水泥生产工艺计算手册.docx

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水泥生产工艺计算手册

水泥质量主要取决于水泥熟料质量。

优质熟料应具有合适的化学成分和矿物组成且岩相结构优良。

表1-1列出各氧化物和水泥熟料矿物组成的缩写符号，人们通过各氧化物成分计算其潜在的矿物组成、率值和其他质量系数。

表1-1水泥熟料化学成分、矿物组成缩写

名称

化学组成

缩写

名称

矿物

化学组成

缩写

氧化钙

CaO

硅酸三钙

阿利特（A矿）

3CaO.SiO2

C3S

二氧化硅

SiO2

硅酸二钙

贝利特（B矿）

2CaO.SiO2

C2S

三氧化二铝

Al2O3

铝酸三钙

中间相

3CaO.Al2O3

C3A

三氧化二铁

Fe2O3

铁铝酸四钙

铁相固溶体

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

氧化镁

MgO

铁酸二钙

2CaO.Fe2O3

C2F

三氧化硫

SO3

S-

游离石灰

f-CaO

f.C

氧化钠

Na2O

游离二氧化硅

燧石、石英

f-SiO2

f．S

氧化钾

K2O

游离氧化镁

方镁石

f-MgO

f．M

碱合量

Na2O+K2O

R2O

氧化钛

TiO2

氧化锰

MnO

氟化钙

CaF2

五氧化二磷

P2O5

为提高技术管理水平，技术人员往往用数理统计方法，对生产和试验测试数据进行科学整理，找出个参数之间的内在规律，反过来再为生产服务。

数理统计方法在本章第六节介绍。

第一节熟料矿物组成

水泥熟料是一种有多矿物组成的结晶细小的人造岩石。

不同系列的水泥熟料其主要矿物组成不同。

见表1-2

表1-2不同水泥熟料系列主要矿物组成

水泥熟料系列

硅酸盐水泥

铝酸盐

铁铝酸盐

硫铝酸盐

氟铝酸盐

主要矿物组成

C3S、C2S

C3A、C4AF

CA、CA2

C4A3SO3、

C4A3SO3

C4A7、CaF2、

C4AF、C2S

C2S

C3S、C2S、C4AF

熟料的矿物组成可用岩相分析、X射线和红外光谱等分析法测定，也可根据各氧化物成分计算。

目前工矿企业广泛采用化学成分来计算熟料矿物组成。

一、由已知化学成分及率值计算矿物组成（表1-30）

表1-3硅酸盐水泥熟料矿物组成计算式

矿物组成（%）

P＞0.64

P≤0.65

C3S

3.8S（3KH-2）或

=4.07（C-f.c）-7.6S-6.72A-1.43F-2.85SO3

3.8S（3KH-2）或=4.07C-7.6S-4.47A-2.86F-2.85SO3

C2S

8.61S（1-KH）或=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C或=2.87S-0.754C3S

