生料均化鏈在水泥企業(yè)中的應(yīng)用
2011-03-21 00:00
生料均化過程實(shí)際貫穿于生料制備的全過程。一般認(rèn)為；礦山搭配開采、原料預(yù)均化堆場(chǎng)、生料粉磨過程的均化作用和生料均化庫等四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成生料均化鏈。每經(jīng)過一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)使原料或半成品進(jìn)一步得到均化。各個(gè)環(huán)節(jié)的均化作用不同，均化效果也不一樣。原料預(yù)均化堆場(chǎng)和生料均化庫是均化過程的主要環(huán)節(jié)，它們占全部均化工作量的80％，以下就均化作業(yè)的基本概念作一些說明。
1 評(píng)價(jià)均勻性的指標(biāo)
我國不少水泥廠采用計(jì)算合格率的方法來評(píng)價(jià)原料、半成品、成品的質(zhì)量與均勻性。合格率的含義是：若干個(gè)樣品在規(guī)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上下限之內(nèi)的百分率，稱之為該一定范圍內(nèi)的合格率。這種計(jì)算方法雖然可以反映物料成分的均勻性，但它并不能反映全部樣品的波動(dòng)幅度及其成分的分布特性。下面的例子可以說明這一點(diǎn)。
假設(shè)有兩組石灰石樣品，其CaCO3含量介于90％～94％的合格率均為60％，每組10個(gè)樣品的CaCO3含量（％）如
表-1。
第一組和第二組樣品的平均值分別為92.58％和92.03％，兩者比較接近，而且合格率也相同（60％），兩者的均勻性似乎差別不大。但實(shí)際上這兩組樣品的波動(dòng)幅度相差很大。第一組中有兩個(gè)樣品的波動(dòng)幅度都在平均值±7％左右，即使是合格的樣品，其成分不是偏近上限，就是偏近下限；而第二組樣品的成分波動(dòng)就小得多。兩者的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.88和1.96，相差較大。顯然用合格率來衡量物料成分均勻性的方法是有較大缺陷的，需要改進(jìn)。
為此，根據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，在探討生料均化系統(tǒng)時(shí)，我們引用三個(gè)主要的參數(shù)——標(biāo)準(zhǔn)偏差S、變異系數(shù)R和均化倍數(shù)（又稱均化效果）H，作為評(píng)價(jià)物料成分均勻性的指標(biāo)。
標(biāo)準(zhǔn)偏差是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)概念，是隨著高斯定律的發(fā)現(xiàn)而提出的。它應(yīng)用于水泥工業(yè)時(shí)可扼要地理解為：
?。ǎ保?biāo)準(zhǔn)偏差是一項(xiàng)表示物料成分（例如CaCO3、SiO2含量）均勻性的指標(biāo)，其值越小，成分越均勻；
?。ǎ玻?biāo)準(zhǔn)偏差和算術(shù)平均值一起構(gòu)成變異系數(shù)，可以表示物料成分為相對(duì)波動(dòng)情況；
?。?） 成分波動(dòng)于標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)的物料，在總量中大約占70％，還有近30％的物料其成分的波動(dòng)比標(biāo)準(zhǔn)偏差還要大。
當(dāng)進(jìn)料成分圍繞其平均值的波動(dòng)符合高斯定律的正態(tài)分布時(shí)，上述三條簡(jiǎn)單的理解是正確的。如果進(jìn)料成分的波動(dòng)偏離正態(tài)分布較遠(yuǎn)時(shí)，由上式求得的標(biāo)準(zhǔn)偏差只能是一個(gè)近似值，往往比它的真值偏大。然而，均化過程出料成分的波動(dòng)基本上接近正態(tài)分布，因此計(jì)算所得出的出料標(biāo)準(zhǔn)偏差值較接近于其真值。這樣求得的均化倍數(shù)就會(huì)偏大。所以在一定條件下，直接用出料的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示均化作業(yè)的好壞，比單純采用均化倍數(shù)來表示要切合實(shí)際。并且工藝生產(chǎn)的要求也不在于追求表面的“倍數(shù)”，而是要控制其出料的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，保證其成分的均勻性。
2 生料均化鏈
