1 鈣鐵控制法的原理
鈣鐵控制法就是以氧化鈣(或碳酸鈣)和三氧化二鐵為指標(biāo)的過(guò)程控制方法，該法是從什么時(shí)間開(kāi)始采用已經(jīng)無(wú)法考證，當(dāng)時(shí)由于比較落后，無(wú)法快速檢驗(yàn)出磨生料的全部化學(xué)成分，只能通過(guò)單一的成分分析，來(lái)進(jìn)行出磨生料過(guò)程控制。早期是用手工進(jìn)行簡(jiǎn)易分析，控制出磨生料的氧化鈣(或碳酸鈣)和三氧化二鐵，后來(lái)改為小型鈣鐵分析儀，每小時(shí)測(cè)定一次出磨生料的氧化鈣和三氧化二鐵，二十四小時(shí)綜合樣進(jìn)行手工化學(xué)全分析，根據(jù)化學(xué)分析數(shù)據(jù)確定后期出磨生料氧化鈣和三氧化二鐵的控制指標(biāo)。
傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)原料是石灰石、粘土和鐵礦石三種原料，石灰石的主要成分是氧化鈣(碳酸鈣)，粘土的主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁，鐵礦石的主要成分是三氧化二鐵。
在干法水泥生產(chǎn)中，要想采用三組分配料方案，并且同時(shí)滿足生料石灰飽和系數(shù)KH、硅酸率SM和鋁氧率IM三個(gè)率值的要求，粘土中二氧化硅和三氧化二鋁的比值必須適中，好多企業(yè)由于沒(méi)有合適的粘土質(zhì)原料，通常采用四組分配料方案，用硅質(zhì)原料和鋁質(zhì)原料來(lái)搭配使用，通過(guò)調(diào)整硅質(zhì)原料和鋁質(zhì)原料的比例，保證一定的二氧化硅和三氧化二鋁比值，來(lái)代替粘土。
水泥生料的主要成分是氧化鈣，其次是二氧化硅，依次是三氧化二鋁和三氧化二鐵，氧化鎂是雜質(zhì)成分，主要由石灰石引入。氧化鈣主要由石灰石提供，三氧化二鐵主要由鐵礦石提供，二氧化硅和三氧化二鋁則由粘土提供，燒失量主要由石灰石中的碳酸鹽分解引入。對(duì)于礦山比較固定的企業(yè)，原料中氧化鉀、氧化鈉等微量元素比較穩(wěn)定，因此水泥生料中二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂和燒失量之和基本不變。
在水泥生料中，如果生料三率值是一個(gè)定值，則二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鈣之間的比例是一個(gè)定值。在原料成分穩(wěn)定的情況下，由于二氧化硅和三氧化二鋁同時(shí)存在于粘土中，如果氧化鈣和三氧化二鐵穩(wěn)定，則二氧化硅和三氧化二鋁也就穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整石灰石、粘土和鐵礦石的配比，可靈活調(diào)整生料各成分之間的比例，使生料三率值符合目標(biāo)值要求，可見(jiàn)鈣鐵控制法有一定的科學(xué)道理。
2 鈣鐵控制法的關(guān)鍵措施
隨著水泥生產(chǎn)的快速發(fā)展，對(duì)出磨生料三率值的合理性和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，好多專家和學(xué)者對(duì)出磨生料的鈣鐵控制法進(jìn)行了研究，普遍認(rèn)為鈣鐵控制法無(wú)法保證出磨生料率值穩(wěn)定。
2.1有關(guān)專家對(duì)鈣鐵控制法的分析
劉篤新工程師最早從事水泥生料質(zhì)量控制研究，他認(rèn)為：鈣鐵控制法無(wú)法保證出磨生料率值穩(wěn)定，未來(lái)的檢驗(yàn)儀器應(yīng)向多元素方向發(fā)展，要加強(qiáng)入磨原料的前期均化。
一位知名教授也對(duì)出磨生料鈣鐵控制法進(jìn)行了研究，以下是列舉的實(shí)例，原料成分以及配比就不在這里列出。
