毕业论文：水泥熟料矿物组成及矿物形态对水泥强度的影响

1、- 29 -阳泉职业技术学院毕 业 论 文毕业生姓名：弓豪专业：材料工程技术学号：080625022指导教师郭陶明所属系（部）：建筑工程系二一一年五月阳泉职业技术学院毕业论文评阅书题目：水泥熟料矿物组成及矿物形态对水泥强度的影响 建筑工程系材料工程技术 专业 姓名 弓豪 设计时间：2011 年03月10日2011 年05月06日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：200 年月日阳泉职业技术学院毕业论文答辩记录卡 建筑工程 系材料工程技术 专业 姓名弓豪答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100

2、分制，指导教师为30%，答辩组为70%。 专业答辩组组长：（签名） 200 年月日- 29 -前 言本世纪，我国水泥工业面临着加快技术进步，提高产品质量，与国际标准接轨，减少环境污染和资源能源消耗，持续发展战略等任务。为此，国家在制定“十二五”计划和远景发展规划时，已确定积极发展新型干法水泥生产线的方针，逐步淘汰立窑、湿法窑等落后工业与装备，鼓励用新型干法工艺对现有企业进行技术改造，坚决制止低水平重复建设，保护环境，节约资源，实施可持续发展战略。在2006年国家发改委等八部门制定的关于加快水泥工业结构调整的若干意见中，提出了我国水泥工业结构调整目标是：到2011年新型干法水泥比重提高到70%，

3、企业平均规模提高到40万吨左右。水泥生产属于我国的传统产业，境内拥有丰富的石灰石、硅质岩、煤炭、铁矿、石膏等矿产资源，交通便利等良好的水泥生产条件。现有水泥生产企业基本均属于立窑工艺生产，规模小，且污染严重。由此可见，加大水泥工业结构调整力度是十分必要的。新世纪国际水泥工业的发展趋势是以节能、降耗、环保、改善水泥质量和提高劳力生产率为中心，实现清洁生产和高效率节约化生产，走可持续发展的道路。研究的重点主要是围绕水泥工业节能降耗、减少工厂有害气体（c02、s02和nox等）排放以及低品位原燃料、工业废弃物的资源化利用等方面，具体表现在以下两个方面：一是国际水泥工业技术与装备上新型干法水泥生产技术

4、向着大型化、节能化以及自动化方向发展。如高效预热分解系统、第三代“控制流篦板”和第四代“无漏料横杆推动”篦冷机、新型辊式磨及辊压机粉磨系统、自动化控制及网络技术、新的熟料烧成方法如流态化床和喷腾炉烧成技术、高效除尘技术、烟气脱硫除氮技术的开发和应用，使水泥工业进入现代化发展期。二是水泥及水泥基材料的研究是以水泥的生态化制备、先进水泥基材料、水泥的节能和高性能化、废弃物资源化利用以及水泥制备和应用中的环境行为评价和改进等方面为研究开发作为重点。两者相辅相成，推动了水泥工业的可持续发展。 目录前 言-1 -摘 要- 2 -1 硅酸盐水泥熟料的组成- 3 -1.1硅酸盐水泥熟料的化学组成- 3 -1

5、.2硅酸盐水泥熟料的矿物组成- 4 -1.2.1硅酸三钙- 4 -1.2.2硅酸二钙- 5 -1.2.3中间相- 6 -1.2.4铁相固溶体- 7 -1.2.5玻璃体- 8 -1.2.6游离氧化钙和方镁石- 8 -2 熟料的率值- 9 -2.1水硬率 (h m)- 9 -2.2硅率或硅酸率（ s m）- 9 -2.3铝率或铁率（ i m）- 10 -2.4石灰饱和系数（ kh）- 10 -3 熟料矿物组成的计算- 12 -3.1石灰饱和系数法- 12 -3.2鲍格 (r. h. bogue) 法- 12 -3.3熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异- 13 -4 熟料矿物组成的选择- 14 -

6、4.1水泥品种和标号- 14 -4.2原料品质- 15 -4.3燃料品质- 15 -5 配料计算- 17 -6 生产工艺对水泥熟料矿物及强度的影响- 21 -6.1 熟料冷却- 21 -6.1.1熟料冷却过程及目的- 21 -6.1.2急冷对改善熟料质量的作用- 22 -6.1.3避免-c2s转变成-c2s- 22 -6.1.4改善了水泥安定性- 22 -6.1.5改善熟料易磨性- 23 -6.1.6可克服水泥瞬凝或快凝- 23 -6.2 黄心料、粘散料（飞砂料）的产生对水泥强度的影响- 23 -6.2.1黄心料出现的原因及对水泥强度的影响- 23 -6.2.2粘散料（飞砂料）出现的原因及对水

