硅酸盐水泥原料及配料计算

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1、第4章 硅酸盐水泥原燃料及配料 水泥的质量主要取决于熟料的质量，煅烧优质熟料必须先制备适当成分的水泥生料。而生料的化学成分是由原料提供的。在自然界很难找到一种单一原料就能完全满足生产水泥的要求，因此需要采取几种不同的原料。4.1 原料 4.1.1 钙质原料凡是以碳酸钙、氧 化 钙 、 氢 氧 化 钙为主要成分的原料都叫钙质原料。1）天然的：石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。我国水泥工业生产中应用最普遍的是石灰岩（俗称石灰石），泥灰岩次之，个别小厂采用白垩和贝壳。 石灰岩：是由碳酸钙所组成的化学与生物化学沉积岩，主要矿物方解石（CaCO3）微粒常含有白云石（CaCO3MgCO3）、石英（结晶SiO2

2、）、燧石（又称玻璃质石英、火石，主要成分为SiO2 ，属结晶SiO2 ）、粘土质及铁质等杂质。结构致密，呈块状，性脆，普莫氏硬度 8 10 。 方解石晶体的大小对生料易烧性的影响CaCO3晶体愈小，分解出的CaO颗粒也愈小，分散度愈大，在相等量熔体条件下，CaO颗粒与熔体的接触面愈大，故CaO溶解及参与烧成反应的数量愈多，因此其易烧性越好。CaCO 3晶体愈大，分解温度愈高。 石英、燧石（以石英为主要矿物）对生料易磨性、易烧性的影响：化学成分均为SiO2，呈稳定的结晶状态。石英、燧石莫氏硬度7，质地坚硬，难磨。难烧：煅烧时SiO2要与原料中的CaO等起反应，生成矿物，首先必须破坏它原来的结构（

3、使它活化）。破坏结晶SiO2的结构，需要的能量大。 泥灰岩是由碳酸钙和粘土物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩，易采掘。它是一种由石灰石向粘土过渡的岩石。泥灰岩是一种极好的水泥原料，其中石灰岩和粘土混合均匀，易烧性好，有利于提高窑的产量，降低燃料消耗。 白垩是由海生生物外壳与贝壳堆积而成，主要由隐晶或无定形细粒疏松的碳酸钙所组成的石灰岩。其中常夹有粘土，碳酸钙含量在90%以上。白垩结构疏松，易于粉磨和煅烧，是水泥生产的优质原料。 2）人工的(工业废渣)电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥等。 4.1.2 硅铝质原料硅铝质原料指提供水泥熟料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分的原料的总称。天然的：黄

4、土、粘土、页岩、粉砂岩、河泥等。人工的(工业废渣)：煤矸石、粉煤灰、煤渣、磷渣等。我国水泥工业中过去使用较多的是粘土和黄土。为保护耕地，不占农田，近年来多采用页岩、粉砂岩等为粘土质原料。 砂岩页岩 黄土 华北和西北地区，硅率较高，塑性较差。粘土 华北和西北地区的红土、东北的黑土与棕壤、南方的红壤与黄壤，硅率较低，塑性较好。页岩 受地壳压力胶结而成的粘土岩，成分与粘土类似。砂岩、粉砂岩铝矾土、千枚岩 赤泥、煤矸石、城市污泥、油页岩渣、矿石开采尾矿和粉煤灰、炉渣 不同类型二氧化硅的活性按如下次序增高石英玉髓蛋白石-方石英-鳞石英长石中的SiO2云母和角闪石中的SiO2粘土矿物中的SiO2玻璃质矿渣

5、中的SiO2。 4.1.3 铁质原料天然的：低品位铁矿石工业废渣：硫铁矿渣（在我国用得较多，俗称铁粉）、炼铁厂尾矿、铜矿渣、铅矿渣等。 4.1.4 原料的质量要求为了充分合理地利用资源，国家不再对原料的质量作统一的要求，而是由各工厂根据实际情况自己确定。因此，只要通过各种原材料的搭配能够满足工艺配方的要求，没有必要拘泥于原料的某些质量指标。 固体燃料、液体燃料和气体燃料。我国煅烧水泥熟料主要采用煤。影响煤使用性能的主要因素有发热量、挥发分和灰分等。4.2 燃料项 目灰分A ad(%)挥发分Vad(%)全硫St,ad(%)发热量Qnet,ad(kJ/kg)水分Mad(%)烟 煤30 203522

