截止到2001年末，我国已投产的1000t/d生产线有57条，熟料设计生产能力总计为1762万t/年^[1]，这些干法生产线投产后，几乎都遇到过窑28～34m段结圈问题，圈一旦形成，使该处的横断面积显著减少，对窑的热工制度破坏较大，轻则影响窑内通风，熟料产质量下降，重则阻碍物料运动，窑尾出现漏料，导致窑尾密封装置变形损坏，不得不止料处理，频繁结后圈，使窑的运转率降低，煤耗、电耗、砖耗大幅度上升，造成较大的经济损失。
　　引起结圈的因素很多，形成的机理也较复杂，它与原料性质、生料成分、燃料燃烧特性和燃烧状况、煤灰和生料组成、窑的操作和生产管理水平等有关。本文通过对不同地域、不同时期投产的1000t/d窑出现的28～34m段结圈的原因进行分析，并结合生产实践的体会和认识，谈谈该段结圈的预防和处理。

1　结圈原因分析

　　由于预分解窑生料的预热分解在预热器和分解炉内进行，生料入窑时，已有90%～95%的碳酸盐分解。回转窑的功能之一是将剩余的碳酸钙迅速分解的同时，石灰石质同粘土质组分间，通过质点的相互扩散，进行固相反应，形成C₃A、C₄AF、C₂S。因28～34m段正是固相反应带和烧成带交界的过渡带，这个区域内，物料一方面接受火焰辐射对流传给的热量，另一方面由于熟料矿物固相反应是放热反应，固相反应放出的热量约为420～500J/g，理论上放热量达420J/g时，就足以使物料温度升高300℃以上，物料从900℃升到1250℃的时间约为5～6min。通常情况下，硅酸盐水泥生料在1250℃开始出现液相，因此在28～34m这个区域本应不存在液相的产生和固化过程，也就不可能结圈，但是由于原材料形成地质年代和岩相结构上的差异，物料组分中MgO、R₂O、SO₃、TiO₂、P₂O₅等次要氧化物含量的不合理，生料成分波动大，窑内热工制度不稳定，燃料燃烧特性和燃烧状况差等方面原因，致使液相开始出现的温度降低，液相在固相反应带提前出现，为结圈创造了条件。
1.1　低品位石灰石的影响
　　根据资料^[2]报道，从成岩分析，低品位石灰石是在不适合生物生长的深海还原环境下化学沉积而成:①SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃及MgCO₃等混合型沉积，没有生物的分异作用，再在较高的地温和巨大的地压作用下，CaCO₃与SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃成分可以相互压溶化合在一起，造成CaCO₃晶格十分不完善，甚至可以形成易烧的CaSiO₃(硅灰石)、CaSO₄、CaO·Al₂O₃、CaO·Fe₂O₃等矿物；②由于晶格缺陷，SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgCO₃、SO₃、R₂O、Cl^-等复杂成分增加，使CaCO₃分解温度和液相出现温度下降，这就易结圈。如西北某厂1000t/d生产线于2001年11月份进入调试和生产阶段，调试期间频繁出现结后圈，最严重一次为2002年2月，刚点火35h就在窑32m处结圈，窑头返火严重，窑尾压力达-1500Pa以上，被迫停窑，冷窑后进去打圈，发现结圈处只有Φ800mm左右的孔，后又重复出现几次严重结圈，当时用的石灰石CaO仅为45%，SiO₂等其他成分含量高达8%～9%，后经更换石灰石供应点，石灰石中CaO提高到48%以上，结圈现象减少。
1.2　粘土质原料的影响
　　试验表明:CaO在SiO₂晶格中的扩散速度比SiO₂在CaO晶格中高3～4倍，因此，SiO₂相往往是生料活性的决定性因素，也是决定后圈能否形成的主导成分，我公司1000t/d预分解窑自1997年12月份投产，硅质原料一直由高硅粘土与中硅粘土两组分搭配使用，虽然不同点的中硅和高硅化学成分差异不大，如表1，但是，不同的点搭配粉磨出来的生料易烧性差异较大，结后圈程度也不一样，见表2。

