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水泥工艺相关知识((一)
[来源:本站 | 作者:信息中心 | 日期:2010年6月24日 | 浏览15660 次] 字体:[ ]

   
水泥作为工业性产品的实际应用,至今已有 160 多年,水泥工业的生产规模不断扩大,工艺和设备不断改进,品种和质量也有很大的发展。 1826 年出现第一台烧水泥用的自然通风的普通立窑 .1910 年实现立窑机械化连续生产。 1881) 年出现第一台回转窑,有效地提高了产量和质量,使水泥工业进入了回转窑阶段。 1923 年立波尔窑的出现,使水泥工业出现较大的变革,窑的产量明显提高,热耗显著降低 o50 年代初悬浮预热器的出现,使热耗大幅度降低 0 60 年代,电子计算机开始应用于水泥工业. 1971 年日本人开发了预分解窑技术,从而使水泥工业生产技术有重大突破。立磨、辊压机、原料预均化、生料均化以及 X 射线萤光分析等技术的发展和应用使干法水泥生产的熟料质量明显提高,能耗进一步降低。由于应用了电子计算机和自动控制技术,许多先进的水泥厂都已采用全厂集中控制,巡回检查的方式,在矿山开采、生料和烧成车间、以及包装和发运等工序都实现了自动控制。
   另外,水泥科学研究中,各种精密测试仪器的应用,使水泥有关基础理论和应用技术的研究有了长足的进展。一些新的烧成和粉磨技术不断研究开发:正在开发应用的挤压机终粉磨系统,可使粉磨电耗降低 40 %左右;流化床锻烧熟料的研究以及回转窑废气中低温发电的研究也已取得一定进展。可望在不久的将来,水泥生产技术将会有更大的突破。
   非水硬性胶凝材料的发展在我国已有几千年历史,而水泥工业则始于 1876 年在河北唐山建立的启新洋灰公司,以后又相继在湖北以及广州、上海、南京等地建立水泥厂。但在解放前,水泥工业发展非常缓慢,历史最高水平年产量( 1942 年)仅有 229 万吨。按人均消费水泥量计算,约为当时美国、比利时等国的 1/150, 且水泥品种只有普通硅酸盐水泥和白色硅酸盐水泥等几个品种。解放后我国水泥工业发展迅速,从 1949 年的“万吨提高到 1994 年的 4 亿吨,约占世界水泥总产量的 1/3 ,连续十年产量居世界第一。水泥品种也从解放初期的 2-3 种增加到目前的 60 多种.除了满足一般建筑工程需要外,还能生产石油、水电、冶金、化工等许多部门需要的专用水泥和特性水泥。利用工业废渣生产水泥,也取得很好的效果。同时,不断引进消化并发展新技术、新工艺和新设备,在 1976 年建立第一条烧油预分解窑生产线之后,已自行研究设计了上海川沙、江苏郑县、新疆等日产 700 吨熟料的预分解窑生产线和江西、鲁南、双阳、耀县的日产 2000 吨熟料的预分解窑生产线,并在冀东、宁国、柳州、珠江等厂引进了国外大型现代化干法生产线。我国在水泥熟料缎烧、粉磨、熟料形成、水泥新矿物系列、水化硬化、混合材、节能技术等有关基础理论以及测试方法的研究和应用等方面,也取得了喜人的进展。但是,也应看到,与世界先进水平相比,我国水泥工业还存在不少问题,主要是生产效率低、能耗高、经济效益差和技术力量不足,人均产量低。另外,机械化和自动化水平较低,设备制造能力差,环境污染严重。
   当前,世界水泥工业的中心课题仍然是能源、资源和环境保护。为此,要发展以预分解窑为中心的新工艺及其他先进技术,在我国的特定条件下,要逐步淘汰普通立窑,改造和提高机立窑。从而形成一个具有中国特色的水泥工业体系,以优质、低耗、多品种的水泥来保证各类建设工程和人民生活的需要。

第二章 硅酸盐水泥国家标准及其生产

 
第一节 硅酸盐水泥的国家标准

  硅酸盐水泥是以硅酸钙为主要成分的熟料所制得的水泥的总称。如掺入一定数量的混合材料,则硅酸盐水泥名称前冠以混合材料名称:如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。根据国家标准 GB175-92 ,硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的定义、标号、品质指标以及验收规则如下:
一、定义
(一)硅酸盆水泥
  凡是由硅酸盐水泥熟料 ,0^-5 %石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥,即国外通称的波特兰水泥.硅酸盐水泥分为两种类型:不掺棍合材料的称为 I 型硅酸盐水泥,代号 P · I ;在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量 5 %石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为 I 型硅酸盐水泥,代号 P · I 。
(二)普通硅酸盆水泥
  凡是由硅酸盐水泥熟料 ,600^15 %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
掺活性混合材料时,最大掺入量不得超过 15 %,其中允许用不超过水泥质量 5 %的窑灰或不超过水泥质量 10 %的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时最大掺量不超过水泥质量 10 %。
(三)组分材料
1. 硅酸盐水泥熟料
  凡以适当成分的生料,烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的产物称为硅酸盐水泥熟料(简称熟料)
2. 石膏
   天然石膏必须符合国家标准 GB5483 的规定。工业副产石膏是工业生产中以硫酸钙为主要成分的副产品。采用工业副产石青时必须经过试验,证明对水泥性能无害。
3. 活性混合材料
  活性混合材料系指符合 GB1596 的粉煤灰,符合GB2847的火山灰质棍合材料和符合GB203的粒化高炉矿渣。
4. 非活性混合材料
  活性指标低于 GB1596,GB2847 和 GB203 标准要求的粉煤灰、火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣以及石灰石和砂岩。石灰石中的三氧化二铝含量不得超过 2. 5 %。
5. 窑灰
  窑灰应符合 ZBQ12001 的规定。窑灰是从回转窑窑尾废气中收集下来的粉尘。
  另外,水泥粉磨时还允许加入主要起助磨作用而不损害水泥性能的助磨剂,其加人量不得超过水泥质量 1 %。使用助磨剂、工业副产石膏时,须经省、市、自治区以上建材行业主管部门批准,投产后定期进行质量检验。

二、标号
  硅酸盐水泥分为 4258,525 、 5258 、 625,6258 、 7258 六个标号;普通硅酸盐水泥分为 325,425, 4258, 525, 5258, 625,625R 七个标号 .R 型水泥属于快硬型,对其 3d 强度有较高的要求。

三、技术要求
1. 不溶物
  I 型硅酸盐水泥不溶物不超过。. 7,5 %. I 型硅酸盐水泥中不溶物不得超过 1.50 %。
2. 氧化镁
  水泥中氧化镁含量不超过 5.0 %。如果水泥压蒸安定性试验合格,则水泥中氧化镁含量允许放宽到 6.0 %。
3 .三氧化硫
  水泥中 S03 含量不得超过 3.5 %。
4. 烧失量
  I 型硅酸盐水泥中烧失量不得大于 3. 。%, I 型硅酸盐水泥中烧失量不得大于 3. 5 %。普通水泥中烧失量不得大于 5. 0 %。
5. 细度
  硅徽盐水泥比表面积大于 3 面分 /k$, 普通水泥 80jtm 方孔筛筛余不得超过 10.0 %。
6. 凝结时间
  硅酸盐水泥初凝不得早于 4 35min ,终凝不得迟于 390min 。普通水泥初凝不得早于 45min ,终凝不得迟于 l0h 。
7. 安定性
  用沸煮法检验必须合格。
8. 强度
  水泥标号按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分,各标号水泥的各龄期强度不得低于
  表 1-2-1 中数值。

表 1-2-1 GB175-92 各龄期、各类型水泥强度

品种

标号

抗压强度 (MPa)

坑折强度 (MPa)

3d

28d

3d

28d

硅 酸 盐 水 泥

425R

22.0

42.5

4.0

6.5

525

23.0

52.5

4.0

7.0

525R

27.0

52.5

5.0

7.0

625

28.0

62.5

5.0

8.0

625R

32.0

62.5

5.5

8.0

725

37.0

72.5

6.0

8.5


品种

标号

抗压强度 (MPa)

坑折强度 (MPa)

3d

28d

3d

28d

普 通 水 泥

325

12.0

32.5

2.5

5.5

425

16.0

42.5

3.5

6.5

425R

21.0

42.5

4.0

6.5

525

22.0

52.5

4.0

7.0

525R

26.0

52.5

5.0

7.0

625

27.0

62.5

5.0

8.0

625R

31.0

62.5

5.5

8.0

9. 碱
  水泥中碱含量按 Na20+0-658 20 计算值来表示,若使用活性骨料,用户要求提供低碱
  水泥时,水泥中碱含童不得大于。. 60 %或由供需双方商定.

四、废品与不合格品
1. 废品
凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任何一项不符合本标准规定时,均为废品。
2. 不合格品
  凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品标号规定的指标时称为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、标号、工厂名称和出厂编号不全的也属于不合格品。
  以上标准中,凝结时间、安定性及强度是硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的三项重要建筑性质指标。凝结时间直接影响到施工。凝结时间过短,使水泥砂浆与混凝土在浇灌之前即已失去流动性而无法使用,凝结时间过长,则降低施工速度和延长模板周转时间。硅酸盐水泥熟料初凝时间只有几分钟,要加入石膏进行调节,才能达到规定的要求。石膏掺入量过多,不仅水泥强度会降低,还会产生水泥安定性不良。因此,标准中除规定了初凝与终凝时间,还规定了三氧化硫的极限含量。石膏适宜的掺入量应通过试验来确定。
  强度是水泥的一个重要指标,又是设计混凝土配合比的重要数据。水泥在水化硬化过程中强度是逐渐增长的,一般以 3d 、 7d 以前的强度称为早期强度, 28d 及其后的强度称为后期强度,也有以三个月以后的强度称为长期强度。由于水泥经 28d 后强度已大部分发挥出来,所以用 28d 强度划分水泥的等级,即划分为不同的标号。凡是符合某一标号和某一类型的水泥,必须同时满足表 1-2-1 中规定的各龄期抗压、抗折强度的相应指标。若其中任一龄期的抗压冷抗折强度指标达不到所要求标号的规定,则以其中最低的某一龄期的强度指标确定该水泥的标号。

 

第二节 硅酸盐水泥的生产

•  硅酸盐水泥的生产方法

  硅酸盐水泥的生产分为三个阶段:
1 .生料制备
石灰质原料、粘土质原料及少量的校正材料经破碎后按一定的比例配合、细磨,并经均化调配为成分合适、分布均匀的生料。
2. 熟料锻烧
  将生料在水泥工业窑内缎烧至部分熔融,经冷却后得到以硅酸钙为主要成分的熟料的过程。
3. 水泥的制成
  将熟料、石膏,有时加入适量混合材共同磨细成水泥的过程。
  以上三个阶段可以简称为“两磨一烧”。
  水泥的生产方法按生料制备方法的不同可分为干法与湿法两大类。原料经烘干、粉碎制成生料粉,然后喂入窑内缎烧成熟料的方法称为干法。将生料粉加入适量的水分制成生料球,再喂入立窑或立波尔窑内缎烧成熟料的方法一般称为半干法,亦可归入干法。将原料加水粉磨成生料浆,再喂入回转窑内锻烧成熟料的方法称为湿法。将生料浆脱水制成生料块,喂入窑内锻烧,或将生料块经供干、破碎成生料粉再喂入干法窑内锻烧成熟料的方法一般称为半湿法,亦可归入湿法。
  50 年代出现的悬浮预热器窑,在 60 年代取得了较大发展,大大降低了熟料热耗; 70 年代出现了窑外分解技术,使产量成倍地提高,热耗也有较大幅度地下降。同时,生料的均化和原料预均化技术的发展、烘干兼粉磨设备的不断改进,使熟料质量进一步提高;冷却机热风用于窑外分解炉和窑废气用于原料、煤粉的烘干,以及成功地利用窑尾废气进行发电,使余热得到了比较充分地利用。这样,水泥的生产方法就开始逐步发生变化,出现了向干法发展以及湿法改干法的趋向。悬浮预热器窑和窑外分解窑就成为当前世界各国竞相发展的窑型。从世界各国的情况统计,即使原料平均水分高达 10 %,干法生产(窑外分解)比湿法长窑仍可以降低能耗,而且经济上也是合理的。原料水分越低,干法生产节能效果越显著,技术经济效果愈好。
  如果原料水分较高,且易于制成生料浆时,则湿磨干烧或采用湿法长窑是合理的。

二、硅酸盐水泥生产的主要工艺过程
  在我国特定的条件下,机械化立窑水泥厂得到了蓬勃发恳在整个水泥工业中,机械化立
窑的生产能力占绝对优势。机械化立窑水泥厂的生产流程如图 1-2-1 所示。石灰石经破碎后进

         