6、100015无烟煤3010521000 -GB50295-2008水泥工厂设计规范28.0 35.0 2 23000 15 在煅烧条件相同的情况下，较高热值的煤有利于强化煅烧。挥发分低的煤不易着火，火焰短，高温集中；挥发分高的煤着火快，火焰长。我国预分解窑过去大多使用的是挥发分较高的烟煤，但近年随着科技进步，不少水泥回转窑已成功地全部或部分使用无烟煤。 煤的灰分不仅影响其发热量，还影响熟料的化学成分，从而影响熟料质量。若煤来源多，又未能均化，其灰分的波动必然导致熟料化学成份及质量的波动。 煤粉水分高，使燃烧速度减慢，降低火焰温度。但少量水分的存在能促进碳和氧的化合，并且在着火后，能提高火焰的辐

7、射能力。因此，煤不应过分干燥，一般水分控制为1.0%1.5%。为了充分利用煤炭资源，预分解窑用原煤除要求其全硫含量不大于2.5%外，其热值大小、挥发分和灰分含量有企业根据实际生产情况确定。 4.3 生料易烧性1）定义易烧性：水泥生料在固、液、气相环境下，通过的物理化学变化，形成熟料的难易程度。2）方法按一定的煅烧制度对水泥生料进行煅烧，测定其f-CaO含量，用该f-CaO含量表示该生料的煅烧难易程度。f-CaO含量愈低，易烧性愈好。生料易烧性愈好，生料煅烧的温度愈低；易烧性愈差，煅烧温度愈高。通常熟料的煅烧温度为14201480。 3）检测方法：JC/T 735-2005水泥生料易烧性试验方法

8、4）易烧性指数或易烧性值的表示易烧性；如：BI2 = C3S / ( C4AF + C3A +M + K + Na )Bth = 55.5 + 11.9R+90um + 1.58(LSF - 90)2 0.43LC2C 3S-生料的潜在矿物； R+90um-生料中90um筛上余量； Lc-1350时的液相量 5）影响生料易烧性的主要因素生料的潜在矿物组成。原料的性质和颗粒组成：原料中石英和方解石含量多，难烧，易烧性差；结晶质粗粒多，易烧性差。生料中次要氧化物和微量元素：含少量，有利于熟料形成，易烧性好，但含量过多，不利于煅烧。生料的均匀性和生料粉磨细度：生料均匀性好。粉磨细度细，易烧性好。矿化

9、剂：掺加各种矿化剂，均可改善生料的易烧性。 生料的热处理：生料的易烧性差，就要求烧成温度高，煅烧时间长。生料煅烧过程升温速度快，有利于提高新生态产物的活性，易烧性好。液相：生料煅烧时，液相出现温度低，数量多，液相粘度小，表面张力小，离子迁移速度大，易烧性好，有利于熟料的烧成。燃煤的性质：燃煤热值高、煤灰分少、细度细，燃烧速度快，燃烧温度高，有利于熟料的烧成。窑内气氛：窑内氧化气氛煅烧，有利于熟料的形成。 4.4 熟料组成设计一、水泥品种二、原料品质三、燃料品质四、生料成分均匀性五、窑型与规格六、生料易烧性 硅酸盐水泥成分可在一定范围波动(CaO:6267%、SiO2：2024%、Al2O3：4

10、7%、Fe2O3：2.5%6.0%)，只要生产出的水泥能满足GB规定且能保证顺利生产即可。可以采用各种配料方案，如低铁、高铁、低硅、高饱和系数等多种方案，但要注意三个率值配合适当，不能过分强调某一率值，当组成偏离过大，会给生产带来较大的困难。合适的配料方案要根据工厂实际情况，在多次实践总结的基础上进行优化。一、水泥品种 快硬早强水泥a)提高C3S、C3A含量，即高KH、高p。此时难烧，应降低n，以增加液相量；b)若提高C3A困难(增A，必增SiO2，均由粘土提供，因而配料可能困难)，可再提高C3S含量，此时液相粘度未增(未增A)，即不一定难烧，n不需要过分降低。 水工水泥防水化热，应降C3S、

11、C3A，但C3S降得过多，必影响强度等，所以应先考虑降C3A，即低p，再适当降C3S。 抗硫酸盐水泥C3A的水化产物会与硫酸盐反应形成钙矾石，体积膨胀94%，造成膨胀开裂以至毁坏。因此需降C3A，此时应提高C4AF量，以保证有足够的熔剂矿物，有利于烧成。即需低p。C3S水化产物中有较多CH，它会与硫酸盐(除硫酸钡)反应形成硫酸钙，体积膨胀124%，同样会导致安定性不良。因而需低KH，一般在0.800.85。 根据原料的资源情况、物理性质、化学成分及有害成分的含量，决定是否可以使用或将不同品种原料进行搭配。如粘土含Al2O3低时，往往配成C3A低的熟料，如要配成C3A高的熟料，必须用Al2O3高

