水泥生產基礎知識

水泥生產基礎知識2014年6月12日目錄一、硅酸鹽水泥的定義及發(fā)展二、硅酸鹽水泥熟料的形成過程三、硅酸鹽水泥熟料的礦物組成四、硅酸鹽水泥的生產過程及方法一、硅酸鹽水泥的定義及發(fā)展1、水泥的定義與分類凡細磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂石等散?；蚶w維材料牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料，稱為水泥。水泥按其性能與用途可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。通用水泥有硅酸鹽水泥、普通水泥、礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復合水泥及石灰石水泥等七種。2、水泥工業(yè)的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢世界水泥工業(yè)的發(fā)展歷史：1824年：普通立窯—年產量約2千噸；1877年：干法中空回轉窯—年產量約1萬噸；1910年：機械化立窯—年產量約幾萬噸；1928年：立波爾窯—年產量約達10萬噸以上；1950年：懸浮預熱器窯—年產量幾十萬噸，熱耗更低；1971年：預分解窯—年產量可達幾百萬噸，日產1萬噸以上，質量高、熱耗低、電耗少、環(huán)境優(yōu)美，資源也得到了充分利用。世界水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢1、大型化：單機產量已達15000t/d；2、自動化：采用計算機及集散控制技術，大大提高了控制管理能力，提高了生產效率；3、高效節(jié)能化：到目前為止，世界先進水泥工業(yè)企業(yè)單位產量電耗最低可達60kwh/t.ck，煤耗最低可達80kg/t.ck；4、環(huán)保生態(tài)化：新型干法水泥企業(yè)采用先進收塵設備，嚴格控制粉塵排放與噪聲污染，環(huán)境優(yōu)美，資源也得到了充分利用。我國水泥工業(yè)發(fā)展1889年：河北唐山啟新洋灰公司，現(xiàn)為啟新水泥廠，其后建設了大連、上海、中國、廣州水泥廠等；至1949年全國解放：全國生產能力300多萬噸，實際生產66萬噸；1952年，年產量286萬噸；至1987年：年產量1.86億噸；2005年：10億噸。2006年：12億噸。新型干法水泥生產總結為“八個字”優(yōu)質、高產、低耗、環(huán)保

（一）硅酸鹽水泥和普通水泥的標準發(fā)展過程

1952年——采用日本強度試驗方法和前蘇聯(lián)水泥標號。

1956年——以前蘇聯(lián)水泥標準為藍本制訂全國統(tǒng)一的水泥標準和檢驗方法。

1979年——建立第二部水泥國家標準。

1992年——針對我國水泥面向國際市場，建立第二部國家標準。

1999年——修訂建立第四部水泥國家標準。標準分類：

GB——強制性國家標準、JC——建材行業(yè)標準、GB/T——推薦性國家標準等。3、基本概念及對硅酸鹽水泥品質指標的要求1、硅酸鹽水泥的定義與代號凡由硅酸鹽水泥熟料、0-5%石灰石或?；郀t礦渣、適量石膏混合磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。分為兩種：不摻混合材料—Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅰ；摻加不超過5%石灰石或?；郀t礦渣—Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅱ。

2、組分材料（1）熟料凡由適當成分生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的燒結物，稱為硅酸鹽水泥熟料，簡稱熟料。（2）混合材料在粉磨時與熟料、石膏一起加入磨內以改善水泥性能、調節(jié)水泥標號、提高水泥產量的礦物材料。（3）石膏用作調節(jié)水泥凝結時間的組分材料。3、對硅酸鹽水泥品質指標的要求（1）不溶物P.I—不超過0.75%，P.II不超過1.50%。（2）氧化鎂熟料中氧化鎂含量不得超過5.0%，經(jīng)壓蒸安定性檢驗合格，不得超過6.0%。（3）三氧化硫水泥中三氧化硫不得超過3.5%。（4）燒失量P.I不超過3.0%，P.II不超過3.5%。（P·O≯5.0%）（5）細度0.08mm方孔篩余小于10.0%，比表面積大于300m2/kg。（6）凝結時間初凝不早于45min，終凝不遲于390min。（P·O≯10h）（7）安定性經(jīng)沸煮法檢驗必須合格。（8）強度硅酸鹽水泥強度指標如下：標號抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.08.0

