第2章 水泥生产技术

1、第第2 2章章 硅酸盐水泥生产技术硅酸盐水泥生产技术 要点： 本章主要学习硅酸盐水泥的组分材料、生产技术要求与指标；熟悉硅酸盐水泥的生产过程、生产方法和特点；明确新型干法水泥生产的技术特征；掌握硅酸盐水泥熟料的组成、性能要求、矿物特性；熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制；可以利用相关计算式对熟料的率值、化学组成、矿物组成进行测算和换算。 2.1 2.1 硅酸盐水泥生产概述硅酸盐水泥生产概述 硅酸盐水泥（波特兰水泥）：凡由硅酸盐水泥熟料，05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥，用代号P表示；在硅酸盐水泥粉磨时掺入

2、不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉渣混合材料的称型硅酸盐水泥，用代号P表示。其中P为波特兰“Portland”的英文字首。 2.1.1 2.1.1 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 即国际上的波特兰水泥熟料，简称水泥熟料。是一种由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当比例配合磨成细粉（生料）烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝物质。 熟熟 料料2.1.2 2.1.2 混合材料混合材料 混合材料是指在粉磨水泥时与熟料、石膏一起加入磨内用以改善水泥性能、调节水泥标号、提高水泥产量的矿物质材料，如粒化高炉矿渣、石灰石等。粒化高炉矿渣是高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝酸钙为主

3、要成分的熔融物经淬冷成粒后的产品。石灰石为水泥工业原料，在水泥中掺入少量石灰石可以起到混合材料的作用。 混合材料混合材料 2.1.32.1.3石膏石膏 石膏是用作调节水泥凝结时间的组分，是缓凝剂。适量石膏可以延缓水泥的凝结时间，使建筑施工中的搅拌、运输、振捣、砌筑等工序得以顺利进行；同时适量的石膏也可以提高水泥的强度。2.1.3.12.1.3.1天然石膏天然石膏 （1）石膏以二水硫酸钙（CaSO42H2O）为主要成分的天然矿石。 （2）硬石膏以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石。 2.1.3.22.1.3.2工业副产石膏工业副产石膏 工业生产中以硅酸钙为主要成分的副产品，称工业副产石

4、膏。2.1.4 硅酸盐水泥生产技术要求2.1.4.1水泥的化学和物理指标(1)不溶物不溶物是指水泥经酸和碱处理，不能被溶解的残留物。 (2)烧失量水泥烧失量是指水泥在9501000高温下燃烧失去的质量百分数。 (3)细度细度即水泥的粗细程度，通常以比表面积或筛余数表示(4)凝结时间水泥凝结时间是水泥从和水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间，分初终时间和终凝时间两种。初凝时间：是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间。终凝时间：是指水泥加水拌和起到标准稠度净浆完全失去塑性的时间。(5)安定性水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性，简称安定性。 引起水泥安定性

5、不良的原因主要有三种:熟料中游离氧化钙、方镁石过高及水泥中石膏掺加量过多。(6)氧化镁（MgO）水泥中氧化镁含量过高时，由于其缓慢的水化和体积膨胀效应可使水泥硬化体结构破坏。采用压蒸安定性试验进行检验。(7)三氧化硫（SO3） (8)碱 硅酸盐水泥化学物理指标硅酸盐水泥化学物理指标 序 号 项 目 指标 检验方法与依据 P P 1不溶物（%）0.751.5GB/T17619962烧失量（%）3.03.5GB/T17619963细度（比表面积）（m2/kg） 300 GB80744凝结时间（min）初凝45终凝390 GB1346 5安定性 沸煮法检验 合 格 GB1346 雷氏夹膨胀（mm）

6、5 6氧化镁（%） 5.0；水泥压蒸安定性检验合格可放宽到6.0 GB176或GB750 7三氧化硫（%） 3.5GB176 8碱（Na2O+0.658Na2O）（%） 0.6或协商指标 GB176 2.1.4.2 2.1.4.2 强度与强度等级强度与强度等级 (1)水泥强度水泥强度是水泥试体净浆在单位面积上所能承受的外力。 通常以各龄期的抗压强度、抗折强度来表示水泥的质量。一般3d或7d以前的强度为早期强度，28d及其后的强度称为后期强度，也有将3个月以后的强度称为后期强度。 通常用28d的强度作为水泥质量划分的强度等级。 (2) 强度等级与水泥标号强度等级是按规定龄期的抗压强度和抗折强度来