                        图 1-2-1 机械化立窑水泥厂生产流程示意图
  1 一破碎机; 2 一供干机. 3 一原料库; 4 一原煤库; 5 一生料磨; 6 一生料库. 7 一成球盘. 8- 立窑.
  9 一碎煤机; 10- 熟料库; 11 一供干机‘ 12 一混合材库. 13 一水泥磨; 14 一水泥库; 15 一包装机
  入碎石库。粘土、铁粉、无烟煤经供干分别进入干燥的粘土、铁粉、无烟煤库,在库底用量秤按比例准确配料喂入生料磨粉磨。出磨生料入生料库调配和均化,然后加水成球用布料器撒入机械化立窑中锻烧成熟料(成球时有的工厂还按要求配入部分粒状煤)。出窑熟料经破碎后送至熟料库储存。混合材料经供干送入混合材料库,石膏经破碎送入石膏库,熟料、混合材料、石膏按要求比例配合喂入水泥磨粉磨。出磨水泥送至水泥库储存,经检验后包装出厂或散装出厂。
  用窑外分解窑干法生产的流程如图 1-2-2 所示。图中:来自矿山的石灰石 1 ,经过一级破碎 6 和二级破碎 7 成为碎石,进入碎石库 8 ;矿山开采的粘土 2 ,汽车运输进厂,经粘土破碎机 10 破碎后与碎石经计量按一定配比进入预均化堆场 9 ,经过均化和粗配的碎石和粘土,再经计量秤和铁质校正原料 3 按规定比例配合进入烘干兼粉磨的生料磨 11 加工成生料粉, 24 为选粉机.生料用气力提升泵 12 送至连续性空气搅拌库 13 ,经均匀化的生料粉再用气力提升泵送至窑尾悬浮预热器 14 和窑外分解炉 15 ,经预热和分解的物料进入回转窑 16 缎烧成熟料,熟料经蓖式冷却机 17 冷却,用斗式提升机输送至熟料库 220 回转窑和分解炉用的燃料(煤粉),是原煤 4 经烘干兼粉磨的风扫式煤磨 20 制备成煤粉 ,21 是经粗细分离器选出的细度合格的煤粉,贮存在煤粉仓。生料和煤的烘干所需热气体来自窑尾,冷却熟料的部分热风送至分解炉帮助煤的燃烧。窑尾的多余气体经排气除尘系统排出,18 为电收尘器 ,19 为增湿塔。熟料经计量秤配入一定数量右膏 5 在圈流球磨机 23 中粉磨成一定细度的水泥, 24 为水泥选粉机。水泥经仓式空气输送泵 25 送至水泥库 26 储存。一部分水泥经包装机 27 包装为袋装水泥,经火车或汽车 28 运输出厂;另外,也可用专用的散装车 29 散装出厂。

         
                      图 1-2-2 窑外分解窑干法水泥厂生产流程示意图
  干法生产生料粉磨可以采用开路管磨、闭路球磨或烘干兼粉磨的系统。烘干兼粉磨系统可以在立式磨(辊式磨),也可以在球磨机中进行。按原料性质和含水量的不同,可采用预先干燥、破碎兼供干或供干兼粉磨等各种方法和系统。湿法生产时,则多采用开路管磨或棒球磨系统,也可以采用弧形筛等组成闭路系统。
为保证入窑生料质量均匀、具有适当的化学组成,除应严格控制原、然料的化学成分进行精确的配料外,通常出磨生料均应在生料库内进行调配均化。当干法生产的原料较复杂时,原料在入磨前,也应在预均化堆场预先进行预均化。熟料的锻烧可以采用立窑和回转窑。立窑适用于规模较小的工厂,而大、中型厂则宜采用回转窑。回转窑又分为干法窑、立波尔窑、湿法窑。根据热交换器设置在窑内或窑外,湿法窑又可分为湿法长窑与带料浆蒸发机、料浆过滤机、料浆喷雾装置的短窑,湿法长窑使用较为广泛。

 第三章 硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算

 
第一节 硅酸盐水泥熟料矿物组成

   如前所述,硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧到部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。因此,在硅酸盐水泥熟料中 CaO,SiO2,A1203,Fe2O3 不是以单独的氧化物存在,而是以两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。其结晶细小,一般为 30^-60Icm 。因此可见,水泥熟料是一种多矿物组成的结晶  细小的人工岩石。它主要有以下四种矿物:
  硅酸三钙一~ 3Ca0 . '3i02 ,可简写为 C3S ;
  硅酸二钙 2Ca0 · Si02 ,可简写为 C2S ;
  铝酸三钙 3Ca0 · A1203 ,可简写为 C 3 A ;
  铁相固溶体通常以铁铝酸四钙 4Ca0 . A1203 . Fe203 作为代表式,可简写成 C 4 AF,
  此外,还有少量游离氧化钙 (.f-Ca0 ) 、方镁石(结晶氧化镁)、含碱矿物及玻璃体。通常熟料中 C3S 和 C2S 含量约占 75 %左右,称为硅酸盐矿物。 C3-ft 和 C,AF 的理论含量约占 22 %左右。在水泥熟料锻烧过程中 ,C 3 A 和 C,AF 以及氧化镁、碱等在 1250 ^ - 12800C 会逐渐熔融形成液相,促进硅酸三钙的形成,故称熔剂矿物。

一•  硅酸三钙  
   C3S 是硅酸盐水泥熟料的主要矿物。其含量通常为 50 %左右,有时甚至高达 60 %以上。纯 C3S 只有在 2065^ 12500C 温度范围内才稳定。在 20650C 以上不一致熔融为 Ca0 和液相;在 1250 0 C 以下分解为 CZS 和 Ca0 ,但反应很慢,故纯 C,S 在室温可呈介稳状态存在。 C,S 有三种晶系七种变型:
  1070 0 C 1060 0 C 990 0 C 960 0 C 920 0 C 520 0 C
  R ←―― → M Ⅲ ←――→ M Ⅱ ←――→ M Ⅰ ←――→ ~ T Ⅲ ←――→ T Ⅱ ←――→ T Ⅰ
  R 型为三方晶系, M 型为单斜晶系, T 型为三斜晶系,这些变型的晶体结构相近。但有人认为 ,R 型和 M ,型的强度比 T 型的高。
  在硅酸盐水泥熟料中 , C3S 并不以纯的形式存在,总含有少量氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固溶液,称为阿利特 (Alite )或 A 矿。
  纯 C3S 在常温下,通常只能为三斜晶系 (T 型),如含有少量 Mg0, A1203 , Fe2O3 , 503 ,
  ZnO,Cr203,R20 等氧化物形成固溶体则为 M 型或 R 型。由于熟料中 C3S 总含 MgO,A12O3,
  Fe2O3 以及其他氧化物,故阿利特通常为 M 型或 R 型。据认为锻烧温度的提高或锻烧时间的延长也有利于形成 M .型或 R 型。
  纯 C3S 为白色,密度为 3. 14g /cm3 , 其晶体截面为六角形或棱柱形。单斜晶系的阿利特单晶为假六方片状或板状。在阿利特中常以 C'S 和 CaO 的包裹体存在。
  C3S 凝结时间正常,水化较快,粒径 40^-50jum 的颗粒 28d 可水化 70 %左右。放热较多,早期强度高且后期强度增进率较大, 28d 强度可达一年强度的 70 % ^-80 %,其 28d 强度和一年强度在四种矿物中均最高。
  阿利特的晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力,当烧成温度高时,阿利特晶形完整,晶体尺寸适中,几何轴比大(晶体长度与宽度之比 L/B>2-3) ,矿物分布均匀,界面清晰,熟料的强度较高。当加矿化剂或用急剧升温等锻烧方法时,虽然含较多阿利特,而且晶体比较细小,但因发育完整、分布均匀,熟料强度也较高。因此,适当提高熟料中的硅酸三钙含量,并且当其岩相结构良好时,可以获得优质熟料。但硅酸三钙的水化热较高,抗水性较差,如要求水泥的水化热低、抗水性较高时,则熟料中的硅酸三钙含量要适当低一些。

•  硅酸二钙  
   C2S 在熟料中含量一般为 20 %左右,是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一,熟料中硅酸二钙并不是以纯的形式存在,而是与少量 MgO,A1203,Fe2O3,R20 等氧化物形成固溶体,通常称为贝利特 (Belite ) 或 B 矿。纯 C2S 在 14500C 以下有下列多晶转变。
  1425 0 C 1160 0 C 630— 680 0 C < 500 0 C
  α ====== α H === α L =====β --- →γ
  ↑________↑
  780— 860 0 C
  (H 一高温型, L 一低温型)
  在室温下 , α,α H , α L ,β 等变形都是不稳定的,有转变成 Y 型的趋势。在熟料中 α,α H 型一般较少存在,在烧成温度较高、冷却较快的熟料中,由于固溶有少量 A120, , Mg0 , Fe2O3 等氧化物,可以 β 型存在。通常所指的硅酸二钙或 B 矿即为 β 型硅酸二钙。
  α,α H 型 C2S 强度较高,而 Y 型 C2S 几乎无水硬性。在立窑生产中,若通风不良、还原气氛严重、烧成温度低、液相量不足、冷却较慢,则硅酸二钙在低于 5000C 下易由密度为 3. 28g /cm' 的 R 型转变为密度 2. 97g /cm3 的 Y 型,体积膨胀 10 %而导致熟料粉化。但若液相量多,可使溶剂矿物形成玻璃体将刀型硅酸二钙晶体包围住,并采用迅速冷却方法使之越过尹 -}Y 型转变温度而保留下来。
  贝利特为单斜晶系,在硅酸盐水泥熟料中常呈圆粒状,这是因为贝利特的棱角已溶进液相而其余部分未溶进液相之故。已全部溶进液相而在冷却过程中结晶出来的贝利特则可以自行出现而呈其他形状。
  在反射光下,正常温度烧成的熟料中,贝利特有交*双晶条纹,而烧成温度低冷却慢者,则呈现平行双晶条纹。
纯硅酸二钙色洁白,当含有 Fe20, 时呈棕黄色。贝利特水化反应较慢 ,28d 仅水化 2000A -: 右,凝结硬化缓慢,早期强度较低但后期强度增长率较高,在一年后可赶上阿利特。贝利特的水化热较小,抗水性较好。在中低热水泥和抗硫酸盐水泥中,适当提高贝利特含量而降低阿利特含量是有利的。

•  中间相  
   填充在阿利特、贝利特之间的物质通称中间相,它可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和方镁石。但以包裹体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和方镁石除外。中间相在熟料缎烧过程中,熔融成为液相,冷却时,部分液相结晶,部分液相来不及结晶而凝固成玻璃体。
(一)铝酸钙
  熟料中铝酸钙主要是铝酸三钙,有时还可能有七铝酸十二钙。在掺氟化钙作矿化剂的熟料中可能存在 C 11 A 7 · CaF2 ,而在同时掺氟化钙和硫酸钙作矿化剂低温烧成的熟料中可以是 C 11 A 7 · CaF2 和 C 4 A 2 S 而无 C 3 A 。纯 C 3 A 为等轴晶系,无多晶转化。 C 3 A 也可固溶部分氧化物,如 K2O,Na20 , Si02 , Fe203 等,随固溶的碱含量的增加,立方晶体的 C,A 向斜方晶体 NCB A, 转变。
  结晶完善的 C 3 A 常呈立方、八面体或十二面体。但在水泥熟料中其形状随冷却速率而异。氧化铝含量高而慢冷的熟料,才可能结晶出完整的大晶体,一般则溶入玻璃相或呈不规则微晶析出。
  C 3A 在熟料中的潜在含量为 7-15 %。纯 C 3A 为无色晶体,密度为 3. 04g /cm 3 ,熔融温
度为 15330C , 反光镜下,快冷呈点滴状,慢冷呈矩形或柱形。因反光能力差,呈暗灰色,故称黑色中间相。
  C 3A 水化迅速,放热多,凝结很快,若不加石膏等缓凝剂,易使水泥急凝;硬化快,强度 3d 内就发挥出来,但绝对值不高,以后几乎不增长,甚至倒缩。干缩变形大,抗硫酸盐性能差。
(二)铁相固溶体
  铁相固溶体在熟料中的潜在含量为 10-18 %。熟料中含铁相较复杂,有人认为是 C 2F - C 8A 3F 连续固溶体中的一个成分,也有人认为是 C 6A 2F -C6AF2 连续固溶体的一部分。在一般硅酸盐水泥熟料中,其成分接近 C,AF ,故多用 C, AF 代表熟料中铁相的组成。也有人认为,当熟料中 Mg0 含量较高或含有 CaF2 等降低液相粘度的组分时,铁相固溶体的组成为 C 6A 2F 。若熟料中 A1203/Fe203<0. 64 ,则可生成铁酸二钙。
  铁铝酸四钙的水化速度早期介于铝酸三钙和硅酸三钙之间,但随后的发展不如硅酸三钙。早期强度类似于铝酸三钙,后期还能不断增长,类似硅酸二钙。抗冲击性能和抗硫酸盐性能好,水化热较铝酸三钙低,但含 C, AF 高的熟料难磨。在道路水泥和抗硫酸盐水泥中,铁铝酸四钙的含量高为好。
  含铁相的水化速率和水化产物性质决定于相的 A1203/Fe203 比,研究发现 :C 6A 2F 水化速度比 C,AF 快,这是因为其含有较多的 A1203 之故 C6AF2 水化较慢,凝结也慢 C 2F 的水化最慢,有一定水硬性。
(三)玻璃体
  硅酸盐水泥熟料锻烧过程中,熔融液相若在平衡状态下冷却,则可全部结晶出 C 3A ,C 4 AF 和含碱化合物等而不存在玻璃体。但在工厂生产条件下冷却速度较快,有部分液相来不及结晶而成为过冷液体,即玻璃体.在玻璃体中,质点排列无序,组成也不定.其主要成分为 A1 2 0 3 、 Fe 2 O , Ca0 ,还有少量 MgO 和碱等.玻璃体在熟料中的含量随冷却条件而异,快冷则玻璃体含量多而 C,A,C,AF 等晶体少,反之则玻璃体含量少而 C,A,C,AF 晶体多.据认为,普通冷却熟料中,玻璃体含量约为 200-21 %;急冷熟料玻璃体约 800-22 %;慢冷熟料玻璃体只有 0 ~ 2 %。
  铝酸三钙和铁铝酸四钙在锻烧过程中熔融成液相,可以促进硅酸三钙的顺利形成,这是它们的一个重要作用。如果物料中熔剂矿物过少,则易生烧使氧化钙不易被吸收完全,从而导致熟料中游离氧化钙增加,影响熟料的质量,降低窑的产量并增加樵料的消耗。如果熔剂矿物过多,物料在窑内易结大块,甚至在回转窑内结圈,在立窑内结炉瘤等,严重影响回转窑和立窑的正常生产。

