矿渣粉厂实验室的设计

2018-03-31李江

实验科学与技术 2018年1期

李江

(中冶赛迪重庆环境咨询有限公司，重庆渝中区 400013)

粒化高炉矿渣粉(简称矿渣粉)是以粒化高炉矿渣(简称矿渣)为主要原料，经筛选、立磨等工序制成一定细度的粉体，它与水泥化学成分接近，具有潜在超高活性和水硬性，已成为水泥和混凝土的优质掺和料，是一种新型的绿色建筑材料。因而，建设矿渣粉厂，可以实现钢铁企业资源综合利用，真正实现变废为宝。而质量检验工作是矿渣粉厂生产过程中的重要环节之一，为保证矿渣粉厂产品质量，为企业创造效益，必须同步建设其实验室。因此，实验室设计在矿渣粉厂设计中是必不可少的重要组成部分。本文结合国内外多个实验室建设和设计经验，分析了当前矿渣粉厂实验室设计的一些基本标准、原则、要求和设计思路等。

1 矿渣粉厂实验室遵循的主要标准

由于矿渣和矿渣粉的化学成分与水泥接近，检验标准可参照水泥的相关标准，因此在设计矿渣粉厂实验室中必须遵循的主要检验相关标准为：

1)《用于水泥中粒化高炉矿渣》；

2)《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》；

3)《煤炭分析试验方法一般规定》；

4)《水泥化学分析方法》；

5)《水泥密度测定方法》；

6)《水泥比表面积测定方法(勃氏法)》；

7)《水泥胶砂流动度测定方法》；

8)《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》；

9)《水泥原材料中氯的化学分析方法》；

10)《铁矿石交货批水分含量的测定》；

11)《金属穿孔板试验筛》；

12)《煤的工业分析方法》等。

2 检化验项目及设备的确定

2.1 检化验项目的确定

矿渣粉厂实验室承担的生产检化验任务主要是矿渣、燃用煤和矿渣粉的理化性能，根据承担的生产检化验任务和遵循的检验相关标准要求，确定矿渣粉厂实验室承担的检验项目有如下3点。

1) 矿渣检验项目[1]，包括化学成分(CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TiO2、MnO、F、S)、质量系数、堆积密度、最大粒度和大于10 mm颗粒的含量。

2) 燃用煤检验项目[2]，包括工业分析、硫分和发热量等。

3) 矿渣粉检验项目[3]，包括烧失量、三氧化硫、氯离子、密度、比表面积、活性指数、流动度比和含水量。

2.2 检化验设备的确定

实验室一般采用仪器分析为主、湿法化学分析为辅的分析原则，在此原则下根据承担的检化验项目和试验方法来确定检化验设备。检化验设备选型应以技术先进成熟可靠、操作快速方便为原则，同时也要考虑经济效益[4]，具体选型立足于国产，对国内尚无成熟技术的关键性仪器设备采用国外引进[5]。根据以上要求确定的矿渣粉厂实验室检验设备有如下5种。

1) 制样设备。

包括破碎机、粉碎机、试验磨、缩分器、振筛机、标准筛及电子天平等。

2) 成型设备。

包括电子天平、水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂试模及水泥胶砂振实台等[6]。

3) 养护设备。

包括水泥标准恒温恒湿养护箱及水泥试件恒温水养护箱等[6]。

4) 物理性能检测设备。

包括抗折强度试验机、抗压强度试验机、水泥胶砂流动度测定仪(跳桌)、比表面积测定仪、负压筛析仪、微粉堆积密度测定仪及水分快速测定仪等。

5) 化学分析设备。

包括X射线荧光分析仪、工业分析仪、定硫仪、量热仪、FCL元素分析仪、分光光度计、电子分析天平、箱式电阻炉、电热鼓风干燥箱、电热恒温水浴锅、电热板及纯水机等。

3 实验室组成及房间布置

3.1 实验室组成

矿渣粉厂实验室由物理性能检测实验室、化学性能分析实验室和辅助及管理用房组成。

物理性能检测实验室是进行矿渣和矿渣粉物理性能的检测，包括成型室、养护室、强度检验室、细度室及样品室等；化学性能分析实验室是进行矿渣、矿渣粉和燃用煤化学性能的检测，包括试样制备室、X荧光分析室、煤工业分析室、煤发热量室、化学分析室、天平比色室、高温室、制水配剂室及药品库等；辅助及管理用房是技术管理和行政管理的场所，包括数据处理室、工作室、会议室、资料室及原料库等。

