水泥生产基本知识讲座

(一)水泥生产概述

水泥是现代化建设的重要材料。从宇航工业、核工业、海洋工厂到城市繁荣、人们的交通、住房等，都离不开水泥。

2006年世界水泥产量约25亿吨；我国水泥产量12.4亿吨，占49%，世界第一。

我国共有水泥企业5149家，其中最大的是海螺集团，年产量达到6200万吨，居世界第五位；法国拉法基、瑞士豪西盟两大集团都超过1.5亿吨/年， 世界前十家水泥企业的产量之和占世界总产量的50%，我国前十家占全国总产量的13.3%；中、小水泥企业约5000家，占全国水泥企业总数的95%。（平均产量18万吨/年）

水泥生产概述

一、胶凝材料的定义和分类

凡在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体、并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为：胶凝材料。

1.无机胶凝材料:

(1)水硬性胶凝材料：硅酸盐水泥等；

(2)非水硬性胶凝材料：石灰、石膏等；

2.有机胶凝材料:

环氧树脂胶结料等。

二、水泥的定义和分类

1.定义(属于:水硬性无机胶凝材料)

水泥是一种粉状物料，加适量的水后，成为塑性浆体，既能在水中硬化、又能在空气中硬化，能把砂、石等材料牢固地粘在一起的胶凝材料。

(1824年英国人阿斯普丁、波特兰水泥）

2.分类:

（1）通用水泥：六大品种； （2）特种水泥（专用水泥和特性水泥）

3.国家水泥新标准

GB175-1999

硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅰ、Ｐ·Ⅱ)、 普通硅酸盐水泥(Ｐ·Ｏ)

GB1344-1999

矿渣硅酸盐水泥(Ρ·Ｓ)、火山灰质硅酸盐水泥(Ｐ·Ｐ)、粉煤灰硅酸盐水泥（Ｐ·Ｆ）

GB-1999

复合硅酸盐水泥（Ｐ·Ｃ）

4.组份材料

（1）硅酸盐水泥熟料； （2）石膏； （3）活性混合材；

（4）非活性混合材； （5）窑灰； （6）助磨剂

5.强度等级

（1）硅酸盐水泥:42.5/42.5R/52.5/52.5R/62.5/62.5R

（2）其他水泥：32.5/32.5R/42.5/42.5R/52.5/52.5R

6.废品和不合格品

凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任何一项不符合本标准时，均为废品。

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强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。

三、水泥生产方法与分类

1.水泥窑分类：

一类是窑筒体卧置，并能作回转运动的称为回转窑；

另一类窑筒体立置不转动称为立窑。

2.新型干法水泥生产技术

以悬浮预热和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产的最新成果广泛地应用于水泥生产的全过程，形成一套具有现代高科技特征和符合优质、高产、节能、环保以及大型化、自动化的现代水泥生产方法。

3.水泥生产工艺流程

矿山开采→破碎→预均化→配料→生料粉磨→生料均化→悬浮预热、预分解、回转窑煅烧（或预加水成球、立窑煅烧）→熟料冷却、破碎、配料→水泥粉磨→水泥均化→水泥包装、散装出厂

简称：《两磨一烧》

为什么把水泥生产过程称之为“两磨一烧”？

因为水泥生产过程分为三个阶段，

第一阶段：生料粉磨。

原料经破碎或烘干后，按一定比例配合、磨细，并制备为成分合适、质量均匀的生料。

第二阶段：熟料煅烧。

将生料加入水泥窑中煅烧，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料。

第三阶段：水泥粉磨。

熟料加入适量的石膏，有时还加入一些混合材料，共同磨细成为水泥。

所以行业内把水泥生产过程简称为：“两磨一烧”。

(二)水泥熟料

水泥熟料的矿物组成

一、熟料矿物组成

C3S ——硅酸三钙（含量:50～60%)（强度高）

C2S ——硅酸二钙(含量:15～32%)（强度较高）

C3A ——铝酸三钙(含量：3～11%)（凝结快）

C4AF——铁铝酸四钙(含量:8～18%)（耐磨耐蚀）

二、主要化学成分:

CaO 62～67%、 SiO2 20～24%、

Al2O3 4～7%、 Fe2O3 2.5～6%。

(三)原料、燃料与配料

一、水泥生产原料

1.石灰质原料:(石灰石、大理石等）占生料70～75%

2.粘土质原料:(硅铝质原料、粘土、砂岩等)占生料10～20%

3.校正原料:(铁质、铝质原料、外加剂等)占生料5～10%

二、水泥生产燃料

1.固体燃料

(1)烟煤：挥发分≥14%

(2)无烟煤：挥发分≤10%

(3)低质煤：热值≤4000×4.18kJ/kg

2.液体和气体燃料

重油、渣油、天然气、煤气等。（不能用于立窑）

三、工业固体废弃物（工业废渣）

1.用途

（1）作为水泥原料与其它原料配制成生料，入窑煅烧成水泥熟料；

（2）作为混合材料与水泥熟料一起粉磨，制成水泥；

（3）经过低温处理和物理、化学激发，制成绿色、高性能胶凝材料。

2.常见工业废渣

粉煤灰、煤矸石、赤泥、矿渣、钢渣、电石渣、炉渣、碱渣、城市垃圾等。

四、硅酸盐熟料率值

1.率值：水泥熟料中各氧化物之间的相对含量的比值。它与熟料的矿物组成、熟料质量、生料的易烧性有密切的关系，是水泥生产中的重要控制指标之一。

2.常用率值:

(1)石灰饱和比(KH):表示SiO2被CaO饱和成C3S的程度。

(2)硅酸率(n)：表示SiO2与Al2O3及Fe2O3之和的比值。

(3)铝氧率(p)：表示Al2O3与Fe2O3的比值。

3.新型干法水泥生产工艺的熟料率值控制范围：

饱和比KH:0.88～0.91 、硅酸率n:2.4～2.7、铝氧率p:1.4～1.8

五、立窑配料工艺

1.生料种类

(1)白生料:生料中不加煤;(回转窑用)

(2)半黑生料:生料中加部分煤；(少量立窑用)

(3)全黑生料:全部燃煤与原料共同粉磨成生料。(立窑企业普遍使用)

2.立窑配料要求

(1)高饱和比高铝方案:KH0.92～0.96, n2.0～2.2, p1.6～1.9；

(2)高硅低铁方案：KH0.90～O.94, n2.2～2.4, p1.3～1.5；

(3)高饱和比高硅方案：KH0.94～0.98, n1.6～1.8, p1.3～1.5。

(四)生料制备

一、物料破碎

1.破碎的目的

破碎是利用外力克服物料的内聚力，如何自主创业。使其由大变小的过程；常用机械方法来减小物料的粒度。

（1）有利于物料的输送和预均化；

（2）有利于配料的准确性；

（3）有利于物料的烘干；

（4）有利于粉磨过程的节能高产。

2.破碎分类

按破碎后的产品粒度分：

（1）粗碎：将物料破碎到100mm以下；

（2）中碎：将物料破碎到30mm以下；

（3）细碎：高效节能细碎机。将物料破碎到3mm以下。

3.破碎比（永远大于1）

物料被破碎前后的尺寸之比称之为：破碎比。

4.公称破碎比

破碎机进料口宽度与出料口宽度之比称之为:公称破碎比。

5.物料颗粒大小的表示方法

(1)平均粒径：表示物料颗粒大小的平均尺寸 。

算术平均粒径:(长+宽+高)÷3

几何平均粒径:(长×宽×高)1/3

(2)筛余(%)和当量径(d80):

某一堆物料在经过取样筛析后，留在筛面上的量占物料筛析总量的百分数，标记为：R=%,以此来代表这些粉状物料的颗粒大小。筛孔尺寸写在R的右下角,筛余百分数的数值写在%的前面。如：生料细度R0.08=10%，它的含义是用0.08mm方孔筛对生料筛析后，它的筛余是10%。筛余百分数数值越大，物料越粗；反之，数值越小，物料越细。