•  游离氧化钙和方镁石  
   游离氧化钙是指经高温锻烧而仍未化合的氧化钙,也称游离石灰。经高温锻烧的游离氧化钙结构比较致密,水化很慢,通常要在 3d 后才明显,水化生成氢氧化钙体积增加 7.9 %,在硬化的水泥浆中造成局部膨胀应力。随着游离氧化钙的增加,首先是抗折强度下降,进而引起 3d 以后强度倒缩,严重时引起安定性不良。因此,在熟料缎烧中要严格控制游离氧化钙含量。我国回转窑一般控制在 1.5 %以下,而立窑在 2.5 %以下。因为立窑熟料的游离氧化物中有一部分是没有经过高温死烧而出窑的生料。这种生料中的游离氧化钙水化快,对硬化水泥浆的破坏力不大。
游离氧化钙在偏光镜下为无色圆形颗粒,有明显解理。在反光镜下用蒸馏水浸蚀后呈彩虹色。
  方镁石是指游离状态的 Mg0 晶体。 Mg0 由于与 SIO2,FeM 的化学亲和力很小,在熟料锻烧过程中一般不参与化学反应。它以下列三种形式存在于熟料中:①溶解于 C,AF,C,S 中形成固溶体;②溶于玻璃体中;③以游离状态的方镁石形式存在。据认为,前两种形式的 Mg0 含量约为熟料的 2 %,它们对硬化水泥浆体无破坏作用,而以方镁石形式存在时,由于水化速度比游离氧化钙要慢,要在 0. 5-1 年后才明显。水化生成氢氧化镁时,体积膨胀 148 %,也会导致安定性不良。方镁石膨胀的严重程度与晶体尺寸、含量均有关系。尺寸 1 Jim 时,含量 5 %才引起微膨胀,尺寸 5-7tim 时,含量 3 %就引起严重膨胀。国家标准规定硅酸盐水泥中氧化镁含量不得超过 5. 0 %。在生产中应尽量采取快冷措施减小方镁石的晶体尺寸。

 

第二节 熟料的率值

  因为硅酸盐水泥熟料是由两种或两种以上的氧化物化合而成,因此在水泥生产中控制各氧化物之间的比例即率值,比单独控制各氧化物的含量更能反映出对熟料矿物组成和性能的影响。故常用表示各氧化物之间相对含量的率值来作为生产的控制指标。

•  水硬率 (Hydraulic Modulus
  水硬率是 1868 年德国人米夏埃利斯 (W. Michaelis) 提出的作为控制熟料适宜石灰含量的一个系数。它是熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量百分数的比值,常用 HM 表示,其计算式为:
CaO HM= ――――――――――( 1-3-1 ) Si02 + A120, -I-Fe203
  其中 CaO, Si02 , A1203, Fe2O3 分别代表熟料中各氧化物的质量百分数。水硬率通常在 1.8-2.4 之间。水硬率假定各酸性氧化物所结合的氧化钙是相同的,实际上并非如此。当各酸性氧化物的总和不变而它们之间的比例发生变化时,所需的氧化钙并不相同。因此只控制同样的水硬率,并不能保证熟料有相同的矿物组成。只有同时也控制各酸性氧化物之间的比例,才能保证熟料矿物组成的稳定。因此后来库尔 (H. HAD 提出了控制熟料酸性氧化物之间的关系的率值:硅率和铝率。

二•  硅率或硅酸率( Silica Modulus
  硅率又称硅酸率,它表示熟料中 Si02 的百分含量与 AIA 和 Fe20, 百分含量之比,用 SM

表示: ( 1-3-2 )
   通常硅酸盐水泥的硅率在 1.7-2.7 之间。但白色硅酸盐水泥的硅率可达 4. 0 甚至更高。
  硅率除了表示熟料的 Si02 与 A1203 和 Fe2O3 的质量百分比外,还表示了熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例关系,相应地反映了熟料的质量和易烧性。当 A120,/Fe2O3 大于 0.64 时,硅率与矿物组成的关系为:

( 1-3-3 )
  式中 C3S,C2S,C 3A ,C,AF 分别代表熟料中各矿物的质量百分数。从 1-3-3 式可见,硅率随硅酸盐矿物与熔剂矿物之比而增减。若熟料硅率过高,则由于高温液相量显著减少,熟料缎烧困难,硅酸三钙不易形成,如果氧化钙含量低,那么硅酸二钙含量过多而熟料易粉化。硅率过低,则熟料因硅酸盐矿物少而强度低,且由于液相量过多,易出现结大块、结炉瘤、结圈等,影响窑的操作。
•  铝率或铁率( Iron Modulus
  铝率又称铁率,以 IM 表示。其计算式为:

( 1-3-4 )
  铝率通常在 0. 9^-1. 7 之间。抗硫酸盐水泥或低热水泥的铝率可低至 0. 7 。
  铝率表示熟料中氧化铝与氧化铁的质量百分比,也表示熟料中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例关系,因而也关系到熟料的凝结快慢。同时还关系到熟料液相粘度,从而影响熟料的锻烧的难易,熟料铝率与矿物组成的关系如下:

( 1-3-5 )
  从 1-3-5 式可见,铝率高,熟料中铝酸三钙多,液相粘度大,物料难烧,水泥凝结快。但铝率过低,虽然液相粘度小,液相中质点易扩散对硅酸三钙形成有利,但烧结范围窄,窑内易结大块,不利于窑的操作。
  有些国家,如日本采用 HM, SM 和 IM 三个率值来控制熟料成分,结果还比较满意。我国从日本引进的冀东水泥厂也用此三个率值来控制生产。但不少学者认为水硬率的意义不明确,因此,又提出了不同的与石灰最大含量有关的计算公式,常见的有 KH 和 LSF 。
四、石灰饱和系数 KH
  古特曼与杰耳认为,酸性氧化物形成的碱性最高的矿物为 C35,C,S,C,A,C,AF ,从而提出了他们的石灰理论极限含量。为便于计算,将 C,AF 改写成“ C 3 A " 和“ CF" ,令 "CA" 与 C 3 A 相加,那么每 1 %酸性氧化物所斋石灰含量分别为:
  1 % A1 2 03 所需: CaO= 3 × 56.08/101.96=1.65
  1 %Fez03 所需 CaO=56.08/159.7=0.35
  1 % Sioz 形成 C 3 S 所需 CaO= 3 × 56.08/60.09=2.8
  由每 1 %酸性氧化物所需石灰量乘以相应的酸性氧化物含量,就可得石灰理论极限含量计算式:
  CaO = 2. 8SiOz + 1. 651103-f-0. 35Fez03 ( 1-3-6 )
  金德和容克认为,在实际生产中,氧化铝和氧化铁始终为氧化钙所饱和,而 Si0 :可能不完全饱和成 C35 而存在一部分 C's, 否则熟料就会出现游离氧化钙。因此就在 Sioz 之前加一石灰饱和系数 KH 。故
  Ca0=KH X 2. 8SiOz + 1. 65A 1203-1-0. 35Fez03 ( 1-3-7 )将 1-3-7 改写成

( 1-3-8 )
  因此,石灰饱和系数 KH 是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙 (C3S-I-CzS) 所需的氧化钙含量 与全部二氧化硅理论上全部生成硅酸三钙所需的氧化钙含量的比值,也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。
  式 1-3-8 适用于 IM>0. 64 的熟料。若 IM<0. 64 ,则熟料组成为 C3S,CZS,C,AF 和 CZF e同理将 C,AF 改写成 }C 2 A ?" }C 2F " ,令 uk, 2F " 与 CZF 相加,根据矿物组成 C3S,C2S,C 2F 和 C 2 F +“ C 2 A ”可得:
( 1-3-9 )
  考虑到熟料中还有游离 Ca0 、游离 Si0 :和石膏,故式 1-3-8 , 1-3-9 将写成:
( A/F ≥ 0.6 ) ( 1-3-10 )
( A/F < 0.64 ) ( 1-3-11 )
  硅酸盐水泥熟料 KH 值在 0. 82-0. 94 之间,我国湿法回转窑 KH 值一般控制在 0. 89 士0. 0l 左右。
石灰饱和系数与矿物组成的关系可用下面数学式表示:

( 1-3-12 )
  从上可见,当 C3 S = 0 时 KH= 0. 667, 即当 KH = 0. 667 时,熟料中只有 AC201%-3 和C,AF 而无 30 . 当 C20=V 时 ,KH=1 ,即当 KH=1 时,熟料中无 C20 而只有 C301% -13A 和C,AF, 故实际上 KH 值介于 o. ss7}-1. o 之间。
  KH 实际上表示了熟料中 C3S 与 Cps 百分含量的比例。 KH 越大,则硅酸盐矿物中的 C3S 的比例越高,熟料质量(主要为强度)越好,故提高 KH 有利于提高水泥质量。但 KH 过高,熟料锻烧困难,保温时间长,否则会出现游离 CaO ,同时窑的产量低,热耗高,窑衬工作条件恶化。
  我国目前采用的是石灰饱和系数 KH, 硅率 SM 和铝率 IM 三个率值。‘为使熟料既顺利烧成,又保证质量,保持矿物组成稳定,应根据各厂的原料、燃料和设备等。具体条件来选择三个率值,使之互相配合适当,不能单独强调其某一率值。一般说来,不能三个率值都同时高,或同时都低。

一•  石灰饱和系数法
  为了计算方便,先列出有关相对分之质量的比值。
  C 3 S=3.80 ( 3KH - 2 ) SiO 2
  C 2 S=8.60(1-KH) SiO 2
  C 3 A =2.65(Al 2 O 3 -0.64Fe 2 O 3 )
  C 4 AF=3.04Fe 2 O 3
  CaSO, = 1 . 7S03

•  鲍格 (R. H. Bogue)
  鲍格法也称代数法。根据四种主要矿物以及 CasO ; 的化学组成可计算出各氧化物的百分含量,见表 1-3-1 .
  表 1-3-1 主要矿物中各主要级化物的百分含量 ( %)

氧化物

矿 物

C 2 S

C 2 S

C 3 A

C 4 AF

CaSO 4

CaO

73.69

65.12

65.12

46.16

41.19

SiO 2

26.31

26.31




AL 2 O 3



37.73

20.98


Fe 2 O 3




32.86


SO 2





58.81

  根据上表数值可列出下列方程式:
  C=0. 7369C 3S + 0. 6512C 23 + 0. 0229C 3 A + 0. 4016C , AF + 0.4119CaS0,
  S=0: 2631C 3S-t-0. 3488CZS
  A=0. 3773C 3 A - 0. 2098C 4 AF
  F= 0.3286 C 4 AF
  SO 3 =0. 5881CaSO 4 .
  解上述联立方程,可得各矿物百分含量计算式 0. 64 ):
  C3S=4. 07 C - 7. 60 S - 6. 72A 一 2. 86S03
C2S=8. 60S + 5. 07A + 1 . 07F + 2.15S0 3 一 3. 07C
= 2. 87 S - 0. 754C 3S
C 3A =2.6 5 - 1. 09F
C 4 AF=3. 04F ( 1-3-20 )
同理,当 I M < 0.64 时,熟料矿物组成计算式如下:
C3 S=4. 07 C - 7. 60 S - 4. 47 a - 2. 80 F - 2. 86S03
CZS = 8. 60S+3. 38A + 2. 15S03 一 3. 07C
= 2. 87S-0. 754C 3S
C,AF=4. 77A
C 2F =1. 70(F-1. 57A )
CaSO ;= 1. 70S0 :
•  熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差
  硅酸盐水泥洲料矿物组成的计算是假设熟料是平衡冷却并生成 C3S,C2S,C,A 和四种纯矿物,其计算结果与熟  料真实矿物组成并不完全一致,有时甚至相差很大。其原因是:
1. 固溶体的影响
  计算矿物为纯 C3S,C2S,C 3A 和 C, F, 但实际矿物为固溶有少量其他氧化物的固溶体,即阿利特、贝利特、铁相固溶体等。例如,若阿利特组成按 CsaS16MA 考虑,则计算 C3S 的公式中 Si02 前面的系数就不是 3.80 而是 4.30, 这样实际含量就要提高 11 %,而 C 3A 则因有一部分 A1203 固溶进阿利特而使它的含量减少。又如,铁相固溶体并非固定组成的 C, AF, 而在高温或有 MgO,CaF2 等条件下有可能是 C6 2F , 其结果使实际矿物中铁相固溶液含量增加使 C 3A 含量减少。
2. 冷却条件的影响
  硅酸盐水泥熟料冷却过程,若缓慢冷却而平衡结晶,则液相几乎全部结晶出 C 3A ,C,AF等矿物。但在工业生产条件下,冷却速度较快,因而液相可部分或几乎全部变成玻璃体,此时,实际 C 3A ,C,AF 含量均比计算值低,而 C3S 含量可能增加使 C2S 减少。
3. 碱和其他微组分的影响
  碱的存在可能与硅酸盐矿物形成 KC23S12 ,与铝酸三钙形成 NC 8A 3 ,而析出 CaO ,从而使 C 3A 减少而出现 NC 3A 3, 碱也可能影响 C3S 含量。其他次要氧化物如 Ti02 , MgO, P,05 也会影响熟料的矿物组成。
尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异,但它能基本说明对熟料锻烧和性能的影响,也是设计某一矿物组成的水泥熟料时,计算生料组成的唯一可能的方法,因此在水泥工业中仍得到广泛应用。

