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特征成分法在水泥组分控制中的应用


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2009.No.1

特征成分法在水泥组分控制中的应用
宋子新
(唐山冀东水泥股份有限公司,河北 唐山 中图分类号:TQ172.18 文献标识码:B

063031 )

文章编号:1002-9877 (2009 )01-0046-03

0

引言
在通用硅酸盐水泥的生产过程中,不同企业根据
熟料

表2

试验方案及 Loss 检验结果
物料配比

%
Loss 3.02 5.31 7.61 3.71 6.05 7.83 4.50 6.26 8.68

使用混合材的种类、性质等,使用适合本企业的组分 检测控制方法,例如:烧失量法、还原值法、耗酸值法 和计量测试法等。 GB175 — 2007《通用硅酸盐水泥》对 通用水泥使用的混合材进行了进一步明确, 即以矿 渣、石灰石、粉煤灰、火山灰和砂岩为主,取消了粒化 铬铁渣、粒化增钙液态渣、粒化碳素铬铁渣和粒化高 炉钛矿渣等混合材料以及新开辟的混合材料的附录。 同时,标准中增加了关于组分的规定,即生产者应建 立组分控制方法,定期校核,并验证可靠性。 上述规 定,为组分控制提供了依据。 在实际生产过程中,笔者 根据不同物料成分特征,利用计算机技术,建立了一 —特征成分 种计算简明、结果精确的组分计算方法—— 法。

石膏

矿渣

石灰石

粉煤灰

78 67 56 65 54 58 52 56 45

2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 10 10 15 15 15 20 20 20

5 10 15 5 10 15 5 10 15

5 10 15 10 15 5 15 5 10

表3
方差来源 自由度

Loss- 石灰石方差分析
平方和 均方

F比 86.761 99

显著性

1
1.1

特征成分法的方法原理
特征成分的确定 目前,各水泥企业多采用矿渣、石灰石和粉煤灰

回归分析 残差 总计

1 7 8

27.692 02 2.234 206 29.926 22

27.692 02 0.319 172

**

为混合材进行水泥粉磨, 水泥原材料参考成分见 表 1。
表1
原料 熟料 石膏 矿渣

对 α =0.05, 查 出 F0.05 (1,7) =5.59。 因 为

原材料参考成分
SO3 0.50 K2O 1.00

86.761 99>>5.59,所以石灰石对 Loss 的影响非常显著
%
Na2O 0.09 0.20 0.30 0.08 0.35

(记为 **)。 按照上述方法,依次对熟料、矿渣、粉煤灰和石膏 进 行 Loss 影 响 显 著 性 分 析 ,其 F 比 分 别 为 :8.381 3、

Loss

CaO

SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 3.50 0.95 1.90

0.10 65.50 21.50 4.90 16.50 31.00 6.00 2.00

2.00 40.50 0.40 0.35 0.95 1.10

-0.74 37.50 32.50 14.50 2.00 11.00 0.20 2.00 1.00 0.85 1.50 0.02 0.20

0.512 53、0.043 25、3.067 44。 因此,熟料、矿渣、粉煤灰 和石膏对 Loss 的影响不显著, 最终确定 Loss 为石灰
石的特征成分。 同样, 确定 CaO 为熟料的特征成分,SO3 为石膏 的特征成分,MgO 为矿渣的特征成分。

石灰石 38.50 48.00 8.00 粉煤灰

3.00

3.00 53.50 28.50 6.00

根据数理统计,我们对不同原料不同成分对水泥 成分的影响进行显著性判定,从而确定每种原料的特 征成分。 以 Loss 为石灰石的特征成分的确定过程为 例: 首先,我们结合生产实际拟定试验方案,并进行 了 Loss 检验,见表 2。 根据检验结果,对每种原料对

1.2

数学模型

Cramer 规则是我们建立特征成分法数学模型的
基础。 设方程组:
! # # # # # # " # # # # # # $

a11x1+a12x2+…+a1nxn=b1 a21x1+a22x2+…+a2nxn=b2
……………………… (1 )

Loss 影 响 的 显 著 水 平 进 行 分 析 (设 置 信 度 为 0.95, α=0.05),分析结果见表 3。

an1x1+an2x2+…+annxn=bn

2009.No.1

宋子新 : 特征成分法在水泥组分控制中的应用

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(1)式是含有 n 个未知数的 n 个线性方程组成的 方程组,且定义:

利用上面的计算模板,通过水泥测定组分(荧光 分析或化学分析)的输入,可以很快地获得各种组分 的比例。 我公司应用特征成分法进行水泥组分控制,一段 时期内的实际生产数据及对应计算数据见表 5。
表5 特征成分法应用实例
石膏 矿渣 石灰石

a11 a12 … D= a21 a22 …
… … …

a1n a2n


Dj=

an1 an2 … ann a11 … a1j-1 b1 a1j+1 … a21 … a2j-1 b2 a2j+1 …
… … … … … …

%
粉煤灰

a1n a2n


组别

项目 生产设定配比

熟料

73 CaO 57.41 73.87 0.87 75 CaO 57.16 74.66 -0.34 84 CaO 60.09 83.32 -0.68

5 SO3 2.36 4.68 -0.32 5 SO3 2.38 5.49 0.49 5 SO3 2.40 5.61 0.61

13.5 MgO 2.73 12.77 -0.73 12 MgO 2.62 11.17 -0.83 7 MgO 2.36 7.46 0.46

6.5 Loss 3.08 6.61 0.11 6 Loss 4.08 6.32 0.32 4 Loss 3.05 3.62 -0.38

2



特征元素值 计算配比 差值 生产设定配比

anj-1 bn anj+1 … ann D 为方程组(1)的系数行列式。 Cramer 规则:如果 D≠0,那么方程组(1)有唯一
解:

an1 …

1


2.07 0.07 2

x1= D1 ,x2= D2 ,…,xn= Dn D D D
在实际设定方程组时, 我们把原料配比合计 为 1 作为行列式一项,所以有:
≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠



特征元素值 计算配比 差值 生产设定配比

2


2.35 0.35 0

a11x1+a12x2+ …+a1nxn=b1 a21x1+a22x2+ …+a2nxn=b2
…………………………… (2 )



特征元素值 计算配比 差值

3


an-1,1x1+an-1,2x2+ …+an-1,nxn=bn-1 x1+x2+ …+xn=1

-0.01 -0.01

1.3

检验 随着水泥工业的不断进步, 大型多通道 X 荧光

从表 5 可以看出:采用特征成分法进行水泥组分 控制,误差很小,满足水泥质量控制的需要。

分析仪广泛应用于水泥质量检验与控制,能够实现水 泥成分的快速、准确检验。 另外,随着水泥新标准的实 施,SO3、MgO 和 Loss 是通用水泥必须的检验项目。 在 水 泥 企 业 常 用 的 CaO 、MgO 的 检 验 方 法—— 学 分 —化 析 代 用 法 中 ,CaO 与 MgO 是 相 关 联 的 检 验 项 目 , 因 此,CaO 很易获得。

3

精确度
特征成分法的方法原理决定了它的高精确度。 因

为 CaO 、SO3、MgO 和 Loss 分 别 是 熟 料 、石 膏 、矿 渣 和 石灰石的特征成分,所以这些特征成分的确定最大限 度地减小了原料成分波动或水泥分析检验带来的误 差,这种方法有很高的精确度。 在实际生产过程中,生 产的稳定运行,计量设备的定期校验,原料的搭配使 用,严格的分析检验也保证了特征成分法高精确度的 实现。 下面, 针对特征成分法计算误差的主要来源:原 料成分的波动和水泥检验误差进行实例分析。

2

特征成分法应用实例
根据上述基本原理,我们建立了水泥组分计算数

学模型,其中熟料、石膏、矿渣、石灰石和粉煤灰的比 例为未知数,CaO 、SO3、MgO 和 Loss 为特征成分,按照 方 程 组 (2)组 成 方 程 组 ,通 过 EXECL 办 公 自 动 化 软 件,设计了水泥组分计算模板,见表 4。
表4
项目 熟料 石膏

3.1
粉煤灰 水泥

原料成分波动分析 我们对一段时期内水泥磨入磨物料进行了跟踪

水泥组分计算模板
矿渣 石灰石

检验,并进行了相应的组分计算和统计分析,统计结 果见表 6。 从上述统计及计算结果可以看出:随原料成分的 变化,对应的组分变化整体差值较小,但是,原料某些 成分的较大变化,也会带来组分比例的较大变化。 因 此,在实际生产过程中,应根据实际情况适时进行数 据源更新,确保数据的有效性。

