第五章熟料率值及配料计算

无机非金属材料工学第五章熟料率值与生料的配料计算一、硅酸盐水泥的原料主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，约95%石灰石粘土铁粉我国粘土氧化铝高，氧化铁不足校正原料3硅酸盐水泥熟料主要矿物组成C3S、C2S、C3A、C4AF钙质原料硅质原料铝质原料铁质原料石灰石粘土铁粉一、硅酸盐水泥的原料一、硅酸盐水泥的原料校正原料粘土中氧化硅含量不足时，可用高硅原料校正；如砂岩、沙子等粘土中氧化铝含量偏低时，可用高铝原料校正；如煤矸石、粉煤灰、煤渣等粘土中氧化铁含量偏低时，可用高铁原料校正；如铁粉矿化剂为了改善易烧性，需要加入少量矿化剂；如萤石、石膏、重晶石尾矿、铅锌尾矿或铜矿渣等一、硅酸盐水泥的原料◇常用天然石灰石原料：石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等◇我国大部分水泥厂使用：石灰岩、泥灰岩◇石灰岩中主要矿物为方解石，少量白云石、硅质、含铁矿物和粘土质原料。其中氧化钙含量不低于45~48%◇石灰石中的白云石（CaCO3.MgCO3）是熟料中氧化镁的主要来源！！◇燧石：结晶二氧化硅，呈结核状或透镜状；色黑、质地坚硬，难以磨细；影响窑磨产量及熟料质量；石灰石中控制含量4%其它非天然石石灰石原料：电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥A、石灰石◇泥灰岩是由碳酸钙和粘土物质同时沉积形成的均匀混合的沉积岩，是一种由石灰岩向粘土过渡的岩石。一、硅酸盐水泥的原料为使熟料中氧化镁含量小于5%，应控制石灰石中氧化镁含量小于3%石灰石中碱性氧化物含量应低于1%，以免影响煅烧！！一、硅酸盐水泥的原料天然粘土质原料有：黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等；黄土、粘土应用最广粘土原料质量的衡量：化学成分（硅率、铝率）、含砂量、含碱量、可塑性、热稳定性、正常流动时的需水量等B、粘土一、硅酸盐水泥的原料粘土中碱含量控制（低热水泥K2O+Na2O1.0%）粘土中MgO的控制（3.0%）•赤泥：制铝工业中用烧结法从矾土中提取氧化铝时排出的赤色工业渣。每生产1吨氧化铝产生1.5~1.8吨赤泥。中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨•煤矸石：采煤时排出的含煤量较少的黑色废石，煅烧后呈粉红色•粉煤灰：火力电厂排出的煤粉燃烧灰渣其它非天然粘土质原料一、硅酸盐水泥的原料一、硅酸盐水泥的原料C、校正原料常用铁质校正原料：低品位铁矿石、炼铁厂尾矿、硫酸厂工业废渣硫酸渣（硫铁矿渣）、铜矿渣、铅矿渣一、硅酸盐水泥的原料常用硅质校正原料：砂岩、河砂、粉砂岩扩大原料资源，充分合理利用低品位原料和工业废渣一般要求硅质原料的SiO2含量为70~90%二、水泥生料的易烧性定义：所谓生料易烧性是指在水泥窑实际操作中，熟料煅烧的难易程度。一般是以生料在某一设定温度下，经过一定时间煅烧后，熟料中所含游离钙f-CaO的多少来表示，游离氧化钙越多，易烧性越差；游离氧化钙越少，则易烧性越好。在选定矿山及确定配料方案时，都要做此工作，可按相关标准进行参考标准：JC/T735-2005《水泥生料易烧性试验方法》二、水泥生料的易烧性水泥熟料的煅烧温度以满足阿利特相形成为目的。生料易烧性越好，煅烧温度越低；易烧性不好，煅烧温度高。通常1420~1480℃T（℃）=1300+4.51C3S-3.74C3A-12.64C4AF实用公式精确公式，考虑化学性质、颗粒大小、液相量等二、水泥生料的易烧性生料易烧性的影响因素：生料的潜在矿物组成原料的性质和颗粒组成原料中次要元素和微量元素的含量生料的均匀性和生料粉磨细度矿化剂的含量（种类及掺入量）生料的热处理（升温速度）液相量（粘度、表面张力、离子迁移）燃煤的性质（热值、灰分、细度）窑内气氛（氧化气氛有利）率值对烧成温度和易烧性的影响MS硅率MA铝率LSF(KH)高、SM(MS)高，生料难烧；反之易烧，但是可能易结圈。