 

第三节 熟料矿物组成的计算

   熟料的矿物组成可用岩相分析 ,X 射线定量分析等方法测定,也可根据化学成分进行计算。
   岩相分析基于显微镜下测量出单位面积各矿物所占的面积的百分率再乘以相应的矿物的相对密度而得各矿物含量。这种方法较符合实际情况,但要求操作者要有熟练的技巧,且劳动,强度大。此外,晶体较小,也可重迭而产生误差 .X 射线定量分析基于熟料矿物特征峰强度与基准单矿物特征峰强度之比求其含量。这种方法方便且准确,国外现代化水泥厂都普遍采用。但限于设备条件,我国水泥厂使用的还不多,另外,此方法对含量太低的矿物不适用。我国常用化学方法进行计算。此方法计算出来的仅是理论上可能生成的矿物,称之为“潜在矿物”组成。在生产条件稳定的情况下,熟料真实矿物组成与计算矿物组成有一定的相关性,已能说明矿物组成对熟料及水泥性能的影响,因此在我国仍普遍使用。
常用的从化学成分计算熟料矿物组成的方法有两种,即石灰饱和系数法和鲍格法。
•  石灰饱和系数法
为了计算方便,先列出有关相对分之质量的比值。
C 3 S=3.80 ( 3KH - 2 ) SiO 2
C 2 S=8.60(1-KH) SiO 2
C 3 A =2.65(Al 2 O 3 -0.64Fe 2 O 3 )
C 4 AF=3.04Fe 2 O 3
CaSO, = 1 . 7S03
•  鲍格 (R. H. Bogue)
鲍格法也称代数法。根据四种主要矿物以及 CasO ; 的化学组成可计算出各氧化物的百分含量,见表 1-3-1 .
表 1-3-1 主要矿物中各主要级化物的百分含量 ( %)

氧化物

矿 物

C 2 S

C 2 S

C 3 A

C 4 AF

CaSO 4

CaO

73.69

65.12

65.12

46.16

41.19

SiO 2

26.31

26.31




AL 2 O 3



37.73

20.98


Fe 2 O 3




32.86


SO 2





58.81

根据上表数值可列出下列方程式:
C=0. 7369C 3S + 0. 6512C 23 + 0. 0229C 3 A + 0. 4016C , AF + 0.4119CaS0,
S=0: 2631C 3S-t-0. 3488CZS
A=0. 3773C 3 A - 0. 2098C 4 AF
F= 0.3286 C 4 AF
SO 3 =0. 5881CaSO 4 .
解上述联立方程,可得各矿物百分含量计算式 0. 64 ):
C3S=4. 07 C - 7. 60 S - 6. 72A 一 2. 86S03
C2S=8. 60S + 5. 07A + 1 . 07F + 2.15S0 3 一 3. 07C = 2. 87 S - 0. 754C 3S
C 3A =2.6 5 - 1. 09F
C 4 AF=3. 04F ( 1-3-20 )
同理,当 I M < 0.64 时,熟料矿物组成计算式如下:
C3 S=4. 07 C - 7. 60 S - 4. 47 a - 2. 80 F - 2. 86S03
CZS = 8. 60S+3. 38A + 2. 15S03 一 3. 07C = 2. 87S-0. 754C 3S
C,AF=4. 77A
C 2F =1. 70(F-1. 57A )
CaSO ;= 1. 70S0 :
•  熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异
硅酸盐水泥洲料矿物组成的计算是假设熟料是平衡冷却并生成 C3S,C2S,C,A 和 ,,AF 四种纯矿物,其计算结果与熟料真实矿物组成并不完全一致,有时甚至相差很大。其原因是:
1. 固溶体的影响
   计算矿物为纯 C3S,C2S,C 3A 和 C, F, 但实际矿物为固溶有少量其他氧化物的固溶体,即阿利特、贝利特、铁相固溶体等。例如,若阿利特组成按 CsaS16MA 考虑,则计算 C3S 的公式中 Si02 前面的系数就不是 3.80 而是 4.30, 这样实际含量就要提高 11 %,而 C 3A 则因有一部分 A1203 固溶进阿利特而使它的含量减少。又如,铁相固溶体并非固定组成的 C, AF, 而在高温或有 MgO,CaF2 等条件下有可能是 C6 2F , 其结果使实际矿物中铁相固溶液含量增加使 C 3A 含量减少。
2. 冷却条件的影响
   硅酸盐水泥熟料冷却过程,若缓慢冷却而平衡结晶,则液相几乎全部结晶出 C 3A ,C,AF
等矿物。但在工业生产条件下,冷却速度较快,因而液相可部分或几乎全部变成玻璃体,此时,实际 C 3A ,C,AF 含量均比计算值低,而 C3S 含量可能增加使 C2S 减少。
3. 碱和其他微组分的影响
   碱的存在可能与硅酸盐矿物形成 KC23S12 ,与铝酸三钙形成 NC 8A 3 ,而析出 CaO ,从而使 C 3A 减少而出现 NC 3A 3, 碱也可能影响 C3S 含量。其他次要氧化物如 Ti02 , MgO, P,05 也会影响熟料的矿物组成。
   尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异,但它能基本说明对熟料锻烧和性能的影响,也是设计某一矿物组成的水泥熟料时,计算生料组成的唯一可能的方法,因此在水泥工业中仍得到广泛应用。

   第四节 熟料矿物组成的选择

   熟料矿物组成的选择,一般应根据水泥的品种和标号、原料和燃料的品质、生料制备和熟料锻烧工艺综合考虑,以达到优质高产低消耗和设备长期安全运转的目的。
•  水泥品种和标号
   若要求生产普通硅酸盐水泥,则在保证水泥标号以及凝结时间正常和安定性良好的条件下,其化学成分可在一定范围内变动。可以采用高铁、低铁、低硅、高硅、高饱和系数等多种配料方案。但要注意三个率值配合适当,不能过份强调某一率值。例如,同样生产 525 号硅酸盐水泥,华新水泥厂采取的配料方案为 X2 -v- 89-0. 93,SM=2. 0-V2. 2JM=1. 2-1. 4 ,而峨眉水泥厂限于原料、燃料的条件则采取高铁高饱和系数配料方案, KH ~ 0. 90^-0. 93 , SM= 2. 00 士 0. 10J 材 =0. 8t0. 1 ,也可生产出 525 号硅酸盐水泥。
   生产专用水泥或特性水泥应根据其特殊要求,选择合适的矿物组成。若生产快硬硅酸盐水泥,则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高,因此应提高 KH 和 IM 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量,即降低 KH 和 IM 率。
•  原料品质
    原料的化学成分和工艺性能对熟料矿物组成的选择有很大影响,在一般情况下,应尽量采用两种或三种原料的配料方案。除非其配料方案不能保证正常生产,才考虑更换原料或掺加另一种校正原料。
    若石灰石品位低而粘土氧化硅含量又不高,则无法提高石灰饱和系数和硅率,熟料强度难以提高,只有采用品位高的石灰石和氧化硅含量高的粘土才能提高饱和系数和硅率,烧出标号较高的水泥。若石灰石的隧石含量较高而粘土的粗砂含量高,则因为原料难磨,熟料难烧,其熟料的饱和系数也不能高。原料含碱量太高, KH 宜降低。
•  燃料品质
    燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来,发热量高的优质燃料,其火焰温度高,熟料的 KH 值可高些。若燃料质量差,除了火焰温度低外,还会因煤灰的沉落不均匀,降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见泥,则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高,因此应提高 KH 和 IM 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量,即降低 KH 和 IM 率。
    燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来,发热量高的优质燃料,其火焰温度高,熟料的 KH 值可高些。若燃料质量差,除了火焰温度低外,还会因煤灰的沉落不均匀,降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见表 1-3-2 。
表 1-3-2 水泥烧成用煤的质要求

窑型

灰分(%)

挥发分(%)

干燥基低热值

湿法窑、预热窑、分解窑

<28

8-30

>20900

立波尔窑

<25

8-30

>22900

立窑

<30

< 10

>20900

煤灰掺入熟料中,除全黑生料的立窑外,往往分布不均匀,对熟料质量影响极大。据统计,由于煤灰不均匀掺入,将使熟料 KH 值降低 0. V4-v. 16 ;硅率下降 0. 05 ^- 0. 20; 铝率提高。. 05^-0. 30 。当煤灰掺入量增加时,熟料强度下降.此时除了采用提高煤粉细度和用矿化剂等措施外,还应适当降低熟料 KH 值,以利生产正常进行。
    当煤质变化时,熟料组成也应相应调整。对回转窑来说,采用的煤的发热量高,挥发分低,则因挥发分低,火焰黑火头长,燃烧部分短,热力集中,熟料易结大块,游离氧化钙增加,耐火砖寿命缩短,除设法使火焰的燃烧部分延长外,还应降低 KH 值并提高 IM 值。若用液体或气体燃料,火焰强度很高,形状易控制,几乎无灰分,因此 KH 值可适当提高。
•  生料细度和均匀性
    生料化学成分的均匀性,不但对窑的热工制度的稳定和运转率的提高有影响,而且对熟料质量也有影响,因而也就对配料方案的确定有影响。
    一般说来,生料均匀性好, KH 值可高些。据认为,生料碳酸钙滴定值的均匀性达士0. 25 %时,可生产 525 号以上的熟料。若生料均匀性差,其熟料 KH 值应比生料均匀性好的要低一些,否则游离氧化钙增加,强度下降。若生料粒度粗,由于化学反应难以进行完全, KH 值也应适当低些。
•  窑型与规格
    物料在不同类型的窑内受热和锻烧的情况不同,因此熟料的组成也应有所不同。
    回转窑内物料不断翻滚,与立窑、立波尔窑相比,物料受热和煤灰掺人都比较均匀,物料反应进程较一致,因此 KH 可适当高些。
    立波尔窑的热气流自上而下通过加热机的料层,煤灰大部分沉降在上层料面,上部物料温度比下部的高,因此形成上层物料 KH 值低,分解率高,而下层物料 KH 值高、分解率低,因此,其 KH 值应配得低一些。
    立窑通风、锻烧都不均匀,因此不掺矿化剂的熟料 KH 值要适当低些。对于掺复合矿化剂的熟料,由于液相出现温度低且液相粘度低,烧成温度范围变宽,一般采用高 KH 、低 SM 和高 IM 配料方案,例如,广西北流水泥厂的熟料各率值为: KH = 0. 94^-0. 98,SM=1. 60^-1.80 , IM=1 . 40^-1 . 60 。
    预分解窑生料预热好,分解率高,另外由于单位产量窑桐体散热损失少以及耗热最大的碳酸盐分解带已移到窑外,因此窑内气流温度高,为了有利于挂窑皮和防止结皮、堵塞、结大块,目前趋于低液相量的配料方案。我国大型预分解窑大多采用高硅率、高铝率、中饱和比的配料方案,即所谓“二高一中”配料方案,例如,安徽宁国水泥厂的配料方案为 IM =0. 89 , SM=2.20-2. 30,IM=1. 45, 窑的规格对熟料组成的设计也有影响。例如日产 700t 熟料的上海川沙水泥厂,由于窑的规格小,窑内的气流温度比宁国水泥厂的稍低,因此各率值也稍低,其 KH ~ 0.89 , SM=2. 10, 1M =1 . 10 。
    影响熟料组成的选择的因素很多,一个合理的配料方案既要考虑熟料质量,又要考虑物料的易烧性;既要考虑各率值或矿物组成的绝对值,又要考虑它们之间的相互关系。原则上,三个率值不能同时偏高或偏低。不同窑型硅酸盐水泥熟料各率值的参考范围见表 1-3-3 ,
表 1-3-3 不同窑型硅酸盐水泥熟料率值的参考范围

窑型

KH

S M

IM

预分解窑

0. 86-0. 89

2. 2^-2. 6

1. 1-.L. 8

湿法长窑

0. 88-0. 91

1. 5^-2. 5

1. V-1. 8

干法窑

0. 86^-0. 89

2. 0-2. 35

1. 0^-1. 6

立波尔窑

0. 85^-0. 88

1. 9^-2. 3

1. 0^-1. 8

立窑(无矿化剂)

0. 85 士 0. 02

2. 0 士 0. 1

1. 3 士 0. 1

立窑(掺加复合矿化剂)