7、划分各强度等级水泥的各龄期强度值不得低于表数值。强度等级习惯称之水泥标号。俗称商品标号。抗抗压压实验实验机机抗折抗折实验实验机机抗压强度测量实验抗压强度测量实验硅酸盐水泥的强度指标（硅酸盐水泥的强度指标（GB175GB1759999） 强度等级抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） 3天 28天 3天 28天 42.517.042.5 3.5 6.5 42.5R22.022.022.022.052.542.542.542.542.552.5R4.04.04.04.062.56.56.56.56.562.5R23.023.023.023.0(2) 强度等级与水泥标号强度等级是按规定龄期的抗压强度

8、和抗折强度来划分，各强度等级水泥的各龄期强度值不得低于表数值。强度等级习惯称之水泥标号。俗称商品标号。 2.1.4.3 2.1.4.3 废品与不合格品废品与不合格品 （1）废品凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合标准规定时，均为废品。 （2）不合格品凡细度、终凝时间、不溶物、烧失量中的任一项不符合标准规定，或混合材料掺加量超过最大限量、强度低于商品强度等级的指标时，该水泥称为不合格品。水泥包装标志中的水泥品种、强度等级、生产者名称、出厂编号不全的，也属于不合格品。习惯称之水泥标号。俗称商品标号。2 22 2 硅酸盐水泥的生产工艺硅酸盐水泥的生产工艺 221生产过程硅酸盐水泥的生

9、产过程通常可分为三个阶段： 生料制备熟料煅烧水泥制成。 生料制备生料制备 熟料煅烧熟料煅烧水泥制成。水泥制成。 2.2.2.2.2 2生产方法生产方法 按生料制备的方法分为： 湿法、干法； 按煅烧熟料窑的结构分为： 回转窑；立窑。 湿湿 法法新型干法新型干法回转窑回转窑立窑立窑(1)湿法生料浆水分占32%40%左右。生料浆脱水烘干后破碎，入窑煅烧，称之为半湿法。 (2)干法 生料粉调配均匀并加入适量水，制成料球喂入立窑或立波尔窑内煅烧称为半干法，料球含水12%15%。 2.2.2.1 2.2.2.1 湿法回转窑生产工艺流程与特点湿法回转窑生产工艺流程与特点 A.熟料质量较好且均匀 B.粉尘飞扬

10、少 c.熟料单位热耗高 2.2.2.22.2.2.2现代立窑水泥生产的基本特征现代立窑水泥生产的基本特征 现代立窑水泥应有的八项指标是： .企业规模：年产水泥30万吨以上。 .技术装备:自动化控制及计算机管理。 .产品质量:42.5等级水泥 。 . 均匀稳定：水泥质量均匀性不大于1.1R 。 .环境保护：达到国家标准 。 .能耗指标：热耗3762 kj/kg以下，综合电耗80（kw.h）/t以下。 .全员实物劳动生产率：1000 t/(人.年)以上。 .企业管理：通过ISO 9001质量管理体系认证。 2.3 2.3 新型干法水泥生产技术特征新型干法水泥生产技术特征 新型干法水泥生产的特点 （

11、1）优质 （2）低耗：热耗3000kJ/kg以下，水泥单位电耗90110kWh/t以下。 （3）高效 ：单位容积产量达110270kg/m2，劳动生产率达10004000t/年人。(4) 环保 (5）装备大型化 ：单机生产能力达10000t/d (6) 生产控制自动化 (7) 管理科学化 (8）投资大建设周期较长 2.4 2.4 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 是一种由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当比例配合磨成细粉（生料）烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝物质。 2.4.1 2.4.1 熟料的化学组成熟料的化学组成 主要化学成分与含量 主要氧化物：CaO

