第4章 硅酸盐水泥原料及配料计算.ppt

1、第4章 硅酸盐水泥原料及配料计算,水泥熟料的质量主要取决于生料率值的控制和成分的均齐。制备合适的生料，并适应煅烧设备的性能，对原料就有一定的要求。需正确合理地选择和控制原料质量 。 原料必须满足一定的要求： 1）化学成分满足要求。否则配料困难，甚至无法配料 2）含杂质少。以免影响煅烧、水泥质量 3）应具有良好的工艺性能。如易磨性、易烧性、易混合性等,4.1 原料,4.1.1 石灰质原料,凡是以碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙为主要成分的原料都叫石灰质原料。如石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。 一般生产1t熟料约用1.3-1.5t石灰质干原料，在生料中约占原料总量的80%以上。 1、种类 天然的：石灰岩、泥

2、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）、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 。,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

3、。,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。, 人工的(工业废渣)：电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥等。,2、生产质量要求 用作生产硅酸盐水泥原料的石灰岩和泥灰岩，其质量要求如下表,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。 CaCO3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

4、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（使它活化）。破坏结晶SiO2的结构，需要的能量大。,4.1.2粘土质原料（硅铝质原料）,粘土质原料指提供水泥熟料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分的原料的总称。一般生产1t熟料约用0.3t-0.4t粘土质原料。在熟料中约占11%-17%。 1种类 天然的：黄土、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。一般均只代替部分粘土。 我国水泥工业中过去使用较多的是粘土和黄土。 随

5、着国民经济的发展以及水泥广大型化的趋势，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。,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。 粉砂岩 赤泥、煤矸石、粉煤灰,2硅铝质原料主要质量指标 产品方案中对氧化镁或碱含量有限量要求时，应相应变更。 在资源条件允许时，应首选岩石状硅铝质原料(如页岩类、粉砂岩类、砂矿类等) 。,在生产中只用石灰质和粘土质两种原料，往往不能满足生产优质熟料、尤其是特种水泥熟料的要求，有的是Fe2O3含量不足，有的则是Si

6、O2、Al2O3的含量不足。为了弥补这些成分的不足，一般选用铁质、硅质和铝质三种校正原料。,4.1.3 校正原料,(一)、铁质校正原料 1、种类 天然的：低品位铁矿石 工业废渣：硫铁矿渣(硫铁矿煅烧脱硫后排出的一种粉状残渣，Fe2O350%，在我国用得较多，俗称铁粉。)、炼铁厂尾矿、铜矿渣、铅矿渣等。 2、质量要求 Fe2O3 40%；MgO 3%；R2O 2%。 需要说明的是，一些铁质校正原料还会含有某些有益于熟料煅烧或不利于煅烧的微量成分，在使用中需予以注意。,(二)、硅质校正原料 1、种类： 硅藻土、硅藻石、蛋白石，含SiO2高的粘土、硅质渣、砂岩、粉砂岩等，但要注意，砂岩是结晶SiO2

7、 ，对粉磨、煅烧都不有利的影响，故非特殊情况，一般不予采用。 2、质量要求 n 4.0 SiO2 (70%-90%) R2O 4.0%。,(三)、铝质校正原料 1种类： 含Al2O3比较多的炉渣、煤矸石、铁矾石和铝矾土等。 2质量要求 Al2O3 30% MgO 3% R2O 2%。,4.2 燃料,我国水泥工业基本上以煤作为燃料。,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

8、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 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 0.43LC2 C3S：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。

9、 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 熟料组成的选择,一

10、、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 （两高一中，三高配料）,硅酸盐水泥 成分可在一定范围波动(CaO:6267%、SiO2：2024%、Al2O3：47%、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。即应该具有正常的凝结时间、良好的安定性与符合相应等级的强度等基本性能，因而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

11、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、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

12、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。,必须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

13、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。 煤的挥发分对煅烧也有影响，应及时调整火焰。,三、燃料品质,四、生料成分的均匀性,未经均化或未达到规定均化指标的生料，其化学成分的

14、分布是不均匀的。 在正常烧成温度下，高钙硅区则会导致f-CaO增多， 高熔剂性组分区则浪费能源。 因而生料成分均匀性差的水泥厂，在配料时，熟料KH值通常比生料成分均匀性好的要低一些，否则反而会使熟料的f-CaO增加，熟料质量变差。,5、窑型与规格 即使生产同一品种水泥，不同窑型KH值也不同。 见前，不同窑型率值的一般取值范围。 6、生料的易烧性 生料易烧性(形成熟料的难易程度)好，可采用高KH、高n、高p，否则配低一些。 影响易烧性的因素很多，如生料的潜在矿物组成、原料的性质和颗粒组成、生料中的次要氧化物和微量元素、生料的均匀性和粉磨细度、矿化剂、液相、燃煤的性质等。,4.5 配料计算,4.5

15、.1 配料的目的和基本原则 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。 配料包括原料的选择、熟料组成设计与配料计算。 配料是为了确定各原料的数量比例，以保证生产出符合要求的水泥熟料，达到优质、高产、低消耗。适合的配料方案既是工艺设计的依据，又是正常生产的保证。,4.5.2 配料计算的依据,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；

16、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 = 干石灰石 + 干粘土 + 干铁粉 -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 = 灼烧石灰石 + 灼烧粘土 + 灼烧铁粉 -不考虑生产损失 -不考虑煤灰掺入,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 =

17、灼烧生料 + 煤灰(掺入熟料中的) -不考虑生产损失 -考虑煤灰掺入,4湿基准：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,煤灰掺入量 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； Qnet,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,4.5.3 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,例：假设用窑外分解窑以三种原料配合进行生产，

18、要求熟料的三个率值为：KH=0.890.01、SM=2.10.1、IM=1.30.1，单位熟料热为3350kJ/kg熟料，试计算原料的配合比。 原料与煤灰的化学成分,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Fe2O3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。,煤的工业分析（干燥基）,1确定熟料组成：根据题意，已知熟料率值为KH=0.890.01、SM=2.10.1、IM=1.30.1。 2计算煤灰掺入量,(二)、递减试凑法 计算过程如下： 1计算四种主要氧化物含量，也即确定值 值是指熟料中四种主要氧化物的百分含量，值一般在97%左右。 影响值的因素：干原料配合比、干原料中四种主要氧化物含量(换个说法：