无机非金属材料工艺课程设计.docx

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无机非金属材料工艺课程设计

合肥学院

HefeiUniversity

无机非金属材料工艺课程设计

题目：

无机非金属材料配料计算及制备工艺

系别：

化学与材料工程系

专业：

无机非金属材料工程

学号：

姓名：

导师：

2015年1月

摘要：

用怎么样的工艺流程生产可以使水泥质量稳定性好，早期强度达到普通水泥指标，后期强度增进适中，水化热低，保水性好，抗渗性好，收缩小，和易性好，安定性好？

能体现出混合材具有的特性，低碱，并且耗能较低，污染较少？

用什么设备更有优势？

如何造出质量合格的水泥，水泥的质量对于工程的质量起着决定性的作用，也与人们的生活、安全等息息相关，我们应该采用什么流程来制造水泥，使其合格高，生产效率也高。

资料的主要来源是网上的书籍，其次是图书馆的书籍和报刊以及自己结合平时所学摸索出的流程。

流程的设计采用国际比较先进的设备，参考了国际大型水泥工厂的流程和设备以及选择的缘由。

本设计的意义及成果是可以让大家多了解一点国际化设备的先进之处，多选择性。

也让自己对水泥生产流程和设备的选择有了一定的了解，形成了一个整体的生产线概念。

阐述了大量采用新工艺、新技术、新设备、全线生产自动化、标准化并且达到国家标准的水泥的制备流程以及设备的选用和原因。

英文摘要：

Whatkindofproductionprocesscanmakethecementqualitystabilityisgood,theearlystrengthofcementtoachievecommonindicators,thelaterstrengthincreaseismoderate,lowhydrationheat,goodwater,goodperformanceofantipermeability,smallshrinkage,goodworkability,goodstability?

Toreflectthecharacteristicsofmixedmaterials,withlowalkali,andlowenergyconsumption,lesspollution?

Whatequipmenttousemoreadvantages?

Howtobuildthequalityqualifiedcement,cementqualityplaysadecisiveroleinthequalityoftheproject,butalsocloselylinkedwithpeople'slife,safety,weshouldadoptwhatprocessestomanufactureofcement,thequalifiedhigh,theproductionefficiencyisalsohigh.Themainsourceofdataistheonlinebooks,followedbythelibrarybooksandnewspapersandtheirbindingusuallylearnafumbleprocess.Processdesignusinginternationaladvancedequipment,withreferencetotheinternationallarge-scalecementplantprocessandequipmentaswellasthechoiceofthereason.Thesignificanceandtheresultsofthedesignistobeabletoleteverybodyknowmoreadvancedplaceabitinternationalequipment,multichoice.Iletmyselfintheproductionprocessandequipmentofcementtochooseacertainunderstanding,hasformedawholeproductionlineconcept.Describestheselectionandcauselargeamountofadoptionofnewtechnology,newtechnology,newequipment,alltheproductionautomation,standardizationandreachedthenationalstandardofthecementproductionprocessandequipment.

1、关于水泥

水泥，粉状水硬性无机胶凝材料。

加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。

cement一词由拉丁文caementum发展而来，是碎石及片石的意思。

水泥的历史最早可追溯到5000年前的中国秦安大地湾人，他们铺设了类似现代水泥的地面。

后来古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥很相似。

用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。

长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。

1.1中国水泥行业现状

1.1.1水泥产业在国民经济中的地位

水泥是国民经济建设的重要基础原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代它的地位。

作为国民经济的重要基础产业，水泥工业已经成为国民经济社会发展水平和综合实力的重要标志。

随着我国经济的高速发展，水泥在国民经济中的作用越来越大。

据统计，1978年我国水泥产量为6524万吨，经过近二十年的发展，2006年我国水泥产量达12.4亿吨，占世界水泥产量的45.23％左右。

自1985年起我国水泥产量已连续21年位居世界第一位，现如今已占世界水泥总产量的48％左右。

在高速发展的同时，我国水泥行业的供求矛盾不断加剧，产业结构不合理，技术落后，特别是落后生产能力比重仍占60％左右。

据业内人士预测2007年我国水泥产量将达到13.94亿吨。

1.1.2水泥行业中的特点

全国规模以上（500万）企业5200多家，2006年企业平均规模仅23.7万吨，规模很小。

2006年10家企业集团的生产集中度仅为16.19%,产量大于300万吨的43家企业生产集中度仅占25%。

我国水泥行业利润水平偏低，波动性大，主要是由我国水泥行业集中度低，企业规模偏小，局部区域产能严重过剩，市场过度竞争，以及落后生产力所占比重大，科技含量低，能耗高等诸多因素造成的。