12、 SiO2 Al2O3 Fe2O3 其总和通常占熟料总量的95%以上。其它氧化物：如MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5等，其总量通常占熟料的5%以下。2.42.4.1 .1 熟料的化学组成熟料的化学组成 主要化学成分要求 实际生产中，硅酸盐水泥中个主要氧化物含量的波动范围一般为： CaO 62%67% SiO2 20%24% Al2O3 4%7% Fe2O3 2.5%6% 2.4.2 2.4.2 熟料的矿物组成熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的、结晶细小的人造石。通常为3060m。 主要矿物： 硅酸三钙（3CaOSiO2，简写成C3S） 硅酸二钙（2CaOSiO

13、2，简写成C2S） 铝酸三钙（3CaOAl2O3，简写成C3A） 铁铝酸四钙（4 CaOAl2O3Fe2O3，简写成C4AF） 熟料的矿物组成及岩相结构熟料的矿物组成及岩相结构2.4.2 2.4.2 熟料的矿物组成熟料的矿物组成 其次矿物：游离氧化钙（f-CaO）方镁石（结晶 MgO）玻璃体硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸盐矿物，约占75%左右。铝酸三钙和铁铝酸四钙合称熔剂矿物，约占22%左右。硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占95%左右。 2.4.2 2.4.2 熟料的矿物组成熟料的矿物组成 熟料矿物含量范围（熟料矿物含量范围（% %） 熟料类别 C3S C2S C3A C4AF 回转窑熟料立窑熟料新型

14、干法窑熟料国内重点企业熟料国外水泥企业熟料45653860535457 15322033242020 41147878 10181320101410 2.4.3 2.4.3 熟料的物理性能要求熟料的物理性能要求 凝结时间 安定性 强度 硅酸盐水泥熟料物理性能的检验，是通过将水泥熟料在500500标准小磨中与二水石膏一起磨细至表面积350 m2/kg，80m方孔筛筛余4%制成P.型硅酸盐水泥后来进行的。 2 2.4.4.4.4化学成分与矿物组成间的关系化学成分与矿物组成间的关系 熟料中的主要矿物均由各主要氧化物经高温煅烧化合而成，熟料矿物组成取决于化学组成，控制合适的熟料化学成分是获得优质水泥水

15、泥熟料的中心环节，根据熟料化学成分也可以推测出熟料中各矿物的相对含量高低。 （1）CaO （2）SiO2 （3）Al2O3 （4）Fe2O3 （5）其他少量氧化物和微量元素 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 硅酸三钙存在形式：纯C3S只在20651250温度范围内稳定，在2065以上不一致熔融为CaO 与液相；在1250以下分解为C2S和CaO。调整纯C3S具有同质多晶现象,熟料中C3S不纯，总是与少量的其他氧化物如Al2O3、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶体。在反光显微镜下为黑色多角形颗粒，又称阿利特（Alite），简称A矿。 硅酸三钙矿物水化特性：水化较快，水化反

16、应主要在28d以内进行，约经一年后水化过程基本结束。早期强度高，强度的绝对值和增进率较大。其28d强度可达到一年强度的70%80%。水化热较高；抗水性较差。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 2 24 45 5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 硅酸二钙多晶转变纯C2S在1450以下有同质多晶现象。其中：-C2S的密度为2.97g/cm3，-C2S的密度为3.28g/cm3，故发生转变时，伴随着体积膨胀10%，结果是熟料崩溃，生产中称之为粉化。而-C2S几乎无水硬性。 2 24 45 5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 硅酸二钙 矿物特性 熟料中硅酸二钙通常固溶有少量氧化物如Al2O3

17、、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶体，称贝利特（Belite），简称B矿。在反光显微镜下呈圆粒状，常具有黑白交叉双晶条纹。 2 24 45 5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 硅酸二钙水化特性水化反应比C3S慢的多，28d只水化20%左右，凝结硬化慢；早期强度低，但28d后强度仍能较快增长，一年后其强度可赶超阿利特；水化热小；抗水性好。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 铝酸三钙矿物特性C3A可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿与B矿中间，又称黑色中间相。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿

18、物的特性 铝酸三钙水化特性水化迅速，凝结较快，如不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝；早期强度较高，但绝对值不高，其强度3d之内大部分发挥出来，以后几乎不增长，甚至倒缩；水化热高；干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。 2 24 45 5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 铁铝酸四钙矿物特性铁铝酸四钙代表的是一系列连续的铁相固溶体。通常固溶有少量的MgO、SiO2等氧化物，又称才利特（Celite）或C矿。在反光镜下其反射能力强，呈亮白色，并填充在A矿与B矿之间，也称白色中间相。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 铁铝酸四钙水化特性水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙之间，但随后

19、的发展不如硅酸三钙； 早期强度类似于铝酸三钙，而后期还能不断增长，类似于硅酸二钙； 水化热较铝酸三钙低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 玻璃体 形成 部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体主要成分 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、R 2O含量 取决于液相量及冷却条件 性能 不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟料性能与易磨性。 2 2.4.5.4.5熟料矿物的特性熟料矿物的特性 游离氧化钙（f-CaO） 定义是指熟料中没有以化合状态存在而是以游离状态存在的氧化钙。 游离氧化钙的种类及其对安定性的影响游离氧化钙的种类及其对安定性的影

20、响 种类 产生原因 特点 对水泥安定的影响性 欠烧f-CaO 熟料煅烧过程中因欠烧、漏生，在11001200低温下形成 结构疏松多孔 不大 一次f-CaO 因配料不当、生料过粗或煅烧不良，尚未与S、A、F反应而残留的CaO呈“死烧状态”，结构致密 大 二次f-CaO 熟料慢冷或还原气氛下，C3S分解而形成的经过高温，水化较慢 较大 方镁石（MgO） 指游离状态的氧化镁晶体。产生 一部分氧化镁存在于玻璃体中，一部分结晶呈游离状态。 当熟料快冷时，结晶细小，慢冷时晶体发育较大，结构致密。危害 方镁石与水反应速度很慢，几个月甚至几年才明显反映出来。水化生成Mg(OH)2时，体积膨胀148%，在水泥石

21、内产生应力，轻者会降低水泥制品强度，重者会造成水泥制品破坏。 方镁石含量越多，晶体尺寸越大，引起的破坏越严重，因此，应限制其含量及晶体尺寸。熟料冷却速度越快，方镁石晶体越小，含量越少。2 2.5 .5 熟料的率值熟料的率值 硅酸盐水泥熟料中各主要氧化物含量之间比例关系的系数称作率值。 表示化学成分与矿物组成之间的关系，水泥熟料的性能及其对煅烧的影响。 在一定的工艺条件下，率值是水泥生产质量控制的主要指标。 我国主要采用石灰饱和系数（KH）、硅率（n）、铝率（p）三个率值。 2 2.5.1.5.1石灰饱和系数石灰饱和系数 物理意义：KH表示水泥熟料中的总CaO含量扣除饱和酸性氧化物（如Al2O3

22、、Fe2O3）所需要的氧化钙后，剩下的与二氧化钙化合的氧化钙的含量与理论上二氧化硅全部化合成硅酸三钙所需要的氧化钙含量的比值。 简言之，石灰饱和系数表示熟料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。 23232SiO8.2OFe35.0OAl65.1CaOKH数学表达式：数学表达式：式中：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3分别为熟料中相应氧化物的质量百分数；f- CaO、f- SiO2分别为熟料中呈游离状态的氧化钙、二氧化硅的质量百分数。 2233232SiOfSiO8 .2)SO7 .0OFe35.0OAl65.1 ()CaOfCaO(KHKH值与熟料矿物间的关系 从理论上讲：K

23、H值高，则C3S较多，C2S较少。（1）、KH=1，熟料中只有C3S，而无C2S；（2）、KH1，无论生产条件多好，熟料中都有游离氧化钙存在；（3）、KH=0. 667，熟料中无C3S。 因此，熟料的KH值应控制在0.6671间。 实际生产中，为使熟料顺利形成，又不产生过多的游离氧化钙，通常KH值控制在0.870.96。其他石灰饱和系数 LSF的含义：熟料中CaO含量与全部酸性组分需要结合的CaO含量之比。一般LSF值高水泥强度也高。 LSF的取值：一般硅酸盐水泥熟料LSF=9095 早强型的水泥熟料 LSF=959832322OFe65. 0OAl18. 1SiO8 . 2CaO100LSF