0. 92^-0. 96

1. 6-2. 2

1. 1 ~ 1. 5


   第五节 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,求出符合要求熟料组成的原料配合比.
   配料计算的依据是物料平衡.任何化学反应的物料平衡是:反应物的量应等于生成物的量。随着温度的升高,生料缎烧成熟料经历着: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,计算时必须采用统一基准。
    蒸发物理水以后,生料处于干燥状态,以干燥状态质量所表示的计算单位,称为干燥基准。干燥基准用于计算干燥原料的配合比和干燥原料的化学成分。
   如果不考虑生产损失,则干燥原料的质量等于生料的质量,即:干石灰石+干粘土+干铁粉~干生料
    去掉烧失量(结晶水、二氧化碳与挥发物质等)以后,生料处于灼烧状态。以灼烧状质量所表示的计算单位,称为灼烧基准。灼烧基准用于计算灼烧原料的配合比和熟料的化学成分。
   如果不考虑生产损失,在采用基本上无灰分掺入的气体或液体燃料时,则灼烧原料、灼烧生料与熟料三者的质量相等,即:灼烧石灰石+灼烧粘土+灼烧铁粉=灼烧生料=熟料
   如果不考虑生产损失,在采用有灰分掺入的燃煤时,则灼烧生料与掺入熟料的煤灰之和应等于熟料的质量,即:
            灼烧生料+煤灰(掺入熟料的)=熟料
   在实际生产中,由于总有生产损失,且飞灰的化学成分不可能等于生料成分,煤灰的掺入量也并不相同。因此,在生产中应以生熟料成分的差别进行统计分析,对配料方案进行校正。
熟料中的煤灰掺入量可按下式近似计算:PA Y S/100,式中 G A , 熟料中煤灰掺入量,%;q —单位熟料热耗, kJ/kg 熟料;Q Y 品—煤的应用基低热值 ,kJ/kg 煤;A Y ,—煤应用基灰分含量,%;S —煤灰沉落率,%;P —煤耗, kg/kg 。煤灰沉落率因窑型而异,如表 1-3-4 所示
表 1-3-4 不同窑型的煤灰沉落率( % )

窑型

无电收尘

有电收尘

湿法长窑( L/D=30 ~ 50 )有链条

100

100

湿法短窑( L/D < 30 )有链条

80

100

湿法短窑带料浆蒸发机

70

100

干法短窑带立筒、旋风预热器

90

100

预分立窑

90

100

立波尔窑

80

100

立窑

100

100

注:电收尘窑灰不入窑者.按无电收尘器者计算。
   生料配料计算方法繁多,有代数法、图解法、尝试误差法(包括递减试凑法)、矿物组成法、最小二乘法等。随着科学技术的发展,电子计算机的应用已逐渐普及到各个领域。有的计算方法由于计算复杂,不够精确而被淘汰。现主要介绍应用比较广泛的尝试误差法。
   尝试误差法计算方法很多,但原理都相同,其中一种方法是:先按假定的原料配合比计算熟料组成,若计算结果不符合要求,则要求调整原料配合比,再行计算,重复至符合为止。另一种方法是从熟料化学成分中依次递减假定配合比的原料成分,试凑至符合要求为止(又称递减试凑法)。现举例说明如下。
   已知原料、燃料的有关分析数据如表 1-3-5 、 1-3-6 所示,假设用预分解窑以三种原料配合进行生产,要求熟料的三个率值为: KH= 。. 89,SM=2.1,IM=1. 3 ,单位熟料热耗为 3350kJ/k9 熟料,计算其配合比。
   表 1-3-5 中分析数据总和不等于 100 %。这是由于某些物质没有分析侧定,或者某些元素或低价氧化物经灼烧氧化后增加重量所致。为此,小于 100 %时,要以加上其他一项补足100 %;大于 100 %时,可以不必换算。
表 1-3-5 原料与煤灰的化学成分(%)

名称

Loss

SiO 2

Al 2 O 3

Fe 2 O 3

CaO

MgO

总和

石灰石

42.66

2.42

0.31

0.19

53.13

0.57

99.28

粘土

5.27

70.25

14.72

5.48

1.41

0.92

98.05

铁粉

--

34.42

11.53

48.27

3.53

0.09

97.84

煤灰

--

53.52

35.34

4.46

4.79

1.19

99 . 30

表 1-3-6 煤的工业分析

水分

挥发物

灰分

固定碳

热值 (KJ/Kg)

0.6

22.42

28.56

49.02

20930

例试以第一种方法计算原料配合比。
1. 确定熟料组成
根据题意,已知熟料率值为: KH=0. 89,SM=2. 1J 材~ 1. 3 。.
2. 计算煤灰掺入量
据式( 1-3-32 ):

3. 计算干操原料配合比
设干操原料配合比为:石灰石 81 %、粘土 15 %、铁粉 4 %,以此计算生料的化学成分。

名称

配合比

烧失量

SiO 2

AL 2 O 3

Fe 2 O 3

, CaO

石灰石

81.0

34. 55

1. 96

0.25

0.15

43.03

粘土

15. 0

0. 79

10. 54

2.21

0.82

0.21

铁粉

4. 0


1.38

0.46

1.93

0.14

生料

100. 0

35. 34

13.88

3.92

2.90

43.33

灼烧生料



21. 4 7

4.52

4.48

67.09

煤灰掺入量吼 =4. 57 %,则灼烧生料配合比为 100 % -4. 57 % =95. 43 %。按此计算熟料的化学成分。

名称

配合比

Si02

Ai 2 O 3

Fe 2 0 3

Ca0

灼烧生料(%)

95. 43

20. 48

4. 31

4. 28

64. 02

煤灰(%)

4- 57

2. 45

1. 62

0. 20

0. 22

熟料(%)

100. 00

22. 93

5. 93

4. 48

64. 24

由此计算熟料率值:
KH =(CaO-1.65Al 2 O 3 -0.35Fe 2 O 3 )/2.8SiO 2

=

SM = = =2.20

IM = = =1.32
上述计算结果中 , KH 过低, SM 过高, IM 较接近。为此,应增加石灰石配比,减少粘土配比,铁粉可略增加,根据经验统计,每增减 1 %石灰石(相应减增 1 %粘土),约增减 KH 值 0 。 05. 据此,调整原料配合比为:石灰石 82.20 %、粘土 13.7 %、铁粉 4.1 %,重新计算结果如下:

名称(%)

配合比

烧失量

Si03

AL 2 O 3

Fe 2 O 3

CaO

石灰石(%)

82.20

35.07

1.99

0.26

0.16

43.67

粘土(%)

13.70

0.72

9.62

2.02

0.75

0.10

铁粉(%)

4-10


1.41

0.47

1.98

0.15

生料(%)

100.00

35.79

13.02

2.75

2.89

44.01

灼烧生料(%)



20.28

4.28

4.50

68.54

灼烧熟料( % )

95.43


19.35

4.08

4.29

65.41

煤灰(%)

4.57


2.45

1.62

0.20

0.22

熟料(%)

100.00


21.80

5.70

4.49

65.65

则:
KH =(CaO-1.65Al 2 O 3 -0.35Fe 2 O 3 )/2.8SiO 2

=

SM = = =2.14

IM = = =1.27
所得结果 ,KH, SM 均略高,而铝率略为偏低,但已十分接近要求值。如要降低 KH 与SM, 则应减少石灰石与粘土;这样,就势必再增加铁粉,从而使铝率更低。因此,可按此配料进行生产,考虑到生产波动,熟料率值控制指标可定为 KH =0. 89 士 0.02 ; SM= 2. 1 士 0. 1 ; IM=1. 3 士 0. 1 。按上述计算结果,干燥原料配合比为:石灰石 82. 2 %;粘土 13. 7 %;铁粉 4.1 %.
4. 计算湿原料的配合比
设原料操作水分:石灰石为 1. 0 %;粘土 0. 8 %;铁粉 4. 1 %。则湿原料质量配合比为:
湿石灰石 = =83.03
湿 粘土 = =13.81
湿铁 粉 = =4.65
将上述质量比换算为百分比:
湿石灰石 = × 100%=81.80%
湿 粘土 = × 100%=13.61%
湿铁 粉 = × 100%=2.68%

 

  第四章 原料的破碎及均化

 
第一节 硅酸盐水泥的原料
   原料的成分和性能直接影响配料、粉磨、锻烧和熟料的质量,最终也影响水泥的质量。因此,了解和掌握原料的性能,正确地选择和合理地控制原料的质量,是水泥生产工艺中一个重要环节。 生产硅酸盐水泥的主要原料是石灰质原料(主要提供氧化钙)和粘土质原料(主要提供氧化硅和氧化铝,也提供部分氧化铁)。我国粘土原料及煤炭灰分中一般含氧化铝较高,而含氧化铁不足,因此需要加入铁质校正原料。当粘土中氧化硅或氧化铝含量偏低时,可加入硅质或铝质校正原料。

制造水泥的原料应满足以下工艺要求:
1. 化学成分必须满足配料的要求,以能制得成分合适的熟料,否则会使配料困难,甚至无法配料。
2. 有害杂质的含量应尽量少,以利于工艺操作和水泥的质量
3. 应具有良好的工艺性能,如易磨性、易烧性、热稳定性、易混合性,湿法生产时料浆的可泵性,半干法生产的成球性等。
•  石灰质原料
   凡以碳酸钙为主要成分的原料都叫石灰质原料,主要有石灰岩、泥灰岩、白至、贝壳等。它是水泥生产中用量最大的一种原料,一般生产 It 熟料约需 1. 2^-1. 3t 石灰质干原料.
   石灰岩是由碳酸钙所组成的化学与生物化学沉积岩,主要矿物是方解石,并含有白云石,硅质(石英或健石)、含铁矿物和粘土质杂质,是一种具有微晶或潜晶结构的致密岩石,中等硬度、性脆,纯的方解石含有 56ooCa0 和 44ooC0 :,制造硅酸盐水泥用石灰石中氧化钙含量一般应不低于 48 %,以免配料发生困难。
   泥灰岩是碳酸钙和粘土质物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩。泥灰岩中氧化钙含量超过 45 %,石灰饱和系数大于 0. 95 时,称为高钙泥灰岩,用它作原料时应加入粘土配合。若氧化钙含量小于 43. 5 %,石灰饱和系数低于 0. 8 时,称为低钙泥灰岩,一般应与石灰石搭配使用。若氧化钙含量在 43.50o-45 %,其率值也和熟料相近,则称为天然水泥岩,可直接用于烧成熟料,但自然界很少见。泥灰岩是一种较好的水泥原料,因为它含有的石灰岩和粘土已呈均匀状态,易于锻烧,有利于提高窑的产量,降低燃料消耗,泥灰岩的硬度低于石灰岩,所以它的易磨性较好,有利于提高磨机产量,降低粉磨电耗。
   石灰石中的白云石 表 1-4-1 石灰质原料的质量要求

品位

CaO( %)

Mg0( %)

R20 (%)

S03 (%)

健石和石灰

石灰石

一级品

>48

<2.5

<1.0

<4. 0

二级品

45^-48

<3. 0

<1.0

<4. 0

泥灰岩

35^-45

<3. 0

<4. 0

注:①石灰石二级品和泥灰岩在一般情况下均需和石灰石一级品搭配使用,当用煤作然料时,搭配后的 CaO 含量要达到 48 %; ② Si 2 0 : .A1 2 0 3 :、 Fe203 的含量应满足熟料的配料要求。
除天然石灰质原料外,电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥等工业废渣都可作为石灰质原料使用,但应注意其中杂质的影响。
二、粘土质原料
   粘土质原料是含碱和碱土的铝硅酸盐,主要化学成分是 Si02 , 其次 A120, ,还有少量Fe20 3 ,一般生产 1t 熟料用 0.3 一 0 。 4t 粘土质原料。天然粘土原料有黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等,其中黄土和粘土使用最广。衡量粘土质量主要有它的化学成分(硅率、铝率),含碱量及其可塑性,热稳定性,正常流动度的需水量等工艺性能。这些性能随粘土中所含的主导矿物、粘粒多少及其杂质等不同而异。所谓主导矿物是指粘土同时含有几种粘土矿物时,其中含量最多的矿物.根据主导矿物的不同,可将粘土分成高岭石类、蒙脱石类及水云母类等,它们的某些工艺性能如表 1-4-2 所示
<4. 0 表 1-4-2 粘土矿物与粘土工艺性能的类系

粘土类型

主导矿物

粘粒含量

可塑性

热稳定性

结构水脱水温度(℃)

矿物分解达最高活性温度(℃)

