第四章 硅酸盐水泥的原料 及配料计算

配料：根据水泥品种、原料的物理、化学性能与具体的生产条件，确定原料的配合比，称为生料的配合，简称配料。

本章主要内容： 1. 原料的种类及特征 2. 生料的易烧性 3. 熟料组成的选择 4. 配料计算

§4.1 原料的种类及特征

• 生产硅酸盐水泥的主要原料：石灰质原料和粘土质原料。

• 通常，生产 1t 硅酸盐水泥熟料约消耗 1.6t左右的干原料，其中干石灰质原料约占 80％左右，干粘土质原料约 10 ％～ 15 ％。

生产硅酸盐水泥所用原料

原料名称 主要提供的成分配比

（ % ）

石灰质原料 CaO ~80

粘土质原料SiO2 、 Al2O3

少量 Fe2O3

10~15

校正原料

铁质校正原料 Fe2O3

硅质校正原料 SiO2

铝质校正原料 Al2O3

外加剂矿化剂、

晶种、助磨剂

如： CaF2

熟料

制造水泥的原料应满足以下工艺要求 :

·化学成分必须满足配料的要求； ·有害杂质的含量应尽量少； ·应具有良好的工艺性能。

一 . 石灰质原料 1. 定义 凡是以碳酸钙为主要成分的原料都属于石灰质原

料。

水泥生产中常用的是含有碳酸钙的天然矿石。

石灰石

2. 分类 天然石灰质原料 分类 人工石灰质原料

△ 天然石灰质原料 · 石灰石：由碳酸钙所组成的化学与生物化学沉积岩 主要成份 : CaCO3

主要矿物：方解石（ CaCO3) ，常含有白云石 (CaCO3·MgCO3) 、硅质（石英或燧石属结晶 SiO2) 、含铁矿物和粘土质杂质。

制水泥用石灰石： CaO ≥45 ～ 48﹪

· 泥灰岩 　　 由碳酸钙和粘土物质同时沉积形成，属石灰岩向

粘土过渡的岩石。 　　 高钙泥灰岩： CaO﹥45% KH﹥0.95 ，应与粘土配合低钙泥灰岩： CaO﹤43.5 ％， KH﹤0.8 ，应与石灰石

配合 天然水泥岩： CaO =43.5 ％～ 45% ，各率值与熟料

相近

· 白垩：由隐晶或无定形细粒疏松的碳酸钙所组成的石灰岩 主要成分：碳酸钙，含量 80%-90% ，甚至高于 90% 。 性能：易于粉磨和煅烧，是立窑水泥厂的优质石灰质原料。· 贝壳：含碳酸钙 90 ％左右

