1 摘要
石灰石中氧化镁含量越高对水泥熟料生产与产品质量越不利,为确保熟料品质下,要求原料氧化镁含量尽量越低越好,以维持窑烧成系统稳定,致产生大量暂无法利用的高镁石灰石堆存问题。
本项目属系统性制程改善,利用地质统计数字化分析,确定全矿生命周期的矿石品质地理空间分布,统计不同品质政策影响无法利用量的直观数据供决策,改善过程必须维持配料品质及烧成系统稳定,不同于其他长窑系统,短窑烧成系统尤为控制不易,烧成瓶颈的突破与团队沟通合作至为重要,透过持续的精细化改善,希望能够充分提高矿山资源综合利用,达到零排废,以避免废石堆置造成的占地、环境污染、地质灾害一系列的负面影响,同时还可以延长矿山可采年限,降低矿山生产成本,为企业永续发展做出正面贡献。
自2015年3月开始实施,至2016年6月基本达成既定目标,迄今为止,熟料3天及28天强度维持在30Mpa及58.5Mpa,熟料日产量维持在5400吨以上。
2 背景
「畚箕山矿区石灰岩矿区」地处湖北省武穴市长江北岸,属黄冈亚东水泥公司(以下简称黄冈亚东),矿产资源包括:探明的经济基础储量(121b):2822万吨;控制的经济基础储量(122b):8420万吨;推断的内蕴经济资源量(333):9620万吨,资源储量总计20862万吨,平均剥采比0.37:1,废石剥离量预估达8000余万吨,此项目施行前(2015年2月底前),水泥厂设定入仓石灰石原料氧化镁的管制标准为1.4±0.1%,导致矿场开采过程中大量高镁石灰石(MgO)含量大于3.5%,无法掺配利用,只能运至废石场丢弃,截至2015年2月累计堆存量高达400多万吨,已经严重影响矿场的正常台段降阶及推进。
厂内烧成系统为两档短窑,长径分别为52mL和4.8m∅,采取薄料快烧,料在窑内停留时间短,要求入窑生料窑外分解率高(95%以上),来料及操作要稳定,否会导致预热机结料,另要求原燃料的有害成分硫、氯、碱分、MgO要低,在思考如何提高氧化镁管制标准,有以下关键点;
一、如何制定提高新的入仓石灰石氧化镁的管制标准限值?
二、氧化镁管制标准放宽后,矿场如何掺配废石,使入仓石灰石维持稳定符合新标准?
三、氧化镁管制标准提高后,短窑系统熟料生产如何因应,以确保品质与产量不下降。
为此亚泥(中国)控股公司技术与生产部于2015年3月召集黄冈亚东采掘、制造及品管三个单位联合成立专案小组,并由副执行长亲自担任小组召集人,展开高镁废石烧制优质熟料的专案研究,自2015年4月起氧化镁管制标准从原来的1.4%提高至1.6%,2015年6月起再提高至1.9%,至2016年1月最终确定入仓石灰石氧化镁含量为2.5±0.1%,并根据此标准制定适应高氧化镁的配料方案。
3 发现问题及分析反应
此项目的难度是如何统计全矿生命周期的矿石品质地理空间分布,虽然有地质勘探资料,但都是以间距(200米以上)剖面方式表示,地质报告上品质的计量及平均是以勘探线上的钻孔及探槽取样分析,依据化性及物性的不同,划定圈定不同层位,除了明显地质构造造成变化外,两个剖面件同样层位连接的部分,基本上是参考两条剖面的取样分析结果的平均化验结果,整个块段为一致的呈现,但实际上此矿存在很多小的不连续面,不同地理空间的品质分布,存在部分的差异,为呈现不同地理空间位置的化性差异,利用相关的地理资讯系统软体(GIS)及统计分析方法,进行不同地理空间的石灰石化性的推算,实施步骤:1、建立空间块体模型:在储量分布范围,建立四方体的大块体模型,再将大块体分切成6米×6米×6米主块体;2、制作数据库:包括勘探资料外,另收集三个月的钻孔化验资料;3、主块体赋值:特定空间位置的主矿体参考已建数据库的附近的数据,依据距离平方反比权重法(Inverse Distance Squared Weighting Method)决定已知空间位置的样本的化性对于特定空间化性影响的权重;
4、分层矿量及化性统计:全部主块体经过赋值的阶段后,再进行分层(台段)矿量及化性的统计,得到全矿区的灰岩平均品质:氧化钙(CaO)47.29%、氧化镁(MgO)4.20%,总矿量(含废石)为2.2亿吨;5、分析品质政策供决策:依照不同氧化镁的管制标准模拟,扣除配套设施#2角材场年处理高镁灰岩120万吨外,提出四种情境供决策参考:1)、若品质政策订在氧化镁(MgO)≤1.5%,全矿区需要剥离丢弃3122万吨;2)、若品质政策订在氧化镁(MgO)≤2.0%,全矿区需要剥离丢弃1605万吨;3)、若品质政策订在氧化镁(MgO)≤2.5%,全矿区需要剥离丢弃387万吨;4)、若品质政策订在氧化镁(MgO)≤3.0%,全矿区则不需要丢弃。经过专案小组充分讨论,最终决定将入仓石灰石氧化镁(MgO)的管制标准订为2.5±0.1%。(表1)