近十余年來均化技術(shù)在水泥工業(yè)中獲得迅速的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用，并且結(jié)合水泥生產(chǎn)的特點(diǎn)逐漸形成了一個(gè)與生料制備系統(tǒng)并存的生料均化系統(tǒng)—生料均化鏈。
前已述及，一個(gè)完整的生料均化系統(tǒng)必須包括四個(gè)環(huán)節(jié)，即原料礦山的搭配開采、原料預(yù)均化、生料磨的配料控制和入窯生料的均化。這四個(gè)環(huán)節(jié)相互連接而組成一條生料均化鏈，如圖3所示。設(shè)計(jì)好水泥廠生料均化鏈的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義主要體現(xiàn)于以下四個(gè)方面：
（1）可以擴(kuò)大原料資源，利用礦石夾層，提高資源的綜合利用率；
?。?）可以盡量利用礦山的覆蓋或廢石，減少剝離，降低開采成本，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限；
?。?）確保水泥窯入窯生料的質(zhì)量與均勻性，以穩(wěn)定窯的正常熱工制度和操作，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高熟料質(zhì)量、產(chǎn)量及窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率；
?。?）我國地方水泥工業(yè)以立窯為主要窯型，理應(yīng)對(duì)生料的均勻性要求更高。提高均化鏈的作用有利于小水泥廠的技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)改造。
2.1 礦山的搭配開采與運(yùn)輸
礦山搭配開采的工作內(nèi)容包括：生產(chǎn)勘探、爆破采掘設(shè)計(jì)；爆堆成分分布預(yù)測(cè)及裝運(yùn)設(shè)計(jì)；多臺(tái)段采運(yùn)搭配；入廠原料成分預(yù)測(cè)、檢驗(yàn)與調(diào)節(jié)等。國內(nèi)外大型水泥廠石灰石礦山的生產(chǎn)實(shí)踐表明，掌握搭配開采的原則應(yīng)為：在經(jīng)濟(jì)開采和綜合利用資源的前提下，在礦石采運(yùn)過程中盡可能做到進(jìn)廠原料成分合格和穩(wěn)定；但對(duì)大型礦山的搭配開采在整個(gè)生料均化鏈中所負(fù)擔(dān)的均化任務(wù)不宜太大，通常為總均化工作量的10％左右。因大型礦山的機(jī)械化程度高、設(shè)備規(guī)格大、能力高、臺(tái)數(shù)少、如過分強(qiáng)調(diào)進(jìn)料礦石成分的均勻性而人為地減小開采設(shè)備的規(guī)格，增加臺(tái)數(shù)，強(qiáng)化搭配采運(yùn)，勢(shì)必使整個(gè)礦山開采過程復(fù)雜化，增加開采成本，這是不經(jīng)濟(jì)的。相反，在一些中小水泥廠的礦山上，其搭配開采在整個(gè)生料均化鏈中所負(fù)擔(dān)均化任務(wù)的比重就可適當(dāng)增大，達(dá)15％-20％是有可能的，也是經(jīng)濟(jì)的。
一般，在礦山開采與運(yùn)輸這個(gè)環(huán)節(jié)上，受礦層儲(chǔ)存情況和開采設(shè)計(jì)的影響，其礦石原料進(jìn)廠成分的波動(dòng)是不可避免的，且具有長(zhǎng)周期、低頻率、高振幅的特性，搭配開采的任務(wù)就是適當(dāng)?shù)乜s短其波動(dòng)周期和降低其波動(dòng)振幅。
2.2 原料預(yù)均化與儲(chǔ)存
原料預(yù)均化與儲(chǔ)存主要是由預(yù)均化堆場(chǎng)來完成的。它在生料均化鏈中主要起兩個(gè)作用：其一，消除進(jìn)廠礦石原料成分以天計(jì)的長(zhǎng)周期波動(dòng)；其二，顯著地降低原料成分波動(dòng)的振幅，縮小其標(biāo)準(zhǔn)偏差。在料堆或堆場(chǎng)的儲(chǔ)存期（天數(shù)）內(nèi)，使出料的成分達(dá)到一定的均勻性，滿足生料磨配料控制的要求。因而預(yù)均化堆場(chǎng)出料的成分波動(dòng)具有周期短、頻率高、振幅低的特性。
預(yù)均化堆場(chǎng)在生料均化鏈中擔(dān)負(fù)著約占總均化工作量的35％-40％的任務(wù)，其出料CaCO3的標(biāo)準(zhǔn)偏差SB2可縮小到±1％-±1.5％；或者在進(jìn)料成分波動(dòng)較大的情況下，其均化效果SB1／SB2可達(dá)7-10，為生料磨提供成分已知而又較均齊的喂料。