8.61S（1-KH）

或=8.60S+3.38A+2.15F+2.15SO3-3.07C

C3A

2.65A-1.69F=2.65F（P-0.64）

C2F

1.70（F-1.57A）=1.70F（1-1.57P）

C4AF

3.04F

4.77A

CaSO4%

1.70SO3

二、特种水泥熟料的矿物组成

传统的硅酸盐水泥在建筑工程中占主要地位，为满足特殊工程需要，发展特种水泥，其矿物组成也有所不同，下面着重介绍一下几种：

1、高铝水泥

高铝水泥熟料以铝酸盐为主，主要矿物为铝酸一钙、二铝酸一钙、钙铝黄长石C2AS、钙钛石CT和镁尖晶石等。

其矿物组成计算见表1-5

表1-5高铝水泥熟料矿物组成计算表

矿物组成（%）

算式

说明

1.55（2Am-1）（A-1.70S-2.53M）

铝酸盐碱度系数Am

Am=

C-1.87S-0.70（F+T）

0.55（A-1.70S-2.53M）

CA2

2.55（1-Am）（A-1.70S-2.53M）

C2AS

4.57S

1.70T

C2F

1.70F

3.53M

2、硫铝酸盐快硬水泥熟料

硫铝酸盐快硬水泥熟料，以无水硫铝酸钙C4A3SO3和β型C2S为主要矿物，还有少量的钙钛矿和铁相等。

其矿物组成计算公式见表1-6

表1-6硫铝酸盐快硬水泥熟料组成计算式

矿物组成%

算式

C4A3SO3

1.99A

C2S

2.87S

C2F

1.70F

1.70T

3、氟铝酸钙型水泥熟料

氟铝酸钙型快硬水泥熟料，以氟酸钙C11A7.CaF2为主要矿物，还有少量的硅酸钙和铁相等。

有两种类型，矿物组成计算式见表1-7：

表1-7氟铝酸钙型水泥熟料的矿物组成计算是

矿物组成%

C3S-C2S-C11A7.CaF2-C4AF型

C2S-C11A7.CaF2-C2F型

C4AF

3.04F

C11A7.CaF2

1.97（A-0.64F）a

1.97（A-2.53F）a

C3S

4.07C-3.47F-3.52A-7.60S-2.85SO3+3.68N+2.42K

C2S

2.87（S-0.261C3S）

2.87S

C2F

1.70F

3.53M

1.70T

CaF2理论需要量

0.11（A-0.64F）+0.83K+1.26N

0.11（A-2.53F）+0.83K+1.26N

4、膨胀水泥熟料

膨胀水泥熟料主要含C4A3SO3（3CaO.3Al2O3.CaSO4）,另外还含有C3S、C2S、C4AF及无水石膏等。

其矿物组成计算式见表1-8。

表1-8膨胀水泥熟料矿物组成计算式

矿物组成%

算式

C3S

4.070C-7.600S-2.239A-4.287F-2.851SO3

C2S

8.600S+1.689A+3.235F+2.150SO3-3.070C

C3A3SO3

1.995A-1.273F

CSO3

1.700SO3+0.284F-0.445A

C4AF

3.043F

5、道路水泥熟料

道路水泥熟料以硅酸盐矿物为主，严格控制铝酸盐相和铁相含量适当提高C3S含量，求得较好的耐磨性和较好的干缩性。

《水泥》1997第五期介绍，在道路水泥中铁相不是C4AF，而是C4AF-C6A2F固溶体。

其矿物组成计算式见表1-9

表1-9道路水泥熟料中铁相和铝酸盐矿物组成计算式

矿物组成%

算式

说明

C5A1.5F

3.72F

C3A、C4AF计算按GB13643-92

C3A（≤5）

2.65（A-0.64F）

C4AF（≤16）

3.04F

C3S

3.8S（3KH-2）或=4.07（C-f.c）-7.6S-6.72A-1.43F-2.85SO3

3.8S（3KH-2）或=4.07C-7.6S-4.47A-2.86F-2.85SO3

C2S

8.61S（1-KH）或=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C或=2.87S-0.754C3S

8.61S（1-KH）

或=8.60S+3.38A+2.15F+2.15SO3-3.07C

6、油井水泥熟料

油井水泥主要用来胶结油井、气井能够的井壁和套管。

随着井深的增大，井底温度和压力相应升高。

水泥厂生产不同级别和类型的油井水泥时，选择合适的熟料矿物组成，以适应不同井深要求。

其矿物组成计算式见表1-10。

表1-10油井水泥熟料矿物组成计算式

矿物组成%

P＞0.64

P≤0.64

C3S

4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.85SO3

4.07C-7.60S-4.48A-2.86F-2.85SO3

C2S

8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C

8.60S+3.83A+2.15F+2.15SO3-3.07C

C3A

2.65A-1.69F

C3A=0

C4AF

3.04F

C4AF+C2F=2.10A+1.7F

7、中热水泥、低热矿渣水泥熟料

中热水泥、低热矿渣水泥适用于要求水化热较低的大坝和答题及混凝土工程所用的水泥。

抗硫酸盐硅酸盐水泥适用于一般受硫酸盐寝室的海港、水利、地下、隧涵、引水、道路和桥梁基础等工程。

其孰料矿物组成见表1-11公式计算:

表1-11中低热水泥、抗硫酸盐水泥熟料矿物组成计算式

矿物组成%

中热水泥、低热矿渣水泥

抗硫酸盐水泥

C3S

4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.85SO3

4.07（C-f.C）-（7.6S+6.7A+1.42F）

C3A

2.65（A-0.64F）

C4AF

3.04F

资料来源

GB200-89

GB748-83

水化热kj/kg

新世纪水泥导报99.5

三天Q3d=243C3S+50C2S+888C3A+289C4AF

七天Q7d=222C3S+42C2S+1139C3A+494C4AF

第二节熟料率值

孰料率值是熟料中各种氧化物含量的相互比例，也是质量控制和配料计算的主要指标。

我国用饱和比KH、硅酸率n（SM）和铝氧率P（AM）表示率值，国际上常用率值还有石灰饱和率LSF等。

对其他系列水泥熟料，如铝酸盐水泥熟料的碱度系数Am、高铝水泥熟料的铝硅比As、硫铝酸盐系列熟料的碱度系数Cm和铝硫比Pso3等等。

各率值合理选择范围间第二章表2-4、表2-5。

一、石灰饱和系数

石灰饱和系数KH简称饱和比。

它表示熟料中SiO2被CaO饱和形成C3S的程度。

生产中用KH和KHˉ分别表示不扣和扣除游离石灰石时熟料饱和比。

生料饱和比按表1-12中不扣f.C的算式计算。

表1-12计算KH

有已知化学成分计算

P＞0.64

不扣f-CaO

C-（1.65A+0.35F+0.7SO3）KH=

2.80S

扣f-CaO

（C-f.C）-1.65A+0.35F+0.7SO3）

KHˉ=

2.80（S-f.S）

P≤0.64

C-（1.10A+0.70F+0.7SO3）

KH=

2.80S

（C-f.C）-（1.10A+0.35F+0.7SO3）

KHˉ=

2.80（S-f.S）

掺复合矿化剂用矿物组成换算

（C-f.C）-（0.55A+1.05F+0.7SO3+2.87CaF2）C3S+0.8838C2S

KHˉ=KH=

2.80SC3S+1.3256C2S

二、硅酸率

硅酸率n（SM）表示水泥熟料中SiO2与Al2O3、Fe2O3之和的比值，还表示水泥熟料中硅酸盐矿物和熔剂矿物之间的比例。

表1-13计算n（SM）

用化学成分计

用矿物组成计

A+F

P＞0.64

C3S+1.3256C2S

1.4341C3A+2.0464C4AF

P≤0.64

C3S+C2S

C3A+C4AF+C2F

三、铝氧率

铝氧率P（AM）表示水泥熟料中Al2O3和Fe2O3含量比值，也表示C3A和C4AF矿物含量比例。

计算铝氧率见表1-14。

表1-14计算P（AM）

用化学成分计

用矿物组成计

P＞0.64

1.1501C3A

P=+0.6383

C4AF

四、石灰饱和率

石灰饱和率LSF为熟料中石灰实际含量与全部酸性组分需要结合的CaO含量之比。

英国标准中LSF指成品水泥。

计算石灰饱和率见表1-15

表1-15石灰饱和率LSF

水泥

熟料

C-0.7SO3

LSF=

2.8S+1.2A+0.65F

普通水泥LSF=85~95

早强水泥LSF=95~98

P＞0.64

LSF=

2.8S+1.18A+0.65F

P＜0.64

LSF=

2.8S+1.1A+0.7F

MgO＜2.0

C+0.75

LSF=

2.8S+1.18A+0.65F

MgO＞2.0

C+1.5

LSF=

2.8S+1.18A+0.65F

品种普通

LSF0.9

早强中热

0.970.86

五、铝酸盐碱度系数

铝酸盐碱度系数Am，指熟料中形成CA和CA2时的CaO量与熟料中铝酸钙全部形成CA时，所需CaO的值。

当Am=1时，孰料中Al2O3除生成C2AS和C2A外，余下全部化合成CA，不存在CA2；当Am=0.5时，孰料中形成CA2而不存在CA。

Am是高铝水泥确定配料一个主要依据，为了得到含一定量的CA高铝水泥，必须控制水泥熟料中CA/CA2的比例，用回转窑烧结法生产时，一般CA/CA2=1.14，Am约在0.75左右。