　　1996年7月点火投产的广西华宏水泥股份有限公司^[7]在试产当年出现几次后结圈，其特点是距窑口远，一般都在30m以外，其中3次是由于生料KH低所致见表7。

2　结圈的处理

　　
2.1　热烧法
　　由于挥发性组分循环富集而结成的硫碱圈，一般采用此法，处理时，将燃烧器往里推，减料，适当加大外流风用量，关小旋流风，适当拉大排风量，使火焰延长，提高尾温，加强预烧，逐渐加快窑速，保持窑快转，卸出部分圈后积料，待圈后积料减少时，适当抬高燃烧器使火焰高温部分调整到结圈处，使结圈处的温度超过950℃，圈处的挥发性组分得以气化，结圈即可消失；在处理硫碱圈时，要适当提高熟料n和KH，减少物料中的液相量。
2.2　冷烧法
　　对于由于煤的燃烧特性差和操作不当而结成的圈常采用此法。具体操作如下:
　　1)改变煤的配合，采用挥发分>25%，灰分<25%的煤，煤细度控制在5%左右，适当提高入窑生料n值，P值保持不变。
　　2)燃烧器退到较后位置，加大旋流风量，一方面在喷嘴周围产生较强的回流区能稳定燃料着火；另一方面为煤粉提供更多的空气，使火焰中心供氧充分，强化了煤粉燃烧，从而提高火焰的热力强度。
　　3)适当降低尾温，提高窑的快转率，保持窑速在3.0r/min以上，以利煤粉均匀掺入熟料中，使圈处的温度比正常低50～100℃。
　　4)在处理结圈时，适当提高物料n值，KH维持不变，一般1～2个班，圈即可以垮落。
2.3　冷热交替法
　　对于因MgO高或者配料方案不当以及MgO、R₂O同时高(如尾灰掺入多等)而结成的后圈常采用此法。
　　1)调整配料方案，大幅度同时提高n和KH值，降低Fe₂O₃含量，以减少液相量，有条件的厂家暂不使用MgO≥1.5%的石灰石，出磨生料直接入窑煅烧，除尘器尾灰暂不入窑，待生料中MgO≤1.6%时，再搭配进生料均化库。
　　2)先减料50t/h，同时向窑内推进燃烧器，在保证窑头煤xx燃烧的情况下，适当加大外流风的开度，使火焰高温点后移，提高圈处的温度，烧1～2h，窑速仍控制在3.0r/min以上。
　　3)退出燃烧器，并加大旋流风的开度，强化煤粉燃烧，缩短火焰长度，改变煤灰的沉落点，降低结圈处温度，同时提高喂料量(80t/h)，冲料15min，如果窑尾漏料，则适当降低产量，以不漏料为原则，这样冷烧1～2h，在冷烧过程中，fCaO适当放宽到≤2.5%。
　　4)再次减料50t/h，进行热烧，这样反复3～4次(有时2～3次)，使圈受显著的冷热交替作用，造成开裂而垮落。
　　5)如果结圈较严重，可先热烧，再停料止火冷1～3h，待分解炉温度降到400～600℃，即可快速升温，至尾温达1050℃左右，冲料、快速转窑。从几个厂的经验来看，有时1次即可，有时要冷热交替2次。
2.4　冷转法
　　对于结圈原因不明或者经过3～4个班前述3种方法处理无效则采用此方法，在止料烧空窑后:①止火，将高温风机进口压力降到-800Pa左右；②用0.6r/min慢转窑，停篦冷机篦床堆料；③待窑尾烟室温度降到250℃左右，即将窑转速提高到3.0r/min以上甩圈，一直到圈垮为止。
2.5　窑炮轰击法
　　对于质地较硬的熟料后圈采用此法，此方法处理速度快，但对于质地疏松的圈无效，具体做法为:①在距窑门1.5～2.0m处架好窑炮，止料止火停排风机，打开窑门，瞄准圈体射击；②射击位置以{dy}象限的圈根为{zj0}，先把圈根击穿，然后射击圈体，铅制弹头射入圈体后立即汽化，体积膨胀，使圈体松动、垮落。

