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第二章 工艺平衡计算
2.1配料计算
2.1.1 确定率值
(1)什么是率值
在生产控制中，不仅要控制熟料中个氧化物的含量，还可以控制个氧化物之间的比例即率值。
a.水硬率（HM）——所谓水硬率，是表示水泥熟料中碱性氧化物CaO的百分含量与酸性氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3）百分含量之比。
HM=CaO%SiO2%?Al2O3%?Fe2O3% 2-1
HM值在1.8～2.7（平均为2.5）因此用其表示水泥质量的好坏。但是水硬率有一定的局限性，因为HM只表示碱性氧化物与酸性氧化物之间的比例。可能会出现HM相同，而各种氧化物含量不同的情况，由于这个原因又提出了硅率和铁率。
b.石灰石饱和系数—一般称为饱和比。它表示水泥熟料中的氧化钙总量减去饱和酸性氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3）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化合全部生成硅酸三钙所需的氧化钙含量的比值。简言之，饱和比KH表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和生成硅酸三钙的程度。
多年水泥生产实践和研究结果表明：水泥生料在煅烧过程中，CaO首先为酸性氧化物Al2O3、Fe2O3、SO3所饱和而生成C3A、C4AF等溶剂矿物，剩下的再于SiO2结合生成硅酸盐矿物。SiO2虽然也是酸性氧化物，但不完全被CaO所饱和而全部生成C3S，而是还生成部分C2S。生成的C3S与C2S的比例，与生产工艺条件包括煅烧条件紧密相连。饱和比的表示
（CaO?fCaO）?1.65Al2O3?0.35Fe2O3?0.7SO3KH=2.8（SiO2?fSiO2)
2-2
（1）当KH=1.00时，熟料矿物只有C3S、C3A、C4AF，而无C2S。 （2）当KH＞1.00时，无论生产工艺多完善，总有游离氧化钙存在。 （3）当KH=0.67时，熟料矿物只有C2S、C3A、C4AF,而无C3S。
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因此，KH应该控制在0.67～1.00之间，这样，应无
fCaO存在，但是在实际生产
中，由于被煅烧物料的性质，煅烧温度、液相量、液相粘度等因素的限制，理论计算和实际情况并不完全一致。因此KH一般控制在0.87～0.96之间。 ① 当
fCaO、
fSiO2和SO3数值很小时：
KH=CaO?1.65Al2O3?0.35Fe2O32.8SiO2
2-3
② 当熟料中Al2O3含量较小，而Fe2O3含量较多，即Al2O3/ Fe2O3＜0.64时：
KH=CaO?1.10Al2O3?0.7Fe2O32.8SiO2 2-4
c. 硅酸率——又称硅率，用n表示。欧美以SM表示。是水泥熟料中SiO2与Al2O3, Fe2O3之间的比值，也代表熟料中的硅酸盐矿物和溶剂矿物之间的比值。
n=SiO2Al2O3?Fe2O3 2-5
n值过高，表示硅酸盐矿物多，对水泥熟料是强度有利，但意味着溶剂矿物较少，液相量少，将给煅烧造成困难。n值过低，则对熟料强度不利。且溶剂矿物过多，易结大块、炉瘤，结圈等，也不利于煅烧。
d.铝氧率——又称铝率或铁率。以IM表示。是水泥熟料中Al2O3与Fe2O3之间的比值。也反映了熟料中的C3A和C4AF的相对含量。
p(IM)=Al2O3Fe2O3 2-6
选择P（IM）的高低，也应视具体情况而定。在溶剂矿物C3A+C4AF含量一定时，P（IM）高，意味着C3A量多，C4AF量小，液相粘度增加，C3S形成比较困难，且熟料的后期强度、抗干缩性、耐磨性等均受影响；相反。如果P（IM）过低，则C3A量少，C4AF量多，液相粘度降低，这对保护好旋窑的窑皮和立窑的底火比例。
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表2-1硅酸盐水泥熟料配料率值和矿物组成建议范围
窑型 湿法窑 干法窑 立波尔窑 预分解窑 机立窑 预分解窑 适宜范围 有矿化剂 推荐值 适宜范围 KH 0.88-0.92 0.86-0.89 0.85-0.88 0.87-0.92 0.86-0.93 0.92-0.96 0.88 0.86-0.90 n 1.9-2.5 2.0-2.35 1.9-2.3 2.2-2.6 2.0-2.5 1.6-2.0 2.50 2.40-2.80 p 1.0-1.8 1.0-1.6 1.0-1.8 1.3-1.8 1.1-1.5 1.1-1.3 1.60 1.40-1.90 C3S% 51-59 46-67 44-53 48-62 55-63 C2S% 16-24 19-28 22-30 14-28 18-22 C3A% 5-11 6-11 5-11 7-10 12-16 C4AF% 11-17 11-18 11-17 10-12 6-10 2.2计算基准
熟料组成确定后，便可根据所用原料，进行配料计算，以求出符合要求熟料组成的原配和比。
配料比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，生料煅烧成熟料经历着：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，计算式必须采用统一基准。
