硅酸盐水泥生产工艺过程之生料制备

水泥生产工艺过程除了生产方法即采用的窑型有很大差别之外，其他过程基本上大同小异。硅酸盐水泥的生产过程大致分为三个阶段：

生料制备是第一阶段。即把石灰石质(主要含Ca0)原料、粘土质(主要含SiO2和Al2O3)原料与少量的铁质校正原料(如铁矿石、硫酸厂的废渣等主要含Fe2O3)经破碎和烘干后，按照一定比例配合(立窑烃烧水泥熟料时还要加一定量的燃料)、磨细，并调配为成分合适、质量均匀的生料。

熟料燃烧是第二阶段。将制备好的生料送人水泥窑内假烧至部分熔融，得到以硅酸钙(C3S、C2S、C3A、C4AF)为主要成分的硅酸钙水泥熟料(颗粒状或块状)。

水泥粉磨是第三阶段。就是在熟料磨细的过程中加人适量的石膏(主要含CaSO4·2H20和CaSO4)，有时还加一些混合材共同磨细成为水泥。

本文主要介绍第一阶段——生料制备。

1.生料制备之原料的采掘和运输

我国绝大多数水泥厂都有自己的原料供应地(矿山)，建厂时就已经考虑到了让它们距离水泥厂越近越好。当然也有特殊情况，如厂子太老了，原有的矿山资源已经枯竭，就不得不从外地运来物料。

石灰石质矿山给人们的直观印象就是座石头山，它的矿层分布情况，有用矿的化学成分波动情况以及硬度、抗压强度、透水性等一些物理性质，在矿山不同的层面、不同的部位是不完全一致的。所以在开采之前必须对它进行勘测普查，同时要评估有用矿的储藏量，便于对不同品位的矿石实行有计划地分片开采、搭配使用、这样做既可以稳定进厂原料成分，满足配料要求，又可以经济合理地充分利用矿山资源。

黏土质原料不像石灰石那样坚硬，是松散的块状或颗粒状，开采前除进行(对石灰石一样的)勘测普查外，还要进行筛分析，必要时应加做颗粒分析和塑性指数试验，它的用量与石灰石相比要少得多，可以就地取材，新土、砂岩都可以。但需对开采条件及矿区地质情况进行调研。

由于石灰石、熟土矿层不像煤、石油矿那样深．所以露天开采就可以。为了采出有用矿石，必须先进行覆盖层的剥离工作。如果覆盖层是较松散的浮土，可直接用人工、电铲、水冲洗的办法将其剥离；如果是硬质的废矿，需对覆盖层先爆破再剥离。覆盖层的剥窝工作应在原料开采前6个月内进行，剥离工作不易在冬季进行。

如果有用矿是松散状的白至或熟土，可直接用电铲或人工挖掘。对硬质物料的石灰石，需先钻孔爆破，钻7L深度、7L的数目和位置分布是根据矿山的具体情况和岩石的物理性质决定的。常用的矿山钻孔设备有：手持式风动凿岩机(孔径35-45mm)，浅孔钻机(孔径]50-170M)，回转钻机(孔径90-120mm)，牙轮钻机(孔径150-250mm)。使用铵油炸药、浆状炸药，采用深孔多排微差爆破，机械化装药和填塞，爆破规模大、质量好、有害作用小．是石灰石矿山爆破普遍采用的方法。

矿山钻孔爆破必须严格遵守GB6722-86《爆破安全规程》。

矿石的运输可以综合考虑工厂规模、矿山与工厂之间的距离与地形等，选用公路、铁路、胶带运输、钢索绞车和架空索道等。

2. 生料制备之物料的破碎

从矿山开采下来的石灰石、茹土和煤等呈不均匀的块状物料，特别是石灰石有的大块粒度达700mm左右。把这些物料直接入磨磨成粉状的生料是难以做到的，必须先把它们破碎成20mm左右的小碎块后再去粉磨，这样可以提高磨机的产量，降低电耗。同时，石灰石、教土含有一定水分，把它们破碎成小块，则比面积增大，便于晾晒和烘干，这对于法水泥生产来说是必须要做的。