△ 人工石灰质原料

· 电石渣：是化工厂乙炔发生车间消解石灰排出的含水约 85%~90% 的消石灰浆。其主要成分 Ca(OH)2 ，可替代部分石灰质原料。常用于湿法生产。

· 碳酸法制糖厂的糖滤泥、氯碱法制碱厂的碱渣、造纸厂的白泥：其主要成分都是 CaCO3 ，均可做石灰质原料。

3. 石灰质原料的选择 ◇ 质量要求 　　石灰质原料使用最广泛的是石灰石，其主要成分是 CaCO3 ，纯石灰石的 CaO 最高含量为 56% ，其品

位由 CaO 含量确定。有害成分为 MgO 、 R2O 、（ N

a2O 、 K2O ）和游离 SiO2 。

石灰质原料的质量要求 成分 CaO Mg

Of-SiO2 （燧石或石英）

SO3

Na2

O+K

2O含量

（％）≥48 ≤3 ≤4 ≤

1≤0.6

◇ 石灰质原料的选择 · 搭配使用； · 限制 MgO 含量；（白云石是 MgO 的主要来源，含

有白云石的石灰石在新敲开的断面上可以看到粉粒状的闪光） ；

· 限制燧石含量（燧石含量高的石灰岩，表面常有褐色的凸出或呈结核状的夹杂物） ；

· 新型干法水泥生产，还应限制 K2O 、 Na2O 、 SO3 、Cl- 等微量组分。

◇ 白云石、石灰石的判定方法： 用 10% 盐酸滴在白云石上有少量的气泡产生，滴在石灰

石上则剧烈地产生气泡。

二 . 粘土质原料 1. 定义 主要提供水泥熟料中 SiO2 、 Al2O3 和少量 Fe2O3

等成分原料的总称。

2. 分类 天然粘土质原料 其它粘土质原料

△ 天然粘土质原料· 黄土 （华北与西北地区） 黄土是没有层理的粘土与微粒矿物的天然混合物。

成因以风积为主，也有成因于冲积、坡积、洪积和淤积的。颜色以黄褐色为主。

粘土矿物：伊利石为主，还有蒙脱石与拜来石等， 以及石英、长石、白云母、方解石、石膏等。

化学成分： SiO2 、 Al2O3 为主 ， SM=3.5 ～ 4.0

IM=2.3 ～ 2.8

塑性指数： 8 ～ 12

· 粘土 　　 是多种微细的呈疏松或胶状密实的含水铝

硅酸盐矿物的混合体，它是由富含长石等铝硅酸盐矿物的岩石经漫长地质年代风化而成。

华北、西北地区的红土 包括 东北地区的黑土与棕壤 南方地区的红壤与黄壤等　　 主要特征：粘粒占 40﹪ ～ 70﹪

根据粘土中主导矿物不同，粘土可分为以下

高岭石类 : 如：红壤、黄壤 类 型： 蒙脱石类 :

水云母类 : 如黄土共同化学式： mSiO2·Al2O3·nH2O

主导矿物：粘土类同时含有几种粘土矿物 时，其含量最多的矿物。

粘土种类

名 称 主导矿物 SM IM塑性指数

红土伊利石与高岭石，还有长石、石英、方解石、白云母等

SO2 低1.4-2.6

Al2O3 Fe2O3

高2-5

18 ～ 27

黑土与棕壤

水云母与蒙脱石，还有石英及长石、方解石、云母等

SiO2

高2.7-3.1

2.6-2.9 17 ～ 20

红壤与黄壤

主要高岭石，其次伊利石、叙永石、三水铝矿，还有石英、长石、赤铁矿

2.5-3.3 2-317 ～ 45

20 ～ 25

·页岩 　 是粘土受地壳压力胶结而成的粘土岩，层理明显，颜色不定，一般灰色、褐色或黑色。化学成分与粘土类似，可作为粘土使用，但其硅率较低，通常配料时需掺加硅质校正原料。

主要矿物：石英、长石、云母、方解石

硅率较低，一般为 2.1 ～ 2.8

· 粉砂岩 粉砂岩是由直径为 0.01~0.1mm 的粉砂经长期胶结变硬后碎屑沉积岩。

主要矿物：石英、长石、 黏土等，胶结物质有黏土质、硅质、铁质及碳酸盐质。颜色呈淡黄、淡红、淡棕色、紫红色等，质地一般疏松，但也有较坚硬的。

• 粉页岩的硅率较高，一般大于 3.0 ，可作为硅铝质原料。

△ 其它粘土质原料·赤泥：制铝工业中用烧结法从矾土中提取氧化铝

时所排出的赤色工业渣。含水 40 % ～ 50 % ，含大量 C2S ，故热耗低，但易沉淀结硬。

·煤矸石：采煤时排出的含煤量很少的黑色废石。· 粉煤灰：发电厂排出的工业渣。 （煤矸石和粉煤灰含氧化铝较高，硅率较低，应掺加硅质校正原料进行调整。）

· 粒化高炉矿渣：高炉冶炼生铁时所排出的废渣。

3.衡量粘土质量的指标P35

· 粘土的化学组成（硅率、铝率）

· 含砂量· 含碱量· 粘土的可塑性·热稳定性·正常流动度的需水量

△ 品质要求

品位 n PMgO

（ %）

R2O（ % ）

SO3

（ % ）塑性指数（立窑考虑）

一级品 2.7~3.5 1.5~3.5 ＜ 3.0 ＜ 4.0 ＜ 2.0 ﹥12

二级品2.0~2.7;