3.2 房间布置

实验室房间布置时需对以上确定的实验室组成房间进行合理布局，在进行布局设计时需注意以下7点要求。

1) 实验室工艺房间布置要符合检化验工艺流程，要适应建筑模数，配合建筑造型。

2) 在工艺上互有联系者，宜邻近靠拢，如成形室、养护室和强度检验室邻近布置，化学分析室、天平比色室和制水配剂室邻近布置；在操作中互有干扰者，尽量远离，如X荧光分析室、天平比色室、煤工业分析室、煤发热量室、细度室应尽量远离试样制备室布置。

3) 工程管网较多的房间宜组合在一起[7]，如有气体要求的X荧光分析室、煤工业分析室、煤发热量室和细度室尽量布置在一起，这样便于气体管道的集中敷设和检修。

4) 布置精密仪器房间的位置，要选择良好朝向，避免阳光直射，如X荧光分析室和天平比色室等。

5) 设备较重或需防振的房间宜布置在一层[8]，如试样制备室、成形室和强度检验室等。

6) 湿法化学分析用房(化学分析室、制水配剂室等)由于在实验过程中会产生有腐蚀性、难闻的气体，宜设置在楼房的顶层。

7) 管理用房(工作室、会议室及资料室等)便于对实验室的管理，宜设置在楼房中间层。

4 对公用设施的要求

4.1 总图

矿渣粉厂实验室的总图位置选择时需注意以下5点要求。

1) 实验室要远离污染源，最好布置在厂区污染源的上风向，避免厂内粉尘和有害气体对分析结果的影响。

2) 实验室要尽量远离振源、电磁源，避免或减少对精密仪器分析结果的影响。

3) 实验室周围环境要安静、清洁，满足自然采光及自然通风。

4) 实验室应采用南北朝向，避免阳光向精密仪器直射[7]。

5) 实验室周围要适当绿化，附近道路要采用不起尘路面，实验室主出入口要接通汽车道路。

4.2 建筑和结构

4.2.1 房间尺寸

实验室开间模数一般采用3.6 m或4.0 m；进深模数一般采用6.0 m或7.0 m；层高一般采用3.6 m或3.9 m，有吊顶要求的房间层高则相应增加[7]，吊顶后净空高度应不低于3.3 m。如按建筑模数排列实验室各房间，就按模数的倍数确定长、宽、高。

在北方，由于冬天天气寒冷，应采用内走廊，内走廊宽度一般采用2.1 m或2.4 m；在南方，根据实际需要，可设计成外走廊，外走廊宽度一般采用1.5 m。

4.2.2 地坪、楼板负荷

一层布置试样制备及较重设备，地坪负荷为0.8～1 t/m2；其他层楼板负荷不低于400 kg/m2；负荷较大的房间按实际要求设计。

4.2.3 设备基础

用于试样制备和强度检验的设备一般较重或工作时会产生振动，通常会有基础设计要求，在设计时这些设备需根据设备基础资料进行基础设计。

4.2.4 门、窗

小房间设单开门，门宽为1 m；大房间设双开门，门宽为1.5～2.0 m；在严寒地区，可在频繁出入处设双道门(即设缓冲区)；有恒温恒湿要求的房间也应设双道门；门的开启方向一般往里开，有爆炸危险性的房间门应向外开[8]。为使实验楼外观美观，可设外出门厅，上方做挑檐或女儿墙。