破碎可以在矿山就地进行，也可以运到厂里后再破碎，它是用机械的方法缩小物料粒度的过程。破碎方法主要有压碎、击碎、磨碎、折碎、劈碎等。根据破碎方式设计制造了颚式破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机、辊式破碎机、锥式破碎机以及用于破碎黏土用的破碎烘干机等破碎机械。不管是哪一种破碎机，它们都不是采用单一的破碎方法来破碎物料的，如领式破碎机是以压碎为主，同时还兼有磨碎和折碎的作用；而锤式破碎机和反击式破碎机则以冲击破碎为主，兼有磨碎的作用。

对于锤式破碎机或反击式破碎机来讲，它们的破碎比较大(物料破碎前与破碎后的尺寸之比)，只要选大一点的规格，对物料(一般指石灰石)一次破碎就能满足人磨要求，这叫一级破碎。

对于颚式破碎机来讲，它的破碎比较小，物料破碎前后的尺寸变化不太大，所以不能单独使用。如果把它与锤式破碎机或反击式破碎机串联在一起，使物料经过两次破碎，物料就可以满足入磨要求，这叫二级破碎。

需要指出的是，破碎不只在生料制备系统之内，对于烧成用煤、出窑头冷却机熟料、粉磨水泥时所加的石膏等，都需要破碎。

3. 生料制备之物料的储存与原、燃料的预均化

1)物料储存的目的

生料制备过程是流水作业，一环扣一环(整个水泥生产的全过程都是如此)，为确保生产的连续性，避免前一道工序中的设备“犯脾气”而导致下一道工序中的设备“断粮”，各种原料、燃料、生料及熟料、各种混合材和水泥等都需要一定的储存期，为下一道工序备好料。从质量控制和要求的角度来考虑，也要求物料有一定的储存期。例如对原、燃料需先化验后使用，生料储存的同时要对其进行均化使其成分更趋于均匀，以稳定窑的燃烧，保证熟料质量；熟料储存一段时间能改善其安定性；水泥的储存便于强度检验，同时也能继续改善其安定性和便于标号的调配。

2)原、燃料的预均化

水泥生产力求生料化学成分均齐，以保证在燃烧熟料时热工制度稳定，烧出高质量的熟料。但进厂的原、燃料的化学成分并不是很均匀，而且波动很大，这会使制备出来的生料质量不稳定，对水泥熟料的质量产生直接的影响。由此看来，使原、燃料乃至生料得到均化是非常重要的。所以在生料制备过程中，要抓好三个均化环节：第一，原料矿山分片开采、混合搭配，这在前面已经提到过了。第二，在原料破碎后、入磨前进行均化，这个过程称它为预均化过程；第三，出磨生料在人窑前再次均化，这个过程就是生料的均化过程。

(1)预均化原理

在原、燃料的储存和取用过程中，利用不同的存、取方法，使入库时的成分波动较大、取用时成分被动变小，从而使得物料在入磨之前得到预均化。具体操作是：尽可能以最多的相互平行和上下重叠的同厚度的料层进行堆放(储存)，取用时要垂直于料层方向同时切取不同的料层，取尽为止，这是“平铺直取”法，是须均化方式中最常见的一种。这样取出的原料就比堆放时均齐得多。堆放的层数越多，取料时切取的层数也就越多，原料在堆放时短期内的波动被均摊到较长的时间里切取而减小，使得所取物料的成分达到比较均匀的效果。

(2)预均化堆场、预均化库

物料的储存过程是在堆场、联合储库或圆库内完成的。一般块状、颗粒状物料放在有遮盖的室内或露天项均化堆场上储存，粉状的物料则储存在封闭性能较好的回库内。

预均化堆场技术原理是将已破碎的矿物原料，或掺有其他原料按规定的程序堆成料缩，然后按规定的工艺设计后从原料推中取出原料。在采取原料时，对备料层进行切取，混合，取得平均成分符合设计要求的原料。

(3)堆料与取料方式

在预均化堆场中，堆料尽可能料层平行重叠、厚薄均匀一致。下列几种堆料方式基本能做到这一点。

①“人”字形堆料一端面取料法。堆料机沿料堆纵向长度，以一定速度从一端移向另一端，从而完成一层物料的堆放。第一层物料是撤在纵向中心线上、等腰三角形的一条物料带，依次一层一层地重复往上堆料。除第一层外，从捞断面上看，每层物料都形成类似”人”字形状。取料时，由整个料堆的横截面上的一端开始，逐渐向另一端推进，同时切取所有层次的物料，从而使物料获得较好的均化效果。