3.5~4.0不限 ＜ 3.0 ＜ 4.0 ＜ 2.0 ﹥12

4. 粘土质原料的品质要求及选择

△ 选择粘土质原料时应注意的问题 ●n 、 p 值要适当。 ●尽量不含碎石、卵石，粗砂含量应小于 5

% 。 ●旋窑生产时对可塑性不做要求。

三 .校正原料

当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时，必须根据所缺少的组分掺加相应的校正原料，这种以补充某些成分不足为主的原料称为校正原料。

◇铁质校正原料 补充氧化铁含量不足的原料， Fe2O3 含量﹥ 40

· 低品位铁矿石·炼铁厂尾矿·硫铁矿渣·铅矿渣或铜矿渣

铁矿石

◇ 硅质校正原料　　补充氧化硅含量不足的原料， SiO2 ﹥ 70 ％～ 90 ％，

n＞ 4.0 ， R2O＜ 4.0 。　　常用：砂岩、河砂、粉砂岩等。其中砂岩，河砂中结晶 SiO2多，难磨难烧，尽量不用，风化砂岩易于粉磨，对煅烧影响小。

砂岩 页岩

◇铝质校正原料

补充氧化铝含量不足的原料， Al2O3＞ 30 ％。

常用：低品位矾土、煤渣、煤矸石、粉煤灰等

铝钙渣

校正原料 一览表

名 称 常 用 材 料 质 量 要 求

铁质校正原料

低品位铁矿石、炼铁厂的尾矿、硫铁矿渣铅矿渣铜矿渣

Fe2O3 ＞ 40%

硅质校正原料

硅藻土、硅藻石、含 SiO2 多的河砂、砂岩、粉砂岩

SiO2:70%~90%

n 4.0﹥ ； R2O﹤4.0%

铝质校正原料 炉渣、煤矸石、矾土 Al2O3 30%﹥

兼作矿化剂

四 . 低品位原料和工业废渣的利用

低品位原料：指那些化学成分、杂质含 量与物理性能等不符合一般 水泥生产要求的原料。如： 低品位石灰质原料、工业废渣：主要指煤矸石、石煤、粉煤 灰、炉渣等

名 称 主要来源 化学成分 用途

低品位石灰质原料 天然低品位矿物 CaO

1. 与 CaO 含量较高的石灰石搭配使用2. 用硅质泥灰岩作粘土质原料和取代部分石灰质原料。

石 煤

煤矿生产废渣 以 SiO2 、 Al2O

3 为 主， 少量 Fe2O3 、 CaO

1. 代替粘土配料；2. 经煅烧处理后作混合材；3. 作沸腾燃烧室燃料，其渣作水泥混合材。

煤矸石

低碳煤

电石渣 乙炔生产废渣

Ca(OH)2 可代替部分石灰质原料

粉煤灰 煤粉燃烧后粉状灰烬

以 SiO2 、 Al2O3 为主

1. 作混合材料；2. 代替部分或全部粘土参与配料。

炉渣 锅炉煤灰渣

§4.2 生料的易烧性一、生料的易烧性定义与表示方法 定义：是指生料在窑内煅烧成熟料的过程中相对难

易程度。

表示方法 ·实用易烧性：在 1350℃恒温下，在回转窑内煅

烧 生料 CaO≤2 ％达到所需要的时间。 ·

3

3 4

C S

C A C AF

易烧性指数

指数或系数越大 , 易烧性越

差

二 .影响生料易烧性的主要因素· 生料的潜在矿物组成· 原料的性质和颗粒组成 · 生料中次要氧化物和微量元素· 生料的均匀性和生料的粉磨细度· 矿化剂 · 生料的热处理·液相 · 燃煤的性质· 窑内气氛