某廠生料配比采用鈣鐵控制，控制指標(biāo)是CaO：38.83%、Fe2O3：2.74%，生料目標(biāo)值為KH：0.97;SM：1.85;IM：1.20。原料配比不變，“表1”是變化前的石灰石成分和對(duì)應(yīng)的生料成分，“表2”是變化后的石灰石成分和對(duì)應(yīng)的生料成分，可見(jiàn)由于石灰石成分變化，生料成分和率值發(fā)生很大變化。根據(jù)氧化鈣和三氧化二鐵的控制指標(biāo)進(jìn)行原料配比調(diào)整，“表3”是調(diào)整后的生料成分和率值，可見(jiàn)氧化鈣和三氧化二鐵符合控制指標(biāo)要求，生料三率值并不符合目標(biāo)值要求，主要原因是二氧化硅和三氧化二鋁發(fā)生了大幅度的變化。
通過(guò)研究后指出：生料配料鈣鐵控制法，只有在原料成分非常穩(wěn)定的情況下，才能保證出磨生料率值的合格率。目前，好多企業(yè)無(wú)法保證原料成分穩(wěn)定，最有效的做法就是直接控制出磨生料的率值，采用“生料率值控制系統(tǒng)”。
2.2 實(shí)例中石灰石化學(xué)分析數(shù)據(jù)置信程度分析
進(jìn)行研究離不開(kāi)化學(xué)分析數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)將會(huì)起到誤導(dǎo)作用，首先了解一下石灰石成分的變化規(guī)律：
石灰石的主要礦物是方解石(CaCO3)、白云石(CaCO3. MgCO3)、粘土質(zhì)礦物和燧石等雜質(zhì)，燒失量主要是碳酸鹽分解出的二氧化碳?xì)怏w，因此石灰石化學(xué)成分之間符合以下變化規(guī)律：
(1)由于氧化鉀、氧化鈉及微量元素基本不變，因此常規(guī)分析項(xiàng)目氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鎂、燒失量之和基本不變;
(2)燒失量Loss與氧化鈣及氧化鎂同方向變化，已知氧化鈣的分子量是56.08，氧化鎂的分子量是40.31，二氧化碳的分子量是44.01，從理論上講：如果氧化鎂不變，氧化鈣變化1.00，燒失量應(yīng)該同方向變化44.01/56.08=0.7848;如果氧化鈣不變，氧化鎂變化1.00，燒失量應(yīng)該同方向變化44.01/40.31=1.0918
(3)由于石灰石是石灰質(zhì)(碳酸鹽)礦物與粘土質(zhì)礦物的混合物，二氧化硅是粘土質(zhì)礦物的主要成分，因此二氧化硅與氧化鈣及氧化鎂反方向變化;
(4)二氧化硅和三氧化二鋁主要由粘土質(zhì)礦物帶入，因此二氧化硅和三氧化二鋁同方向變化，且比值基本不變。
注：氧化鉀和氧化鈉與石灰石中的粘土質(zhì)礦物共存，因此質(zhì)量特別差的石灰石氧化鉀和氧化鈉含量較高，質(zhì)量特別好的石灰石氧化鉀和氧化鈉含量很低，由于日常生產(chǎn)中石灰石的質(zhì)量差別不是太大，可以認(rèn)為石灰石中氧化鉀、氧化鈉及微量元素基本不變。
可見(jiàn)：由于石灰石二氧化硅和三氧化二鋁同方向變化，且比值基本不變，三氧化二鐵變化不會(huì)太大，石灰石成分變化后不會(huì)引起生料SM很大變化。
但是實(shí)例中“生料1”和“生料2”對(duì)比，二氧化硅和三氧化二鋁反方向變化導(dǎo)致SM變化很大，從1.85變化到2.27。主要原因是所選用石灰石數(shù)據(jù)的置信程度比較差，兩種石灰石成分相比較，“石灰石2”二氧化硅比“石灰石1”增加了2.75，三氧化二鋁卻降低了0.15，不符合數(shù)據(jù)變化規(guī)律;“石灰石2”氧化鈣比“石灰石1”降低了0.55，氧化鎂降低了1.20，燒失量只降低了0.40，氧化鈣、氧化鎂與燒失量的變化量嚴(yán)重不成比例，采用置信程度差的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。
2.3 石灰石氧化鎂與石灰石飽和系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
生料中石灰石是主要的組成部分，由于生料中存在人為的調(diào)整原料配比現(xiàn)象，研究石灰石氧化鎂與石灰石飽和系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系更能說(shuō)明問(wèn)題。