12、的粘土或其它原料进行搭配；如粘土含SiO2太低，则需搭配含硅高的硅质原料，为样就要提高成本，并使生产工艺复杂；一般粘土质原料应尽量选择含有非晶态SiO2的风化粘土，含微晶石英的粘土质原料次之，尽量不用含有粗大颗粒石英的砂岩和河砂。 二、原料品质 又如石灰石中含燧石、粘土中含砂量多，则要适当降低KH来适应原料的要求。一般石灰石以含有微晶方解石矿体、结晶不良、杂质含量较少的矿体资源为好，即使SiO2等杂质稍多，如果为无定形结构，分布较匀，也不会产生过多的不利影响。当原料资源较好时，KH值可稍高些，否则应低些。等等。 工厂使用煤作燃料时，其灰分可能在一个较大范围波动，因而完全进入熟料后，其占熟料成分

13、也有较大变化，如占熟料成分的2%8%。煤灰波动会对熟料化学成分、矿物组成和煅烧制度有很大影响。煤粉越粗、灰分越高，影响也越大。因而当煤灰分变化时，应适当调整熟料组成。煤的均化。三、燃料品质 四、生料成分的均匀性u未经均化或未达到规定均化指标的生料，其化学成分的分布是不均匀的。高钙硅区则会导致f-CaO增多；高熔剂性组分区则浪费能源。u生料成分均匀性差的水泥厂，KH值要低一些，否则会使熟料的f-CaO增加，熟料质量变差。 五、窑型与规格 对于预分解窑，由于生料预热好，分解率高，烧成温度高，热工制度稳定，为了有利于保持窑皮和防止结皮、堵塞和结大块，目前趋于低液相量的配料方案。“两高一中”配料方案“

14、三高” 配料方案KH=0.870.93；SM=2.42.8；IM=1.41.9 4.5 配料计算 4.5.1 配料依据配料：根据水泥品种，原料的物理化学性能及具体的生产条件，确定所有原料的配合比，称为生料的配合，简称配料。包括原料的选择、熟料组成设计与配料计算。 熟料组成确定后，即可根据所用原料进行配料计算，求出符合熟料组成要求的原料配合比。配料计算的依据是物料平衡，即反应物的量应等于生成物的量。随着温度的升高，生料煅烧成熟料经历以下过程：生料干燥蒸发物理水；粘土矿物分解放出结晶水；有机物质的分解挥发；碳酸盐分解放出二氧化碳；液相出现使熟料烧成。因为有水分、二氧化碳以及某些物质逸出，所以，计算

15、时必须采用统一基准。 1）干燥基准：以干燥状态(蒸发掉物理水后)质量作为计算基准。用于计算干燥原料配合比和干燥原料的化学成分。干生料 = 干钙质原料 + 干硅铝质原料 + 干铁质原料（不考虑生产损失）2）灼烧基准：不考虑煤灰掺入。以灼烧状态(去掉烧失量-结晶水、CO2、挥发物等)质量作为计算基准。用于计算灼烧原料配合比和熟料的化学成分。灼烧生料 = 灼烧钙质原料 + 灼硅铝质原料 + 灼烧铁质原料（不考虑生产损失和煤灰掺入） 3）灼烧基准：考虑煤灰掺入。则灼烧生料与掺入熟料的煤灰之和应与熟料的质量相等。即 熟料 = 灼烧生料 + 煤灰(掺入熟料中的) （不考虑生产损失和煤灰掺入） 4）湿基准：

16、用含水物料作计算的基准。计算出干基的质量配比后，根据原料水分，即可计算湿原料的质量配合比，并最终计算出湿原料百分比。 煤灰掺入量计算 1）煤灰掺入量计算式式中 GA-熟料中煤灰的掺入量，%； q-单位熟料热耗，kJ/kg熟料； Q net,ar-煤的收到基低位热值；kJ/kg煤； Aar-煤的收到基灰分含量，%； S-煤灰沉落率，%； p-煤耗，kg煤/kg熟料。2）煤灰沉落率S 100SpA 100Q SqA G ararnet, arA 4.5.2 配料计算方法 生料配料的计算方法繁多，介绍应用比较广泛的递减试凑法、EXCEL法。 预分解窑采用三组分原料进行配料。已知熟料率值控制目标值分别

17、为KH=0.89 0.02；SM=2.5 0.1；IM=1.6 0.1，熟料热耗为3000 kJ/kg。已知原料、煤灰的化学成分和煤的工业分析资料如表所示。原料与煤灰的化学成分 名 称烧失量SiO 2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O Cl-石灰石41.06 4.64 1.29 0.60 50.80 0.90 0.22 0.43 0.06 0.011粉砂岩5.12 69.79 15.01 5.92 0.51 0.95 0.01 0.82 0.65 0.006铁 粉2.23 33.64 4.33 47.00 10.06 1.91 2.29 0.64 0.34 0.