高岭石类

Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O

很高


良好

480 ~ 600

600 ~ 800

蒙脱石类

Al 2 O 3 · 4SiO 2 · n H 2 O


很好

优良

550 ~ 750

500 ~ 700

水云母类

水云母、伊利石等




550 ~ 650

400 ~ 700

表 1-4-3 粘土质原料的质量要求

品位

n

p

MgO

R 2 O

SO 3

塑性指数

一等品

2.7 ~ 3.5

1.5 ~ 3.5

< 3.0

< 4.0

< 2.0

> 12

二等品

2.0 ~ 2.7 或 3.5 ~ 4.0

不限

< 3.0

< 4.0

< 2.0

> 12

注:① SM=2. 0--2. 7 时,一般需要掺加硅质原料,当 SM=3 。 5--4.0 时,一般需要与一级品或 SM 低的二级品原料搭配使用,或掺用铝质原料.
②采用立波尔窑及立窑生产时,才要求提供塑性指数。
   粘土中一般均含有碱,它由云母及长石等风化、伴生、夹杂而带入,含碱量过高时对水泥窑的正常生产和熟料质量及水泥性能均有不利的影响。如:锻烧操作困难、料发粘、热工制度不易稳定;熟料中 ,f'-CaO 增加,硅酸三钙含量减少,在悬浮预热器中容易结皮堵塞,使水泥急凝等。所以一般应控制粘土中碱含量小于 4.0 %,悬浮预热器窑用生料中碱含量( KZO + Na20) 应不大于 1 . 0 %。
如果粘土中含有过多的石英砂,不但使生料难以磨细,还会给锻烧带来困难,因为 a- 石英不易与氧化钙化合。同时含砂量大则粘土的塑性差,对生料的成球不利,所以应限制其含量,一般要求 0. 08mm 方孔筛筛余不超过 10 % 0. 2mm 方孔筛筛余不超过 5 %。
   粘土的可塑性对生料成球的质量影响很大,成球质量又直接影响立窑和立波尔窑加热机内的通风和锻烧均匀程度,要求生料球在输送和加料过程中不破裂,锻烧过程中仍有一定强度和热稳定性好,才能保证窑的正常生产,否则会恶化窑内的锻烧。通常可塑性好的粘土,生料易于成球,料球强度高,入窑后不易炸裂,热稳定性好。立窑和立波尔窑用的粘土的可塑性指数应不小于 12 。
   粘土可塑性大小与它的粘粒(小于 51im) 含量、所含的主导矿物及杂质有关。粘粒含量多,分散度高,则可塑性好。立窑或立波尔窑水泥厂应使用可塑性与热稳定性良好的高岭石、多水高岭石、蒙脱石等为主导矿物的粘土,避免采用可塑性差、热稳定性不良的水云母或伊利石为主导矿物的粘土。
•  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,必须根据所缺少的组分,掺加相应的校正原料。氧化铁不够时,应掺加氧化铁含量大于 40 %的铁质校正原料,常用的有低品位铁矿石,炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业渣硫酸渣(硫铁矿渣等)。硫铁矿渣主要成分为 Fe203 ,含量大于 50 %,红褐色粉末,由于含水量较大,对贮存、卸料均有不利的影响。常用的硅质校正原料有砂岩、河砂、粉砂岩等,一般要求硅质校正原料的氧化硅含量为700o-90 %,大于 90 %时,由于石英含量过高,难以粉磨与缎烧,故很少采用。 当粘土中氧化铝含量偏低时,可掺入煤渣、粉煤灰、煤研石等高铝原料校正,铝质校正原料要求 A1 2 0 3 。一般不小于 30 %。

 

第二节 物料的破碎

物料破碎的目的
   生产水泥的部分物料如石灰石、砂岩、煤、熟料、石膏等都要预先破碎,以便粉磨、烘干、输送和储存。大多物料经破碎后可以提高磨机和烘干机的效率,因为破碎后的物料烘干过程中受热面积增大,能加速物料的烘干过程。在整个破碎过程中,破碎机的效率要比磨机高得多,在粉磨前物料破碎,使入磨物料粒度减小,就能显著提高磨机的粉磨效率,同时,也就降低了粉磨的电耗。经破碎后的物料,便于输送,并有利于计量和储存,所以破碎是水泥生产的基本工艺过程之一。
   破碎就是依*外力(主要是机械力),克服固体物料内聚力而将其大块分裂为小块的过程。根据破碎后物料粒度的大小,将破碎分为粗碎、中碎和细碎,如表1-4-4所示。

表1-4-4粗、中、细碎的划分


 

入料粒度(口匕)

出料粒度(~)

粗碎

300^-900

100^-350

中碎

100^-350

20^-100

细碎

50^-100

5^-15

二、破碎的方法
在水泥工业中,目前物料的破碎主要是通过机械力来完成,由于物料的大小和性质不同,
所用的破碎方法也不同,利用机械力破碎的方法有以下几种:
(一)压碎
物料在两坚硬平面之间受到逐渐增加的压力而被破碎。此法适用于破碎大块物料。
(二)折碎
物料受弯曲应力作用而破碎。被破碎物料承受集中载荷作用的两支点或多支点梁。当物料的弯曲应力达到或超过抗折强度时,物料被折断而破碎。
(三)冲击破碎
物料在瞬间受到外来力的冲击而破碎.这种冲击力的产生是由于:运动的工作体对物料的冲击;高速运动的物料向固定的工作体冲击;高速运动的物料互相撞击。这种破碎力是瞬间作用的,对于脆性物料,其破碎效率高,破碎比大。
(四)劈碎
物料由于受到楔状工作体的作用而破碎。
(五)磨碎
物料受到工作面的摩擦所产生的剪切方,以及物料相互间的摩擦剪切力而被粉碎。此法适用于小块物料的细磨。
三、破碎比及破碎的工艺流程
(一)破碎比
物料破碎前后粒度之比称为破碎比。破碎比是衡量破碎程度的重要参数,是破碎机计算生产能力和动力消耗的重要依据。
破碎比通常用以下几种方法表示:

  • 平均破碎比

i=Dm/ dm(1-4-1)
式中:i—破碎比;Dm--破碎前物料的平均粒径(mm);dm—破碎后物料的平均粒径(mm)。
2.公称破碎
i=B/b(用于破碎机)
式中:B—破碎机最大进料口宽度(mm);b—破碎机最大出料口宽度(~)。
公称破碎比通常比平均破碎比高100o-30%,在破碎机选型时要特别注意。水泥厂常用的破碎机的破碎比见表1-4-5,
表1-4-5常用破碎机的破碎比

破碎机类型

领式

圆锥式

单辊式

锤式(单转子)

反击式(单转子)

破碎比

3-5

3^-6

4-8

10^-25

10^25

   物料破碎的级数,是根据物料总破碎比来确定。物料总破碎比是根据原料的块度与下一道工序所要求的物料粒度来确定。根据总破碎比来选择破碎机。采用一种破碎机就能满足破碎要求时,即为单级破碎系统;如果选择两种或三种破碎机进行分级破碎才能满足总破碎比的要求时,即为两级破碎或三级破碎系统。物料破碎的级数越多,系统越复杂,不仅占地面积大,而且劳动生产率低,扬尘点多。因此要力求减少破碎的级数。
近年来,破碎系统正向大型化、单段化,兼有破碎与烘干性能的多功能化等方向发展。
四、破碎机的类型
1.颗式破碎机
   它是水泥厂广泛应用的粗碎和中碎机械,它是依*活动颗板作周期性的往复运动,把进入两颗板间的物料压碎。颗式破碎机具有结构简单、管理和维修方便、工作安全可*、适用范围广等优点。它的缺点是:工作间歇式,非生产性的功率消耗大,工作时产生较大的惯性力,使零件承受较大的负荷,不适合破碎片状及软质粘性物质。破碎比较小等。
2.锤式破碎机
   料块受高速运转的锤头的冲击和物料块本身以高速向固定衬板撞击而破碎,在锤式破碎机的下部装有卸料蓖条,被破碎到符合要求的物料通过蓖条间的缝隙经机壳卸料口卸出。锤式破碎机的优点是:结构简单而紧凑,外形体积小,破碎比较大,生产能力高,单位质产量电耗低,操作维修简便,其缺点是:锤头和蓖条等部件磨损较快,不适宜用于破碎潮湿或粘性物料,因为蓖条容易堵塞而影响正常生产。
   锤式破碎机在水泥厂中常用作中碎(二次破碎),也有用于粗碎。我国从德国O/K公司引进的新型高效锤式破碎机,可用于破碎石灰石、石膏、煤等物料出料粒度小于25mm,故属于一次完成型破碎机,其技术性能见表1-4-6,这就使破碎车间的工艺布置大为简化,破碎机占地面积减小,辅助设备减少,并使破碎车间的操作费用降低,劳动生产率提高。
表1-4-6MB型锤式破碎机技术性能表

型号

喂料口尺寸(mm)

最大喂料长度(mm)

产量t/ 11)


 

装机容量


 

MB28/45

1100 X 1250

900

100^-150

190

MB36/50

1320X 1450

1200

150^-200

260

MB44/75

1500 X 1880

1500

250-450

600

MB56/75

1500 X 2330

1500

500^-600

900

MB70/90

1780 X 2480

1800

600^800

1200

MB84/135

1860 X 2800

1900

800^ 1000

1500

3.反击式破碎机
   物料被固定在转子上的板锤打击到反击板上,受反击板的反击而落下与转子连续打击一料块互相撞击,如此多次反复而使物料破碎,当物料粒度被破碎到小于反击板与板锤间的缝隙时就被排出而成为产品。反击式破碎机的主要优点是:由于它比锤式破碎机更多地利用了冲击和反击作用进行选择性破碎,料块自击粉碎强烈。其破碎效率高,生产能力大,动力消耗低,对物料适应性较强,破碎比较大,一般可为40左右,最高可达150,因此可减少破碎段数,简化生产流程,节约投资。反击式破碎机的结构简单,制造容易,操作维修方便。其缺点是:打击板锤与反击板磨损快,运转时噪音大。
   反击式破碎机在水泥厂的应用较广泛,可用于粉碎石灰石、水泥熟料、石膏和煤等。
4.反击一锤式破碎机
   由丹麦史密斯公司研制的EV型破碎机,是将反击式和锤式破碎机结合在一起的新型高效率破碎机,它可以喂入1-2m'的岩石,在单程操作中可被破碎到95%的物料粒径<25mm的顺料,单位产品所需的功率为0. 9-1. lkW·h/t,通过调整额板、排料蓖条间隙,可以改变破碎产品的粒度,但由此会引起破碎机产量的变动。
表1-4-7EV型破碎机的技术性能

型号

生产能力(c/h)

最大喂料粒度

电机功率
c}w>

转速(r/min)

机重(c)

(m')

(m)

EV-200X 200

600^-770

1。0

1. 5

00-1120

375

125

EV-200 X 300

775-1200

1 .5

2. 0

1300^-1700

375

160

EV-250 X 300

1200^-1500

2. 0

2. 0

20002500

300

220

第三节 物料的均化技术

   水泥厂物料的均化包括原料、燃料的预均化和生料、水泥的均化。生料成分是否均匀,不仅影响熟料质量,而且影响窑的产量、热耗、运转率及耐火材料的消耗.由于矿山开采的层位及开采地段的不同,原料成分波动是在所难免的。此外为了充分利用矿山资源,常采用高低品位的原料搭配使用。因此必须对原料及生料采取有效的均化措施,满足生料成分均匀的要求。
   以煤为原料的工厂,由于煤的水分、灰分的波动,对窑的热工制度的稳定和产量、质量有一定影响。对于煤质波动大的水泥厂,煤的预均化也是必要的。
   出厂水泥的质量直接影响建筑工程的质量和人民生命财产的安全。即使水泥质量符合国家标准,但由于水泥质量的波动,也会产生超标号现象,对工厂的效益有一定影响。因此,进行水泥的均化有利于稳定水泥质量和提高工厂的经济效益。
   为制备成分均匀的生料,从原料的矿山开采直至生料入窑前的生料制备的全过程中可分为四个均化环节。
1.矿山的原料按质量情况计划开采和矿石搭配使用。
2.原料预均化堆场及储库内的预均化。
3.生料在粉磨中的配料与调节。
4.生料入窑前在均化库内的均化。
这四个均化环节组成一条完整的均化链。以保证入窑生料成分的稳定。
一、标准偏差和均化效果
   物料成分的均匀性,以物料某主要成分含量的波动大小来衡量,常用的衡量物料均匀性的指标是某主要成分的标准偏差S。其计算式如下:
S=(1-4-2)
式中:xi--物料中某成分的各次测量值;--各次测量值算术平均值;n--测量的次数。标准偏差愈小,则表示物料愈均匀。
均化设施的衡量指标是均化效果,通常指均化设施进料和出料的标准偏差之比,即为:
H=S进/S出
(1-4-3)
式中:H-均化设施的均化效果;
S进,S出—分别为进入和卸出均化设施某成份的标准偏差。
H值愈大,均化效果愈好。

  • 原然料的均化

   原料的均化技术1905年就在美国的冶金工业部门应用,其后在电力、化工、煤炭等工业部门获得推广,但在水泥工业的应用则始于50年代,目前的应用已较广泛并已取得较好的效果。
   原料预均化,常用于石灰石,当干法水泥厂矿山成分波动较大,地质构造复杂时,通常考虑设置预均化堆场。粘土质原料和铁质原料通常成分比较均匀,一般不需要进行预均化,以降低投资及运行费用。
在预均化堆场内,经破碎后的物料用专门的堆料设备沿纵向以薄层平铺迭堆,层数可达400^-500层,取料时则用专门的取料设备在横向以垂直料层而切取,即“薄层相迭成堆,垂直取切而混”,物料就是在堆、取、运的过程中得到均化。预均化堆场的均化效果原则上与取料时同时切取的总层数有关,总层数越多,则其均化效果越好,一般均化效果H为5^-8.
   目前,国内外水泥厂预均化堆场采用的堆料方式有多种,但最常用的是单人字型堆料,见图1-4-1所示。因为它只要求下料点沿料堆中心线往返运动,所以堆料设备简单,常用设备为车式悬臂胶带堆料机和设置于料堆顶部上方的胶带输送机。取料机械亦有多种,通常使用的是刮板取料机。


   预均化堆场的布置形式有矩型和圆形两种,见图1-4-2和图1-4-3所示。矩形预均化堆场内设置两个堆料区,一个区在堆料,另一个区在取料,两区交替使用。圆形预均化堆场具有连续堆料和取料的条件,其占地面积比矩形预均化堆场约少40%,运输设备数量较少而且运输距离也短,设备费用和维护费用均较低。但实际有效的储量较少,均化效果亦比矩形者略差。由于有出料隧道,当地下水位较高时也有不利之处。
图1-4-2矩形预均化堆场


