CN1233604A - 水泥烧成五率值化学平衡配料法 - Google Patents
水泥烧成五率值化学平衡配料法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及水泥生产配料方法的数学模型,其特征是该模型包含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、CaF2、K2O、Na2O、BaO、MnO2、P2O5、TiO2等十三种以上氧化物的化学平衡关系。实施本发明比三率值配料法节煤耗25~38%,耗电下降20~30%,熟料质量稳定在62.5~72.5兆帕。本发明亦通用于特种水泥的生产配料。
Description
本发明涉及的是水泥生产配料方法的数学模型
水泥生产已有一百六十多年历史,过去采用的是由德国库尔、俄国金德-容克、美国鲍格等学者演化完成并应用至今的数学模型,简称三率值配料法,其数学模型如下:
KH(生料)=CaO-(1.65A+0.35F+0.7S)/2.8SiO2
KH(熟料)=CaO-fCaO-(1.65A+0.35F+0.7S)/2.8SiO2
n=SiO2/(A+F);P=A/F
分式中:KH代表石灰饱和系数;n代表硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例关系;P代表Al2O3与Fe2O3的比例关系。三率值配料法的矿物组成计算公式:C3S=3.8SiO2(3KH-2);C2S=8.6SiO2(1-KH)C3A=2.65(A-0.64F);C4AF=3.04F
氧化物的代表符号与矿物简写:C-CaO;S-SiQ2;A-Al2O3;F-Fe2O3;
S-SO3;C3S-3CaO·SiO2;C2S-2CaO·SiO2;C3A-3CaO·Al2O3;C4AF-4CaO·Al2O3·Fe2O3这种三率值配料法只概括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO四种氧化化物的化学反应平衡关系式。而当今水泥熟料生产中除上述四种氧化物以外,尚有MgO、SO3、CaF2、K2O、Na2O、BaO、Mn2O3、P2O5、TiO2等十几种氧化物的存在和对化学反应的影响。由于尚无表示上述十几种化学反应关系的数学模型,于是生产配料者就采用三率值加经验碰运气的重复方法,用高配煤高温煅烧法把具有双重性挥发的SO3、CaF2、K2O、Na2O、P2O5等氧化物驱跑。这样既浪费了资源,又影响了质量的再提高。而且又污染了环境。特别是立窑水泥生产长期被能耗高、质量差的臭名所困扰,乃致被国家产业政策定为淘汰对象。
本发明的目的是建立包括上述十几种氧化物的化学反应数学模型,以便在水泥生产中消除污染,变废为利,降低能耗,提高质量,增加效益。其基本方法亦通用于特种水泥生产配料(C4A3
S)。
本发明是这样实现的:
一、采用五率值配料法及其数学模型
(一)按水泥熟料化学成分表示(生料仍按三率值配料法计算,但内涵是熟料整体化学平衡的体现)
(1)KH(生料)=CaO-{1.65(A-0.22BaO)+0.35(F+M)+1.05TiO2+1.19P2O5+0.7[SO3-(0.85K+1.29N)〕]}/2.8SiO2
(2)KH(熟料)={CaO-fCaO-[1.65(A-0.22BaO)+0.35(F+M)+1.05TiO2+1.19P2O5+0.7(SO3-0.85K-1.29N)〕}/2.8SiO2
(确保fKH≥
F/
S KH)
(3)C3A/(
F+
S)=C3A{=2.65〔A-0.64(F+M)〕-0.22B}/8.97(CaF2-0.18P)+3.75(SO3-0.85K-1.29N)
其中:C3A/
F>1(当采用复合矿物剂时用此法计算氟硫饱和度)
(4)C3A/(
F+N)=C3A{=2.65[A-0.64(F+M)-0.22B]}/8.97(CaF2-0.18P)+4.84N+3.75(SO3-0.85K)其中C3A/
F>1(当采用萤石单矿化剂时用此法计算氟钠饱和度)
(5)P=A/F
(6)n=SiO2/(A+F)
(7)两强氟硫或氟钠矿物比:C4A3
S/C11A7·CaF2或C8A3N/C11A7·CaF2分式中:
K-K2O;N-Na2O;
N-C8A3·N;B-BaO;M-Mn2O3
F-CaF2;P-P2O5;C4A3
S-无水硫铝酸钙矿物;C11A7.
