浅议水泥石灰石矿山优化利用
水泥 丹东东方测控技术有限公司 2017-12-13
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摘要：本文对已经投产的水泥用石灰石矿山和新投产的石灰石矿山分析了在原来技术要求的条件下可采取的措施，结合了最近几年来水泥检测设备新技术及当前矿山的发展趋势，提出了对石灰石矿山再优化的方案和高效利用资源的措施。
关键词：石灰石矿山、优化、中子活化在线分析仪、数字化
一、石灰石矿山的利用原则
上世纪九十年代，随着水泥生产规模的扩大，水泥厂所需的石灰石矿山也在扩大，对石灰石矿山的开采，需求量也逐渐扩大。国家建材局于1991年发布了《水泥矿山原料管理规程》指出：制定石灰石进厂质量控制指标时候，在满足水泥原料配料的基础上，对不同品级的矿石进行均化开采，经济合理的充分利用矿产资源。在此后的水泥发展过程中，大多水泥厂的矿山开采实现了高低搭配，保持合理的石灰石成分。按照划分，水泥厂的石灰石按照成分划分为两级，一级品：CaO≥48%，二级品：48%≥CaO≥45%，按照贾华平先生的观点：评价一个石灰石矿山的好坏有三：（1）主要成分的含量是否满足配料要求，（2）有害成分的含量是否超出了工艺允许的。（3）矿石的质量是否均衡稳定。在已经圈定的矿山范围内，大型的矿山按照计划保持合理的三量对矿山既有矿石进行高低搭配使用，或对有害成分控制的时候搭配低品位物料。从规程上明确对资源要充分利用对后来的水泥企业高效利用资源起了很大作用。
近几年来，国家在环保方面的要求越来越严格，同时，作为一个政策市场，水泥市场也在萎缩，在环保和市场的双重压力下，水泥厂通过对内的挖潜改造，精细化管理来降低成本、提高市场竞争能力，相对于二十年前的要求，当前部分水泥公司提出更高的要求，如，减少排废，加大对剥离料，夹石层的利用率，有的公司甚至提出了矿山零排放的要求。如果提出了更高的要求，就要重新审视当时的开发利用方案，对当年的开发利用方案进行再优化。
二、石灰石矿山进行再优化的好处
1、继续降低矿山的剥采比例，对含CaO量较低的低品位石灰石矿石善加利用，延长矿山的服务年限。作为矿山开采中的一项重要经济指标，往往决定着采矿设备、人员等资源的配置。因而，如果继续对剥采比继续优化可以有效降低排废，增加矿山的服务年限。
2、增加剥离料或杂质料减少辅料的（硅铝质原料）搭配使用，减少硅铝质原料的采购，降低外购原料的费用。
3、低品位石灰石由于在形成的过程中并未形成十分完整的结晶结构，因而其结晶结构具有的缺陷会使其具有易分解、易烧性好，烧成能耗低的特点， 因而一定程度上利用易烧性较好的低品位石灰石可以降低熟料烧成的煤耗。有关研究表明，低品位石灰石的生产水泥熟料，其熟料的热耗要比高品位的石灰石低10%----15%。
三、石灰石矿山优化的条件
1、所搭配物料的全部成分是满足生料配料的有效成分。生料中的成分主要是CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3，各自占有一定的比例，只要在石灰石矿石的硅铝铁含量不超过生料配料中的规定值，即可实现高低物料的搭配。而石灰石矿石中的杂质多半是这三种物质，只要杂质中的成分含量不超过生料配料的最高要求，即可作原料使用，而石灰石原料中不足的SiO2、Al2O3、Fe2O3部分，可以在生料配料环节完成。
2、要形成相当的稳定的料流，水泥的生产是连续的，其成分的波动往往带来各种变化，使得生产变得不稳定。这是生产中的大忌。所以，对石灰石矿山的物料进行优化，就是要有比较稳定的物料来源，即根据三量的安排，要长期计划和近期计划相结合，不仅作为主要成分的CaCO3波动小，而且其他的配合料带来的成分波动也要控制，使得物料的成分波动尽量的小，以此来稳定工厂的生产。