C-1.87S-0.70（F+T）

Am=（1-1）

0.55（A-1.70S-2.53M）

式中Am—铝酸盐碱度系数，我国生产的高铝水泥，

Am下限值一般为0.5左右，上限值为0.8~0.9。

不同高铝水泥品种的铝酸盐碱度系数Am

水泥品种

回转窑烧结法

块硬高铝水泥

耐寒高温性能水泥

高铝水泥熟料

配制石膏矾土膨胀水泥（后期强度高）

0.75左右

0.8~0.9

0.55~0.65

0.7~0.8

六、铝硅比系数

铝硅比系数As也是高铝水泥熟料配料的率值之一。

它表示熟料中Al2O3和SiO2的比值（1-2）

As=

式中As—铝硅比系数，该值与高铝水泥标号有关。

水泥标号

＞325

＞425

低钙铝酸盐水泥

＞7

＞9

＞16

七、硫铝酸盐碱度系数和铝硫比

硫铝酸盐碱度系数Cm和铝硫比Ps，它们均是硫铝酸盐型快硬水泥熟料的主要控制率值。

C-0.70（SO3+F+T）

Cm=（1-3）

1.87S+0.55A

Pso3=（1-4）

式中Cm—碱度系数，一般控制在0.9~1.0；

Pso3—铝硫比，一般控制在3.5~4.0。

八、碱的硫酸盐饱和度

硫酸盐饱和度SG，表示熟料中SO3的含量与按碱含量计算的全部生成柳酸碱所需SO3含量的比值。

干法生产和利用工业废渣作为原料配料组分时，要注意硫碱平衡。

SG过低液相黏度大，SG过高易产生飞砂料。

水泥厂应重视原料、燃料带入的硫量，控制SG在40%-70%之间。

SO3

SG=%（1-5）

1.292Na2O+0.85K2O

式中SG—熟料中硫酸盐饱和度，%

九、开发利用工业废渣或尾矿时熟料率值

化工或冶金企业的工业废渣或尾矿中，所含金属氧化物如MnO、BaO、SrO、Cr2O3等，它们在熟料中煅烧起矿化、固溶作用。

少量掺入再计算熟料率值时通常不计入金属氧化物影响，但它们在熟料中含量高时，需调整熟料率值得算式。

《水泥工程》1999年第5期上介绍利用含锰原料生产水泥熟料时的率值，矿物组成计算式（表1-16）,摘录如下供参考。

表1-16熟料中含氧化锰成分时率值算式

率值

矿物组成

C-1.65A+0.35F-0.35Mn2O3

KH=

2.8S

C-1.65A-0.35F-0.32MnO2

2.8S

n==

A+F+Mn2O3A+F+0.91MnO2

P==

F+Mn2O3F+0.91

C3S=3.8S（3KH-2）

C2S=8.6S（1-KH）

C3A=2.65（A-0.64F-0.65Mn2O3）

=2.65（A-0.64F-0.59MnO2）

C4AF=3.04F

C4AMn=3.06Mn2O3=2.78MnO2

第三节熟料化学成分

硅酸盐水泥熟料的化学成分，主要有氧化钙、二氧化硅、氧化铝、和氧化铁所组成，用熟料的矿物组成和率值计算主要氧化物成分。

一、用矿物组成计算（表1-17）

表1-17用矿物组成计算化学成分

化学成分%

P＞0.64

P＜0.64

CaO

C=0.7369C3S+0.6512C2S

+0.6227C3A+0.4616C4AF

+0.4119CSO3

C=0.7368C3S+0.6512C2S

+0.4616C4AF+0.4126C2F

+0.4119CSO3

SiO2

S=0.2631C3S+0.3488C2S

Al2O3

A=0.3713C3A+0.2098C4AF

A=0.2098C4AF

Fe2O3

F=0.3286C4AF

F=0.3286C4AF+0.5874C2F

SO3

SO3=0.5881CaSO4

二、用率值计算化学成分（表1-18）

化学成分%

一般水泥熟料

掺复合矿化剂

Fe2O3

∑

（2.8KH+1）（P+1）n+2.65P+1.35

∑-2.87CaF2-0.7SO3

（2.8KH+1）（P+1）n+1.55P+2.05

Al2O3

P·∑

（2.8KH+1）（P+1）n+2.65P+1.35

A=PF

SiO2

n（P+1）·∑

（2.8KH+1）（P+1）n+2.65P+1.35

S=（A+F）·n

CaO

[2.8KH（P+1）n+1.65P+0.35]·∑

（2.8KH+1）（P+1）n+2.65P+1.35

[2.8KH（P+1）n+0.55P+1.05]·∑

（2.8KH+1）（P+1）n+1.55P+2.05

+2.87CaF2+0.75SO3

∑

一般熟料∑=0.97～0.98、白水泥熟料∑≈0.972、掺矿化剂∑≈0.95

第四节生料、熟料特性及评价

水泥原料、生料和熟料特性，是正确选择原料、完成配料设计、确定生产工艺和设备选型等重要依据。

生料易烧性；原料i、生熟料易磨性；生料可塑性；料球的线收缩率等；我国已制定试验方法，直接取数。

