水泥生产工艺及质量管理

1、水泥生产工艺及质量管理宗福斌,水泥的起源和发展,水泥是建筑工业三大基本材料之一，使用广、用量大、 素有“建筑工业的粮食”之称。生产水泥虽需要较多的能源，但水泥与砂、石等材料的混泥土是一种低能耗新型建筑材料。例如，在相同荷载的条件下，混泥土柱的耗能量仅为钢柱的1/5-1/6,砖柱的1/4。根据预测，在未来的几十年内，水泥依旧是主要建筑材料。水泥具有较好的可塑性，与砂、石等胶合后的混和物具有较好的和易性，可浇注成多种形状及尺寸的构件，以满足设计上的不同要求；水泥的适应性较强，适用于海上、地下、深水、严寒、干热、腐蚀、辐射等多种条件下；水泥还可与多种有机、无机材料制成多种用途的水泥复合材料；,水泥耐

2、久性较好，维修工作量小，不易生锈、耐腐朽。目前，水泥已广泛用于建筑、水利、道路、国防等工程中。近年来，宇航、信息及其它新兴工业中对各种具有特种性能的水泥复合材料的需求也越来越大。因此，水泥工业在整个国民经济中起着十分重要的作用。在目前甚至未来相当长的时期内，水泥仍将是人类社会的主要的建筑材料。,原始水泥可追溯到5000年前，埃及的金字塔、古希腊和古罗马时代用石灰掺砂制成的混和沙浆，曾被用于砌筑石块和砖块，这种用来做砌筑用的胶凝材料被称为原始水泥。它为现代水泥的发明奠定了基础。 1824年，英国泥水工J阿斯普丁发明了一种把石灰石和粘土混和后加以煅烧来制造水泥的方法，并获得了专利权。这种水泥同英国

3、附近波特兰小城盛产的石材颜色相近，故称为波特兰水泥。人类最早是利用间歇式土窑（后发展成土立窑）煅烧水泥熟料。,1877年回转窑烧制水泥熟料获得了专利权，继而出现了单筒冷却机、立式磨及单仓钢球磨等，从而有效地提高了水泥的产量和质量。 1905年湿法回转窑出现。 1910年土立窑得到了改进，实现了立窑机械化 连续生产。 1928年德国的立列波博士和波利休斯公司在对立窑、回转窑综合分析研究后，创造了带回转炉箅子的回转窑，为了纪念发明者与创造公司，取名为“立波尔窑”。,1950年，悬浮预热器由德国发明成功并开始应用，大幅度降低了熟料生产的热耗，极大地提高了生产规模。 20世纪60年代初，日本将德国的悬

4、浮预热器回转窑技术引进后，于1971年开发了水泥窑外分解技术，从而揭开了现代水泥工业的新篇章，并且很快在世界范围内出现了各具特点的预分解窑，形成了新型干法生产技术。随着原料与均化、生料均化、高功能破碎和粉磨，环境保护技术和X射线荧光分析等在线检测方法的配套发展，加上电子计算机和自动化控制仪表等技术的广泛应用，使新型干法水泥生产的熟料质量明显提高，能耗明显下降，生产规模不断扩大。,我国从上世纪70年代初研制新型干法水泥技术 装备开始，在国家有关部门的支持和推动下，水泥行业科研创新与技术开发能力不断提高，技术装备已达到世界先进水平。目前日产2000吨新型干法水泥生产技术装备已全部国产化，日产400

5、0吨、5000吨新型干法水泥生产技术装备国产化率达到90%以上，日产8000吨水泥熟料生产线和日产10000吨水泥熟料生产线已经投产。日产10000吨水泥熟料生产线全球只有7条，我国就拥有4条。新型干法水泥生产工艺正在逐步取代湿法、老式干法和立窑等生产工艺。,基本概念,胶凝材料 在物理化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其它物料而有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。它分为无机和有机两大类。无机胶凝材料又按照硬化条件，又可分为水硬性和非水硬性两种。水硬性胶凝材料指在拌水后既能在空气中又能在水中硬化的材料，如水泥。非水硬性胶凝材料不能在水中硬化，而只能在空气中硬化，故称为气硬性胶凝材料

6、，如石灰、石膏等。,水泥 广义上说，水泥泛指一切能够硬化的无机胶凝材料；而狭义的水泥则专指现代水泥，即具有水硬性的胶凝材料。 凡细磨材料加水拌和成塑性浆体，能胶结砂、石等适当材料，既能在空气中硬化又能在水中硬化的水硬性胶凝材料。,水泥的品种和分类,对水泥的分类通常有两种方法：一是按用途及性能分类，二是按其主要水硬性物质名称分类。 1、按水泥用途分为：通用水泥、专用水泥、特性水泥三大类。 通用水泥：是指适用于大多数工业、民用建筑工程的硅酸盐系列品种水泥。主要有硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥,专用水泥:是指有专门用途的水泥，如油井