随着政策导向鼓励重点企业提高规模和利润率倾斜，未来行业集中度将明显提高，加大产业结构调整，新干法工艺产量将明显提升，节能环保将达到新水平。

　　另外水泥由于产品的特殊性,其销售受区域销售半径的影响,对企业的规模化生产了很大的影响，影响水泥销售半径的因素很多，企业生产成本的高低、地域内的交通条件、产品采用的运输方式和运输装备、地域内石灰石资源的分布状况、当地国民经济发展水平和居民消费水平等因素均可能影响水泥的合理销售半径。

在我国东部沿海一带，比如华东平原、华北平原地区，水泥产品的销售半径可以达到500公里以上；而在中、西部以山地为主的地区，水泥产品的销售半径一般在250～300公里左右（铁路可达500公里），最佳半径应在200公里以内的区域市场。

1.1.3我国水泥行业的技术水平以及国内水泥工业概况与国外的差距

一、我国水泥行业的技术水平    

水泥生产技术主要分为立窑生产及旋窑生产。

立窑生产技术含量低，设计、建造简单，生产效率低，一般用于生产低标号水泥，难以生产高品质的熟料；旋窑则采用较先进的技术，生产效率高，易控制，适合生产高品质的熟料。

而旋窑技术依据先进程度又可分为干法（新型干法、普通干法）、半干法、湿法等不同的生产工艺。

我国水泥生产的整体技术水平相对落后。

目前我国有各种水泥窑9,366 台，其中旋窑1,127 台，仅占12%。

旋窑工厂500 个，占6%，其余均为立窑水泥厂。

立窑水泥厂产能和实际产量分别为6.53 亿吨和4.45 亿吨，占国内水泥总产能和总产量的82%和72%，因此，我国水泥总产量绝大多数为低标号水泥。

在旋窑产能中，全国投产的2,000 吨及以上规模的新型干法旋窑有57 条，产能合计5,000万吨；2,000 吨以下的新型干法旋窑有44 条，产能合计为1,500 万吨，使用新型干法技术的只占旋窑产能的45%，其余55%为半干法和湿法生产线。

水泥产品适用于各种类型的建筑工程，是建筑施工的理想材料，目前尚未有替代产品的研制和开发。

二、国内水泥工业概况及与国外的差距 

经过“九五”和“十五”前几年的发展，我国水泥工业经济运行质量明显提高，科技进步加快，结构调正取得很大进展，特别是新型干法水泥工艺技术与装备的开发，通过优化设计已形成1000～5000t/d高质量生产线系列，10000t/d国产化生产线的开发正在加紧进行，2003年全国水泥产量8.62亿t，其中新型干法为1.98亿t，占总量的23%。

但我国新型干法水泥的综合指标与国际相比，还有一定差距。

在大型节能粉磨设备、大型减速机、计量装备等方面，国内还需要加强开发和研究的力度。

1.1.4水泥生态化与可持续发展   

从20世纪90年代中期开始，我国水泥工业提高了对环保问题的重视，由于我国水泥工业存在着严重的产业结构问题，故在环境保护与可持续发展方面进展缓慢，一些技经指标与国外相比差距较大，进入21世纪之后我国加强了力度，已在如下方面取得进展。

采用低品位石灰石，使用替代粘土原料和采用工业废渣配料，无烟煤和低挥发份煤煅烧技术都已成熟，对细掺合料（如超细矿渣）与水泥强度的关系、水泥颗粒级配、颗粒形状与水泥砂浆强度的关系作了较多的实验室研究；用回转窑焚烧可燃废弃物和有毒有害物、下水污泥配料等工业实验已在几家水泥厂进行，北京水泥厂的焚烧有毒有害废弃物示范工程即将完成；对新型干法水泥厂窑尾NOx排出量的调查已完成，正在深入研究降低NOx生成量的方法。