表 1全矿区品质分布及品质政策情境分析
4 组织团队执行目标
明确分工专案小组各成员的功能与职责:采掘组负责矿场开采石灰石品质预配及人仓品质稳定,品管组负责原燃料品质控管及生料配料并管控熟料品质,制造组负责优化生产操作及加强精细化管理。为及时追踪品质变化,同时由采掘、制造及品管指定专人组成现场采验小组,采验小组每天根据矿山开采、品质检验与熟料生产情况,及时讨论后将讯息反馈至相关部门,并与相关部门沟通及建议优化改善措施。
4.1 采掘组具体做法:
4.1.1 地质模型定期更新:初步建构完成地质模型,定期需要做地质模型更新,每日进行钻孔收尘粉料堆进行取样,大约8-12个孔取混合样,并以手持式GPS定位,若是岩层过渡带,可以密集取样,并依据化验结果更新数据库。
4.1.2 每日钻孔取样分析:每日取样化验的资料填入石灰石取样表及矿场现存量表。(表2)
表 2 矿场现存表
4.1.3拟定铲装运输计划:依据矿场现存量表制作隔天的配料计划,决定卡车配料车数,并事先安排铲运设备。(表3)
表 3 生产预配实配对照表
4.1.4 当日进料核实:当日生产依照实际派遣制作实际配料表,结合预配计划及实际配料结果,入大仓储存前,设置有自动取样器,目前设置15分钟取样一次,上下午各集样化验一次,于下个班作业前回馈检验结果,并产生当日的实际比较表格,是以检视进破碎机车数是否按照计划控制。(表4)
表 4 每日进仓配料汇总表
4.1.5 入仓均化作业:水泥厂石灰石仓为长方形仓,分成南北两处堆存,扣除取料机的作业空间,每次可以堆存约4万吨,堆存时间约5-6天,为达到均化效果,禁止定点下料,执行移动堆料,为避免最后一天的品质偏移过大,造成堆头的品质与整堆的平均品质有较大的变异,换堆取料时变异状况影响的时间过长,最后一天的堆料时堆头部分內缩1米,其全流程灰岩原料进仓品质控制全流程详图1。
图 1 灰岩原料进仓品质控制全流程
4.2 生产和品管组具体做法:为确保熟料生产与质量不下降,具体做法如下;
4.2.1 调整配料方案:根据高镁石灰石的特性,配料方案调整如下(表5):
4.2.1.1 适当降低分解炉温度来降低脱酸,由目前的95~96%降低到93~94%,相应降低入窑生料温度,需同时注意料、风、煤等的配合,因为烧成范围窄,会导致旋窑的不稳定。
4.2.1.2 以上变动导致旋窑的不稳定及熟料品质的波动,但是实际情况比预料要差,实施第一个月,由于生料氧化镁及熟料三率值控制变化,造成产量降低及f-CaO上升,相关数据体如下(表6):
表 6 调整熟料三率值第一个月制程产量及品质影响
4.2.1.3初期是预热机结料严重,结料快且硬,长时间的捅料使得窑况进一步恶化,f-cao频繁超限,甚至出现跑生料。产量比正常时下降近300吨/天,质量方面3天强度虽然变化不大,28天强度可能会有降幅,其正异常熟料比较详图2、3及表7。
图 2正常熟料XRD
图 3异常熟料XRD
4.2.2 团队讨论此一阶段出现的问题,并作以下调整。
4.2.2.1 采取高n值方案,制定熟料三率值:n值为2.85±0.1、p值为1.5±0.05、KH值为0.915±0.01。提高熟料n值,可以降低熟料液相量、提高耐火度,平衡因MgO提高增加的液相,减少窑内结圈结蛋,影响熟料品质;适当提高P值以进一步降低Fe2O3含量,在一定程度上拓宽烧结范围,提高生产操作弹性;适当提高熟料的KH值,使熟料强度得到一定的恢复,同时配料时还要防止MgO与R2O、SO3等低熔点有害物质的同时作用。
4.2.2.2 稳定生料配料:取样化验与配料工作采取更高的标准,以确保入窑生料成分一致稳定。
4.2.2.3 加强原燃料精细化管理:A)加强矿山矿层钻孔取样的监督,精准及时反馈取样化验结果;B)校正配料黏土、砂岩、铁质等做到源头取样化验,依照需求通知进厂,并做好取样代表性;仓储照要求分别堆放,避免混料,加强均化,以提高原料稳定性。C)砂岩、粘土、铁质矿的选择除要求其化学成份符合外,还特别关注其物理性质,以确保生料易烧性良好。