根據(jù)石灰石化學(xué)成分的變化規(guī)律，氧化鈣及氧化鎂穩(wěn)定后，二氧化硅和三氧化二鋁就基本穩(wěn)定，石灰飽和系數(shù)也就穩(wěn)定，因此氧化鈣及氧化鎂與石灰飽和系數(shù)有良好的線性關(guān)系。對(duì)40組石灰石化學(xué)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸分析，回歸方程為：
KH=0.1968×CaO+0.1773×MgO-7.82，相關(guān)系數(shù)r=0.96
可見(jiàn)石灰石氧化鈣和氧化鎂與石灰飽和系數(shù)KH都是正相關(guān)，并且相關(guān)性很強(qiáng)，雖然氧化鎂不參入石灰飽和系數(shù)計(jì)算，但是對(duì)石灰飽和系數(shù)的影響卻很大。
回歸方程表明：如果氧化鈣不變，氧化鎂變化1.00，KH將同方向變化0.18;如果氧化鎂不變，氧化鈣變化1.00，KH將同方向變化0.20，氧化鈣及氧化鎂對(duì)石灰飽和系數(shù)的影響程度幾乎相同。
根據(jù)回歸方程，在鈣鐵控制法中，如果氧化鈣不變，氧化鎂變化1.00，將引起生料KH同步變化0.1773，這是鈣鐵控制法無(wú)法保證生料KH穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。
從另一個(gè)角度分析一下上面列舉的實(shí)例：如果生料氧化鈣和三氧化二鐵不變，氧化鎂降低1.05，燒失量將降低1.05×1.0918=1.15，由于生料成分總和基本不變，必然引起二氧化硅和三氧化二鋁按比例增加1.05+1.15=2.20，根據(jù)生料KH計(jì)算公式：KH=(CaO-1.65×A12O3-0.35×Fe2O3)/(2.8×SiO2)，二氧化硅和三氧化二鋁前面的系數(shù)分別是2.8和1.65，將會(huì)引起生料KH發(fā)生很大的變化，根本原因就是石灰石氧化鎂的大幅度變化。
2.4 氧化鎂與生料成分及率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系
在水泥生料中，如果生料三率值是一個(gè)定值，則二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鈣之間的比例是一個(gè)定值，由于生料氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鎂、燒失量之和基本不變，則同一個(gè)生料三率值，隨著氧化鎂的變化，其它成分會(huì)按比例同時(shí)進(jìn)行反方向變化。如果氧化鎂增加1.00，將會(huì)引起燒失量同步增加1.0918，SiO2、A12O3、Fe2O3、0.7848×CaO將會(huì)按比例降低1.00+1.0918=2.0918。
“表3”是同一生料三率值，不同生料氧化鎂對(duì)應(yīng)的生料成分和率值，5組數(shù)據(jù)的三率值相同，氧化鎂不同，三氧化二鐵無(wú)很大變化，氧化鈣變化很大，數(shù)據(jù)表明：當(dāng)生料三率值不變時(shí)，不同生料氧化鎂對(duì)應(yīng)不同的生料氧化鈣，鈣鐵控制法的關(guān)鍵是保證石灰石氧化鎂穩(wěn)定，如果無(wú)法保證石灰石氧化鎂穩(wěn)定，必須同時(shí)測(cè)定出磨生料的氧化鎂，及時(shí)調(diào)整出磨生料氧化鈣的控制指標(biāo)。
3 鈣鐵控制法出磨生料氧化鈣控制指標(biāo)調(diào)整計(jì)算
出磨生料氧化鈣控制指標(biāo)調(diào)整計(jì)算包含兩個(gè)部分，一是出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算，二是出磨生料氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算。
3.1 出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算
分析室提供的出磨生料化學(xué)分析數(shù)據(jù)，不一定恰好符合生料三率值目標(biāo)值要求，出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算就是以生料三率值目標(biāo)值和出磨生料化學(xué)分析數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算，不改變生料化學(xué)分析的氧化鎂和生料成分總和，計(jì)算后的生料各成分恰好符合生料三率值目標(biāo)值要求，出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分按下式計(jì)算。