②波浪形堆料一端面取料法。堆料机先在堆场底部的整个宽度范围内堆成许多相互平行而又紧靠着的条形料堆，每一条形料堆的断面呈等腰三角形，各条形料堆之间形成一厂“料峰”和“料谷”，继续堆料时就堆在每条的料谷中，将其填满并变成了“料峰”，如此不断地进行，完成料堆为止。取料时从端面耙下，每一条带的物料都能受到切割。

③倾斜形堆料一侧面取料法。堆料机先在料堆的一侧堆成一条截面为三角形的料条带，然后其落料点向堆场中心移动一小段距离，使物料按自然休止角覆盖于第一层的一侧，重复刚才的动作依次推料．形成许多倾斜而平行的料层，直到堆料点到达料堆的中心线为止；这种推料方法要求堆料机在堆料宽度的一半范围内能做伸缩或回转。取料时，取料机在料堆的一侧从一端至另一端沿料堆纵向往返取料，取料的一侧是堆料机可以移动的一侧。

(4)堆料机械和取料机械

一定的堆料方式要靠相应的堆料机械来完成。堆料机的任务是将进料皮带上的物料转运下来．按照一定的方式堆料，它能在矩形料堆的纵向和圆形料堆做180°回转移动，来完成推料作业。有以下几种堆料机：

天桥胶带堆料机；车式悬臂胶带堆料机；耙式堆料机。

不论把物料堆成什么样的料堆，最终还是要取走去粉磨。堆料的目的是让物料通过堆料、储存、取料这一过程，使之得到预均化。

(5)影响预均化效果的主要因素

①堆料机布料不均；由于进入预均化堆场的原燃料输送设备都是与破碎系统直接相连的，中间无储备环节，所以当破碎机的产量不稳定时，会导致进入预均化堆场的胶带输送机单位长度上的物料不等，使堆料机的布料不均，影响均化效果。

②料堆端部形状及其死角。矩形预均化堆场的料推两端成半圆形，取料机开始取料时，端部料层的方向正好同取料机切面平行而不垂直切割，当取料机接近终点时又会出现死角而取不到料，这样会对整个预均化效果产生较大的影响。

③物料的离析作用。堆料作业对，物料是从料堆顶部沿着休止角往下滚落的，较大颗粒物料滚落到料堆底部的两侧，细小颗粒则留在料堆的上部，大小颗粒物料的成分往往不同，这样会引起横向断面物料成分的波动，影响预均化的效果。

④露天堆场的来料不均衡。露天堆场的物料储存一般是用自卸汽车运来，有时哪里有空地就把物料堆放在哪里，混合格配时很难在全场铺开形成“一锅粥”，只能是相邻的几座料堆相互混合。另外也会有物料的离析现象，致使项均化的效果不太令人满意。

为了消除上述因素对均化效果的影响，应尽量使进人预均化堆场的物料量和粒度稳定，具体做法为：对破碎工序严格把关，控制好产量和破碎比；在堆料机布料时，要考虑到“死角”．达到端部终点时要及时回程，且上一层物料要比下一层物料早一点回程；露天堆场物料的堆放分布尽量科学合理．混合搭配时尽可能地多找几堆“合作伙伴”。

4. 生料制备之物料烘干与生料粉磨

水泥生产所处理的原、燃材料中都是含有一定水分的，特别是园土质原料，含水分15％-20％，混合材如矿渣则含水分高达25％-30％，煤含水分在11％左右，石灰石含水分较低(1％左右)，铁粉的用量较少(5％左右)。对于湿法生产厂来讲，粉磨原料时还要加一定量的水，制成的是生料浆，自然也就不考虑原料含水量的多少了。但干法生产厂对入磨原料的水分就有严格的限制．否则会出现“糊磨”、“包球”等现象，导致磨机产量下降。而且不论是湿法生产还是干法生产，对熟料粉磨时所加人的混合材的水分含量是不允许超标的。因此需对各种原燃材料的含水量通过晾晒、烘干来解决。

目前水泥生产中对原料的烘干方式主要有两种：一种是对原燃材料先烘干、后粉磨，采用的是单独的烘干设备；另一种是烘干在粉磨过程中进行，采用的是烘干磨。下面对这两种烘干方式加以介绍。