SM高、IM(MA)高，生料难烧,要求较高的烧成温度。石英和方解石含量高，难烧，易烧性差；结晶质粗颗粒多，易烧性差！MgO/K2O/Na2O等有利于熟料形成，含量过多，不利于煅烧均匀性好、粉磨细度细，易烧性好•熟料中的主要矿物均由各主要氧化物经高温煅烧化合而成，熟料矿物组成取决于化学组成，控制合适的熟料化学成分是获得优质水泥水泥熟料的中心环节，根据熟料化学成分也可以推测出熟料中各矿物的相对含量高低。三、化学成分与矿物组成间的关系（1）CaO•C形成C3S、C2S、C3A、C4AF•C↑C3S↑，熟料质量↑•C↑↑f-CaO↑,影响安定性,熟料难烧•C↓C3S↓，C2S↑，早期强度↓，熟料好烧•故在实际生产中，CaO的含量必须适当，就硅酸盐水泥熟料而言，一般为62%～67%。（2）SiO2S形成C3S+C2S•S↑C3S↓，C2S↑，早期强度↓•相应A、F↓，溶剂矿物↓，熟料难烧•S↓C3S+C2S↓，熟料质量↓•相应A、F↑，溶剂矿物↑，易烧，•液相量↑，影响窑操作（3）Al2O3•A形成C3A+C4AF•当溶剂矿物一定时，•A↑C3A↑，极早期强度↑，易快凝•液相粘度大，熟料难烧•A↓C3A↓三、化学成分与矿物组成间的关系（4）Fe2O3•F形成C4AF•F↑C4AF↑，液相粘度↓，液相量↑，•易结大块，烧结范围窄，影响窑操作（5）其他少量氧化物和微量元素•少量有利增加液相量，降低液相粘度，降低熟料烧成温度，有利熟料烧成。•氧化物和微量元素多，易结大块，烧结范围窄，预热器易堵，影响窑操作三、化学成分与矿物组成间的关系①、从硅酸盐水泥熟料的化学组成看，CaO的低限大约为60%。过低会降低胶凝性，易粉化;CaO高限可达67%，此时要求几乎全部酸性氧化物与CaO反应生成C3A、C4AF和C3S而甚少C2S。实际生产中一般倾向于CaO含量稍高一些，使熟料中含有较多的C3S。②、Al2O3和Fe2O3的含量过少时，由于要求较高的煅烧温度，因而增加煅烧费用，不经济。③．Al2O3含量过高时，液相粘度过大，不利于熟料形成；同时，此种熟料水化时，凝结时间往往太短而难控制；当C3A含量大约高于15%时，有时加石膏也难以控制规定的凝结时间。④．C4AF不像C3A那样，故有时Fe2O3多一些是允许的；但Fe2O3过多，易使窑内结大块，甚至结圈，操作不易控制。三、化学成分与矿物组成间的关系19四、水泥熟料的率值1、目前中国水泥生产中普遍采用的率值为石灰饱和系数KH，硅率SM(silicaModulus)，和铝率IM(IronModules)2、硅率：水泥熟料中SiO2与Al2O3、Fe2O3含量之和的比值，用SM表示，有时也用n表示，计算式如下：SM=SiO2/(Al2O3+Fe2O3)3、铝率：熟料中Al2O3与Fe2O3含量之比，用IM表示，有时也用p来表示，计算式如下：IM=Al2O3/Fe2O3硅酸盐水泥熟料硅率和铝率的一般控制范围为：SM：1.7～2.7，IM：0.8～1.7之间。特种硅酸盐水泥，硅率和铝率的取值会超出上述范围。如，白色水泥：SM4.0，IM10；抗硫酸盐水泥：IM0.720硅率SM与熟料矿物组成之间的关系假定熟料矿物中只有C3S、C2S、C3A、C4AF，利用简单的质量守恒关系，可以推得硅率与熟料矿物组成之间存在以下关系：SM=(C3S+1.32C2S)/(1.434C3A+2.046C4AF)（3-4）硅率间接地反映了熟料中硅酸盐矿物与熔剂性矿物之比。这就反过来说明，提出硅率的概念同时利用硅率来控制水泥熟料的成分和生产在理论上是合理的。硅率越大水泥熟料中硅酸盐矿物越多，熔剂性矿物越少，如果熟料中有足够的CaO就有可能形成较多的阿利特，水泥将具有良好的早强特性，但这样的熟料比较难以烧成；如果熟料中CaO并不多，则熟料中可能形成较多的贝利特，水泥虽然早期强度较低，但放热量较小，耐蚀性较好。四、水泥熟料的率值21硅率SM与熟料煅烧之间的关系水泥熟料的烧成过程是一个固液相反应过程，液相量在很大程度上起着促进熟料烧成过程过程的作用。在一定范围内，SM低，体系液相多，熟料易于烧成。