某一堆物料（颗粒群）中有80%的物料能通过某一孔径的筛网，则可以用该筛网的筛孔尺寸作为当量径来代表这堆物料的平均粒径，标记为：d80,如：入磨物料粒度d80=20mm。

筛孔尺寸的表示方法:

水泥行业的筛网孔径大小的表示方法有四种：筛号、筛孔数、网目和筛孔尺寸。

①筛号：指每厘米长度筛网上的筛孔数。有多少个孔，叫多少号筛。

②筛孔数：指每平方厘米筛网面积上的筛孔数。有多少个孔，叫多少孔筛。

③网目：指每英寸长度筛网上的筛孔数。有多少个孔，叫多少目筛。

④筛孔尺寸：指筛网的孔径尺寸大小。正方形孔，以边长表示；圆形孔，以直径表示。

某厂32.5级普通硅酸盐水泥的颗粒组成

举例：某水泥厂买进铁矿石作铁质原料，要求进厂矿石平均粒径小于20mm，经取样筛析结果如下，问：该原料粒度是否合格？

解: 1.求各筛平均粒径：

2.筛析颗粒重量（ｇ）： 10 12 8 8 5 4 2 1

3.铁矿石平均粒径：

（27.5×10+22.5×12+17.5×8+13.5×8+10×5+6.5×4+4×2+1.5×1）/

（10+12+8+8+5+4+2+1）=17.57（mm）

4.结论：进厂铁矿石粒度合格

5.破碎方法

二、物料烘干（干法生产水泥）

1.物料烘干目的

（1）方便物料储存、运输、预均化；

（2）提高配料过程的准确性；

（3）有利于粉磨过程的节能高产。

2.固体物料的干燥过程

（1）第一阶段：外扩散（表面水分蒸发）；

（2）第二阶段：内扩散（内部水分扩散到表面）；

3.烘干基本原理

热气流(干燥介质)以对流传热等方式将热量传递给物料，使物料中的水分蒸发，并扩散到干燥介质中，水分被气流带走，物料得以干燥。

4.水泥生产对入磨物料水分的要求

根据生产实践经验，各种物料的水份可控制在下列范围内：

(1)石灰石＜1%； (2)粘土＜2％； (3)铁粉＜8％； (4)混合材＜2％；

(5)石膏＜8％； (6)熟料＜0.5％； (7)煤＜4％； (8)综合水分控制在1.5％以内。

5.物料烘干方式

（1）顺流烘干和逆流烘干

物料在烘干机内的运动方向与热气流的流动方向一致，称之为顺流烘干；(适合烘矿渣、煤)

物料在烘干机内运动方向与热气流的流动方向相反,称之为逆流烘干。(适合烘粘土)

（2）水泥厂物料的干燥方法

晾晒、通风吹干、熟料、烧成余热烘干、粉磨兼烘干、回转烘干机、立式烘干塔烘干。

（3）进入烘干机的热气温度

烘 干 物 料 煤 粘土 矿渣 石灰石

热气温度(℃) 400～700 600～800 700～800 800～1000

三、原料预均化

1.定义

(1)预均化:

使单一品种物料的化学组成、品位质量混合均匀的过程称之为预均化。

(2)均化:

使多品种物料的化学成分按一定比例、配合均匀、稳定的过程称之为均化。

2.预均化在水泥生产中的意义

(1)稳定工艺条件和热工制度：提高配料准确性、生料合格率、供热的稳定性（煤灰沉落率）；

(2)扩大资源降低成本：搭配用料、延长矿山使用寿命、综合利用工业废渣。

(3)减少无组织排放、有利于环保、清洁生产。

3.堆、取料技术

（1）料堆形式：单人字形、多人字形、波浪形、水平铺层、倾斜铺层、连续铺层；

（2）取料方式：断面、侧面、底部；（平铺竖取、切割料层）

4. 预均化设施：

（1）预均化堆棚：卸料小车胶带输送机连续布料、铲车或侧式刮板取料机端面取料、投资省、适合含少量水分的物料预均化、占地面积大、除尘困难。

（2）圆形预均化库：回转悬臂胶带堆料机连续布料、桥式刮板取料机或底部多点出料、预均化效果好、占地省，适合单品种、干燥、小块物料、一次性投资较大。

（3）仓式预均化库：储库为长方体、上部移动皮带机往复布料、下部多孔同时卸料、有多库搭配作用，可以单仓间歇式、或双仓交替式，也可以用于几种物料分别预均化，占地面积多、一次性投资较大。

5.生料制备

(1)干法球磨机工作原理

球磨机是一个水平放置、低速回转的筒体。筒体内装填着不同种类、规格的研磨体，物料加入到磨内，主要是靠研磨体的粉碎作用，使其由块状物料变成粉状物料。由于磨头不停地强制喂料，使磨头与磨尾形成了一定的料位差，在料位差、扬料板、磨机通风及筒体回转的共同作用下，物料被粉磨并从磨头流向磨尾，直至排出磨外。

6.粉磨工艺流程

（1）开路流程

在粉磨过程中，物料一次通过磨机即为产品，称为开流系统（又称开路系统）。

, , （2）闭路流程

在粉磨过程中，物料出磨后经过分级设备（选粉机）选出合格产品，不合格的粗粉返回磨内重磨，称为闭路流程（又称圈流粉磨系统）。

（3）分级设备（选粉机）的作用

选粉机是闭路粉磨系统的一个重要组成设备。作用是：及时将粉磨到一定细度的合格细粉选出，粗粉重新返回磨机再粉磨，防止细粉在磨内粘附研磨体，引起的缓冲作用，从而提高磨机粉磨效率；还能调节成品细度，防止粗细不均，保证粉磨产品质量。

（4）粉磨工艺流程特点

开路流程的优点是：流程简单，设备少，操作简便，基建投资少。其缺点是：由于物料必须全部达到成品细度后才能出磨。因此当要求产品细度较细时，较快磨细的物料将会产生过粉磨现象，并在磨内形成缓冲层，防碍其它粗料进一步粉磨，甚至产生细粉包球现象，从而降低粉磨效率，影响节能高产。

闭路流程与开路流程优缺点正好相反。其优点是：可以消除过粉磨现象，可降低磨内温度，因而粉磨效率高、节能效果好；与相同条件开路磨机比较，水泥磨产量一般可提高10～20％，生料磨可提高30％左右。其缺点是：流程复杂、设备多，操作管理技术要求也高，基建投资较大。

（5）烘干兼粉磨流程

它是把热风通入磨机内，使物料烘干过程与粉磨过程同时完成的工艺流程。由于烘干过程是在粉磨过程中进行，因此热交换速度加快，物料内部水分容易扩散蒸发，适当加大磨机通风量，不仅可以改善物料烘干效果，同时还可以提高磨机产量。

球磨机粉磨过程中，研磨体发热，可适当减少供风热量；同时在新型干法生产中，可以充分利用回转窑烧成系统的废气余热，组成窑磨一体机系统，来进行物料的烘干兼粉磨。

目前国内大型化水泥生产线广泛采用中卸烘干磨、立式磨烘干兼粉磨工艺流程制备生料。

(五)熟料烧成

一、生料在煅烧过程中的物理化学变化

1.干燥、脱水、预热：100℃～600℃

2.碳酸盐分解：600℃～1200℃

CaCO3→CaO+CO2↑

3.固相反应：800℃～1250℃

生成2CaO·SiO2（C2S）、 3CaO·Al2O3 （C3A）、 4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）；

4.熟料烧成：1300℃～1450℃～1300℃

生成3CaO·SiO2（C3S）；

5.熟料冷却：1300℃～1000℃～100℃

二、回转窑内的煅烧工艺带

1.湿法长窑

(1)干燥带(物料温度≤150℃)