   原料预均化堆场具有以下作用:①储存作用,其储量为5^-7d,可作为矿山和生产工艺线之间的缓冲;②均化作用,一般均化效果为5-8;③预配料作用,进入堆场的两种物料,可按质量比例预先配合成具有一定要求的混合料。
   近年来,小型立窑厂采用断面切取差速卸料的预均化库进行预均化。该均化库分左右两个,轮流进料和卸料,相当于矩形预均化堆场的两个料堆。如图1-4-4所示.利用电磁振动给料机轮流卸料时,物料*重力下降切割所有料层,达到预均化目的。其均化效果H可以达到3-5,能满足小型水泥厂的配料需要。

生料的均化:干法生料的均化可采用多库搭配、机械倒库和压缩空气搅拌库等。
(一)多库搭配
多库搭配是根据各库的生料碳酸钙滴定值及控制指标,计算出各库搭配的比例。各库按比例卸料,在运输过程中进行均化。这种方法一般不需增加设备,但均化效果较差。
(二)机械倒库
机械倒库是利用螺旋运输机和提升机反复将库内物料卸出和装入,以达到混合均匀的目的。机械倒库均化效果H为2一3左右。
(三)压缩空气搅拌库
空气搅拌库是干法水泥厂用于粉状物料均化的有效方法。生料均化有间歇均化系统和连续均化系统。间歇均化系统均化效果较好;连续均化系统具有流程简单,操作管理方便和便于自动控制等优点。两种均化系统的技术经济指标见表1-4-80

表1-4-8均化系统技术经济指标比较表

指标

间歇式均化

混合式均化

单位投资(%)

157

100

单位生料电耗(kW·h/t)

1.65

1.30

单位生料电耗(%)

127

100

均化效果

0-30

4^10

操作

复杂

简单

维修费



   间歇式生料均化系统一般由搅拌库和储存库组成,出磨生料粉先进入搅拌库,利用库底充气装置分区轮换送气进行搅拌均化,搅拌后的生料进入储存库以供窑用。为了简化工艺流程,亦可不设储库而增加搅拌库的数量,一般为4~6个,其中部分搅拌库进行充气搅拌均化,部分已均化的作储存使用,待卸料后再进料搅拌,没有预均化堆场的中、小型水泥厂,多采用间歇式均化系统,其均化效果H可达10 ^-30,但其动力消耗较大。
连续式均化系统其有多种形式,常见的有棍合室均化库(见图1-4-5)和串联式均化库等。混合室均化库在我国使用较多,它是在库底中心设置一个较小的气力混合室,使生料得到充分的搅拌混合。这种库的容积可以设计得较大,只需设置1~2个库即可满足均化和储存的需要。与间歇式均化系统相比较,它具有投资省、电耗低、操作简单等优点,但其均化效果不如前者。这种系统一般用于设有预均化堆场,出磨生料成分波动不大的大、中型水泥厂。


1一出磨生料输送斜槽;2一生料分配器;3一入库生料物送斜槽;
4一收尘器浦一溢流管.6一充气箱,7一出库生料输送斜槽;
8一空气分配阀.9一罗茨鼓风机;10-叶轮下料器

 

第五章 粉磨工艺

  第一节 粉磨的目的和要求

  粉磨是将颗粒状物料通过机械力的作用变成细粉的过程。对于生料和水泥粉磨过程来说,也是几种原料细粉均匀混合的过程。粉磨的目的是使物料表面积增大,促使化学反应的迅速完成.粉磨产品细度常用筛余量和比表面积来表示。
•  生料粉磨的目的和要求  
   
生料的细度直接影响窑内锻烧时熟料的形成速度。生料细度越细,则生料各组分间越能混合均匀,窑内锻烧时生料各组分越能充分接触,使碳酸钙分解反应、固相反应和固液相反应的速度加快,有利于游离氧化钙的吸收;但当生料细度过细时,粉磨单位产品的电耗将显著增加,磨机产量迅速降低,而对熟料中游离氧化钙的吸收并不显著。
生料中的粗颗粒,特别是一些粗大的石英(结晶 Si0 :)和方解石晶体的反应能力低,且不能与其他氧化物组分充分接触,这就造成锻烧反应不完全,使熟料 ,f-Ca 0 增多,严重影响熟料质量,所以必须严格加以控制,而颗粒较均匀的生料,能使熟料锻烧反应完全,并加速熟料的形成,故有利于提高窑的产量和熟料的质量。
  因此,生料的粉磨细度,用管磨机生产时通常控制在 0. 08mm 方孔筛筛余 10 %左右,0.2m m 方孔筛筛余小于 1. 5 %为宜。闭路粉磨时,因其粗粒较少,产品颗粒较均匀,因而可适当放宽 0. 08mm 筛筛余,但仍应控制。. 2mm 筛筛余,对于原料中含石英质原料和粗质石灰岩时,生料细度应细些,特别要注意 0. 2mm 筛筛余量。

•  水泥粉磨的目的及要求
   
水泥的细度越细,水化与硬化反应就越快,水化愈易完全,水泥胶凝性质的有效利用率就越高,水泥的强度,尤其是早期强度也愈高,而且还能改善水泥的泌水性、和易性等。反之,水泥中有过粗的顺粒存在,粗颗粒只能在表面反应,从而损失了熟料的活性。 一般试验条件下,水泥颗粒大小与水化的关系是:
   0--l0μm ,水化最快, 3--30μm ,是水泥主要的活性组分;.> 60μm ,水化缓慢;> 90μm ,表面水化,只起集料作用。
  水泥比表面积与水泥有效利用率(一年龄期)的关系是:,水化最快,300M 2 /kg 时,只有 44 %可水化发挥作用;700 M 2 /kg 时,有效利用率可达 80 %左右;1000 M 2 /kg 时,有效利用率可达 90 % -95 %。
必须注意:水泥中小于 3pm 颗粒太多时,虽然水化速度很快,水泥有效利用率很高,但是,因水泥比表面积大,水泥浆体要达到同样流动度,需水量就过多,将使水泥硬化浆体内产生较多孔隙而使强度下降。在满足水泥品种和标号的前提下,水泥细度不宜太细,以节省电能,通常水泥的细度为比表面积控制 300M2 /kg 左右。

•  煤的粉磨目的和要求
   
入回转窑的煤粉细度,一般要求控制 0. 08mm 方孔筛筛余 1000^15 %为宜。煤粉越细,比表面积越大,与空气中氧气接触的机会增多,燃烧速度越快、越完全,单位时间内放出的热量越多,可以提高窑内灭焰温度;煤粉太粗时,黑火头长,难着火,燃烧速度慢,火力不集中,烧成温度低。煤粉太粗时,还会造成窑内还原气氛,煤灰掺入熟料中不均匀;造成窑内结圈.这些因素会使熟料质量降低,窑内热工制度不稳定,操作困难。

 

第二节 粉磨流程

一、粉磨系统

  粉磨流程又称为粉磨系统,它对粉磨作业的产量、质量、电耗、投资,以及便于操作、维护等都有十分重要意义。
  粉磨系统有开路和闭路两种。当物料一次通过磨机后即为成品时称为开路系统,如图 1-5-1 所示;当物料出磨后经过分级设备选出产品,粗料返回磨机内再磨称为闭路系统,如图 1-5-2 所示。


  开路系统的优点是:流程简单,设备少,投资省,操作维护方便,但物料必须全部达到产品细度后才能出磨。开路系统产品颗粒分布较宽,当产品细度(筛余)达到求时,其中必有一部分物料过细,称为过粉磨现象。过细的物料在磨内产生缓冲垫层,妨碍粗料进一步磨细,从而降低粉磨效率。闭路系统与开路系统相比,由于细粉被及时选出,产品粒度分布较窄,过粉磨现象得以减轻。出磨物料经输送及分选,可散失一部分热量,粗粉再回磨时,可降低磨内温度,有利于提高磨机产量,降低粉磨电耗。一般闭路系统较开路系统可提高产量 15 % ^}25 %,产品细度可通过调节分级设备来控制。但是闭路系统设备多,较为复杂,系统设备利用率低,投资大,操作、维护、管理较复杂。
此外,开路系统产品的颗粒分布较宽,而闭路系统产品的颗粒组成较均匀,粗粒和微粉数量减少,因而在相同比表面积的条件下,闭路较开路粉磨的水泥,早期强度略有提高,后期强度有较明显的提高,如保持同样的强度,则闭路系缠的产晶些表面积可些开路系统低一些。  

二、生料粉磨流程
(一)湿法生朴粉磨系统
  湿法生料粉磨系统有开路和闭路之分,但以开路系统为主。开路一般采用长管磨或中长磨机,闭路则用弧形筛和长管磨组成一级闭路系统。弧形筛的结构简单,体积小,操作方便,该系统的单位产品电耗约 12-14kW · h/t, 比开路系统一般可降低 15 %左右,但该系统比开路系统稍复杂,弧形筛对材质的耐磨性要求较高.
(二)干法生料粉磨系统
  干法生料粉磨系统,需要对含有水分的物料进行烘干。 50 年代以前建的水泥厂,物料多数是经过单独烘干设备烘干后再入磨粉磨,随着干法水泥生产技术的发展,特别是悬浮预热器窑和预分解窑的出现,为充分利用窑的废气余热并简化生产工艺过程,出现了多种闭路的烘干一粉磨系统,如尾卸提升烘干磨,中卸提升烘干磨,风扫式钢球磨和立式磨(辊式磨)等,如图 1-5-3 、图 1-5-4 所示。


  采用烘干兼粉磨系统粉磨物料时,既节省了供干设备及物料的中间储存和运输,又节省了投图 1-5-3 中卸提升循环烘干磨系统资和管理人员,同时,物料在粉磨过程中进行烘干,由于物料不断被粉碎,比表面积不断增大,供干效果更好,尤其是磨内通入大量热风,能及时将细物料带出磨外减少缓冲垫层作用,有利于提高粉磨效率,但是此系统辅助设备较多,操作控制较复杂。
70 年代以来,采用立式磨系统粉磨生料有了较大的发展,立式磨利用厚床粉磨原理,主要*磨辊和磨盘间的压力来粉碎物料,经过碾压的物料再次滚压时,可进一步实现相当有效的粉磨,它减图 1-5-4 立式磨系统少了钢球磨对研磨体的提升和研磨体互相撞击所消耗的能量,并有效地防止了物料的凝聚现象,所以粉磨效率可比钢球磨提高一倍左右。磨机本身带有选粉装置,控制成品细度比较方便,而且入磨物料粒度较大,可达 100^ -150mm ,可省去二级破碎,所以其电耗较低,且占地面积也小。特别是立式磨的通风量较一般钢球磨大,可以更好地利用窑尾烟气的余热进行生料的供干。因此随着悬浮预热器窑和预分解窑的广泛使用而得到迅速发展。但是立式磨对研磨体和衬板的磨耗则与物料磨蚀性的平方根成正比,因此,当物料中含有一定量的结晶 Si0 :而磨蚀性较强时,就不宜采用立式磨。我国已从德国菲弗公司引进了 MPS 型立式磨的生产技术,其生料磨的技术性能见表 1-5-1 表 1-5-1 MPs 磨机(生料磨)技术性能表

磨机型号

生产能力 (t/h )

磨环滚道直径 (mm)

磨辊直径 (mm )

磨盘转速 (r/min)

磨辊碾磨力 (kN )

磨机质量 (t)

入口风量 (Nm3/s)

主电机容量( kW)

MPS2250

52.5

2250

1670

31

400

73

195

500

MPS2450

75

2450

1750

29.2

480

96

5.5

610

MPS3150

150

3150

2300

25

810

188

2.5

1075

•  水泥粉磨流程  
   水泥粉磨系统通常有:长磨或中长磨开路系统,中长磨一级闭路系统,短磨二级闭路系统,闭路中卸磨系统等。 在水泥细度要求不高时,开路系统即可满足要求,但当要求产品细度较高时,普通开路系统的粉磨效率较低,而闭路系统则较高,而且闭路系统易于调节产品细度,可以适应生产不同品种水泥的需要。因此,水泥粉磨以闭路系统较多,特别是大型水泥磨多为闭路生产。
  近年来的研究发现:无论是钢球磨还是立式磨,物料在粉磨时都是受到压力和剪力,而水泥工业所需处理的各种原料、燃料、熟料都属于脆性材料,其特点是抗压强度高,而抗拉强度低,所以致使传统的粉磨设备效率较低。进一部分析研究后发现:在一颗粒状物料粉碎过程中,如果只施加纯粹的压力,所产生的应变 5 倍于剪力所产生的应变,即如能采用一种只使物料受压的粉碎设备,就能提高粉碎效率,大幅度节能,这就诞生了辊压机(又称挤压磨),其工作原理如图 1-5-5 所示。


   在辊压机中,物料在两辊之间承受高达 100^-200MPa 的挤压,线压力可达 l of/cm ,外力使颗粒压实,物料结构,包括微结构遭到破坏,从而产生大量裂纹,出辊压机的料片中,小于 90μm 的颗粒约占 30 %,所以可以使磨机以较低的电耗进行粉磨。生产实践表明,在钢球磨机前增设辊压机后,可使磨机产量增加 300o~60 %,节电 150o-5 %。熟料挤压前后的动力消耗,如图 1-5-6 所示。

  近年来水泥粉磨趋向于采用球磨机、辊压机、高效选粉机不同组合的粉磨流程。辊压机用于水泥粉磨的流程有预粉磨、混合粉磨、终粉磨等几种。混合型粉磨流程是将辊压机装在球磨机前面(如图 1-5-7 ) ,选粉机出来的粗粉一部分进入辊压机,一部分进入球磨机。这一流程与传统的球磨机相比,节省单位产品电耗 30 %左右。