3　预防措施

　　28～34m圈形成的主要因素是由于物料在此区域内提前产生液相，并且物料的升温速度大于衬料的升温速度，物料与衬料的升温速度是以使物料液相凝固，因此防止此处结圈的办法在于提高物料中初期液相出现的温度和尽量减少衬料与物料在此段的温差。
3.1　对硅质、钙质原料超前控制
　　目前，我国水泥工业用粘土质、石灰石质原料，其成分波动范围愈来愈大，尤其对于没有自己的矿山而外购原料，没有原料预均化堆场的1000t/d新型干法水泥厂，由于生料质量主要依赖于外购原料的质量和均齐性，因此对所用原料在矿山开采时或进厂之前进行质量控制，从而达到进厂成分均齐，质量满足配方要求，实现成品原料进厂，即超前控制^[10]的意义就更为重大了，具体来说，要进行以下两方面的工作。
　　1)对不同品位、不同成岩时代的钙质和硅质矿山的各个开采区进行分层钻孔取样分析，取样次数为1次/h，对各个开采面进行质量控制；根据分析结果控制各开采区的搭配比例，对不同开采区进行合理搭配开采，以控制其原料的CaO和硅质原料的SiO₂，质量控制指标为:目标值±1%。
　　2)避免同时使用高碱高镁原料。碱主要来自硅质原料，也有一些来自石灰石，MgO主要来自石灰石，一般要求生料R₂O<1%，Cl^-<0.015%，硫碱克分子比≈1；按我国现行的<水泥原料矿床地质勘探规范>中规定:石灰石中MgO≤3.0%，如果石灰石中MgO≥3.0%，则要求矿山调整开采计划，分采点按MgO高低搭配进厂，减少MgO含量的波动，将生料中MgO控制在4.0%以下，并且生料中R₂O控制在0.8%以下；如果生料中R₂O超过1.0%，则不但要按SiO₂高低开采，还要按R₂O含量高低搭配进厂，将生料中R₂O控制在1.6%以下，生料中MgO同时控制在2.1%以下。
3.2　强化燃烧器的操作，确保火焰的合适形状和热力强度
　　烧成控制的重点是掌握好火焰的形状和热力强度，在三通道燃烧器的操作中，应结合煤质、窑内温度及其分布、窑皮情况、窑负荷曲线、物料的结粒及带起情况和窑尾温度、碳酸盐分解率、负压、废气成分等因素的变化，合理调节内外流风，强化窑头煤的xx燃烧和煤灰的均匀沉降，1000t/d预分解窑烧成带长度约为20m左右，一般以控制火焰长度来达到控制烧成带长度的目的，正常情况下，窑内火焰浅黄偏白亮，黑火头长约1.0m，火焰核心区域{zg}温度达1900℃，且火焰核心长度约为3～4m，主燃区段气体平均温度在1700℃以上，且总长度达6～8m。火焰活泼有力且形状细而不长，使整个烧成带具有强而均匀的热辐射，火焰顺畅不顶烧，不冲撞窑皮也不触及料层。如果外流风过大，则火焰的核心区拉长，易形成细而长的火焰，易在窑内产生还原气氛，易使未燃尽的焦碳粒子沉落在窑后段继续燃烧，使物料过早出现液相，在25m以后产生浮窑皮，引起结圈。
3.3　优化配料方案
　　国内新型干法窑经过实践优选出高硅率(n=2.6±0.1)，高铝氧率(P=1.6±0.1)、中饱和比(KH=0.88±0.2)的配料方案，主要是对大中型预分解窑而言的，而对Φ3.2m×50m这类中小型预分解窑，应根据本厂的原材料、燃料品质、生料质量、熟料煅烧工艺、冷却条件和水泥品种等具体情况，经过生产实践来优化，确定{zj0}的配料方案。由于MgO含量的增加，熟料在高温带的液相量增加，液相粘度降低，烧成范围变窄，易结大块、易结后圈，其作用与Fe₂O₃相似，因此，对于使用原料中MgO含量高的生产线，宜选用高n(2.8±0.1)和高P(1.65±0.1)，中等偏高的石灰饱和系数KH(0.92±0.02)的配料方案。另外在选择配料方案时，必须考虑一些微组分如MgO、R₂O、SO₃的影响，因为这些微组分都会在烧成过程中以液相出现，增加液相量并影响液相出现的初期温度和粘度以及液相表面张力。
3.4　建立以中控室为核心的生产指挥系统^[11]，从系统角度将后圈消灭在萌芽状态
　　新型干法水泥生产过程具有批量大、工序多、连续性强，许多工序联合操作，相互影响，相互制约而不可逆的特点，要实现把后结圈消灭在萌芽状态，就要求中控操作员充分发挥中央控制室的核心作用，应用计算机系统进行数据分析和资料收集、加工、处理，形成准确及时的生产信息，为发现和处理结圈提供科学的依据。另外，由于新型干法预热系统中旋风筒、换热管道、分解炉、冷却机、燃烧器是相互联系密不可分的，因此对结圈问题必须运用系统论的整体思想协调处理和预防，具体说来要做到以下几点。
　　1)加强生料均化链的管理，确保入窑生料成分稳定，并控制窑灰均匀入窑。
　　2)搞好预热器及窑尾烟室的密闭堵漏，改善窑内的通风状况和稳定入窑生料的碳酸盐分解率。
　　3)加强对窑系统的工艺热工等有关参数的综合分析和诊断，在煅烧过程中借助先进的自控技术精心操作与控制。严格控制分解炉的温度，适当提高二、三次风温，确保燃料的xx燃烧，控制窑尾废气CO含量在0.04%左右，防止还原气氛。
　　4)避免使用高灰分及灰分熔点低的煤，若必须使用，必须粉磨细些。
　　5)在窑25～45m采用新型耐火材料(如含ZrO₂的耐火砖)，减少衬料与物料的温差。
　　6)坚持“满负荷”、“快窑速”的操作方法。
　　7)应根据原燃材料变化，及时调整配料方案。
　　8)依靠现代化管理手段，加强设备状态监测和管理，提高维修质量，提高窑系统的运转率。

4　结论

　　导致1000t/d预分解窑28～34m段结圈的原因是多方面的，只要找出结圈的主要原因，本着“预防为主，处理为辅”的原则，严格管理，超前控制，提高原燃材料的稳定性和质量，建立以中控室为核心的生产指挥系统，从系统出发，强化操作，稳定窑的热工制度，选择与窑煅烧能力相适应的配料方案，掌握规律，及时发现，及时处理，方法正确，结后圈可得到真正解决，从而实现预分解窑优质、高产、低耗、安全、文明生产。