(2)预热带(物料温度150～750℃)

(3)分解带(物料温度750～1000℃)

(4)放热反应带(物料温度1000～1300℃)

(5)烧成带(物料温度1300～1450～1300℃)

(6)冷却带(物料温度1300～1000℃)

2.新型干法回转窑

(1)预热带（多级预热器）分解带（分解炉）——窑外进行；

(2)放热反应带(物料温度1000～1300℃) ——窑内进行；

(3)烧成带(物料温度1300～1450～1300℃) ——窑内进行；

(4)冷却带(物料温度1300～100℃) ——窑内和窑外进行；

三、立窑煅烧

1.生料球在立窑中的煅烧过程

在立窑煅烧过程中，热空气通过球料之间的空隙流通，与料球表面接触，使表面的煤粒首先燃烧，发出的热量使料球脱水和部分碳酸钙（CaCO3）分解，同时也使料球内部产生孔隙，并使料球内部燃料逐渐燃烧，产生较大的热量，使生料呈现部分熔融状态，并使生料中的各组分在高温下产生化学反应，从而形成以硅酸盐为主要成分的熟料。

2.熟料热耗

(1)熟料热耗是烧成每公斤熟料所消耗的热量,单位:kJ/kg。

(2)熟料煤耗是每生产1kg或1t熟料所消耗的煤量,单位:kg/t。

(3)标准煤耗：1kg完全燃烧后放出kJ（7000kcal）热量的煤称为标准煤;每吨熟料所需的烧成标准煤数称标准煤耗. 单位:kg标煤/t熟料。

用熟料热耗除以kJ（7000kcal）所得的煤耗就是标准煤耗。

3.立窑煅烧工艺带

（1）预烧带：（湿料层、预热带）干燥、预热、脱水、分解反应；（50～1000℃）占窑高度的15～20%；

（2）烧成带：（高温带、底火）固相反应、烧结反应；（1000～1300～1450～1300℃）占窑高度的10～15%；

（3）冷却带：冷却熟料、预热空气；（ 1300～1000～100℃）占窑高度的70%；

4.立窑操作方法

（1）明火操作：湿料层厚度小于100mm；烟气温度150～400℃；见火加料，操作容易，熟料质量差、产量低、热耗高；此操作方法目前基本淘汰。

（2）浅暗火操作：湿料层厚度100～400mm；烟气温度80～120℃；上不见火、下不见红，操作较复杂，熟料质量好、产量高、热耗较低；有利于立窑布袋除尘器使用和环保达标。

（3）暗火操作：湿料层厚度400～600mm；烟气温度50～80℃；上不见火、下不见红，操作较复杂，熟料质量好、产量高、热耗最低；不利于立窑布袋除尘器使用和环保达标。

5.立窑煅烧经验

(1)一稳定：稳定底火（深度0.1～0.4m、厚度0.5～1m、温度1250～C、形状无断裂）

(2)二合理：合理用风1kg熟料1m3风、合理用料压二肋、堵边风、盖边部、提中间；压快口、引慢口；

(3)三平衡：加料速度、上火速度、卸料速度三平衡（或：风、料、煤三平衡）

(4)四及时：及时观察窑面变化;及时跟踪热工仪表;及时处理炼边、风洞;及时联系解决不正常现象；

(六)水泥制成

一、水泥主要组分及其作用

(1)熟料:各品种和强度等级的熟料是决定生产水泥品种、性能和质量的主要组分。

(2)石膏:掺入少量(3～5%)的石膏可以调节水泥的凝结时间,给施工使用提供方便；对矿渣水泥来说,石膏还激发强度的作用。

(3)混合材:在水泥中掺加混合材料不仅可以调节水泥标号与品种，增加水泥产量，降低生产成本，而且在一定程度上改善水泥的某些性能，满足建筑工程中对水泥的特殊技术要求。此外，还可以综合利用大量工业废渣，具有环保和节能的重要意义。