（9）堿含量以Na2O+0.658K2O表示。在使用活性骨料時，硅酸鹽水泥中堿含量應小于0.6%或由供需雙方商定。4、其他概念（1）安定性水泥在加水后體積變化的均勻程度，稱為體積安定性，簡稱安定性。（2）廢品凡氧化鎂、三氧化硫、初凝時間、安定性中任一項不符合標準規(guī)定時，均為廢品。（3）不合格品凡細度、終凝時間、不溶物和燒失量中任一項不符合標準規(guī)定或混合材料摻加量超過最大限量和強度低于商品標號規(guī)定的指標時稱為不合格品。水泥包裝標志中水泥品種、標號、工廠名稱和出廠編號不全的也屬于不合格品。二、硅酸鹽水泥熟料的形成過程

硅酸鹽水泥主要由熟料組成，熟料的形成過程直接決定水泥的產量、質量、燃料與襯料的消耗以及窯的安全運轉。只有掌握了生料在煅燒過程中的物理化學變化規(guī)律，才能合理選擇水泥熟料煅燒方法，正確操作，科學控制，最終達到優(yōu)質、高產、低耗、環(huán)保的目的。生料在加熱過程中，依次發(fā)生干燥、粘土礦物脫水、碳酸鹽分解、固相反應、熟料燒結、熟料冷卻結晶等重要物理化學反應。1、干燥與脫水1、干燥主要是指排除生料中自由水分的工藝過程。生料中的自由水分隨物料溫度而逐漸蒸發(fā)，當溫度升高至100～150℃時，生料中自由水分全部被排除。特點：在預熱器中蒸發(fā)生料中少量的水分，使生料迅速升溫。

2、脫水指在預熱器中熱煙氣作用下，粘土礦物分解放出化合水。脫水分兩種：一種是脫去配位水，一般在400-600℃以上才能脫去；一種是吸附水，一般在100℃左右即可脫去。粘土礦物脫水中一個吸熱過程，吸熱量較少，升溫速度快。在900～950℃時，無定形物質又轉變?yōu)榫w，同時放出熱量。（分解爐溫度控制范圍）2、碳酸鹽分解

生料中碳酸鹽主要是碳酸鈣和碳酸鎂，它們在煅燒過程中分解并放出CO2的過程稱為碳酸鹽的分解過程。一般碳酸鎂在600℃開始分解，到750℃分解劇烈進行，并吸收大量熱；碳酸鈣在750℃開始分解，到897℃時分解劇烈進行，同時也吸收大量熱。由于碳酸鈣在水泥生料中占80%左右，其分解過程需要吸收大量的熱，這是熟料煅燒過程中消耗熱量最多的一個環(huán)節(jié)，也是水泥熟料煅燒的一個最重要的環(huán)節(jié)。MgCO3=MgO+CO2↑-（1047～1214）J/gCaCO3=CaO+CO2↑-1645J/g

（1）碳酸鈣分解反應的特點這是一個可逆的、強吸熱、燒失量大的反應，其分解溫度與CO2的分壓和礦物結晶程度有關。（2）碳酸鈣的分解過程①熱氣流從周圍環(huán)境向碳酸鈣顆粒表面?zhèn)鳠幔虎跓崃繌念w粒表面向內部傳遞；③在一定溫度下碳酸鈣吸熱分解并放出CO2；④CO2氣體從顆粒內部向表面擴散；⑤CO2氣體從顆粒表面向四周擴散。⑥外加劑摻加少量外加劑如OH-等物質可以提高碳酸鈣的分解速度。下圖為正在分解的碳酸鈣顆粒

3、固相反應

當窯內溫度升高到一定程度時，生料中各種氧化物之間就會產生相互反應即固相反應，其固相反應過程如下：

800℃：形成CA、CF、C2S；

800-900℃：開始形成C12A7；

900-1100℃：形成C2AS后又分解。開始形成C3A和C4AF。所有碳酸鈣均分解，游離氧化鈣達到最大值。

1100-1200℃：大量形成C3A和C4AF，C2S含量達最大值。固相反應是放熱反應。普通原料放熱量約為420-500J/g。

影響固相反應的因素：（1）和生料的細度及其均勻程度生料越細，生料的均勻性越好，其固相反應接觸面積越大，反應越快。（2）原料的性質原料中結晶SiO2越多，結晶越大，其易燒性越差，固相反應速度就越慢。（3）溫度反應溫度越高，質點能量越高，擴散速度越快，可加快固相反應的速度。（4）礦化劑采用適當?shù)牡V化劑，可以促使SiO2晶體活化，加速生料中的結晶SiO2分解，從而加快固相反應。4、熟料的燒結