假設(shè)：L1、S1、A1、F1、C1、M1分別表示計(jì)算前生料全分析的燒失量、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂;
L2、S2、A2、F2、C2、M2分別表示計(jì)算后生料標(biāo)準(zhǔn)成分的燒失量、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂;
KH、SM、IM分別表示生料三率值的目標(biāo)值。
M1=M2
M=S1+A1+F1+C1×1.7848=S2+A2+F2+C2×1.7848
KH=(C2-1.65×A2-0.35×F2)/(2.8×S2)
SM=S2/(A2+F2)
IM=A2/F2
將上面的關(guān)系式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，設(shè)：
B=(IM+1)×(SM+1)+1.7848×[1.65×IM+0.35+2.8×KH×SM×(IM+1)]
則：F2=M/B
C2=[1.65×IM+0.35+2.8×KH×SM×(IM+1)]×F2
S2=SM×(IM+1)×F2
A2=IM×F2
L2=L1+(C2-C1)×0.7848
上式即為鈣鐵控制法出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分的計(jì)算公式。
3.2 水泥生料氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算
氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算，就是以出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分和生產(chǎn)控制中變化后的氧化鎂為基準(zhǔn)進(jìn)行的生料成分計(jì)算，便于出磨生料氧化鎂變化后及時(shí)調(diào)整氧化鈣的控制指標(biāo)。
假設(shè)：L1、S1、A1、F1、C1、M1分別表示生料標(biāo)準(zhǔn)成分的燒失量、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂;
L2、S2、A2、F2、C2、M2分別表示生產(chǎn)控制中氧化鎂變化后生料標(biāo)準(zhǔn)成分的燒失量、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂;
令：K=(M1-M2)×2.0918
E=S1+A1+F1+C1×1.7848
則：
S2=S1×(1+K/E)
A2=A1×(1+K/E)
F2=F1×(1+K/E)
C2=C1×(1+K/E)
L2=L1+(C2-C1)×0.7848+(M2-M1)×1.0918
上式即為出磨生料氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)成分計(jì)算公式。
3.3 相關(guān)系數(shù)的計(jì)算過(guò)程
公式中有些系數(shù)，在制作計(jì)算工具時(shí)要輸入詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，否則會(huì)出現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)修約誤差，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下：
0.7848=44.01/56.08
1.7848=1+44.01/56.08
1.0918=44.01/40.31
2.0918=1+44.01/40.31
56.08、40.31、44.01分別是氧化鈣、氧化鎂和二氧化碳的分子量