二、水泥粉磨分类

就粉磨而言，根据产品的粒度大小和比表面积高低，粉磨加工可分为普通粉磨、高细粉磨、超细粉磨。其产品也可以称其为：普通粉、高细粉和超细粉；

在普通粉磨的产品中，高细粉约占50～60%，超细粉不足10%；而在高细粉中，超细粉约占30～40%。

三、粉磨平衡

一般来说，物料在粉磨过程中，粉磨时间越长，出磨产品粒度越细、单位产品的电耗越高。但是，随着粉磨时间的延长，物料比表面积逐渐增大，其比表面能也增大，因而，微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。经过一段时间后，磨内会处于一个“粉磨?团聚”的动态平衡过程，达到所谓的“粉磨极限”。在这种状态下，即使再延长粉磨时间，也难以将产品粉磨得更细，有时甚至使产品的表观粒度变粗。同时，磨机产量明显减少、粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。最好的解决办法是：添加助磨剂。

四、水泥粉磨成品细度与磨机产质量的关系

五、水泥颗粒组成对水泥强度的影响

不同粒径范围的水泥颗粒具有不同的强度等级，最佳粒径 (3～30μm)颗粒含量越多，强度等级越高。为此，许多水泥企业对不同品种的水泥中3～30μm粒径范围的颗粒含量都提出了具体要求，如：

普通硅酸盐水泥 50～60%；

高强快硬水泥 60～70%；

超高强快硬水泥 ≥70%。

六、磨机通风

磨内通风良好有利于降低磨内温度、排出水分、减少过粉磨现象和提高粉磨效率。经验证明，圈流粉磨的球磨机，磨内风速应保持在0.8?1.2m／s左右，而开流粉磨时,应控制在1.2～1.5m／s左右，这样才能适应磨机节能、高产的要求。我们也可以按磨机实际产量来进行磨机通风量的计算（收尘器和通风机的选型）；经验公式如下：

Q=K·G

式中: Q为球磨机通风量，m3／h

G为球磨机产量， t／h

K为经验系数。

磨机通风量的理论计算等于磨内通风截面积乘以磨内风速；但在实际生产中，一般按磨机的台时产量（生产能力）来确定通风量。式中的经验系数K值，要按通风系统的功能分别选取。单纯通风除尘时取：500～600m3/t；通风除尘过程伴随着成品细粉收集时，应取：1200～1300 m3/t。

例：水泥磨台时产量为20 t/h，磨尾袋收尘器仅仅作为球磨机粉磨系统的通风除尘设备时，系统处理风量应选 m3/h；

如果是球磨机与O-Sepa选粉机组成的闭路粉磨系统，台时产量为100 t/h，磨尾袋收尘器既是环保除尘设备，又是细粉收集装置，此时的处理风量应选m3/h。

七、水泥粉磨方式

在当前，一般是将各种物料按配比加到磨机中共同粉磨，由于各种物料易磨性的差异，当出磨物料达到工艺要求时，其中某些混合材的细度并没有达到理想的程度。如：粉磨矿渣水泥时，水泥比表面积达到了300 m2/kg以上，水泥中矿渣粉的比表面积只有200～250 m2/kg，其水化活性不能在水泥构件或建筑工程中正常发挥。因此，有条件的水泥企业应该采用将矿渣与熟料等其他组份物料分别粉磨、然后再均化合成水泥的生产工艺，矿渣水泥的28天抗压强度可以提高3MPa以上 。

八、水泥包装

1．国家水泥标准规定，袋装水泥每袋净重50kg，且不得少于标志质量的98%，随机抽取20袋总质量不得少于1000kg。

2．水泥袋上应清楚标明产品名称，代号，净含量，强度等级，生产许可证编号，生产者名称，地址，出厂编号，执行标准号，包装年、月、日。

3．出厂水泥编号的主要依据是年生产能力。

4．水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。

5．出磨水泥必须进入水泥库内进行必要的均化，并送入化验室指定的库内，最低要保持5天的贮存量，不允许上入下出或在磨尾直接包装。