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，则干燥原料的质量应等于生料的质量，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、挥发分等物质）以后，生料处于灼烧状态。以灼烧状态质量所表示的计量单位，称为灼烧基准。灼烧基准由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参入的气体或液体燃料时，则灼烧原料、灼烧生料和熟料三者质量应相等，即：
灼烧石灰石+灼烧铁粉=灼烧生料=熟料
如果不考虑生产损失，在采用有灰分参入的燃煤时，则灼烧生料与参入熟料的煤灰之和应等于熟料质量，即：
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灼烧生料+煤灰=熟料
在实际生产中由于总存在生产损失，且有灰的化学成分不可能等于生料成分，煤灰的参入量也不相同。因此，在实际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。
2.2.1 计算粉煤灰掺入量
利用下列公式
GA=qAyS／100×Qy q的取值前面已确定，取 q=3528kJ/kg熟料 ， ∴ GA=qAyS／100×Qy =﹙3528×17.32×100%﹚／﹙100×21330﹚ =2.86%
式中 GA ——熟料中煤灰掺入量，%； q——单位熟料热耗，kJ/kg熟料； Qy——煤的应用基低热值，kJ/kg煤； Ay——煤的应用基灰分含量，%； S——煤灰沉降率，%；
P——煤耗，kJ/kg熟料。
2.2.2计算原料配合比
（1）率值由以上述定为KH=0.88，SM=2.4，IM=1.4 （2）尝试：石灰石80%，砂页岩15%，铁粉5%。
表2-2
原料 烧失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 总和 比例 石灰石 34.760 1.872 0.224 0.152 41.800 0.456 79.264 0.8 砂页岩 0.798 10.517 2.217 0.783 0.218 0.138 14.670 0.15 铁粉 0.000 1.614 0.573 2.427 0.194 0.004 4.811 0.05 0.000 53.450 35.480 4.330 4.820 1.190 99.270 0.02865
煤粉 100%生料 35.558 14.002 3.014 3.362 42.212 0.598 98.745 0.97135 灼烧生料 —— 21.728 4.676 5.217 65.503 0.928 —— 熟料成分 —— 22.637 5.559 5.192 63.765 0.935 98.087
2-7
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KH=﹙63.765－1.65×5.559－0.35×5.192﹚／﹙2.8×22.637﹚＝0.833 SM=22.637／﹙5.559＋5.192﹚＝2.106 IM=5.559／5.192=1.070
计算结果显示，KH过低，SM过低，IM低。应增加石灰石的配比例，减少铁粉.适当的砂页岩的比例。根据经验统计，每增减1%石灰石（相应减增1%砂页岩），约增减KH=0.05.据此，调整原料配合比：石灰石81.5%、砂页岩15.5%、铁粉3%重新计算结果。所以，各率值为：KH=0.879 SM=2.445 IM=1.411
表2-3
原料 烧失量 SiO2 1.907 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 总和 比例 0.815 0.155 0.030 石灰石 35.412 砂页岩 铁粉 煤粉 0.825 0.000 0.000 0.228 0.155 42.584 0.465 80.750 0.225 0.116 4.820 0.143 15.159 0.002 2.887 10.867 2.291 0.809 0.968 0.344 1.456 53.450 35.480 4.330 表2-4
1.190 99.270 0.02865 生料 36.236 13.742 2.863 2.420 42.925 0.610 98.796 0.97135 21.552 4.489 3.796 67.319 0.956 —— 灼烧生料 —— 熟料成分 —— 22.466 5.377 3.811 65.528 0.963 98.145
显然，从计算结果KH=0.879 SM=2.445 IM=1.411来看，与所要求结果KH= 0.88，SM=2.40 IM=1.40已经较接近，所以微调下各自的配比，稍提高石灰石，铁粉的比例。石灰石81.52%∶砂页岩15.44%∶铁粉3.04%。
表2-5
原料 烧失量 SiO2 1.908 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 总和 比例 0.815 0.155 0.030 石灰石 35.420 砂页岩 0.821 铁粉 煤粉 0.000 0.000 0.228 0.155 42.594 0.465 80.770 0.224 0.118 4.820 0.142 15.100 0.002 2.925 10.825 2.282 0.806 0.981 0.348 1.476 53.450 35.480 4.330 1.190 99.270 0.02865
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