目前我國有些中小型水泥廠所用的簡(jiǎn)易預(yù)均化堆場(chǎng)或預(yù)均化庫，其出料CaCO3的標(biāo)準(zhǔn)偏差SB2約±2％-±2.5％，均化效果雖然不很高，但對(duì)于穩(wěn)定窯的生產(chǎn)大有好處。
2.3 生料磨配料控制
生料磨在均化鏈中的主要作用是控制和調(diào)節(jié)配料，雖然就提高其出料CaCO3含量的均勻性來看，它并沒有多大作用，但它保證出磨生料的平均成分在一定時(shí)期內(nèi)接近目標(biāo)值，且提高了生料中SiO2、Al2O3、Fe2O3等其它成分的均勻性。生料磨在均化鏈中完成的均化工作量約為總量的0-10％，之所以會(huì)有這么大的范圍，這主要取決于配料控制的措施與水平、重量喂料機(jī)的精度和生料磨系統(tǒng)的類型。由于生料磨配料控制中的延時(shí)性與滯后性，及其在生產(chǎn)調(diào)節(jié)中的慣性與穩(wěn)定性的影響，生料磨出料的成分波動(dòng)具有以小時(shí)計(jì)的中等周期、中等頻率、低振幅的特性。
2.4 入窯生料的均化與儲(chǔ)存
這是生料均化鏈的最后一環(huán)，它擔(dān)負(fù)著均化總量的40％的任務(wù)。生料均化庫的主要功能就是消除出磨生料所帶來的成分波動(dòng)，使出庫生料的均勻性滿足入窯要求，CaCO3標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到±0.2％以下，保證入窯生料成分高度均齊，最終完成整個(gè)生料均化鏈的全部任務(wù)。
綜合上述，生料均化鏈中各環(huán)節(jié)的主要功能可歸納為表-2。
注：生料成分的加權(quán)平均值達(dá)到目標(biāo)值所需用的時(shí)間謂之波動(dòng)周期，各次波動(dòng)周期的平均值
稱為平均均化周期。
3 生料磨頭配料及控制
在對(duì)原料進(jìn)行粉磨之前，需確定原料的品種和各種原料的配合比例，稱之為生料配料。生料配料計(jì)算主要以熟料礦物組成和各項(xiàng)率值為依據(jù)，然后根據(jù)原料化學(xué)成分計(jì)算各種原料的配合比例。磨頭配料控制的目的是使入窯（出磨）生料成分符合目標(biāo)值的要求，保證生料成分的平均值接近目標(biāo)值。按照新型干法水泥生產(chǎn)的要求，一般控制出磨生料CaCO3滴定值在目標(biāo)值的±2％范圍之內(nèi)。
值得提出的是，出磨生料的CaCO3滴定值或CaO值雖與控制指標(biāo)相近，但其KH值偏高。這主要因?yàn)槌瞿ド虾兴?，?duì)于CaCO3滴定值實(shí)際上是合格甚至偏高的生料，反而誤認(rèn)為偏低，從而增加石灰石的配比，使生料KH值偏高。另一種情況是因?yàn)樵现械腟iO2含量偏低，導(dǎo)致KH值偏高，因此，單純控制CaCO3或CaO不足以保證生料成分合格，最好能同時(shí)控制三個(gè)率值。
生料的三個(gè)率值主要由其中的四種氧化物（SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO）所構(gòu)成，所以控制生料配料的關(guān)鍵是采用在線分析及時(shí)對(duì)出磨生料成分提供反饋信息。一般采用X射線分析儀或國內(nèi)自行開發(fā)的鈣鐵分析儀分析出磨生料各種氧化物的含量，并將結(jié)果輸入以計(jì)算機(jī)和配料秤為核心的生料質(zhì)量控制系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)配料進(jìn)行校正，可以實(shí)現(xiàn)正確控制配料的要求。鈣鐵儀只能分析CaO和Fe2O3，但價(jià)格便宜，適于小廠使用。借助在線X射線分析儀和計(jì)算機(jī)控制的配料系統(tǒng)，其出磨生料成分將在一定范圍內(nèi)圍繞目標(biāo)值而波動(dòng)，經(jīng)生料均化庫后，就能全面滿足入窯生料的質(zhì)量要求。
4 影響生料庫均化能力的因素
實(shí)踐表明，生料均化鏈前三個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)料成分波動(dòng)具有較大的隨機(jī)性，因此采用均化效果或均化倍數(shù)H值來評(píng)價(jià)其均化能力，基本符合生產(chǎn)實(shí)際，可以滿足生產(chǎn)工藝的管理要求。但對(duì)生料均化庫來說，其進(jìn)料是具有配料控制功能的生料磨的出料，由于工藝過程的需要，生料磨出料成分始終在人為地調(diào)節(jié)控制之下，圍繞著目標(biāo)值周期性地波動(dòng)。
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