3.4 出磨生料氧化鈣控制指標(biāo)調(diào)整計(jì)算實(shí)例
已知生料三率值的目標(biāo)值是KH：0.960;SM:2.80;IM:1.50;出磨生料的氧化鎂是1.15，“表4”是出磨生料氧化鈣控制指標(biāo)調(diào)整計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，1#是出磨生料最新的化學(xué)分析數(shù)據(jù)，2#是計(jì)算的出磨生料標(biāo)準(zhǔn)成分，3#是計(jì)算的出磨生料氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)成分，41.75和1.93分別是氧化鎂在2.05條件下的氧化鈣和三氧化二鐵的控制指標(biāo)，42.59和1.97分別是氧化鎂在1.15條件下的氧化鈣和三氧化二鐵的控制指標(biāo)。
可見(jiàn)當(dāng)出磨生料氧化鎂由2.05降低到1.15時(shí)，出磨生料氧化鈣控制指標(biāo)必須由41.75提高到42.59，否則生料KH肯定不符合目標(biāo)值要求。
4 鈣鐵控制法在水泥生料質(zhì)量控制中的應(yīng)用
在生產(chǎn)控制中，有時(shí)熒光儀出現(xiàn)故障，需要維修，往往需要幾天的時(shí)間，此時(shí)可以用鈣鐵儀控制出磨生料，如果石灰石氧化鎂比較穩(wěn)定，可直接將氧化鈣和三氧化二鐵作為控制指標(biāo)，24小時(shí)綜合樣進(jìn)行化學(xué)全分析。如果石灰石氧化鎂不穩(wěn)定，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行出磨生料氧化鎂的手工快速分析，及時(shí)調(diào)整氧化鈣的控制指標(biāo)，防止長(zhǎng)時(shí)間的滯后，三氧化二鐵的控制指標(biāo)則不必調(diào)整，控制過(guò)程中還要注意以下問(wèn)題：
(1)要注意鈣鐵儀以及氧化鎂快速分析與手工化學(xué)全分析的誤差;
(2)最好設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算表格，保留最新的30組生料化學(xué)分析數(shù)據(jù)，對(duì)氧化鈣、氧化鎂及燒失量進(jìn)行二元回歸分析，不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律、差別較大的數(shù)據(jù)不能采用;
(3)如果出磨生料三氧化二鐵符合要求，不能隨意調(diào)整鐵質(zhì)原料的配比;
(4)要采用硅質(zhì)原料和鋁質(zhì)原料同步調(diào)整的原則，保證硅質(zhì)原料和鋁質(zhì)原料配比的比值基本不變，該比值可從前期的配料記錄中獲取，取一定時(shí)間內(nèi)的平均值;
(5)由于調(diào)整滯后，在石灰石搭配時(shí)要保證石灰石氧化鎂基本穩(wěn)定，只有氧化鎂穩(wěn)定后，關(guān)系式KH=0.1968×CaO+0.1773×MgO-7.82才能變成單相關(guān)，情況就會(huì)變的簡(jiǎn)單。
5 結(jié)束語(yǔ)
雖然氧化鎂不參與生料KH值計(jì)算，但是對(duì)生料KH影響卻很大，多年來(lái)這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有引起企業(yè)技術(shù)人員和有關(guān)專家的重視，沒(méi)有注意氧化鎂對(duì)生料KH的影響。如果生料氧化鈣基本不變，氧化鎂不穩(wěn)定將直接引起二氧化硅和三氧化二鋁變化，導(dǎo)致生料KH變化，因此要注意進(jìn)廠石灰石氧化鎂的搭配與調(diào)整。
就目前而言，想保證“原料成分非常穩(wěn)定”根本不可能，入磨原料成分是變化的，即使采用多元素?zé)晒鈨x并配置“生料率值控制系統(tǒng)”也無(wú)能為力，無(wú)法保證出磨生料率值的合理與穩(wěn)定，因?yàn)檎{(diào)整是滯后的，也無(wú)法預(yù)測(cè)后期原料成分的變化情況，最好的方法就是實(shí)施水泥生料前置控制，根據(jù)原料的變化情況，提前調(diào)整原料的配比。