F-氟铝酸钙矿物;C8A3.N-钠铝酸钙矿物;S-硫酸钙或SO3;T-TiO2。
二、五率值的最佳要求范围
(一)KH(生产控制)=
F/
SKH或
F/
NKH+0.02~0.05
公式中
F/
SKH代表
F
S转化C2S为C3S的KH;
F/
NKH代表FN转化C2S为C3S的KH;0.02~0.05代表CaO过饱和状态的石灰饱和系数
(二)
F/
SKH或
F/
NKH计算公式与推导机理
(1)
(2)
(3)
由反应式可知:
1、一分子CaF2可转化7分子C3A为一分子C11A7·CaF2;同时转化10分子C2S为10分子C3S;则CaF2转化低强矿物(C2S和C3A下同)为C3S的转化系数和A1=10C3S/7C3A=1.4286×C3A(%)
2、一分子CaSO4可转化3分子C3A为一分子C4A3S;同时转化6分子C2S为6分子C3S;则CaSO4转化低强矿物为C3S其转化系数和A1=6C3S/3C3A=2×C3A(%)。
3、一分子Na2O可转化3分子C3A为一分子C8A3N;同时转化一分子C2S为C3S;则Na2O转化低强矿物为C3S的转化系数和A1=C3S/3C3A=0.3333×C3A(%)
4、
F、
S、N(CaF2、CaSO4、Na2O)在熟料烧成过程中把C3A转化为早强矿物(C11A7.
F;C4A3
S;C8A3N);同时分解的CaO与C2S化合生成C3S,这部分C3S没有包括在原饱格公式中,故命名为A1,而按原公式计算法的C3S称为A2,这样熟料中的A矿=A1+A2;原C2S=8.6SiO2(1-KH),则KH=1-C2S/8.6SiO2;前推导可知:A1≈C2S,所以
F/
SKH或
F/
NKH=1-A1/8.6SiO2;前导可知A1≈C2S,所以,
F/
SKH或
F/
NKH=1-(A1/8.6SiO2)当A1≥C2S时,熟料中没有C2S或极少存在。当C3A/
F+
S或C3A/(
F+N)=1±0.05时,则表示熟料中C3A也转化完全。此种熟料的化学成分完全处以化学平衡状态。为了防止生成非水硬性矿物CS出现,遵循化工生产中的过饱和规律要求,生产控制配料时,有意添加fCaO1~3%,以保持CaO处于过饱和状态。过饱和石灰系数计算公式=fCaO/2.8SiO2(平均值)。
5、A1总和计算公式与方法
①A1(总)=A1(F)+A1(S)+A1(N)(按实际发生的化学反应计算)②氟硫饱和度和氟钠饱和度C3A/
F+
S或C3A/
F+N=1±0.05③P以饱和Al2O3、Fe2O3、BaO、K2O、Na2O、CaF2、SO3、P2O5、Mn2O3为准。④n=2±0.3⑤两强氟硫矿物比或氟钠矿物比C4A3
S/C11A7.