窗主要用于采光，其采光比一般为1/6～1/7；有防晒要求的房间应设遮阳窗帘或百叶窗；在寒冷地区或空调要求的房间采用双层窗[9]。

4.2.5 室内装修

室内装修的工艺要求与标准高低问题，在设计中往往争论较多，下面对实验室内部装修作一般介绍。

1)地坪。

试样制备室为水磨石，化学分析室和制水配剂室为耐磨耐酸碱防滑地板砖，其他房间为耐磨防滑地板砖；试样制备室和强度检验室需考虑一定的隔振措施；X荧光分析室和天平比色室需根据仪器要求考虑防震措施。

2)墙面。

各房间的墙面一般刷白色优质涂料，其中化学分析室和制水配剂室刷耐酸碱腐蚀的白色优质涂料；试样制备室易产尘，便于墙面清洁，可采用高1.2～1.5 m的油漆墙裙；化学分析室和制水配剂室在实验过程中需要大量用水及酸碱试剂的滴定操作等，可在靠墙布置的化验台和洗涤台附近墙面离地1.5 m以下贴耐酸碱腐蚀面砖。

3)天棚。

试样制备室、样品室、高温室、药品库和原料库等不设吊顶，天棚刷白色优质涂料；其他房间一般设吊顶。

4.2.6 消防要求

矿渣粉厂实验室建筑物火灾危险性类别一般为戊类，耐火等级不低于二级。

4.3 燃气

矿渣粉厂实验室所需的气体品种有氧气、氮气、氦气和P10气(氩甲烷气)等，这些气体的供气方式可分为管网供气和钢瓶供气。实验室燃气设施设计时有以下6点要求。

1) 从厂区外部管网引入的气体管道宜采用无缝钢管，引入到用气房间后应转换成与钢瓶气体管道材质保持一致的不锈钢管或紫铜管。

2) 从厂区外部管网引入到实验室的气体管道应设过滤器。

3) 应在各用气点处设置带压力表的截止阀和相应的减压阀。

4) 采用钢瓶供气时，宜设置气瓶间集中布置钢瓶，并设计汇流排，再引入到用气点。

5) 供气管道应明敷。

6) 按规范设置灭火器设施，提出气体泄漏报警要求。

4.4 通风

1) 空调。

根据实验室设备对环境的要求不同，有些房间必须设置空调，且湿度也有一定要求。

成型室和养护室[10]：室内温度20±2℃，相对湿度不低于50%；X荧光分析室[7]：室内温度23±5℃，相对湿度不大于70%；煤发热量室[11]：室内温度23±5℃，半小时内温度变化应小于1℃，一天内温度变化应小于5℃；天平比色室[12]：室内温度20～25℃，相对湿度50%～70%；强度检验室、细度室、煤工业分析室、化学分析室、制水配剂室、数据处理室、工作室、会议室等室内温度23±5℃。由于用电设备在工作时会产生热量，因此设计空调时还需考虑各房间用电设备的发热量。

2) 采暖。

在北方地区，除恒温恒湿房间外，冬季采暖温度应不低于18℃，药品库采暖温度可取5～8℃。

3) 通风与排风。

化学分析室和制水配剂室设置通风柜进行局部排风，风机及风管等排风设施，按酸浓度为260 mg/m3(一般为盐酸、硝酸、硫酸和氢氟酸)考虑耐酸碱气体腐蚀；样品室、试样制备室、化学分析室、制水配剂室、高温室、药品库、资料室及原料库等按10～15 次/h设计间断性通风换气设施。