24、2.5.2硅率 含义：熟料中SiO2含量与Al2O3、Fe2O3之和的比例。反映了熟料中硅酸盐矿 物（C3S+C2S）、熔剂矿物（C3A+C4AF）的相对含量。 32322OFeOAlSiO)SM(n或SM值与熟料矿物及煅烧之间的关系： SM值过高，表示硅酸盐矿物多，熔剂矿物少，对熟料强度有利，但将给煅烧造成困难；随SM值的降低，液相量增加，对熟料的易烧性和操作有利，但SM值过低，熟料强度低，操作困难。 一般取值：1.72.7 2 2.5.3.5.3铝率（又称铝氧率或铁率）铝率（又称铝氧率或铁率） 含义：表示熟料中Al2O3含量Fe2O3含量之比，反映了熟料中C3A和C4AF的相对含量。也反映

25、煅烧过程中液相的性质（主要是液相的粘度，C3A形成的液相粘度大，C4AF形成的液相粘度小） 3232OFeOAl)IM(p或p值与熟料矿物及煅烧的关系 p值过大，C3A多，液相粘度大，不利于C3S 的形成，易引起熟料快凝；p值过低，C4AF量相对较多，液相粘度小，对C3S 的形成有利，但易使窑内结大块，对煅烧不利。 说明：三个率值要相互配合适当，才能使熟料顺利烧成，并保证熟料质量。 2.5.4 2.5.4 熟料率值的控制熟料率值的控制 在工厂生产中，为了使熟料顺利烧成，保证熟料的质量，应在工厂生产中，为了使熟料顺利烧成，保证熟料的质量，应同时控制同时控制KHKH、n n、p p这三个率值，并使

26、三率值相应配合适当。这三个率值，并使三率值相应配合适当。 窑型KHnp预分解窑0.860.902.22.61.31.8湿法长窑0.880.921.52.51.01.8干法回转窑0.860.892.02.351.01.6立波尔窑0.850.881.92.31.01.8立窑（无矿化剂）0.850.022.00.11.30.1立窑（掺复合矿化剂）0.920.961.62.11.11.52 2.6 .6 熟料矿物组成的计算与换算熟料矿物组成的计算与换算 获得熟料的矿物组成的方法：仪器分析法：如岩相分析；X射线分析；红外光谱分析等。理论计算法。 2 2.6.1 .6.1 硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算硅酸

27、盐水泥熟料矿物组成的计算 化学法C3S=3.80（3KH-2）SiO2C2S=8.60(1-KH) SiO2C3A=2.65(Al2O3-0.64Fe2O3)C4AF=3.04Fe2O3 式中：SiO2、Al2O3、Fe2O3分别是熟料中相应氧化物的百分含量（%）。 KH是熟料的石灰饱和系数。 2 2.6.1 .6.1 硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算 代数法：（也称鲍格法）C3S=4.07S-7.60S-6.72A-1.43F-2.86 SO3C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C=2.87S-0.754 C3SC3A=2.65A-1.

28、69FC4AF=3.04FCaSO4=1.70 SO3 式中：C、S、A、F、SO3分别代表熟料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 、SO3的百分含量。 以上公式适用于：IM0.642 2.6.1 .6.1 硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算 【例2.1】已熟料化学成分如表2.11所示，试求熟料的率值和矿物组成。 氧化物SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3-CaO%（质量）21.406.224.3565.601.060.371.00100.00=0.877按化学法公式可求得熟料矿物组成：C3S3.80（3KH2）SiO23.80（30.8772）21.4051.31%C3S8.60（1KH）SiO28.60（10.877）21.4022.64%C3A2.65（Al2O30.64Fe2O3）2.65（6.220.644.35）9.11%C4AF3.04Fe2O33.044.3513.22%04 .218 . 2)37. 07 . 035. 435. 022. 665. 1 (0 . 16 .65(SKH解：解： 2 2.6.2