水泥熟料生产原燃材料质量管理及配料管理基本知识

1水泥熟料生产原燃材料质量管理及配料管理基本知识绪言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2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。3第一章水泥基础知识一、什么叫水泥水硬性凝材料在拌水后既能在空气中以能在水中硬化，通常称为水泥（广义）。如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等非水硬性的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。如石灰、石膏等。二、水泥的定义和分类凡细磨成粉未状，加入适量水后可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。按用途分：通用水泥、专用水泥、特性水泥（抗硫酸盐水泥）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。三、硅酸盐系列水泥我们公司目前生产的水泥均属硅酸盐系列水泥，其主要成份为硅酸盐水泥矿物。四、硅酸盐水泥熟料的化学组成硅酸盐水泥熟料的主要化学组成为氧化钙（CaO），一般范围为62-67%；二氧化硅（SiO2），一般范围为20-24%；三氧化二铝（Al2O3）一般范围为4-7%；三氧化二铁（Fe2O3），一般范围为2.5-6%。这四种氧化物组成通常在熟料中占95%以上，同时含有5%以下的少数氧化物，如氧化镁（MgO）、三氧化硫（SO3）、氧化4钛（TiO2）、氧化磷（P2O5）以及碱（K20、Na20）等。这四种氧化物构成水泥熟料的最主要的化学成分。它们在水泥熟料生产中是按一定含量和一定比例进行配比生产的。配比不恰当，都会直接影响到熟料的质量进而影响到水泥的质量。如熟料中若CaO含量过高，则CaO不能充分与硅酸性氧化物化合，部分呈现游离状态存在于熟料中，成“死烧状态”。这种“死烧状态”的氧化钙，其水化作用非常缓慢，常发生在水泥凝结硬化过程之后的水泥石中，致使水泥石膨胀变形、破裂。如氧化铝和氧化铁，它们是熟料烧成过程中产生液相的主要氧化物，如果它们的含量过高，则产生的液相量过多，使物料易结大块而影响操作；如果含量过低，则产生液相量过少，使烧成困难，熟料易于“粉化”。所以在熟料生产中化验人员要对原料进行认真分析计算，作出科学合理的配料方案，指导熟料生产。五、硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有以下四种：C3S、C2S、C3A、C4AF，另外还有少量的f-CaO、方镁石、含碱矿物、玻璃体。通常，熟料中C3S+C2S含量75%左右，C3A+C4AF含量22%左右。1、C3S含量通常占熟料的50%以上，其特点：水化较快，早期强度高，强度增进就率大，干缩性、抗冻性较好，但水化热较高，抗水性差，抗硫酸盐浸蚀能力较差。C3S形成需要较高的烧成温度和较长的烧成时间，含量过高，烧成困难，易导致f-CaO增多，熟料质量下降。2、C2S含量通常分熟料的20%左右，其特点：水化较慢，早期强度低，水化热低，体积干缩小，抗水性和抗硫盐日浸蚀能力5好，后期强度增进快。3、C3AC3A水化速度、凝结硬化很快，放热多，硬化快，早期强度较高，但绝对值不高，后期几乎不再增长，甚至倒缩，C3A干缩变形大，抗硫酸盐性能差，脆性大，耐磨性差。4、C4AFC4AF水化速度早期介于C3A与C3S之间，早期强度类似于C3A但后期还能不断增长，水化热低，干缩变形小，耐磨、抗冲击、抗硫酸盐浸蚀能力强。5、f-CaO、MgOf-CaO在高温下死烧形成，水化很慢，一般加水3天后才反应有尽有，反应体积膨胀97.9%产生应力，造成水泥石破坏。MgO少量可与熟料矿物固溶，对降低烧成温度、增加液相数量，改善熟料色泽有好处，但超过一定量后，未固溶部分水化很慢，要几个月甚至几年才与水反应，生产Mg（OH）2，体积膨胀148%，导致水泥安定性不良。六、硅酸盐水泥熟料的率值及其意义水泥性能主要来源于熟料的性能，决定熟料性能的是水泥熟料的矿物组成，硅酸盐水泥熟料矿物由四种主要氧化物化合而成，在一定条件下，各氧化物的含量和彼此之间的比例，是水泥生产质量控制的基本要素。因此，人们就想出了表示水泥中各氧化物含量及彼此之间的关系，称为率值。率值可以简明扼要地表示水泥熟料性能及其对水泥煅烧的影响。率值就是用来表示水泥熟料中多氧化物之间相对含量的系6数。它是生产控制的一种指标。我国目前一般采用，石灰饱和系数（KH）、硅酸率（SM）、铝率（IM）1、饱和比：表示水泥熟料中氧化钙总量减去饱和酸性氧化物（Al2O3、Fe2O3、SO3）所需的氧化钙后，剩下的与二氧化硅化合的氧化钙的含量，与理论上二氧化硅与氧化钙全部化合生成硅酸三钙所需要氧化钙含量的比例。