§4.3 熟料组成的选择

一 . 水泥品种二 . 原料品质三 .燃料品质四 . 生料成分的均匀性五 . 窑型与规格六 . 生料的易烧性

§4.4 配料计算◆配料 根据水泥品种、原燃料品质、工厂具体生产条件等选择合理的熟料矿物组成或率值，并由此计算所用原料及燃料的配合比，称为生料配料，简称配料。

◇ 配料的目的 （ 1 ）工艺设计 （ 2）生产运行 ◇配料的原则 （ 1 ）生料成分满足煅烧优质熟料的要求； （ 2 ）生料具有良好的易磨性和易烧性； （ 3 ）生产过程易于控制，便于操作，简化流程； （ 4）经济、合理地使用矿山资源。

一 .配料计算的依据与基准

1.依据 : 物料平衡2. 常用基准 : ·干燥基准：物料中的物理水分蒸发后处于干燥状态，以干燥状态质量所表示的计量单位。

·灼烧基准：去掉烧失量（结晶水、二氧化碳与挥发物质等）以后，生料处于灼烧状态。以灼烧状态质量所表示的计算单位，称为灼烧基准。

·湿基准：用含水物料作计算基准时称为湿基准，简称湿基。

反应物的量= 生成物的

量

3.几个关系式· 若不考虑生产损失，则干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

· 若不考虑生产损失，又无灰分掺入，则 :

灼烧石灰石 +灼烧粘土 +灼烧铁粉 =灼烧生料 = 熟料

· 若不考虑生产损失，在采用有灰分掺入的燃煤时，则： 灼烧生料 +煤灰（掺入熟料的） = 熟料

二 .配料方案的选择 ◆配料方案 :即熟料的矿物组成或熟料的三率值。◆配料方案的选择 :选择合理的熟料矿物组成，即确定熟料三率值 KH、 SM、 IM值。 ◆如何确定配料方案 : 应根据水泥品种、原料与燃料品质、生料质量及易烧性、熟料煅烧工艺与设备等进行综合考虑。

确定率值应注意

1 、三个率值要互相匹配，吻合，不 能只强调某一率值而忽视其他两个。2 、一般率值的波动范围： KH=目标值 ±0.01 ～ 0.02 ， SM=目标值 ±0.1 ， IM=目标值 ±0.1 。

4.1.2 配料计算方法

配料计算方法很多，主要介绍应用比较广泛的尝试误差法、递减试凑法、代数法及其用微机编制程序的计算方法。随着科学技术的发展，水泥工业已逐渐实现电子计算机的控制和管理，使配料计算更简单、高效。

◆ 原理： 假定原料配合比 →计算熟料组成→计算结果与设定值比较→若不符合要求，则调整配合比重新计算，直到符合要求为止。

◆ 计算过程： 1. 确定熟料组成（ KH 、 SM 、 IM ）

2. 计算煤灰掺入量： 100 100

y y

A y

qA S PA SG

Q

3. 计算干燥原料配合比；①先假设干燥原料配合比 ( 通常石：粘：铁 =80 ： 15 ： 5 ），

计算生料的化学成分；②扣除煤灰带入的成分，计算灼烧生料的化学成分；③计入煤灰掺入量，计算熟料的化学成分；④由熟料的化学成分计算率值并与要求的进行比较；如率值不符合要求，重复调整配比计算，直至率值符合要求为止；

4. 计算湿原料配合比；5. 下达控制指标；

◆配料计算的已知条件： · 原料、燃料的分析数据（工业分析、化学分析 ) ·已知熟料的率值（或矿物组成）及熟料单

位热耗

[ 例 1]已知原、燃料的有关分析数据如表 4-10， 4-11所示，假设用窑外分解窑以三种原料配合进行生产，要求熟料的三率值为： KH =0.89， SM =2.1， IM =1.3，单位熟料热耗为 335KJ/Kg熟料 (730Kcal/Kg.熟料 )，