4) 除尘。

破碎机、粉碎机及试验磨等制样设备在工作时会产生粉尘，需根据设备除尘要求(除尘风量及接口尺寸等)及环保标准要求设计除尘器或除尘罩。

4.5 给排水

实验室内各用水房间均应设置完善的给排水设施，设计时要注意以下7点要求。

1) 供水水质一般为生活水，水嘴压力为0.25～0.3 MPa。

2) 给排水管道的设置应满足化验分析和洗涤的要求，在化学分析室和制水配剂室应配置洗涤台，并在用水点附近应设地漏。

3) 化验分析废水(含微量酸碱废水)应排入生产污水管网。

4) 化验分析废液可经中和池处理后外排或集中收集后外运处理，具体方式可根据实际情况来确定。

5) 排水管道应尽可能少拐弯，并具有一定的倾斜度，以利于废水排放[9]。

6) 化学分析室应设喷淋洗眼装置，在实验中发生意外时进行紧急处理。

7) 应按有关规范设置消防栓等消防设施。

4.6 供配电

实验室供配电一般包括动力电和照明电，一般要求有如下7点。

1) 实验室内应设单相220 V/三相380 V交流电源，三相五线制，50 Hz，电压波动小于±10%。

2) 实验室供电可靠性应同矿渣粉厂一致。

3) 为保证电压的稳定，实验室应设置配电室。用电量大的房间应单独设置动力配电箱，用电量小的可邻近多个房间共设置一个动力配电箱。应按标准配置一定的检修电源箱。

4) 根据各设备的实际电压和电容量进行配管配线设计，室内各种配电管线应暗配。

5) 对大型精密仪器(如X射线荧光分析仪)应设计独立接地系统，一般接地电阻小于等于1 Ω；所有开关和电源插座都应设置静电接地系统。

6) 对需连续工作的设备和大型精密仪器应设专用供电电源或断电保护装置，这些设备有水泥标准恒温恒湿养护箱、水泥试件恒温水养护箱、X射线荧光分析仪、水泥抗折抗压试验机、抗折强度试验机及抗压强度试验机等。

7) 实验室采用日光灯照明，照度一般不低于300 Lx；灯具选配时应根据是否有吊顶进行合理选配，药品库及气瓶间等有爆炸危险的场所应设防爆灯具。

4.7 电讯

实验室电讯设施设计的一般有如下5点要求。

1) 根据房间类型及区域设置自动电话数量，工作室可每个房间设一部电话，实验频率较高的房间可设1部自动电话；调度电话一般设置一部。

2) 根据带计算机的分析仪器数量配置网络接口，工作室、会议室及数据处理室等可配置若干。

3) 电话和网络接口一般按组合配置，电话和网络线应暗配。

4) 在重要岗位房间应设置监控设施。

5) 应按规范在实验室设置火灾自动报警装置。

4.8 计算机

为实现检化验数据快速、准确传送及管理，实验室需设置一套分析数据计算机网络传输及管理系统，将分析数据自动传送到操作室和有关质量管理部门等。该系统应充分考虑到实验室所承担的检验项目，应具有分析数据的直接采集和人工键入功能，各种分析数据以百分含量表示，表示位数为xx.xxx。计算机应具有班、日、周及月等报表功能。

4.9 实验室家具

实验室家具包括实验台、洗涤台、通风柜和实验用柜等，它常与水、电、化学试剂和仪器设备等接触，因此它有其特殊性，在设计中除了应考虑实用、合理及美观外，还应注意以下4点要求。

1) 实验台。

实验台包括中央实验台、边化验台及设备台等，在设计及选择时应注意以下问题。

台面应平整、耐热、耐酸碱及熔剂腐蚀、防火、易清洁[12]；中央实验台宽度为1 500 mm，边化验台宽度为750 mm，设备台宽度为750～900 mm，实验台高度为750～850 mm，长度可根据实验室大小来确定；设备台要求能承重，一般为200～350 kg/m2；放置天平的设备台(天平台)应防震，放置加热设备的设备台应坚固、耐高温；实验台一般台下应带柜。

2) 洗涤台。

洗涤台一般随边化验台一起布置，外形尺寸一般为900 mm×750 mm×800 mm。

3) 通风柜。

通风柜的内衬及台面应耐酸碱腐蚀、耐高温、防火及防水，柜门的面板玻璃要使用安全玻璃。外形尺寸为1 500 mm(1 800 mm、2 000 mm)×850 mm×2 350 mm。一般单间实验室布置一个通风柜，双间实验室布置两个通风柜。

4) 实验用柜。

实验用柜包括药品柜、试剂柜、仪器柜及器皿柜等，外形尺寸一般为900 mm×500 mm×2 100 mm。