1.1.5过程控制自动化及网络技术方面

国内在水泥生产过程检测与控制技术、以及水泥厂信息管理系统、高低压供配电综合自动化系统方面都取得了较大成绩，国内开发的DCS控制系统应用软件，得到了客户好评，但国内在工业控制用计算机硬件和一些操作软件应用软件方面，与国外比还有一定差距，如水泥厂生产管理信息系统、水泥厂电子商务平台系统等。

2、水泥类型

2.1水泥分类

2.1.1水泥按其主要水硬性物质名称分为

（1）硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；

（2）铝酸盐水泥；

（3）硫铝酸盐水泥；

（4）铁铝酸盐水泥；

（5）氟铝酸盐水泥；

（6）磷酸盐水泥

（7）以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。

2.1.2水泥按主要技术特性分为

（1）快硬性（水硬性）：

分为快硬和特快硬两类；

（2）水化热：

分为中热和低热两类；硅酸盐水泥

（3）抗硫酸盐性：

分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类；

（4）膨胀性：

分为膨胀和自应力两类；

（5）耐高温性：

铝酸盐水泥的耐高温性以水泥中氧化铝含量分级。

2.1.3水泥按用途及性能分为

（1）通用水泥:

一般土木建筑工程通常采用的水泥。

通用水泥主要是指：

GB175—2007规定的六大类水泥，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

（2）专用水泥：

专门用途的水泥。

如：

G级油井水泥，道路硅酸盐水泥。

水泥原态

（3）特性水泥：

某种性能比较突出的水泥。

如：

快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥和磷酸盐水泥。

2.2硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料的矿物主要由硅酸三钙（

）、硅酸二钙（

）、铝酸三钙（

）和铁铝酸四钙（

）组成。

3、参数的确定

3.1熟料率值的确定

已知熟料要求率值、熟料热耗及煤灰工业分析数据和原料化学成分

原料与煤灰的化学成分（%）（原料2）

名称

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

烧失量

Σ

石灰石

7.26

1.76

1.05

49.06

1.88

38.28

99.29

粘土

66.32

15.86

5.08

1.09

1.40

6.84

96.59

铁粉

14.53

8.71

65.42

2.26

2.01

5.50

98.43

煤灰

53.84

30.42

5.16

4.52

1.30

—

94.97

3.2、进行配料计算；

由上面的数据计算出其他量，得下表

名称

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

烧失量

Σ

其他

石灰石

7.26

1.76

1.05

49.06

1.88

38.28

99.29

0.71

粘土

66.32

15.86

5.08

1.09

1.40

6.84

96.59

3.41

铁粉

14.53

8.71

65.42

2.26

2.01

5.50

98.43

1.57

煤灰

53.84

30.42

5.16

4.52

1.30

—

94.97

5.03

解：

（1）计算煤灰掺入量

1000t熟料中煤灰掺入量可按下式近似计算：

Ga=

Ga-----熟料中煤灰掺入量,%;

q----单位熟料热耗，4186kJ/kg熟料

Qnet,ad--------煤的热置，20930kJ/kg

Aad-----煤的空气干燥基灰分含量，28.56%

S----煤灰沉落率，%

P----煤耗，kJ/kg熟料

（2）根据热熟料率值，估算熟料化学成分

已知KH=0.89，SM=2.1，IM=1.3，

由

和

CaO=∑-（SiO2+Al2O3+Fe2O3）计算得：

=4.56%

Al2O3=IM（Fe2O3）=5.93%

SiO2=SM（Al2O3+Fe2O3）=22.03%

CaO=∑-（SiO2+Al2O3+Fe2O3）=64.98%

据上表可求得煅烧100Kg熟料所需各种原料用量为:

干石灰石=132-0.35=131.75Kg

干粘土=15.53Kg

干铁粉=3.39Kg

换算成1000t熟料所需各种原料用量为:

干石灰石=1317.5t

干粘土=153.5t

干铁粉=33.9t

累加试凑过程

计算步骤

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

其他

Σ

设计熟料成分

22.03

5.93

4.56

64.98

97.50

煤灰+5.37

2.446

1.615

0.204

0.512

0.054

0.032

石灰石+132

2.952

0.378

0.232

64.819

0.695

0.878

①

粘土+24

16.185

3.386

1.260

0.324

0.212

0.449

②

铁粉+8.47

1.996

0.669

2.800

0.205

0.005

0.125

③

累计熟料成分

23.552

6.048

4.496

65.567

0.996

1.484

102.2

粘土+2.6

1.827

0.383

0.413

0.037

0.024

0.051

累计熟料成分

21.732

5.652

4.325

65.530

0.985

1.423

99.56

铁粉

0.103

0.035

0.145

0.011

0.000

0.006

累计熟料成分

21.962

5.780

4.468

65.634

0.952

1.562

99.97

①（64.98-0.512）/0.5313=132②（22.03-2.446-2.952）/0.7025=24

③（4.56-0.204-0.232-1.26）/0.48278=8.47

（4）计算熟料热耗

由表可得，配置1000t熟料所需的干原料（即熟料热耗）如下：

干石灰石=12/99.97*1000=1317.5t

干粘土=（24-8.47）/99.97*1000=155.3t

干铁粉=（5.93-2.6）/99.97*1000=33.9t

（5）计算生料配比

石灰石=1316.5/1505.7*100%=87.44%

粘土=155.3/1505.7*100%=10.31%

铁粉=33.9/1505.7*100%=2.25%

4全厂水泥工艺流程的确定

4.1石灰石、煤的预均化措施

水泥生料化学成分的均齐性，不仅直接影响熟料质量，而且对窑的产量、热耗、运转周期及窑用耐火材料的消耗都有很大影响。

这种影响对新型干法水泥生产尤为突出，因此新型干法水泥生产都采用预均化措施。

原料预均化的意义主要表现在以下几个方面：

有利于稳定入窑生料成分的稳定。

保证均衡稳定生产，对于提高产品质量及生产率，降低能耗，长期安全运转起着重要作用。

我国是一个产煤大国，水泥生产几乎全部以煤为燃料，而煤质差别大、波动大，如果不采用预均化措施，很难稳定生产。

有利于扩大资源利用范围。

对石灰石矿产资源采用高低品位搭配使用，有利于扩大资源利用范围。

有利于利用矿山夹层废石，扩大矿山使用年限，提高经济效益。

满足矿山储存及均化双重要求，节约建设投资。

现代大型水泥厂大多采用矩形预均化堆场，而且矩形堆场有利于工厂扩建，综合以上考虑，本设计采用矩形预均化堆场。

4.2生料制备系统

生料制备系统目前按设备分为立磨和球磨。

立磨与球磨相比，具有以下优点：

（1）由于立磨属厚床粉磨，粉磨方式合理，并且磨内气流可将磨细的物料及时带出，避免了过粉碎现象，故粉磨效率高，能耗较低。

整个粉磨系统电耗可降低10%～30%，其降低值随原料的水分增加而增加，而且它将破碎、粉磨、烘干、分级等工序集中为一体，大大简化了生产流程和设备台数。

（2）允许入磨物料粒度较大，一般可达磨辊直径的5%，大型磨入磨物料粒度可高达100～150mm，因而可省略第二段破碎，节约投资。

（3）入磨热风从环缝中进入，风速可高达80m/s以上，磨内通风截面也大，阻力小，通风能力强，烘干效率高。

利用窑尾低温废气可烘干8%水分的物料，如采用热风炉烘干可烘干15%～20%水分的物料。

（4）物料在磨内停留时间短，仅2～4min（球磨15～20min），故生产调节反应快，易于对生料成分及细度调节控制，也便于实现操作自动化。

（5）金属消耗省，检修时间少，不需要清球，设备运转率可高达95%以上。

（6）磨机结构合理，整体密闭好（漏风可降到10%以内），扬尘少，噪音低，有利于环境保护。

设备布置紧凑，建筑空间小，且可以露天布置，投资低。

所以本设计采用立磨。

4.3水泥制备方式的确定