4.3 制造组具体做法:
4.3.1 转变思想,增强自信:因氧化镁的大幅提高,必然对于生产造成重大影响,需加强教育生产单位同仁适应新的配料方案,努力达成既定目标。
4.3.2 收集文献,夯实基础:收集国内各水泥公司在高镁石灰石应用中遇到的情况及解决措施,了解同行业中高镁石灰石烧制熟料中出现的问题及处理措施。夯实基础知识,提高对高镁石灰石烧制优质熟料的认知。
4.3.3 加强培训,凝聚力量:加强学习MgO对熟料烧成的影响机理及应对措施,了解高镁石灰石在煅烧过程中的影响,结球成因,分析窑圈的影响因素,及风、煤、料、窑速的配合对黄心料产生的影响,抓住关键点,消除不利影响。
4.3.4 加强精细化生产管理:a)稳定窑尾进料室温度在1000~1050℃,C5下料温度:850~860℃,避免温度变化造成窑况不稳定。b)加强现场巡检,及时清理进料室、上升道结料及各下料管的结皮,预防堵塞影响系统通风。c)对预热机上升道缩颈处进行改造,增大通风面积,加强窑内通风,避免燃料燃烧不完全造成还原气氛,影响生产。d)采用薄料快烧策略,降低窑内填充率,防止窑内结圈、结大球等。e)利用停窑机会,彻底清理冷却机空气分布板迷宫内积料,保证空气分布板通风良好,确保达到熟料急冷的效果。
4.4 经反复调试,烧成渐趋于稳定,各项指标详述如下。
4.4.1 到2016年5月份,将熟料MgO由2015年初的1.8%提高到3.6%,f-cao及产量已趋正常(表8);
4.4.2 中间一段时间熟料SM值控制比较高,一度达到2.9,后续慢慢往下调到2.8,烧成也比较稳定(表9);
4.4.3 强度方面有略微降低的趋势,MgO的提高导致熟料中有效成分CaO降低,及存在一部分的有害游离MgO,导致强度有所降低(表10)。
表10黄冈亚东2015/01~2016/06熟料3及28天强度变化趋势
5 经验推广:
黄冈亚东全矿区生产量约63%的灰岩提供集团湖北亚东水泥公司(以下简称湖北亚东)船运到厂,黄冈亚东灰岩供应量约占湖北亚东生产需求量的70-75%,2016年1月黄冈亚东矿区水泥灰岩氧化镁(MgO)的管制标准更新为2.5±0.1%,开始供应湖北亚东,应原料变化,湖北亚东开始调整制程熟料三率值,表11-13为2015年8月至2017年10月制程调整前中后各项数据变化趋势,其熟料3天抗压强度维持在大于30MPa以上,28天抗压强度大于57MPa以上,熟料产量基本可维持在5400-5500吨之间。
表 11湖北亚东2015/08~2017/10熟料氧化镁变化趋势
表 12湖北亚东2015/08~2017/10熟料SM及KH率值变化趋势
表 13湖北亚东2015/08~2017/10熟料3及28天强度变化趋势
6 实施成果:
6.1 2015年7月至2021年5月节省排废成本34,158,503元,增加资源利用量4,101,653吨。(表14)
6.2 延长资源使用年限0.71年。
6.3 黄冈亚东窑平均日产量可达5350-5400吨,湖北亚东窑平均日产量维持在5400-5500吨。
6.4 黄冈亚东熟料3天、28天强度平均达到30.5MPa及58MPa,最高可达31MPa及59MPa,湖北亚东熟料3天抗压强度可以维持在大于30MPa以上,28天抗压强度大于57MPa以上。
表 14石灰石MGO提高后掺入高镁石灰石量及节省金额表
7 结论:
水泥厂制程从原料的制配到水泥产品的产出,是整体性的系统问题,原料品质政策的改变,除改变原来矿场生产的管制作业外,品管的原料配置及熟料烧制参数的调整同样重要,须协同寻求系统的动态平衡。
本项目目标的达成系有四方面因素:1、数字化分析:利用数字化建立矿山的数值化矿山地质块体模型,准确统计出全矿区的平均品质及品质分布情况,并能模拟各种品质管制标准供决策;2、最高技术主管的决断:完整数字分析通过最高技术主管的果断决策,使得项目可以顺利推展;3、精细化管理:所有的实施程序需要透过充分的讨论,并引用外界的资讯,将所有的程序细化至可以操作及成果检视;4、平行合作:打破专业藩篱,互相平行探讨合作,攻关克难突破瓶颈。
绿色矿山是国家长期资源政策,为实现矿产资源开发全过程的资源利用的目标,本司遵循国家政策,致力实践发展成资源节约型及品质卓越型企业,本项目于2015年4月启动,2016年6月达到既定目标,后续持续优化完善,并于2018年获选为第一届绿色矿山科学技术奖三等奖。