这里介绍用化学成分计算某些生料、熟料特性的算术。

一、生料易烧性

生料易烧性是指生料在煅烧过程中形成孰料得难易程度。

评价生料易烧性有许多经验式，利用生料的化学成分和率值可得到生料易烧性算式（表1-19）

表1-19生料易烧性经验算式

评价易烧性

用（f-CaO）

f-CaO1450℃（%）

≤1.5

1.5~2.5

＞2.5

易烧性（预分解窑）

较好

一般

较差

二、熟料液相量

液相量L为熟料在不同温度下的液相百分数。

液相量高低与烧结温度、组分含量有关。

工程上常用1400℃和1450℃以下的液相量来考核配料方案和分析窑的操作状况。

资料介绍，在1450℃时，孰料液相量一般在22%～30%范围内,预分解窑控制在23%～28%.白水泥熟料约15%左右。

1400℃L=2.95A+2.2F+R%（1-6）

1450℃L=3.00A+2.25F+R%（1-7）

式中L—液相量，%；

R—MgO+R2+CaSO4及其它之和

三、熟料硫碱比

熟料硫碱比S/R，表示孰料中所含SO3量与碱之间的克分子比，是新型干法生产对原料成分的重要控制指标之一。

硫碱比过大或过小均对煅烧不利。

各公司考虑碱的挥发率不同，计算硫碱比的算式和允许范围见表1-20。

目前我国常用F·L·Smith的计算式

表1-20熟料硫碱比算式及限制指标

资料来源、制造厂

计算式

限制指标

悬浮预热和预分解技术经验交流会论文集

Honblt

SO3

S/R=

0.85K2O+1.29Na2O-1.113CLˉ

0.7～1.0

Polysius

MSO3

S/R=

MNa2O+MM20-MCLˉ

F·L·Sminth

SO3

S/R=（常用式）

0.85K2O+Na2O

≤1.0

适宜值0.6～0.8

Fuller

SO3

S/R=Na2Oeq=0.658K2O+Na2O

1.29Na2Oq

＜1.2

SO3≤1.5%

水泥

技术1986.4

丹麦F·L·S

MSO3

S/R=常用式

MK2O+0.5MNa2O

≤1.0

法国FCB

MSO3SO3/80

S/R==

MK2O+MNa2OSO3K2O/94+Na2O/62

≤1.2

日本石川岛

MSO3

S/R=

MK2O+MNa2O

0.3～1.1

佳值为0.5～0.6

邱县水泥厂

SO3

S/R=

K2O+Na2O

0.4～0.6

说明：

MSO3、MNa2O、MK2O分别为SO3、Na2O、K2O的克分子。

80、62和94为化合物分子量

四、钠当量

碱含量用氧化钠与氧化钾之和（R2O），也有用钠当量Na2O-Eq表示。

孰料中含有微量碱，起助熔作用，对熟料性能并不造成多少危害，但碱含量较多时，会降低熟料质量。

应当指出：

水泥中碱含量高，发生“碱集料反应”不容忽视。

试验资料介绍，当水泥的含碱量（用钠当量表示）在0.6%以下时，不会发生过大的膨胀现象。

国家标注中对某些水泥或熟料中碱含量提出限量要求：

Na2O-Eq=Na2O+0.658K2O%（1-8）

式中Na2O-Eq—钠当量（碱含量）%，该值有供需双方商定。

若使用活性骨料，用户要求提供低碱时

水泥品种

低碱水泥

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、用户要求提供低碱水泥时，指标双方商定或下值

地热矿渣水泥

油井水泥中G级、H级MSR、HSR

Na2O-Eq%

水泥中≤0.6

熟料中≤0.6

熟料中≤1.0

水泥中≤0.75

第二章配料计算

配料计算系根据所需的原料、燃料成分和要求的熟料质量，通过计算确定各原料组分配比，使之符合原设定的熟料率值和矿物组成。

由配料计算得出原料、燃料配比，是确定原料、燃料需要量以及进行工厂三大平衡（物料、主机、储库）的主要依据，也是工厂日常质量控制和生产计划管理、物质采购的基本数据来源。

第一节基本计算步骤

一、列出各种原料、燃料、煤灰的化学成分及燃料的工业分析

列出数值后将化学成分总和换算到100%。

原则是：

如果提供的成分总和超过100%，应该用算术方法缩减至100%，各组分分别按此比例调整；如果总和小于100%，则把小于100%的差数列为其他项。

若配料计算要用灼烧基，那么需将原料的干基成分按“基准换算法（表2-6）换算。

物料成分的设定符号列于表2-1。

成分

熟料

白生料

黑生料

石灰石

粘土质

铁质

校正料

矿化剂1

矿化剂2

煤灰

煤

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

灼烧基

干基

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