SiO2(C3S)。反應是。C3S是水泥中主要的增強化合物。
表III闡述了物料典型的混合計算(mix calculation)，物料的組成為0％鋼渣，89.67％石灰石，4.42％頁巖，4.92％砂子和0.99％頁巖。
表III類型I LA混合計算-0％鋼渣

<p>表IV列出了物料的混合計算，物料的組成為90.79％石灰石，3.64％頁巖，5.36％砂子，和0.21％礦物，添加了5％鋼渣，表V列出了混合煅燒的物料，物料的組成為91.43％石灰石，2.75％頁巖，5.82％砂子和0％礦物，添加了10％鋼渣。
表IV類型I LA混合計算-5％鋼渣

<p>表V類型I LA混合計算-10％鋼渣<

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由表III，IV和V可清楚地看出添加的鋼渣適合作為制造水泥熟料的原料。
圖3示出了本發(fā)明的工藝，其中如圖1所示的，物料和鋼渣在窯爐的供料端進入窯爐之前被混合，在步驟76中，提供物料，在步驟78中與鋼渣混合，鋼渣是在步驟80中已被粗碎和篩分，以獲得最大粒徑為2英寸。經混合的物料然后在步驟82中被送入回轉窯的供料端。
在圖4中，正如圖2所示的，示出了分別將鋼渣和物料送入回轉窯供料端的工藝。在這種情況下，在步驟66中提供物料，并在步驟68中通過輸送裝置輸送到回轉窯的進料或供料端。為獲得最大顆徑為2英寸的鋼渣，在步驟72中粗碎和篩分鋼渣，由此在步驟74中將所得的產物輸送到回轉窯的進料或供料端。在步驟70中，物料和鋼渣在回轉窯中被加熱，直到形成水泥熟料。
因此，本發(fā)明公開了用添加的粗鋼渣形成水泥熟料的方法和裝置，鋼渣與物料一起被送入到回轉窯的供料端。在本文中對粗鋼渣進行了定義，它們是經粗碎和篩分到最大粒徑為2”的鋼渣。由本發(fā)明獲得了許多優(yōu)點。鋼渣無須細磨或粉化或粉碎。大量的顆粒大小為2”以下的粗鋼渣可被摻入水泥熟料組合物中，而僅需調節(jié)送入回轉窯的物料，略微改變化學組成。
鋼渣無須干燥。固有水份通常為1～6％。在濕法回轉窯系統(tǒng)中，基本上實現(xiàn)了水分降低和節(jié)省。在干法回轉窯系統(tǒng)中，可將鋼渣干燥，但不是必須的。
按本發(fā)明，在用回轉窯生產水泥熟料時，可使用粗鋼渣作為部分起始原料。鋼渣和濕(或干)物料分別作為原料被送入回轉窯的供料端。也可以將它們先混合，再一起送入回轉窯的供料進口。已經實驗的窯爐并未由于料漿圈或熟料積料而造成堵塞。在濕法和干法回轉窯中，鋼渣在通過窯爐時對物料聚集有清除作用。
為使常規(guī)物料適應鋼渣，僅需對常規(guī)物料稍微進行一些化學改變。這通常是指物料必須富含氧化鈣。粗鋼渣的化合物結構經擴散在回轉窯內熱處理期間轉變成所需的水泥熟料結構。由于鋼渣無須進行研磨或粉化或粉碎。采用本發(fā)明生產水泥熟料基本上節(jié)省了能源。產量的增加幾乎與使用的鋼渣量成正比。此外，由于鋼渣的低揮發(fā)含量，改進了回轉窯工藝的外界條件。再者，鋼渣的回收改善了環(huán)境，為鋼渣提供了有用的銷路，而不是為了放置鋼渣而占用大量的場地。鋼渣的回收改善了環(huán)境，基本上降低了水泥生產的成本。
盡管已在結合了優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了描述，并不是對所列特定形式的本發(fā)明的范圍進行限制，相反，就像所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內所包括的那樣，覆蓋了所作的改變，改進，和等同替換。
權利要求
1.采用長的回轉水泥窯制造水泥熟料的方法，其回轉窯具有供料端和加熱端，加熱端相對于供料端向下傾斜，該方法包括下列步驟從熱源向所述的窯爐的加熱端引導熱；將含氧化鈣的物料流輸入所述窯爐的供料端，以使物料流朝向窯爐加熱端的所述加熱區(qū)移動；和在所述窯爐的供料端，向所述物料流中加入一定量的粗碎和篩分的鋼渣，以使物料流和鋼渣朝向所述加熱端移動，鋼渣通過所述的加熱被熔化，并擴散到物料中形成水泥熟料。
2.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括為獲得最大粒徑基本上為2”的顆粒，用于加入到所述的物料流中而粗碎和篩分所述的鋼渣的步驟。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中將鋼渣與物料分開加入到窯爐的供料端中。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中在將鋼渣和物料在加入到窯爐的供料端之前，先將它們混合。
5.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括采用濕法回轉窯接受物料流和鋼渣的步驟。
6.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括采用干法回轉窯接受物料流和鋼渣的步驟。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中鋼渣具有的化學組成為2CaO·SiO2(C2S)。
全文摘要
一種通過將鋼渣加入到送入回轉水泥窯的物料中形成水泥熟料的方法和裝置。該裝置(10)包括由法蘭(14)支承的回轉窯(12)。窯爐具有一個供料端(16)和一個加熱端(18)。燃料源(20)在回轉窯的加熱端產生火焰(22)。水泥原料通過輸送機(24)被輸送到回轉窯中。
文檔編號C04B7/02GK1138848SQ95191233
公開日1996年12月25日 申請日期1995年1月13日 優(yōu)先權日1994年1月14日
發(fā)明者羅姆·D·楊 申請人:得克薩斯工業(yè)公司