7、水泥、中热硅酸盐水泥和砌筑水泥等。 特性水泥：是指有某种特殊性能的一类水泥。 如快硬硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥等。 2、按其主要水硬性物质名称分为:硅酸盐水泥系列、硫铝酸盐水泥系列、铝酸盐水泥系列、铁铝酸盐水泥系列、氟铝酸盐水泥系列、其他系列六大类。,普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、6%20%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）,代号：P.O。 复合硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、20%-50%的两种或两种以上规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P.C,一、物料破碎,1、破碎的

8、目的 破碎是利用外力克服物料的内聚力，使其由大变小的过程，常用机械方法来减小物料的粒度。 （1）有利于物料的输送和预均化； （2）有利于配料的准确性； （3）有利于物料的烘干； （4）有利于粉磨过程的节能高产,2、破碎分类 按破碎后的产品粒度分： （1）粗碎：将物料破碎到100mm以下； （2）中碎：将物料破碎到30mm以下； （3）细碎：将物料破碎到3mm以下。 3、破碎比（永远大于1） 物料被破碎前后的尺寸之比称之为：破碎比。在破碎前物料尺寸相同的情况下，破碎后的物料尺寸越小，其破碎比越大。 4、公称破碎比 破碎机进料口宽度与出料口宽度之比称之为:公称破碎比。,二、原料预均化,1、定义 (

9、1)预均化: 使单一品种物料的化学组成、品位质量混合均匀的过程称之为预均化。 (2)均化: 使多品种物料的化学成分按一定比例、配合均匀、稳定的过程称之为均化。,2、预均化在水泥生产中的意义 (1)稳定工艺条件和热工制度：提高配料准确性、生料合格率、供热的稳定性； (2)增加资源利用率、降低生产成本：搭配用料、延长矿山使用寿命、综合利用工业废渣。 (3)减少无组织排放、有利于环保、清洁生产。,三、生料制备,1、生料制备分类 在干法水泥生产中，将石灰石为主的石灰质原料、粘土为主的硅铝质原料和以铁粉为主的校正原料分别经破碎、烘干后，按一定的比例配合、磨细，并调配为成分适当、质量均匀的粉状物质称之为：

10、生料。 由于各地资源条件、经济条件和建厂时采用的生产方法和主机设备不同，生料制备的方法和要求各有不同。制备方法一般分为三种：湿法、干法、半干法。,湿法：生料粉磨过程中加水，不加煤，制成生料料浆，进湿法回转窑煅烧。由于热耗高，目前基本淘汰。 干法：生料粉磨过程中不加水，不加煤，制成生料干粉，进干法回转窑煅烧。热耗低、质量好，新型干法水泥生产是当前先进生产力的代表。 半干法：生料粉磨过程中不加水、加入适量的煤，制成黑色生料粉，然后，再加水制成生料球，进入立窑中煅烧。,四、水泥生产原料及品质要求,生产硅酸盐水泥熟料的原料主要是石灰质原料（主要提供CaO）和粘土质原料（主要提供SiO2、AL2O3、及

11、少量Fe2O3），此外，还需要补充某些成分不足的校正原料。,2020年7月9日星期四,、石灰质原料 凡是以碳酸钙为主要成分的原料都属于石灰质原料。它可分为天然石灰质原料和人工石灰质原料（即工业废渣）两类，水泥生产中常用是含有CaCO3 的天然矿石。石灰质原料使用最广泛的是石灰石，其主要成分是CaCO3，纯石灰石的CaO最高含量为，其品位由CaO含量确定。水泥工业中不是CaO含量越高越好，还要看酸性组成含量，如SiO2、AL2O3、Fe2O3的含量是否满足配料要求。主要有害成分为MgO、R2O(Na2O+K2O)和游离SiO2，尤其注意MgO。,石灰质原料的质量要求如下：,2、黏土质原料,粘土质

12、原料系指含水铝硅酸盐物原料的总称。粘土质原料的主要化学成分是SiO2、，其次是AL2O3、Fe2O3和CaO。水泥生产中只有提供酸性氧化物（SiO2、AL2O3、Fe2O3）。,粘土质原料的质量要求一般如下：,、校正原料 当石灰质原料和粘土质原料配合所得的生料成分不能符合配料方案要求时，需要根据所缺的组分掺加相应的原料，这种以补充某些组分不足为主的原料叫校正原料。校正原料有：铁质校正原料、硅质校正原料和铝质校正原料。我国的原料组成中氧化铁不足，需要补充氧化铁含量大于铁质校正原料，常用的有铁粉及硫酸工业废渣硫铁渣等。,校正原料的质量要求：,五、公司原燃材料及质量控制,1、目前生产用原燃材料 1.