1)烘干过程及设备

(1)烘干原理

利用热气流作为干燥介质，把热量以对流的方式传给湿物料将其水分蒸发，蒸发出来的水蒸气又扩散到干燥介质中而被带走，这就是干燥的基本原理。

对湿物料的单独烘干，最常用的烘干设备莫过于回转烘干机。

(2)烘干工艺流程

由回转烘干机、燃烧空或来自窑系统的废气管道、喂料、输送、除尘设备及排风机共同构成烘干工艺系统。烘干机的简体是由钢板(厚度10-20mm)卷制而成且倾斜(斜度30-60)放置的回转体(转速2-7r／min)，简体上装有轮带和大齿轮．借助于轮带支撑在托轮上，轮带两侧一对挡轮，以指示和限制简体沿倾斜方向窜动，齿轮带动简体回转。由于简体具有一定的斜度且不断回转．物料喂入后则随简体内壁带起、滑下，并在重力作用下由简体较高的一端向较低的一端移动的同时，接受来自燃烧室热气体的传热而不断得到干燥。干料从低端卸出，由输送设备送至储库．废气经除尘处理后排人大气。物料在烘干机内停留时间约为20-40min。

回转烘干机的传热方式有直接、间接和复式三种传热方式，但广泛使用的还是直接传热方式，也就是热气流与湿物料在回转简内直接接触进行热交换，使湿物料的水分蒸发而得到干燥。直接传热方式的回转烘干机按物料与热气流的流向不同，其工艺流程有顺流式和逆流式两种形式。

①顺流式烘干工艺流程

顺流式烘干工艺流程如图5.2-1所示。在顺流式烘干工艺流程中，物料运动方向与热烟气的流向是一致的。

②逆流式烘干工艺流程

逆流式烘干工艺流程如图5.2-2所示。在逆流式烘干工艺流程中，物料运动方向与热烟气的流向是相反的。

2)烘干—粉磨

原(燃)料经过了破碎、储存与预均化、烘干后，要进入下一道工序——生料粉磨。

(1)生料粉磨系统

①开路粉磨系统。也是直进直出式，物料一次通过磨机粉磨就成为产品(确切地讲是水泥的半成品)。它的流程简单．一层厂房就够用。其缺点是：要保证被粉磨物料全部达到细度合格后才能卸出，被粉磨的物料要在磨内的时间长一些，这样台时产量就低，相对电耗高。而且部分已经磨细的物料颗粒要等较粗的物料颗粒磨细后一同卸出，大部分细粉不能及时排出(尽管磨内通风能带走一定量的微纫粉)，在磨内继续受到研磨，于是出现“过粉磨”现象，并形成缓冲垫层，妨碍粮颗粒的进一步磨细。

②闭路粉磨系统。如果让被磨物料在磨内的流速快一点，就能把部分已经磨细的物料颗粒及时送到磨外，可以基本消除“过粉磨”现象和缓冲垫层。不过这样一来大部分还没有磨细的粗颗粒也随之出磨，于是需要加一台分级设备(一种分离粗粉和细粉的设备)，将细粉筛选出来作为合格生料送到下一道工序(均化、假烧)，粗粉再送人磨内重磨。

在生料的烘干—粉磨作业一体化出现之前，原料烘干和生料粉磨是分别进行的，有开路和闭路之分。随着新型干法生产技术的发展，烘干兼粉磨系统在不断地改进和完善，这一系统采用的是闭路循环粉磨。

(2)烘干—粉磨工艺流程

随着水泥工业的发展和生产工艺水平的提高，水泥原(燃)料的烘干兼粉磨作业一体化技术得到了广泛的应用。采用自动调节回路及计算机控制生产代替人工操作已经是一件很平常的事：下面介绍几种利用热气流进行烘干—粉磨的工艺系统。

①提升循环磨  这种磨机在喂料端设有长度1m左右的烘干仓，该仓内不装研磨体但装有扬料板(加快热气体与湿物料的热交换)c来自热风炉或回转窑窑尾的废气与被磨物料一同进入磨内预烘干，而后进入粉磨仓，烘干、粉磨同时进行，直至完成粉磨循环。

②风扫磨。风扫磨适合于回转窑燃烧用煤的煤粉制备系统。利用窑冷却机的废热气体对含有一定水分的块煤进行烘干粉磨。磨机的筒体短而粗，靠烟气掐带循环负荷，将出磨物料送至旋风除尘器内与气体分离，成为合格的细煤粉，供回转窑燃烧熟料之用。