根据所希望制造的水泥种类、耗能、环境污染度等方面考虑水泥每个阶段应该用什么方式和设备最优。

下面我来说一下我自己对设备以及方式的选择和原因。

采用新型干法生产工艺。

 中国水泥工业经过60年的发展，总产量6.4亿吨，位居世界第一位。

但中国水泥工业呈现以下三个特点：

生产集中度太低，低标号水泥比重过大，技术装备落后。

这些特点必将为我国水泥环保装备产业的发展提供巨大的空间。

在生产技

术装备方面既有我国自行研发开发的技术成果，又有引进国外多项水泥生产专有技术及装备。

其中，新型干法水泥生产以节能、降耗、环保、经济效益好、自动化和集约化程度高等优势，成为国内水泥工业建设市场的主流生产线。

新型干法水泥工艺以悬浮预热和预分解技术为核心，并把现代科学技术如矿山计算机控制网络化开采，原料预均化，生料均化，高效多功能挤压粉磨技术，新型机械粉体输送装置，新型耐热、耐磨、耐隔热材料以及IT技术等广泛应用于水泥干法生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环保要求等有点。

因此，新型干法生产是我国以后最主要的发展方向。

本设计主要采用新型干法生产线

工艺流程：

破碎及预均化——生料制备——生料均化——预热分解——水泥熟料的烧成——水泥粉磨——水泥包装

4.4石灰石破碎使用设备     

石灰石破碎站露天布置。

石灰石采用新型旋回式破碎机和单转子锤式破碎机，破碎能力≥600t/h，允许破碎进料粒度0~1200mm，出料粒度≤75mm，破碎后石灰石由皮带输送进厂。

经过破碎的石灰石既可贮存于条件贮库中，也可贮存在圆筒库中。

这此贮库均设有顶盖，用于保证物料的质量，并可以通过卸料设备将贮库放空。

4.5石灰石预均化场的选择

所谓预均化是指在原料配料前，通过对原料增大储存量，采取均化措施，使原料在储存与取用过程中得到均化。

目前用于均化石灰石的主要是预均化堆场和矩形均化库，效果较好。

根据资料介绍，矩形均化库的占地面积、均化电耗、设备投资等均优于预均化堆场，且除尘易处理，操作维护也较简便，但随着建设规模的增大，其土建投资所占的比重明显增大。

对规模较小的矩形均化库，尽管土建投资较大，但其总投资远远低于预均化堆场。

原煤设置圆形预均化堆。

4.6粉磨物料设备的选择    

水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏），据统计，传统干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。

因此，合理选择粉磨设备和工艺流程，优化工艺参数正确操作，控制作业制度，对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。

生料粉磨采用PFEIFFER公司带外循环系统MPS4750B立磨系统。

入磨物料粒度95%＜80mm，原料综合水分＜8.0%，产品细度为R80=10%，出磨生料水分≤0.5%，台时产量为240t/h。

为了减小磨机风环风速，降低磨内压降，节约粉磨电耗，设有物料外循环系统，最大外循环量120t/h。

4.7熟料烧成窑的选择     

生料在悬浮预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。

在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应，生成水泥熟料中的矿物。

随着物料温度升高近 时，矿物会变成液相，溶解于液相中进行反应生成大量 （熟料）。

熟料烧成后，温度开始降低。

最后由水泥熟料冷却机将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送、贮存库和水泥磨所能承受的温度，同时回收高温熟料的显热，提高系统的热效率和熟料质量

水泥的包装方式及设备选择 

水泥出厂有袋装和散装两种发运方式。

采用2条德国BMH公司生产的R6Z六咀回转包装机包装水泥，并设有电子校正称、破包机及破包清理等装置，具有称量

精度高、密封性能好、扬尘小、自动化程度高及操作简便等优点

5.水泥工艺流程图

6、总结  

本次设计是我第一次进行课程设计，从最开始完全没有概念，摸不着方向到现在艰难的走完全部过程，收获颇多。

既挑战了自己，也知道了什么是课程设计，该怎么迅速快捷的查找自己需要的相关资料，同时学到了一部分曾经亏缺或已经丢失的电脑技术，比如已经丢弃了的CAD绘图和如何利用计