1 一料仓; 2 一辊压机; 3 一磨机; 4 一提升机巧一选粉机; 6 一粗粉分离器. 7 一收尘器; 8 一排风机

 

第三节 影响磨机产质量及能耗的主要因素

   在粉磨的过程中,怎样实现优质、高产、低消耗(单位产品的电耗、研磨体和衬板的消耗)是粉磨生产过程所要研究的一个重要问题,其影响因素很多,现简要分析如下。
•  人磨物料粒度
   入磨物料粒度的大小是影响磨机产量和能耗的主要因素之一。因入磨物料粒度小,就可以减小钢球直径,在钢球装载量相同时,使钢球个数增多,钢球的总表面积增大,因而就增强了钢球对物料的粉磨效果。如永登水泥厂的归. 4m X 13m 湿法生料磨,入磨粒度从 20mm 降到 l 0mm 以下,使磨机产量提高 30 %左右,由于破碎机的电能利用率约为 30 %左右,而钢球磨机只有 10o'~3 %,最高 70o~8 %,所以降低入磨粒度的实质就是“以破代磨”,可以使粉磨电耗和单位产品破碎粉磨的总电耗降低。但是,入磨粒度不能过小,因为随着破碎产品粒度的减少,破碎电耗迅速增加,使破碎和粉磨的总电耗反而增加,经济的入磨粒度可按以下经验公式计算: d=0.005D 。 ( 1-5-1 )
式中: d —经济人磨粒度,以成。标注,即以 80 %通过的筛孔孔径表示; D 。—磨机有效内径 ,mm,
一般中型水泥厂,入磨物料粒度以 8^-lvmm 为宜。
•  易磨性
   物料的易磨性表示物料粉磨的难易程度。常用相对易磨性系数 Km 来表示物料的易磨性,是物料单位功率产量 q 物与标准物料单位功率产量 q 标的比值: Km= q 物 / q 标 ( 1-5-2 )
   标准物料常用平潭标准砂 ,Km .值大表示容易磨细,反之则表示难磨。
   物料的易磨性与其本身的结构有关,所以即使是同一类物料,它的易磨性也可以不一样,例如结构致密的石灰石,其易磨性系数较小,而结构疏松的石灰石则易磨性系数大。
   熟料的易磨性与各矿物组成的含量以及冷却速度有很大关系。试验证明,熟料中 C3S 含量多,冷却速度快,其质地较脆,易磨性系数就大;如 CZS 和铁相含量多,冷却慢,或者因过烧结成大块,则韧性大且较致密,易磨性系数就小,因而难磨,如图 1-5-8 、图 1-5-9 所示。


   因此,在可能的条件下,应尽量选用易磨性好的原料,并生产 C3S 含量高,而且冷却速度快的熟料,出窑熟料经过适当陈放降温,并使熟料中的关 CaO 吸水而变为 Ca (0H)2 在这一转换过程中体积膨胀,可改善熟料的易磨性。所以应禁止出窑熟料直接入磨。
三、人磨物料温度
   入磨物料温度高,物料带入磨内大量热量,加之粉磨时,大部分机械能转化为热能,使磨内温度更高。物料的易磨性随温度升高而降低。磨内温度高,易使水泥细粉因静电而聚集,严重时会粘附研磨体和衬板,从而降低粉磨效率。温度愈高,这种现象愈严重。水泥粉磨时,如果磨内温度过高,二水石膏易脱水形成半水石膏,使水泥产生假凝现象,影响水泥质量;水泥入库后易结块。
   磨内温度高,磨机桐体产生一定的热应力,会引起衬板螺栓的折断,也会影响轴承的润滑。因此入磨物料温度应加以控制。根据经验一般应控制在 50 ℃ 以下。出磨水泥温度应控制在 110^ 1200C 以下。
   对于大型磨机,如果要求水泥细度较细,即使入磨温度不高,也会因粉磨过程产生的热量使物料温度过高而产生包球与细粉吸附衬板与隔仓板。因此大型磨机除采用酮体外喷水冷却外,还采用磨内喷水方法来降低磨内物料温度。采用磨内喷水要注意喷水量要适当,而且要雾化好。否则过多的水反而导致粉磨状态恶化。此外采用闭路粉磨,可以降低磨内温度。
四、人磨物料水分
   生产实践证明,入磨物料水分对普通干法钢球磨机的生产影响较大,当入磨物料平均水分 >1. 8 %时,磨机产量开始下降;水分 >2. 5 %时,磨机台时产量降低 15%^30 %;水分 >3-5}时,粉磨作业严重恶化;水分 5 %左右时,磨机无法正常生产,主要是造成堵塞隔仓板和出料蓖板,出现“糊磨”和“饱磨”现象,如果处理不及时,甚至会造成坚固的“磨内结圈”,被迫停磨处理。但是,物料过于干燥也无必要,入磨物料平均水分一般控制在 1 %左右为宜。
•  磨内通风
强化干法磨内的通风,具有如下作用:
1. 能够及时排出磨内的微粉,减少物料的过粉磨现象和缓冲作用。
2. 可以及时地排出磨机内的水蒸气,防止堵塞隔仓板和卸料蓖板的蓖孔,并可减少粘球现象。
3. 可降低磨内温度和物料温度,有利于磨机的正常运行和防止设备的使用寿命缩短。磨内通风是由排风机抽取磨内含尘气体,经收尘器分离净化后排入大气。磨机通风速度一般以磨机最后一仓出口净空风速表示。适当提高磨内风速有利于提高磨
机产质量和降低单位产品电耗,但如果风速过大,则又会使产品细度变粗,排风机电耗增加。试验证明,开路磨内风速以 0. 7^-1. 2m /s 为宜,闭路磨机可适当降低,以 0. 3^-0. 7m /s 为宜。
应该注意,加强磨内通风,必须防止磨尾卸料端的漏风,因为卸料口的漏风不仅会减少磨内有效通风量,还会大大增加磨尾气体的含尘量。因此,采用密封卸料装置以加强“锁风”具有十分重要的作用,同时应合理地设计收尘系统,以保证排放气体符合环保标准要求。
•  助磨剂
   在粉磨过程中,加入少量的外加剂,可消除细粉的粘附和聚集现象,加速物料粉磨过程,提高粉磨效率,降低单位粉磨电耗,提高产量。这类外加剂统称为“助磨剂”。常用的助磨剂有煤、焦炭等碳素物质,以及表面活性物质如亚硫酸盐纸浆废液、三乙醇胺下脚料、醋酸钠、乙二醇、丙二醇等。
   助磨剂加速粉磨的机理,还有待作进一步的深入研究,通常认为,碳素物质可消除磨内静电现象所引起的粘附和聚结,表面活性物质由于它们具有强烈的吸附能力,可吸附在物料细粉顺粒表面,而使物料之间不再互相粘结,而且吸附在物料颗粒的裂隙间,减弱了分子力所引起的“愈合作用”,外界作功时可促进颗粒裂缝的扩展,从而提高粉磨效率。
   粉磨水泥时,碳素物质的加入量不得超过 1 %,以确保水泥质量。当用亚硫酸盐纸浆废液的浓缩物时,其加入量为 0.150o-0.25 %,过多会影响水泥的早期强度。用三乙醇胺下脚料时,一般加人量为 0.050o-0.1 %,在水泥细度不变的情况下,可消除细粉的粘附现象,提高产量 100o-20 %,还有利于水泥早期强度的发挥,但加入量过多,会明显降低水泥强度。
   应该注意,助磨剂的加入,虽然可以提高磨机产量,降低粉磨电耗,但是,应选择使用效果好、成本低的助磨剂,否则反而不经济,同时助磨剂的加入不得损害水泥的质量。
七、设备及流程
(一)设备的规格、内部结构及转速通过试验表明,磨机产量与磨机胭体的直径 D 和桐体的长度 L 的关系为:Q ∝ D 2.5—2.6 ( 1-5-3 )
单位产品电耗 N 与直径的关系为: N ∝ 1/D 0.1 ( 1-5-4 )
由以上两式可知,磨机的规格越大,产量越高,单位产品电耗越低。
磨机的内部结构主要是指衬板和隔仓板。
   衬板具有调整各仓研磨体运动状态,使之符合粉磨过程的功能,是使各仓粉磨能力平衡的一个重要因素。所用的衬板表面形式要适应粉磨物料的性质、磨机的规格、磨机的转速以及研磨体的形状和各仓的粉碎要求。
   近年来国内外相继研制了各种节能衬板,如角螺旋分级衬板、沟槽衬板等对磨机的增产、节电产生很大效果。隔仓板的结构形式、蓖孔的有效断面积及隔仓板的安装位置(各仓的长度),对于磨机内物料流速的控制、各仓粉磨能力是否符合粉磨能力的要求以及各仓粉磨能力的平衡十分重要。如果物料易磨性好,粒度小于 5mm 所占的比例较大,可适当缩小一仓长度,反之,则适当增加一仓长度,或通过增大一仓平均球径,减少入磨粒度来解决。
   磨机的转速加快,在同一时间内研磨体作的功就多,能提高磨机产质量。实践证明把磨机转速提高到临界转速的 800o-85 %,可增加 20 %左右产量。但是磨机转速应考虑衬板的形式,研磨体运动状态、磨机的规格、粉磨物料的性质等统一考虑。当衬板、隔仓板设计得不够合理时是可以调整的,而磨机的转速一经制造和安装之后是不易改变的。
(二)粉磨的流程
   开路磨安装了选粉机或分级机后可以提高产量 15 % -25 %.闭路系统的产量还与循环负荷率和分级效率有关。
   循环负荷率 K 是指分级机的回料量 T 与成品量 G 之比,以百分数表示。循环负荷率可以通过测定分级机喂入物料、回料和成品的细度计算得出。其计算公式如下:
Κ = ( 1-5-5 ) 式中: a —分级机的喂料细度(通过某一筛孔的百分数);
b- 分级机的回料细度(通过某一筛孔的百分数); ‘—分级机的成品细度(通过某一筛孔的百分数); at 、夕、 c' —分别表示相应于 a 、 b 、‘某一筛孔的筛余百分数。
   分级效率甲是分级机选出的产品中精粉量占入分级机物料中精粉量的百分数。当分级机为选粉机时,即为选粉效率。其计算公式为:
η = ( 1-5-6 )
   适当地提高闭路系统的循环负荷可以提高粉磨效率,过多地提高循环负荷反而使粉磨效率下降。循环负荷率与磨机产量的关系如图 1-5-10 所示。
当使用离心式或旋风式选粉机时,各种不同粉磨系统的循环负荷率的范围大致如下:
一级闭路干法生料磨: K=200 % ^-450 %;
一级闭路水泥磨: K=150 % ^300 %;
二级闭路水泥磨(短磨): K=300 % ^600 %;
风扫式生料磨: K=50 %~ 150 %;
一级闭路湿法生料磨: K=50 %~ 300 %。
   选粉效率高,回磨粗粉中所含合格细粉量少,可以减少过粉磨现象,提高粉磨效率。选粉效率与选粉机的型式及喂料量有关。近些年来出现了 O-sepa 高效选粉机,其选粉效率在 74 %以上。闭路系统循环负荷高,喂入选粉机的物料量多,选粉机选粉效率往往因喂料量过多而降低.工厂应根据磨机的规格、物料的性能、粉磨细度要求、选粉机的规格与型式,合理调节选粉效率与循环负荷,达到优质、高产、低耗的效果。
(三)研磨介质
   物料在磨机内通过研磨体的冲击和研磨作用而被磨成细粉,因此研磨体的形状、大小、装载量、配合和补充等对磨机生产的影响较大,如图 1-5-11 所示。
   合适的研磨体装载量是提高磨机产量,降低单位产品电耗的重买措摘.试验与生产实践证明,中长磨与长磨研磨体的填充系数分别为 25 % -35 %声 0 % ^-35 %时产量较高, 30 %左右时电耗较低;在短磨中,填充系数可以达到 3500^'40 %,各厂应根据磨机和物料等具体情况,通过试验来决定,但是过高的填充系数不利于设备的安全运转。
   在粉磨过程中,刚入磨的大颗粒物料,需要较大的冲击力将其破碎,故应选用较大的钢球,物料被磨到一定粒度后,要进一步磨细时,要求研磨体有较强的研磨作用,则应选用较小的研磨体,以增加研磨体的个数的接触面积,提高研磨能力,在细磨仓则可用钢锻,以增加研磨表面,为了适应各种不同粒度的冲击和研磨作用的要求,提高粉磨效率,实际生产中常采用不同尺寸的研磨体配合在一起,这就是研磨体的级配。

   丹麦史密斯公司就研磨介质对粉磨效率的影响,进行了一系列的试验研究,发现普通磨机研磨介质的尺寸和物料的粒度不相适应,由于磨机结构的原因,普通磨机细磨仓中介质的平均单个重 20 -40g , 而试验表明,在细磨仓中将物料磨到细度为 3000cm 2/g 的硅酸盐水泥,使用平均单个重 5 -7g 的微介质可获得最佳粉磨效果,如进一步粉磨到高细度( 4000cm 2/g )的快硬硅酸盐水泥,此时使用平均单个重 2g 的微介质可以获得最佳粉磨效率,在此基础上,该公司开发了新型 Combidan 磨,它在粉磨细度、粉磨效率和节能等方面都取得了较好的效果。

一开端方某并没有声势浩大的干


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