F=1±0.5;C8A3N/C11A7·
F顺其自然(该率值的主要作用是保证水化正常)⑥各率值的重要程度顺序:KH>
F/
SKH>C3A/(
F+
S)>P>两强比>n(三)五率值化学平衡配料法的矿物组成计算公式(1)C3S(A矿)=A1+A2
其中:A1=(
F,
S,N)转化系数×C3A(%)
A2=3.8SiO2(3KH-2)(2)C2S=8.6SiO2(1-KH)(3)实有C2S=C2S-A1;若A1≥C2S,则C2S=O(4)C4AF=3.04Fe2O3(5)C4AM=3.06Mn2O3(6)C3A=2.65〔A-0.64(F+M)-0.22B〕(7)(C11A7·
F+C8A3N+C4A3
S)=C3A×0.747(8)C11A7·
F=CaF2×8.97×0.747(9)C8A3N=4.84×Na2O×0.747(10)C4A3
S=C3A×0.747-(C11A7·
F+C8A3N)当CaF2×8.97+Na2O×4.84≥C3A时,C4A3
S=O(11)Na2SO4=2.29×Na2O(12)K2SO4=1.85K2O(13)3BaO·Al2O3=1.22BaO(14)氟磷石灰(9CaO·3P2O5·CaF2=2.37×P2O5(%)(15)CaSO4=1.7fSO3(当同时存在C11A7
F与C4A3
S时)(16)3CaO.2TiO2=2.05×TiO2(%);简式CT
(四)五率值配料法系统公式中各系数的来由
(1)8.97(7/CaF2=7/78×100);(2)3.75(3/SO3=3/80×100)(3)4.84(3/Na2O=3/62×100);(4)0.85(SO3/K2O=80/94)(5)1.29(SO3/Na2O=80/62);(6)0.22(Al2O3/3BaO=102/462)(7)1.4286(10C3S/7C3A=10/7);(8)2(6C3S/3C3A=6/3)(9)0.3333(C3S/3C3A=1/3);(10)0.747(Al2O3/C3A×1.98)(11)1.98(C11A7.
F/7A=1408/714=1.972×0.70=1.38;C4A3
S/3A=610/306=1.993×0.3=0.598;两早强矿物平均含Al2O3=1.978)(12)2.29(Na2SO4/Na2O=142/62)(13)1.85(K2SO4/K2O=174/94)(14)1.22(3BaO·A/3BaO=561/459)(15)1.65(3CaO/A=168/102)(16)0.35(CaO/F=56/160)(17)0.70(CaO/SO3=56/80)(18)2.8(3CaO/SiO2=168/60)(19)0.64(Al2O3/Fe2O3=102/160)(20)2.65(C3A/A=270/102)(21)3.04(C4AF/F=486/160)(22)3.06(C4AM/M=483.9/157.9)(23)1.7(CaSO4/SO3=136/80)(24)18.1282(C11S12·
F/
F=1414/78)(25)3.53(2C2S·
S/
S=480/136)(26)22.36(C23S12·K/K=2102/94)(27)4.76(C4AF/A=486/102)(28)4.94(C8A3N中3A/Na2O=3×102/62)(29)0.3292(F/C4AF=160/486)(30)8.6(C2S/SiO2=56.08×2+60.09/60.09=172.25/60.09)(31)2.37(9CaO·3P2O5·CaF2/3P2O5=1008.62/141.94×3)(32)2.05(3CaO·2TiO2/2TiO2=56.08×3+79.798×2/79.798×2(33)1.19(9CaO/3P2O5=56.08×9/141.94×3)(34)0.18(CaF2/3P2O5=78.08/141.94×3)(35)1.05(3CaO/2TiO2=56.08×3/79.798×2)
(五)失去化学平衡后残留危害矿物的计算公式(1)fCaF2=(CaF2×8.97-C3A)÷8.97(当F×8.97>C3A)(2)C11S12·CaF2(氟硅酸盐)=fCaF2×18.1282(1414/78)(3)fSO3={C3A-〔F×8.97+3.75(SO3-0.85K-1.29N)〕}÷3.75(当CaF2×8.97+Na2O×4.84≥C3A;F×8.97+3.75×SO3>C3A)(4)当fKH<