③立式磨。生料、粉煤的烘干—粉磨的过程大多采用球磨机来完成，但近些年来随着科学校术的发展进步，水泥生产设备在个断升级，低能耗、高效率的立式磨机在我国大中型水泥厂生料制备中得到了广泛使用。

在生料制备系统中采用烘干—粉磨工艺，就不必再对石灰石、就土或砂岩、铁粉、煤等原料进行单独烘干了，但烘干机还是要存在的，因为水泥制成工序中所用的混合材如矿渣等，含水量较高，且有些地区夏季雨水较多，原(材)料仍需单独烘干。

5. 生料制备之生料的均化

均化是生料制备过程中的最后一个环节。生料的均齐性(这里指颗粒大小)和稳定性(这里指化学成分的波动范围，即碳酸钙摘定值的合格率)会对熟料燃烧质量产生重大影响，所以必须把好人窑生料质量这一关，即对比磨后、入窑前的生料在存储过程中进行均化。目前均化技术在水泥生产中得到了迅速发展和广泛的应用，已经同原料破碎、生料粉磨一起共同构成了生料制备系统。

对生料的均化系统概述如下。

原(燃)料在破碎后、粉磨前已经做过预均化处理厂，使化学成分的波动缩小了许多。如石灰石中的CaCO3波动可由±10％缩小至±1.0％。但即使预均化效果较好，在入磨前的配料过程中，包可能由于设备误差、操作因素及物料在输送过程中某些离析因素的影响，使得出磨生料的化学成分仍有较大的波动，不能满足人窑生料控制指标的要求。因此出磨生料必须要均化。

生料的均化过程是在封闭的圆库里完成的。它是圆形的钢筋混凝土结构，规格大小视水泥生产规模、生料存量而定，一般直径为φ5-12m，高度为30-60m，位置设在生料磨系统与窑燃烧系统之间。生料均化的方式有机械搅拌(多库搭配相机械倒库)和空气搅拌(间歇式均化库和连续式均化库)两种，对于生产规模小的厂(特别是立窑厂)，多采用机械搅拌均化库，大厂多采用空气搅拌均化库，下面介绍均化库的构造和均化过程。

1)多库搭配均化系统

这种均化方式及均化原理与前面所讲过的“仓式预均化法”基本相同。均化库需有四个以上，编成两组，交替进料，交替均化，交替排料。要求库顶进料各库尽量均匀分配，库底出料均匀可调，可使出磨生料CaCO3合格宰提高30％-40％。需强调的是：库内物料要堆积到一定高度后才能放料，否则该库只相当一个通道，不能混合均化。

2)机械倒库均化系统

该均化系统是综合了“漏斗”均化及多库搭配的原理而进行机械均化的一种方法。它可以使几个库中的生料按一定比例释放，经螺旋输送机或空气输送斜槽、斗式提升机再回到达几个库中。当均化效果不理想时可以反复地“折腾”。也可以把均化好的高KH值生料与低KH值生料再搭配混合均化。

这种均化库投资少、操作简便，适用于立窑和规模不大的回转窑厂。如果管理得好，可达较为理想的均化效果。在操作中要注意做到一个库不能同时进料和出料，因为这样均化出库也就相当一个通道，没起到均化的作用。

3)空气搅拌均化系统

随着新型干法水泥生产技术的发展，窑对生料均化度的要求也越来越高，那么与之相适应的生料制备全过程中的均化控制保证体系也应运而生，即生料空气搅拌均化库：一种依靠压缩空气吹射生料，使生料粉流态化，在强力冲气的条件下产生涡流和剧烈的翻腾而起到均化作用的设备。

(1)间歇式均化库。间歇式库是依靠压缩空气使粉料流态化，在强力充气条件下产生涡流和剧烈翻腾而起均化作用的设备。它是利用库底充气装置分批轮换充气进行搅拌，只能进行分批间歇操作，是只起均化作用的设备：物料得到充分均化后再入储库，因此称为间歇式空气搅拌均化库c库底凹等分扇形充气装置进行对角轮流充气。

(2)连续式生料均化库(混合室均化库)。这是与间歇式生料均化库有所不同的一种均化兼储存的设备，它能同时进料、均化和出库，生料在库内产生重力混合和气力搅拌，从而达到均化的目的。

国外从20世纪60年代开始采用连续式生料均化库，我国是从70年代末起步的，几十年来加快了它的发展速度，存新型干法水泥生产中得到了广泛的应用。