试计算原料的配合比。

[解 ] （ 1 ）确定熟料组成 根据题意，已知熟料率值为： KH =0.89 SM =2.1 ， IM =1.3 。 （ 2 ）计算煤灰掺入量

100

y

A

qA SG

Qy

3350 28.56 100

4.57%20930 100

(3) 计算干燥原料配合比　　三组分配料，通常石灰石配合比例为 80% 左右；粘土 15% 左右；铁粉 5% 左右； 设定干燥原料配合比为：石灰石 81%，粘土 15% ，铁粉 4% ，以此计算生料的化学成分。

名称 配合比 烧失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

石灰石 81.0 34.55 1.96 0.25 0.15 43.03

粘土 15.1 0.79 10.54 2.21 0.82 0.21

铁粉 4.0 — 1.38 0.46 1.93 0.14

生料 100.0 35.34 13.88 2.92 2.90 43.38

灼烧生料 — 21.47 4.52 4.48 67.09

名称 配合比 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

灼烧生料 95.43 20.48 4.31 4.28 64.02

煤灰 4.57 2.45 1.62 0.20 0.22

熟料 100.0 22.93 5.93 4.48 64.24

熟料的率值计算如下： KH=0.824 SM=2.20 IM=1.32 上述计算结果可知， KH过低， SM过高， IM较接近。根据经验统计，每增减 1%石灰石（相应减增 1%粘土），约增减 KH=0.05。据此，调整原料配合比为：石灰石 82.2%，粘土 13.7%，铁粉 4.1%。重新计算结果如下：

名称 配合比 烧失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

石灰石 82.20 35.07 1.99 0.26 0.16 43.67

粘土 13.70 0.72 9.62 2.02 0.75 0.19

铁粉 4.10 _ 1.41 0.47 1.98 0.15

生料 100.0 35.79 13.02 2.75 2.89 44.01

灼烧生料 _ 20.28 4.28 4.50 68.54

灼烧生料 95.43 _ 19.35 4.08 4.29 65.41

煤灰 4.57 _ 2.45 1.62 0.20 0.22

熟料 100.0 _ 21.80 5.70 4.49 62.63

· 熟料的率值计算如下： KH=0.895 SM=2.14 IM=1.27 所得结果 KH、 SM与要求相比均略高，而 IM略为偏低，但已十分接近要求值。

· 熟料率值控制指标可定为： KH =0.89±0.02， SM =2.1±0.1， IM =1.3±0.1。

· 干燥原料配合比为： 石灰石 82.2%，粘土 13.7%，铁粉 4.1% 。

(4) 计算湿原料的配合比设原料操作水分：石灰石 1%，粘土 0.8%，铁粉 12%，则湿原料质量配合比为：湿石灰石 83.03% 湿粘土 13.81% 湿铁粉 4.65%

◆递减试凑法从熟料化学成分中依次递减假定配合比的原料成分，试凑至符合要求为止（又称递减试凑法）。 [ 例 4-2]已知原、燃料的有关分析数据如表 4-4， 4-5所示，假设用窑外分解窑以三种原料配合进行生产，要求熟料的三率值为： KH=0.89， SM=2.1， IM=1.3，单位熟料热耗为 3350KJ/Kg 熟料，试计算原料的配合比。

[解 ]计算煤灰掺入量 4.57kg 用由熟料率值计算化学成分的公式计算要求熟料的化学成分。 设∑ =97.5% 则 Fe2O3=4.50%

Al2O3=IM·Fe2O3=5.85%

SiO2=SM(Al2O3+ Fe2O3)=21.74%

CaO=∑-( SiO2+ Al2O3+ Fe2O3)= 65.41%

计算结果表明，熟料中 Al2O3 和 Fe2O3略为偏低，

但若加粘土和铁粉，则 SiO2 又过多，因此不再递减计算，其它一项差别不大，说明∑设定值合适。按上表干原料质量比换算为百分配合比： 干石灰石 ==82.2% ； 干粘土 ==13.7% ； 干铁粉 ==4.1% 。