13、1 生产熟料用原料 石灰石、风积沙、铜渣、铁矿石、粉煤灰 1.2 生产熟料用燃料 烟煤 1.3 生产水泥用混合材： 粉煤灰、水渣、炉渣、石膏,2、燃料的质量控制2.1质量要求,2.2、质量管理 分供方分批分堆存放； 按批做煤的工业分析；煤灰化学全分析。 搭配使用，注意均化 合理存放，防止自燃。 储存期：10d,3、原材料的质量控制,3、原材料的质量控制,2020年7月9日星期四,4、生料的质量控制,入窑生料的质量控制： 设有1个15m生料均化库，库底分6个区进行循环出库;出磨生料储存均化入窑，每2h取一次样。,六、硅酸盐水泥熟料,1、硅酸盐水泥熟料的煅烧 熟料煅烧是硅酸盐水泥生产工艺过程的第二

14、阶段。是指将生料制备过程中制得的生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生一系列物理的、化学的和物理化学变化后形成熟料的工艺过程。熟料的煅烧过程一般为： 熟料煅烧物料可分为：干燥过程粘土质原料的脱水碳酸盐分解固相反应硅酸三钙的形成和烧结反应熟料冷却过程。相应分为干燥带、预热带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。,一、干燥带（物料温度150） 由于入窑生料水分小于1%，几乎没有干燥带。半干法窑的干燥过程在加热机上进行，在回转窑内无干燥带。预热器窑、窑外分解窑干燥在预热器内进行，因此回转窑内无干燥带。H20。 二、预热带（物料温度150-750） 承担粘土质等原料中化学水的分解脱水任务。当温度升到400-55

15、0时，粘土开始脱水分解出活性SiO2和Al2O3，当温度升到600-700时，MgCO3继续分解。带悬浮预热器的窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带很短或者没有。,三、分解带（物料温度750-1000） 主要承担MgCO3和CaCO3的分解任务。在预热带未分解完的MgCO3在该带继续分解，但主要是CaCO3的分解。这一带末端，分解产物之间产生固相反应，生成碱性的CA、CF、C2S。 带悬浮预热器和加热机的窑，分解反应有一部分在预热器内进行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。 四、放热反应带（过渡带）（物料温度1000-1300） 在分解带分解出的大量Ca0、Si02、Al2

16、03等氧化物在该带进行固相反应，生成大量C3A、C4AF和C2S。这些反应是放热反应，故称“固相反应带”。由于固相反应放热，物料温度迅速上升，使该带在窑内占的比例较小。,五、烧成带（物料温度13001450-1300） 该带又称烧结带，是回转窑内温度最高的一带，物料进入这带就出现液相，在液相中C2S和游离氧化钙作用形成C3S即：Ca0C2SC3S，因此，此带也叫“石灰吸收带”。为C3S的生成反应完全，物料在此停留的时间，也就是烧成带应有一定长度，因此，要求回转窑内燃料燃烧的火焰应有一定的长度和温度。 六、冷却带（物料温度13001000） 在烧成带形成的C3S、C2S、C3A、C4AF四种主要

17、矿物的晶体继续向前运动与温度较低的二次空气相遇，熟料温度下降，这一区域称为冷却带。在该带快速冷却后，形成含C3S、C2S、C3A、C4AF圆形颗粒和玻璃体阿利特晶体，落入冷却机内。,2 、悬浮预热器的功能与特征 1）、功能。悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓（热量）加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。因它具有使气固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三大功能。 2）、特征。各种悬浮预热器窑的不同特性，主要取决于同它配套的悬浮预热器的特性，而多种悬浮预热器的特性，又取决于它的结构及换热方式。

18、构成多种悬浮预热的热交换单元设备有旋风筒（包括联接管道）及立筒（涡室）两种，所有悬浮预热气窑都是由这两种热交换单元设备中的一种单独组成或混合组成。,3、分解炉的功能与特征 1）、功能。承担预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。 2）、特征。一是在结构方面，它是在悬浮预热窑的悬浮预热器与回转窑之间，增设了一个分解炉，承担了原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务；二是在热工方面，分解炉是预分窑系统的“第二热源”，将传统上全部由窑头加入燃料的做法，改变为少部分从窑头加入，大部分从分解炉内加入，从而改善了窑系统内的热力分布格局；三是工艺方面，把熟料煅烧工艺过程中耗热最多的碳酸盐分解过程，移至分解炉

19、内进行之后，由于燃料与生料混合均匀，燃料燃烧热及时传递给物料，使燃烧、换热及碳酸盐分解过程都得到优化，使熟料煅烧工艺更趋完善。,4、回转窑,回转窑是一个长的钢质圆筒，内砌耐火砖衬里，与水平略呈倾斜，可围绕窑轴线以一定的速度转动。 回转窑作为水泥煅烧的关键装备，它的功能如下： （1）作为燃料燃烧装置。它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气，装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。,（2）作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求。 （3）作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。 （4）作为输送设备，它具有更大的潜力。 到目前为止，熟料煅烧的最后烧制过程，仍采用回转窑来完成，尚无可以替代的设备。,2020年7月9日星期四,5、熟料的质量控制,2020年7月9日星期四,6、煤粉的质量控制,七、水泥制成,水泥制成工艺是水泥生产的最后一个环节。是指把熟料、石膏、混合材料共同粉磨制成水泥，再进行包装或散装出厂。工艺过程如下： 熟料 （冷却） 包装机成品库出厂 石膏 水泥磨机水泥库均化 混合材 散装车出厂,1、水泥制成工艺过程中，粉磨是关键工序。在生