CaO SO3 MgO Loss
常数 配比

65.50 0.50 1.90 0.10 1.00 67.88

31.00 40.50 2.00 16.50 1.00 5.23

38.50 0.20 10.00 0.00 1.00 16.99

48.00 0.02 0.85 38.50 1.00 6.40

3.00 0.20 1.50 3.00 1.00 3.50

55.80 2.50 3.20 3.50 1.00 100.00

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2009.No.1

表6
系 列 配比

原料成分—水泥组分统计
配比 组别

%

组别

CaO MgO Loss

SO3

系 石灰 粉煤 列 熟料 石膏 矿渣 石 灰

CaO MgO Loss

SO3
熟料 石膏

石灰 粉煤 矿渣 石 灰

平均值 最大值 熟 料 最小值 极差绝对值 标准偏差 平均值 最大值 石 膏 最小值 极差绝对值 标准偏差 平均值 最大值 石 灰 石 最小值 极差绝对值 标准偏差

65.16 1.82 0.28 0.58 79.3 4.98 4.53 7.90 3.34 65.43 2.00 0.52 0.61 80.0 5.14 4.88 9.00 4.32
矿 64.37 1.66 0.09 0.49 77.8 4.73 4.50 6.88 2.97 渣

平均值 最大值 最小值

37.50 11.21 38.52 11.80 35.77 9.88

0.18 79.1 5.41 4.45 7.79 3.04 0.20 81.0 5.43 4.49 8.57 3.49 0.15 78.8 5.32 4.42 5.72 2.69 0.05 2.20 0.11 0.07 2.85 0.80 0.102

1.06 0.34 0.43 0.12 2.20 0.41 0.38 2.12 1.35 0.231 0.117 0.145 0.040 31.22 2.66 16.88 37.32 79.4 5.40 4.30 7.48 3.37 32.24 3.00 17.10 41.71 79.5 5.67 4.61 7.54 3.52
粉 29.31 2.13 16.50 34.66 79.4 5.00 4.20 7.15 3.20 煤 灰

极差绝对值 2.75 1.92 标准偏差 平均值 最大值 最小值

1.024 0.735

3.55 1.08 1.34 0.35 79.1 5.40 4.59 7.62 3.26 3.72 1.26 1.85 0.57 79.4 5.40 4.60 8.12 4.05 2.40 0.80 1.02 0.21 79.0 5.39 4.56 6.61 2.95

2.93 0.87 0.60 7.15 0.10 0.67 0.41 0.39 0.32

极差绝对值 1.32 0.46 0.83 0.36 0.40 0.01 0.04 1.51 1.10 标准偏差

0.456 0.138 0.221 0.842 49.65 0.61 39.72 0.02 79.2 5.41 4.44 7.92 3.29 50.16 0.73 42.13 0.02 79.7 5.41 4.70 7.97 3.39 48.70 0.52 39.43 0.01 78.7 5.39 4.31 7.81 3.20 1.46 0.21 2.70 0.01 1.00 0.02 0.39 0.16 0.19 0.716 0.230 0.968 0.006

0.557 0.312 0.728 0.170

3.2

水泥检验误差分析 水泥检验误差也就是国家标准中所规定的各项

从上述变化结果来看,水泥检验误差对相应的组 分影响很小。 综上分析: 在适时进行数据源更新的前提下,用 特征成分法进行的组分计算能够满足水泥标准对组 分控制精度的要求。

允 许 差 , 其 中 同 一 实 验 室 CaO 的 允 许 差 为 0.25% ,

MgO 、SO3 和 Loss 的允许差为 0.15%。 我们将计算表 4
中水泥检验结果在允许差范围内进行变动,其对应的 组分变化见表 7 。
表7
成分 对比项目 变化前 含量 熟料 石膏 矿渣 石灰石 粉煤灰

4
水泥组分变化统计
原料比例

结论
我公司尝试采用特征成分法进行水泥组分控制,

%

满足了水泥质量控制的需要。 实践证明:特征成分法 是水泥质量控制过程中一种计算简明、结果精确的组 分计算方法。 (编辑 王新频)
4.59 4.60 0.01 4.59 4.97 0.38 4.59 4.62 0.03 4.59 4.42 0.17 3.26 2.87 0.39 3.26 3.14 0.12 3.26 2.55 0.71 3.26 3.11 0.15

58.50 58.75 0.25 3.00 3.15 0.15 2.50 2.65 0.15 2.50 2.65 0.15

79.13 79.55 0.42 79.13 78.82 0.31 79.13 78.26 0.87 79.13 79.12 0.01

5.40 5.40 0 5.40 5.40 0 5.40 5.41 0.01 5.40 5.80 0.40

7.62 7.59 0.03 7.62 7.65 0.03 7.62 9.16 1.54 7.62 7.55 0.07

CaO

变化后 差值绝对值 变化前

Loss

变化后 差值绝对值 变化前

MgO

变化后 差值绝对值 变化前

SO3

变化后 差值绝对值


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