18、009煤 灰53.44 32.61 5.68 3.44 0.60 1.61 1.08 0.31 0.015 说明：“原料与煤灰的化学成分”表中化学分析数据总和往往不等于100%，这是由于某些物质没有分析测定，因而通常小于100%；但不必换算为100%。此时，可以加上其它一项补足为100%。说明：有时，分析总和大于100%，除了没有分析测定的物质以外，大都是由于该种原、燃料等，特别是一些工业废渣，含有一些低价氧化物，如FeO、甚至金属Fe等，经分析时灼烧后，被氧化为Fe 2O3等增加了质量所致，这与熟料煅烧过程相一致，因此，也可以不必换算。 名 称烧失量SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO其

19、他合计石灰石41.06 4.64 1.29 0.60 50.80 1.61 100.00粉砂岩5.12 69.79 15.01 5.92 0.51 3.65 100.00铁 粉2.23 33.64 4.33 47.00 10.06 2.74 100.00煤 灰53.44 32.61 5.68 3.44 4.83 100.00 煤的工业分析Mar（%）Aar（%）Var（%）Car（%）Qnet,ar（kJ/kg）1.39 20.57 22.00 56.04 25500 1）计算煤灰掺入量%42.225500100 10057.203000100 arnet,arA QSqAG %43.335.

20、165.2)1)(18.2(OFe 32 IMSMIMKH %49.5OFeOAl 3232 IM %30.22)OFeOAl(SiO 32322 SM %78.65)OFeOAlSiO(CaO 32322 2）根据熟料设计率值，计算要求的熟料化学成分设：=97.0 %，则 3）递减试凑法计算干生料的配合比以100 kg熟料为基准， 计算步骤SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO其他备 注要求熟料组成-2.42 kg 煤灰22.301.29 5.490.79 3.430.14 65.780.08 3.000.12扣除煤灰成分差-129 kg 石灰石21.015.99 4.701.66 3.2

21、90.77 65.7065.53 2.882.08干石灰石=65.70/0.5080=129.3 kg差-21 kg 粉砂岩15.0214.66 3.043.15 2.521.24 0.170.11 0.800.77干粉砂岩=15.02/0.6979=21.5 kg差-2.7 kg 铁 粉0.360.91 -0.110.12 1.281.27 0.080.27 0.030.13干铁 粉=1.28/0.4700=2.72 kg 差+0.9 kg 粉砂岩-0.550.63 -0.230.13 0.010.05 0.190.01 -0.160.03干粉砂岩=0.55/0.6979=0.79 kg（？

22、）差-0.4 kg 石灰石0.080.02 0.100.01 0.060.00 0.200.20 -0.130.01干石灰石=0.20/0.5080=0.39 kg差0.06 0.09 0.06 0.00 -0.14偏差不大，不再重算 其它一项差别不大，说明设定值合适。将干原料质量比换算为百分配合比 4）核算熟料化学成分与率值名 称配合比Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO石 灰 石85.02 34.91 3.94 1.10 0.51 43.19粉 砂 岩13.21 0.68 9.22 1.98 0.78 0.07铁 粉1.77 0.04 0.60 0.08 0.83 0.18生

23、 料100 35.63 13.76 3.16 2.12 43.44灼烧生料21.38 4.91 3.29 67.48 煤灰掺入量GA=2.42%，则灼烧生料配合比为100%-2.42%=97.58%。按此计算熟料化学成分名 称配合比SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO灼烧生料97.58 20.86 4.79 3.21 65.85煤 灰2.42 1.29 0.79 0.14 0.12熟 料100 22.15 5.58 3.35 65.97 90.0SiO8.2 OFe35.0OA165.1CaO 2 3232 KH 48.2OFeOA1 SiO 3232 2 SM 67.1OFe OAl 32 32 IM 设原料操作水分：石灰石为1%；粘土为0.8%；铁粉为12%，计算湿原料质量配合比6）计算湿原料的配合比 EXCEL中规划求解在配料计算中的应用作业（1,4）