（1）熟料的燒結過程熟料的燒結就是在高溫液相下，固相硅酸鈣和氧化鈣都逐步溶解于液相中，硅酸二鈣吸收氧化鈣形成硅酸鹽水泥的主要礦物——硅酸三鈣。其反應方程式如下：C2S+CaO→C3S

熟料的燒成溫度一般在1250—1450—1250℃，故通常把1250—1450—1250℃稱為熟料的燒結溫度。在此溫度范圍內大致需要10-20min完成熟料的燒結過程。

（2）影響熟料燒結過程的因素①最低共熔溫度最低共熔溫度越小，液相出現(xiàn)越早，熟料的燒結就會越快。②液相量適當?shù)囊合嗔靠梢约铀貱3S的形成，一般熟料在燒成過程中液相量為20-30%。③液相的粘度液相的粘度對C3S的形成有很大的影響。粘度越小，質點擴散速度越快，C3S也就越易形成。④液相的表面張力液相的表面張力越小，就越易潤濕固相顆粒表面，也就越有利于C3S的形成。⑤氧化鈣和硅酸二鈣溶于液相的速率氧化鈣和硅酸二鈣的溶解速度加快，就會加快C3S的形成速度，熟料就越易燒結。5、熟料的冷卻

（1）冷卻的作用改善熟料質量與易磨性；降低熟料的溫度，便于儲存、運輸和粉磨；部分回收熟料出窯帶走的熱量，預熱二次空氣，從而降低熟料的熱耗，提高熱效率。熟料冷卻的方式分為三種：急冷——冷卻速度很快；平衡冷卻——冷卻速度適中；獨立結晶——冷卻速度很慢。熟料在冷卻過程中，將有部分熔劑礦物形成晶體析出，另一部分來不及析晶而呈玻璃態(tài)存在。

（2）急冷的作用①減少C3S分解。因為熟料在冷卻時，其中的C3S在1250℃左右時會分解成C2S，并產生二次f-CaO，降低了熟料的早強。②避免C2S產生晶型轉變。熟料在冷卻時，其中的C2S在500-600℃左右時，會從β-C2S轉變?yōu)棣?C2S，其密度由3.24降低到2.97，體積膨脹約11%，而導致熟料脹裂崩潰而使熟料粉化。γ-C2S幾乎沒有水硬性，從而大大降低了熟料的強度。③使MgO形成固溶體，降低熟料中方鎂石的含量。熟料冷卻速度快，可以使其中的MgO形成固溶體，不至于形成難以水化的方鎂石，保證了熟料的安定性。④使C3A形成固溶體，提高熟料的抗硫酸鹽性，克服水泥快凝。熟料冷卻速度快，可以使其中的C3A形成固溶體，提高了熟料的抗硫酸鹽性。同時由于C3A形成了固溶體，還可以使其水化速度減慢，防止熟料快凝。⑤提高熟料的易磨性。熟料冷卻速度快，可以在其內部產生內應力，從而改善了熟料的易磨性，提高水泥粉磨的效率，降低了粉磨成本。三、硅酸鹽水泥熟料的礦物組成

硅酸鹽水泥熟料礦物主要由氧化鈣、氧化硅、氧化鋁和氧化鐵四種氧化物組成，同時還含有約5%的少量如氧化鎂、三氧化硫、氧化鈦、氧化磷以及堿等?，F(xiàn)代生產的硅酸鹽水泥熟料，各主要氧化物含量波動范圍為：CaO：62-67%；SiO2：20-24%；Al2O3：4-7%；Fe2O3：2.5-6.5%。