3、一定有效控制有害成分。水泥矿山中的有害成分主要是镁、碱、硫。氧化镁。氧化镁在石灰石矿山中较为常见，其含量差异很大，因为在熟料煅烧时候，氧化镁有一部分和熟料矿物结合或固溶体以及熔于液相中。因此，当熟料中含有少量氧化镁的时候，能降低熟料液相生成温度增加液相数量，降低液相粘度，有利于熟料的形成，还能改善色泽。在水泥熟料中，氧化镁的固溶总量可达到2%，其余的就是以游离状态存在的方镁石。这种矿物会在水化的时候速度慢，体积膨胀，会导致安定性不良，因此，必须从源头上予以控制。碱氯硫，石灰石矿山中或多或少均有一种或几种存在。这些物质在工厂内进行生产的过程中，随着温度不同，本身的物相及其物理化学性质也发生变化，在高温地带，这些物料受热挥发，随着烟气带往后面的烟室，分解炉、预热器系统并凝聚在生料颗粒表面，形成低温共熔物。这些部分含有液相的料粉颗粒极其容易粘接在预热器内壁上。 故，对这些容易形成低温共熔物的物料尽可能的控制含量，尤其是氧化镁和硫含量不宜同时都高。一般而言，生料中的碱以钠当量计算＜1.5%，氯含量＜0.02%，S＜1.3%。所以，在综合考虑辅料中的有害成分后，对石灰石矿山的有害成分控制就明晰了。
四、水泥厂石灰石矿山再优化的技术措施
1、生产环节的矿石检测很重要，要做到取样检测和在线监测的有机结合。
1.1在水泥厂的石灰石矿山主要开采环节有“钻、爆、装、运、破”五大环节，取样检测则可贯穿于各个环节，如在钻孔的时候可以取到钻孔的粉料作为样品进行检验，并且据此判断即将爆破的区域的矿石的成分含量及其分布。取样的关键环节是取样代表性的问题，即用一部分样品代表整个物料的整体情况。显然，取到的样本数量越多，其平均的成分含量与矿体平均值越接近。其取样部位应指定，以此减小取样位置因随机性带来的误差。例如，在矿体中划定方格网阵，在每个方格网阵中取样，作为子样。这种对取样位置划定区块，严格要求取样的方式，其代表性要远高于随机位置取样代表性。只有对各个区块的的取样样品取得详细准确的检测结果，即弄清了在什么位置有何种物料，该物料可用于何种搭配，才可在后续的装运工作中找到合适的物料进行装运到搭配地点，实现均匀的混合。所以，作为取样检测的重要一环，要重点关注取样代表性的问题。
1.2在线检测是最近几年成熟的一项新的石灰石检测技术，其基本原理是基于PGNNA技术，利用中子源打击被测物料的原子核，物料的原子核俘获到中子后，释放出特征能量的伽马射线，通过检测γ射线的能量，可以得知被测元素的种类，通过检测被测元素所释放的伽马射线的强度可算出该种元素的含量。相对于此前的取样分析，这种分析手段快速准确，最大的优点是全物料检测，没有取样代表性的困扰。将检测仪表跨在皮带机上，对皮带机上的全部物料进行透射式检测。
1.3取样检测和在线检测因为在矿山开采过程中的环节不同，各环节所起的作用不同，所以，二者有机结合起来，而不是简单的取代。取样检测是对矿区及各掌子面的掌控和规划的需要，是合理配料的前提，而经过破碎的物料经过分析仪全物料检测为物料在卸车坑的搭配方案及时调整提供依据。二者相辅相成，有机结合，对矿山进行精确的探知，生产，控制。使进入预均化堆场的物料由原来的预估，改为精确检测。
2.建立矿山数字化模型