F/
SKH时,2C2S·CaSO4(硫硅酸盐)=3.53×fSO3(5)当SO3未能饱和K2O生成K2SO4时,残留K2O生成
1、fK2O=(0.85K-SO3)/0.85
2、C23S12·K2O=fK2O×22.36(6)当A/F<0.64时,Fe2O3生成C2F
1、C4AF=4.76(A-4.94×Na2O)
2、fFe2O3=Fe2O3-0.3292C4AF
3、C2F=fFe2O3×1.7(C2F/F=272/160)(7)3CaO·P2O5·CaF2(氟磷石灰)=1.18P2O5
三、实施例:
实施例一:一组熟料3天强度55.9;7天强度65.9;28天强度77.3兆帕,安定性合格,凝结时间正常,其化学成分经地质部门分析如下:
loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | CaF2 |
0.10 | 19.55 | 7.20 | 4.40 | 63.35 | 0.41 | 2.13 | 0.74 |
K2O | Na2O | BaO | Mn2O3 | TiO2 | fCaO | ∑ |
0.79 | 0.20 | 0.64 | 0.14 | 0.25 | 2.78 | 99.90 |
熟料各项率值
KH | fKH | n | P | C3A/( F+ S) | C4A3 S/C11A7 F | F/SKH |
0.99 | 0.94 | 1.68 | 1.64 | 0.99 | 0.66 | 0.892 |
熟料矿物组成(%)
注意:∵fKH0.94>
F/
SKH0.892;A118.22>C2S10.09∴ C2S=0;∵C3A/
F+
S=0.99 ∴C3A=0实施例二当生产特种水泥(C4A3
S)时,可利用上述化学平衡方法进行配料:
A1 | A2 | C2S | C3A | C4AF | C11A7.F |
18.22 | 60.92 | 10.09 | 11.01 | 13.38 | 4.96 |
C4A3S | K2SO4 | Na2SO4 | 3BaA | C4AM | CT | 有效∑ |
3.26 | 1.46 | 0.46 | 0.78 | 0.43 | 0.51 | 104.38 |
(1)石灰饱和系数
KH=CaO-[1.65(A-0.22B)+0.35(F+M)-0.7(SO3-0.85K-1.29N)+1.05TiO2]/2.8×SiO2=0.80±0.05
(2)三氧化硫饱和度
C3A/
S=C3A/[3.75(SO3-0.85K-1.29N)]=1±0.03
(3)三氧化硫平衡KH
SKH=1-(C3A×2)/8.6×SiO2≥KH
(4)硫铝酸钙水泥矿物组成计算公式C3S(A2)=3.8SiO2(3KH-2);C2S=8.6SiO2(1-KH);C3A=2.65[A-0.64(F+M)-0.22B];C4AF=3.04F;C4A3
S=C3A×0.747;A1=C3A×2;C2S=C2S-A1;当A1≥C2S时,C2S=0;A矿=A1+A2;K2SO4=1.85K2O;Na2SO4=2.29Na2O;3BaO·Al2O3=1.22BaO;C4AM=3.06MCT=2.05TiO2;例如:某硫铝酸钙水泥熟料化学成分如下:
KH=CaO-[1.65(A-0.22B)+0.35(F+M)-0.7(SO3-0.85K-1.29N)+1.05TiO2]/2.8×SiO2
Al2O3 | Fe2O3 | SiO2 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Na2O | TiO2 | ∑ |
7.25 | 2.65 | 20.20 | 61.67 | 1.99 | 4.45 | 0.40 | 0.15 | 1.2 | 99.96 |
=61.67-[1.65×7.25+0.35×2.65+1.05×1.2+0.7(4.45-0.85×0.4-1.29×0.15)/2.8×20.20
=0.79(2)三氧化硫饱和度
C3A/
S=C3A/[3.75(SO3-0.85K-1.29N)]
=14.72/3.92×3.75
=1.00
(3)三氧化硫平衡KH
SKH=1-(C3A×2)/8.6×SiO2