熟料礦物中，氧化鈣、氧化硅、氧化鋁和氧化鐵不是以單獨的氧化物存在，而是經(jīng)高溫煅燒后，以兩種或兩種以上氧化物反應生成的多種礦物集合體，其結晶細小，通常為30-60um。硅酸鹽水泥熟料中主要形成四種礦物：硅酸三鈣：3CaO.SiO2；硅酸二鈣：2CaO.SiO2；鋁酸三鈣：3CaO.Al2O3；鐵鋁酸四鈣：4CaO.Al2O3.Fe2O3。另外，還有少量的游離氧化鈣（f-CaO）、方鎂石（結晶氧化鎂）、含堿礦物以及玻璃體等。以上四種主要礦物約占95%，其中硅酸鈣約占75%，合稱為硅酸鹽礦物；鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣占22%左右，稱為熔劑礦物。1、硅酸三鈣

硅酸三鈣在干法水泥熟料中約占50-60%。通常和少量其它氧化物如氧化鎂、氧化鋁等形成固溶體，稱為阿利特或A礦。硅酸三鈣的水化特點：

1、早期強度高，總強度高；

2、水化速度較快；

3、水化熱較大；

4、抗水性差。增大熟料中硅酸三鈣含量，可以提高熟料的強度，但過高時，會給煅燒帶來困難，同時熟料中游離氧化鈣增高，從而降低水泥強度，甚至會影響水泥的安定性。2、硅酸二鈣熟料中硅酸二鈣約占20%左右。通常硅酸二鈣與少量其它氧化物如氧化鎂、氧化鋁等形成固溶體，稱為貝利特或B礦。熟料中硅酸二鈣的水化速度水化較慢，約為硅酸三鈣的20分之一。至28d僅水化20%左右。硅酸二鈣的水化特點：

1、早期強度低，總強度較高；

2、水化速度慢；

3、水化熱??；

4、抗水性好。增大熟料中硅酸二鈣含量，可以提高熟料的后期強度，但過高時，燒結范圍會變窄，熟料易產生粉化，從而降低水泥強度。3、鋁酸三鈣

熟料中鋁酸三鈣與其它少量氧化物如Na2O等形成固溶體，由于在反光顯微鏡下呈暗灰色，故又稱為黑色中間相。鋁酸三鈣水化迅速，放熱量大，凝結很快，其強度在三天內大部分發(fā)揮出來，28d達到80%以上，故早強較高，但后期強度有倒縮現(xiàn)象。鋁酸三鈣的水化特性：（1）早強較高，但后期強度差；（2）水化速度快；（3）水化放熱量大；（4）抗硫酸鹽性差。4、鐵鋁酸四鈣

熟料中鐵鋁酸四鈣與其它少量氧化物如Na2O等形成固溶體，由于在反光顯微鏡下呈亮白色，故又稱為白色中間相。鐵鋁酸四鈣水化較快，放熱量較小，早強較高，介于硅酸三鈣與鋁酸三鈣之間。鐵鋁酸四鈣的水化特性：（1）早強較高，后期強度較好；（2）水化速度較快；（3）水化放熱量較?。唬?）抗硫酸鹽性好。5、玻璃體

在硅酸鹽水泥熟料中，熔融液相在冷卻時來不及結晶，會產生玻璃體。玻璃體的主要成分為：Al2O3、Fe2O3、CaO，還有少量的MgO和堿（K2O和Na2O）等。一般情況下，玻璃體在熟料中的含量為20-30%。過多則液相量太大，易產生結大塊；過少則熟料不易燒結，兩種情況都會使熟料質量變差。玻璃體在水化時放熱較高，其易磨性較好。6、游離氧化鈣

當配料不當，生料過粗或煅燒不良時，熟料中就會出現(xiàn)沒有被吸收的以游離狀態(tài)存在的氧化鈣，稱為游離氧化鈣，又稱為游離石灰。它在偏光顯微鏡下為無色圓形顆粒，有明顯解理。在反光顯微鏡下用蒸餾水浸蝕后呈現(xiàn)彩虹色。死燒的游離氧化鈣結構致密，水化慢，在加水三天后才有明顯反應，水化生成氫氧化鈣時，體積膨脹97.9%，產生膨脹應力，嚴重時影響水泥的安定性。一般應控制在1.5%以下。7、方鎂石

方鎂石為游離狀態(tài)的氧化鎂晶體。其水化速度慢，水化時也會膨脹，影響水泥的安定性。一般含應控制在5.0%以下，經(jīng)壓蒸安定性檢驗合格后可放寬到6.0%。在反光顯微鏡下觀察，方鎂石呈不規(guī)則的多角形。用蒸餾水浸蝕后，呈粉紅