简言之，KH表示熟料中二氧化硅被氧化钙饱和生产硅酸三钙的程度。KH=（CaO-f-CaO）-1.65Al2O3-0.35Fe2O3-0.7SO3/2.8SiO2当IM＞0.64时KH=CaO-1.65Al2O3-0.35Fe2O3/2.8SiO2当IM＜0.64时KH=CaO-1.10Al2O3-0.7Fe2O3/2.8SiO2水硬率:HM=CaO/SiO2+Al2O3+Fe2O3石灰系数LSF=CaO/2.8SiO2+1.18Al2O3+0.65Fe2O32、硅酸率又称硅率，以n表示，欧美以SM表示。表示熟料硅酸盐矿物与熔剂矿物的比值。SM=SiO2/Al2O3+Fe2O3SM高，则硅酸盐矿物多，对水泥熟料强度有利，但熔剂矿物少，液相量少，会给煅烧造成困难，SM过低，则对熟料强度不利，且熔剂矿物多，易结圈等，不利于煅烧。3、铝氧率又称铝率或铁率。以P表示，欧美以IM表示，熟料中C3A与C4AF之间比值。公式为：IM=Al2O3/Fe2O37IM过高，意为C3A多，C4AF少，液相粘度增加，对煅烧及水泥性能都造成较大的影响。如IM过低，则C4AF多，液相粘度小，易结大块等。4、矿物组成及换算当IM＞0.64C3S=3.8SiO2(3KH-2)C2S=8.61SiO2(1-KH)C3A=2.65(A-0.64F)C4AF=3.04Fe2O3第二章硅酸盐熟料生产的主要原料及控制水泥的质量主要取决于熟料的质量。煅烧优质熟料必须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。只有当原料提供的成分符合要求，加上良好的煅烧与粉磨，才能生产出优质水泥。因此，水泥原料的开采和合理使用，是水泥生产首先需要解决的问题。自然界中很难找到一种单一原料，能完全满足水泥生产的要求。因此需要采取几种不同的原料，根据所生产水泥的种类和性能，进行合理搭配，即通过配料，组成配合原料，再把它粉磨成一定细度，才能制得适当成分的生料。因此，生料配料是为了确定各原料各组分的数量比例，以保证得到成分和质量合乎要求的水泥熟料。生产硅酸盐水泥用的原料，主要是石灰石质原料（主要提供8氧化钙）和硅铝质原料（主要提供氧化硅、氧化铝和少量氧化铁）、铁质校正原料进行配料。一、主要原燃材料技术要求1、石灰石凡是以碳酸钙为主要成分的原料都称为石灰质原料。常用的天然石灰质原料有石灰石、泥灰岩、白垩、贝壳等。外购石灰石的企业在签订供货合同前，化验室应先了解该矿山的质量情况，同时按不同的外观特征取样检验，制成不同质量品位的矿石标本。化验室根据本厂生产水泥熟料的配料要求，制定出石灰石的质量指标。类别CaO（%）MgO（%）R2O（%）SO3（%）燧石或石英石灰石一级品二级品＞4845～48＜2.5＜3.0＜1.0＜1.0＜1.0＜1.0＜4.0＜4.0泥灰岩35～45＜3.0＜1.2＜1.0＜4.02、硅铝质原料天然硅铝质原料的种类很多，有粘土、黄土、页岩、砂岩、粉砂岩等。级别npMgO（%）R2O（%）SO3（%）一级品二级品2.7～3.52.0～2.7或3.5～4.01.5～3.5不限＜3.0＜3.0＜4.0＜4.0＜2.0＜2.03、铁粉校正原料用以补充配合生料中氧化铁不足的原料。一般情况下Fe2O3≥40%，目前使用较多的是硫酸渣，其次是铁尾渣、铁矿石、铜矿渣等。4、原煤煤作为水泥熟料烧成的燃料，供给熟料烧成所需的热量。但是其中所含的灰分，绝大部分落入水泥熟料中，而影响水泥熟料9的成份和性质，从这一点讲，煤又是生产水泥的一种“原料”。因此对于水泥厂用煤的质量有一定的要求。类别挥发份（%）灰份（%）全硫（%）发热量kcal/kg无烟煤≤10≤25.0≤1.0≥5500烟煤≥22≤28.0≤1.0≥5000贫瘦煤10≤V≥20≤28.0≤1.0≥5000二、原燃材料质量控制生、熟料质量控制应以配料为纲，从原燃材料质量抓起，强化过程均化.原材料质量是制备成分合适，均匀稳定的生料基础条件，生料质量是熟料质量的基础。1、石灰石质原料控制石灰石质原料是构成生料的主要原料，一般在生料中占85%左右。石灰石的质量指标控制主要包括CaO、MgO、R2O、SO3、Cl-等。其中CaO是构成生料的主要成份，MgO、R2O、SO3、Cl-的含量为有害成份。CaO、MgO、R2O、SO3、Cl-的含量是石灰石矿山前期勘探需查明的主要内容。较高的CaO、较低的MgO、R2O、SO3、Cl-含量是优质石灰石矿山和生产优质熟料的基本要求，矿山选址的依据。进厂石灰石主要质量控制项目：日常以控制CaO含量为主，即进厂石灰石品位。对于其中的有害成份，一般随石灰石品位变化：石灰石品位越高，有害成份越低；石灰石品位越低，有害成份越高。进厂石灰石品位控制原则：控制合理的进厂石灰石品位，是为了保证生料率值满足预计的要求。石灰石品位既非越高越好、也非越低越好，应根据所使用的硅铝质原料的硅酸率来限定。如10所用硅铝质原料的硅酸率偏高，进厂石灰石的品位应偏低控制；