水泥厂的石灰石矿山的生产在进入新世纪以来，由于水泥市场的扩张，在水泥制造企业产能扩张的同时，石灰石矿山也经历了以产能增加为主要内容的快速扩张。虽然有不少企业对矿山加强了管理，但是，距离国际先进水平尚有差距，2012年后，随着市场的萎缩，已经建成的水泥厂开始重视内部的挖潜改造，对各个工艺环节精细化管理，降低成本。对于石灰石矿山，也在向着采矿的智能化，数字化发展。根据于润仓院士的提法，对数字化矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次：矿山数字化信息系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。在新世纪的我国的经济高速发展过程中，相比我国的有色矿山的数字化进程，水泥企业石灰石矿山的数字化无疑是慢了一拍，但是，已经引起水泥工业界的有志之士的注意，在石灰石矿山自动化和远程控制方面尚未开始，但是在数字化信息系统方面已经有所作为。在2015年投产的泰安中联水泥公司，其矿山采用了丹东东方测控技术股份有限公司的精细化配矿系统，这是第一次水泥石灰石矿山的采用数字化的技术指导生产：首先利用已经有的详勘资料中钻孔、槽探、和爆破孔的取样数据，构建三维的虚拟石灰石矿山模型，对整个采矿区域的矿石的分布，品位，等信息以三维状态的虚拟矿山形式表现出来。其次，该系统根据生产计划和技术要求，能自动生成配矿、生产等日工作计划，同时该系统配有车辆智能调度系统。调度中心可根据生成的工作计划通过车载移动终端自动对车辆进行调度。并对车辆实时监测，对车辆的路线，负荷等进行记载。这样，数字化矿山能极大地提高劳动生产率，降低生产成本，实现矿山真正安全、高效、经济开采。
石灰石矿山数字化，是未来的矿山的发展趋势，也是我国矿业由弱到强的必由之路，同时更是当前水泥矿山再优化、再利用的有效措施。
3. 多工作面的需要，减少二次倒运。
如果水泥厂对自有的石灰石矿山进行再优化，需要再对工作面重新考虑，这时候，工作面的设置并不是仅仅考虑开矿的需要，要更多考虑不同工作面的不同成分，最起码考虑配矿需求的比重要加大。多个工作台面，有充足的矿量备好，并有工作台面上的矿石的成分有梯次的排布，这样，对后续的精确搭配控制起到重要作用。
这里的二次倒运，并非是原来意义的二次倒运，而是指因为检测频率的提高、区块的检测密度加大，对于部分低钙、高有害成分的物料宜统筹安排，并不一定非要立刻做排废处理，而是多考虑一下从前面预均化堆场堆区的角度甚至是整体生产线的角度考虑，合理实现高低物料的合理搭配。不能轻易作为排废料排掉。从已经投产的部分矿山看，实现检测优化后，部分矿山对低品位的石灰石再利用潜力巨大，故应谨慎对待排废。 例如：吉林的明城亚泰，安装一台DF-5701的在线元素分析仪后，对已有的低品位石灰石不再排废，而是根据检测结果运输至破碎站直接搭配，送入工厂的预均化堆场。对以前已经作为废料排出的矿物也进行搭配使用。尽管这是当时条件下无法避免的二次倒运，但是经过矿山的利用再优化措施，对已有的矿石减少二次倒运，对已经当做废料的矿石搭配再利用，都是提高矿山利用率的有益之举。
五、结论
1.当前的水泥厂所用的矿山多数为既有矿山， 应对既有矿山根据已经掌握的资料和已经开采的情况进行认真分析，对其优化再利用提出可靠的方案。
2.矿山的优化再利用方案必须配以合适的快速检测手段，以中子活化技术的在线分析仪是可靠的检测方式和技术措施。而矿山的数字化是未来矿山的发展趋势。
3.对石灰石矿山进行再优化后会产生巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：
1、贾华平。 《水泥生产的中庸之道》 中国建材工业出版社 2014年12月
2、国家建材局。 《水泥矿山原料管理规程》 1991年。
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