=1-(14.72×2)/8.6×20.20
=0.83
(4)该硫铝酸钙水泥矿物组成计算:
C3S(A2)=3.8SiO2(3KH-2)=3.8×20.20(0.79×3-2)=28.40;
C2S=8.6SiO2(1-KH)=8.6×20.20(1-0.79)=36.48;
C3A=2.65[A-0.64(F+M)-0.22B]=2.65×(7.25-0.64×2.65)=14.72;
C4AF=3.04F=2.65×3.04=8.05;
C4A3
S=C3A×0.747=14.72×0.747=10.99;
A1=C3A×2=14.72×2=29.44;
C2S=C2S-A1=36.48-29.44=7.04;
A矿=A1+A2=29.44+28.40=57.84;
K2SO4=1.85K2O=1.85×0.40=0.74;
Na2SO4=2.29×Na2O=2.29×0.15=0.34;
CT=2.05×TiO2=2.05×1.20=2.46;
有效矿物总量=A1+A2+C2S+C4AF+C4A3
S+K2SO4+NaSO4+CT=29.44+28.40+7.04+8.05+10.99+0.74+0.34+2.46=87.46
该硫铝酸钙水泥力学性能(单位:兆帕)
稠度 | 初凝 | 终凝 | 三天 | 七天 | 廿八天 |
26.5 | 0.46 | 1.02 | 63.1 | 77.8 | 95.9 |
四、实施五率值化学平衡配料法的技术经济效益评估
实践证明:实施五率值配料法生产的熟料强度平均可达61~65兆帕,最高可达77兆帕;熟料单位热耗700~800大卡,比全国立窑平均热耗1100大卡下降25~38%;意味着全国立窑企业可节约煤炭2520万吨,价值达63亿元;工厂每生产一吨水泥耗电68~75度,与全国立窑生产水泥的平均耗电量的95度相比,下降20~30%,按全国立窑产量3亿吨计,可节电75亿度,价值达45亿元,加上熟料质量提高,多掺混合材,社会经济效益可达120亿元左右。
Claims (7)
1、本发明涉及水泥生产配料方法的数学模型,其特征是:该配料方法包含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、CaF2、K2O、Na2O、BaO、MnO2、P2O5、TiO2等十三种以上氧化物的化学平衡关系。
2、按照权利要求1所述的数学模型,其特征是:KH(生料)=CaO-{1.65(A-0.22BaO)+0.35(F+M)+1.05TiO2+1.19P2O5+0.7[SO3-(0.85K+1.29N)〕}/2.8×SiO2
3、按照权利要求1、2所述的数学模型,其特征是:
KH(熟料)=CaO-fCaO-〔1.65(A-0.22BaO)+0.35(F+M)+1.05TiO2+1.19P2O5+0.7(SO3-0.85K-1.29N)〕/2.8×SiO2
4、按照权利要求1、2、3所述的数学模型,其特征是:C3A/(
F+
S)=C3A[=2.65(A-0.64(F+M)〕-0.22B)]/[8.97(CaF2-0.18P)+3.75(SO3-0.85K-1.29N)]
5、按照权利要求1、2、3、4所述的数学模型,其特征是:
C3A/(
F+N)=C3A[=2.65(A-0.64(F+M)-0.22B]/[8.97(CaF2-0.18P)+4.84N+3.75(SO3-0.85K)]
6、按照权利要求1、2、3、4、5所述的数学模型,其特征是:
两强氟硫矿物比:C4A3
S/C11A7
F=1±0.50
7、按照利要求1、2、3、4、5、6所述的数学模型,在生产C4A3S水泥时,其配料的数学模型的特征是:
(a)石灰饱和系数KH=CaO-[1.65(A-0.22B)+0.35(F+M)-0.7(SO3-
0.85K-1.29N)]/2.8×SiO2=0.80±0.05
(b)三氧化硫饱和度
C3A/
S=C3A/[3.75(SO3-0.85K-1.29N)]=1±0.03
(c)三氧化硫平衡KH
SKH=1-(C3A×2)/8.6×SiO2≥KH
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1998
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