但是，过多的液相可能造成窑的操作控制困难，如易出现结大块、结炉瘤、结圈等不正常现象；同时，熟料中硅酸盐矿物减少，强度低。相反，SM高，体系液相量少，熟料就难以烧成；特别是当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时，熟料易于粉化。四、水泥熟料的率值22铝率IM与熟料矿物组成之间的关系•利用简单的质量守恒关系，可以推得熟料的铝率IM与矿物组成之间存在以下关系：IM=1.15C3A/C4AF+0.64（IM0.64）（3-5）•显然，铝率间接地反映了水泥熟料中C3A与C4AF含量之比,一定程度上反映了水泥煅烧过程中高温液相的粘度。•铝率高，熟料中C3A含量就高，C4AF含量就少。高温下液相的粘度大，不利于质点在液相中的移动，从而对熟料的烧成并不十分有利。但是铝率高的生料烧结范围宽，有利于窑的操作控制。•铝率低,生料高温下液相粘度低，有利于质点的移动；有利于硅酸三钙的烧成过程，但是铝率低的生料烧成温度下烧结温度范围变窄，不利于窑的操作控制，易结大块。四、水泥熟料的率值23石灰饱和系数КН•假设：熟料体系中酸性氧化物形成最高碱性矿物应该是：C3S、C3A、C4AF（计算时C4AF分解为C3A+CF）•则每1%的酸性氧化物反应生成上述最高碱性矿物熟料矿物所需的CaO分别可以计算如下：CC3S=3MCaO/MSiO2=356.08/60.09=2.8CC3A=3MCaO/MAl2O3=356.08/101.96=1.65CC4AF=MCaO/MFe2O3=56.08/159.70=0.35CaOmax=2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3四、水泥熟料的率值古特曼（A.Guttmann）杰耳（F.Gille）石灰理论极限含量24石灰饱和系数КН（续）•实际情况：并不是所有的酸性氧化物都会按预期目标全部与氧化钙反应生成最高碱度的熟料矿物。尤其是不可能全部形成C3S，而是会形成一部分C2S，同时残留一部分游离氧化钙。•于是，定义石灰饱和系数0＜КН＜1，乘于2.8SiO2项之上，便可得实际氧化钙的量应为：•CaO=2.8КНSiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3变换后可得石灰饱和系数的计算公式如下：•КН=(CaO-1.65Al2O3-0.35Fe2O3)/2.8/SiO2（IM≥0.64）四、水泥熟料的率值苏联学者金德(Б.А.Кйнд)和容克(Б.Н.Юнг)石灰石饱和系数КН25石灰饱和系数КН的意义•定义：水泥熟料中所有氧化硅SiO2反应生成硅酸盐矿物（C3S+C2S）所需的氧化钙CaO的量与所有氧化硅反应后全部形成C3S所需的氧化钙的量的比值。•也就是说，石灰饱和系数КН是水泥熟料中氧化硅被氧化钙饱和成C3S的程度。•所以，石灰饱和系数КН是一个具有明确物理意义的参数。•从理论上讲，石灰饱和系数КН值越大，熟料中C3S矿物越多；反之，石灰饱和系数越小，熟料中C3S矿物就越少。三、水泥熟料的率值26石灰饱和系数КН与熟料矿物组成之间的关系当КН=1.0时，熟料矿物组成为：C3S、C3A、C4AF，没有C2S。当КН=2/3时，熟料矿物组成为：C2S、C3A、C4AF，没有C3S。当КН=2/3～1.0之间时，熟料矿物组成为：C3S、C2S、C3A、C4AF。所以，理论上硅酸盐水泥熟料的石灰饱和系数КН值应当控制在2/3～1.0之间。实际生产中石灰饱和系数往往控制在0.82～0.94之间（0.86～0.92）。三、水泥熟料的率值27石灰饱和系数КН的校正若考虑烧成反应的不完全性，水泥熟料中往往残留游离氧化钙f-CaO、游离氧化硅SiO2和游离三氧化硫SO3，这时石灰饱和系数КН应当作如下修正：КН=[(CaO–f-CaO)–(1.65Al2O3+0.35Fe2O3+0.7SO3)]/2.8/(SiO2–f-SiO2)（IM≥0.64）当IM≤0.64时，熟料中的矿物组成改变为：C3S、C2S、C2F、C4AF，КН的计算公式相应地修正如下：КН=(CaO–1.10Al2O3–0.