7、泥强度的影响- 24 -7 新型干法旋窑，立窑和湿法窑熟料对水泥强度影响的不同- 25 -8 结论- 26 -9 致谢- 26 -参考文献- 26 -摘 要水泥强度的影响因素主要来自水泥熟料的矿物组成和形态，以及水泥的颗粒组成、颗粒形貌和细度等方面。就熟料矿物而言，硅酸盐相是影响水泥强度的主要因素，硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素。一般认为c3s不仅影响早期强度，而且也影响水泥的后期强度，而c3s对早期强度影响不大，却是决定后期强度的主要因素；c3a含量对水泥早期强度的影响最大；鲍格和泰勒等认为c4af是熟料4种矿物中强度最差的一种，对水泥的强度不会有较大的作用，但另有学者的试验证明c

8、4af不仅对水泥的早期强度起相当大的作用，而且有助于后期强度的发展。一般来说，熟料抗压强度越高，抗折强度也越高，在矿物组成对强度的影响方面，往往较多地研究其对抗压强度的影响，而关于矿物组成对抗折强度的影响的研究则较少，那么矿物组成对抗压强度和抗折强度的影响是否一致呢?抗压强度的影响矿物与抗折强度的影响矿物是否一定相同呢?熟料的矿物形态(包括晶粒尺寸、发育程度、缺陷等)对水泥强度有怎样的影响呢?关键词：水泥强度，矿物组成及形态，早期强度，最终产物 ，1 硅酸盐水泥熟料的组成1.1硅酸盐水泥熟料的化学组成水泥性能优劣主要取决于熟料质量。优质熟料应该具有合适的矿物组成和良好的岩相结构。因此，控制熟料

9、的化学成分是水泥生产的中心环节之一。 硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙（cao,简写为c）、二氧化硅（sio2简写为s）、氧化铝（al2o3简写a）和氧化铁（fe2o3简写为f）四种氧化物组成。 通常这四种氧化物总量在熟料中占95以上。每种氧化物含量虽然不是固定不变，但其含量变化范围很小，水泥熟料中除了上述四种主要氧化物以外，还有含量不到5的其他少量氧化物，如氧化镁(mgo)、氧化钛(ti02)、三氧化硫(s03)等。 氧化钙(cao)是熟料中最主要的成分，它与熟料中其他氧化物如si02、a1203、fe203等发生化学反应，生成熟料矿物如硅酸三钙(c3s)、硅酸二钙(c2s)、铝酸三钙(

10、c3a)和铁铝酸四钙(c4af)等。一般情况下，随着熟料中cao含量的增加，熟料中矿物成分c3s 含量增大，从而可以提高水泥的强度。但是cao的含量不是越多越好，而是有一个最佳含量，即与sio2、a1203、fe203等氧化物化合后没有剩余的cao存在的量。如果cao含量超过其他氧化物与之化合所需的量，则多余的cao会以游离状态存在于熟料中，从而影响水泥的体积安定性。 二氧化硅(si02)也是硅酸盐水泥熟料中最主要化学成分之一。它在高温下与cao发生反应，生成硅酸盐矿物硅酸三钙(c3s)和硅酸二钙(c2s)。如果熟料中sio2含量低，生成的硅酸盐矿物量就减少，从而影响水泥的强度。另外

11、sio2含量对熟料煅烧也会产生很大影响。 熟料中氧化铝(a1203)可以与cao、si02、fe203发生反应，生成铝酸三钙(c4a)和铁铝酸四钙(c4af)。当a1203含量增加时，水泥的凝结、硬化速度加快，但是水泥后期强度增长缓慢，并且降低了水泥的抗硫酸盐性能。a1203含量高的水泥，在水化时放热快，而且水泥的水化热较大。 氧化铁(fe203)也是熟料中重要的化学成分之一，可以与cao、a1203 反应生成铁铝酸四钙。增加熟料中的fe203 含量，可以降低水泥熟料的熔融温度，但会导致水泥水化和硬化速度变慢。     其他少量氧化物

12、的存在，也会不同程度地影响着硅酸盐水泥熟料的煅烧过程和水泥性能。1.2硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧到部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。因此，在硅酸盐水泥熟料中 cao，sio2，a12o3，fe2o3 不是以单独的氧化物存在，而是以两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。其结晶细小，一般为 30-60um 。因此可见，水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人工岩石。它主要有以下四种矿物：硅酸三钙 3ca0 si02 ，可简写为 c3s ；硅酸二钙 2ca0 · si02 ，可简写为 c2s ；铝酸三钙 3ca0 ·

13、a1203 ，可简写为 c 3 a ；铁相固溶体通常以铁铝酸四钙 4ca0 . a1203 . fe203 作为代表式，可简写成 c4 af，此外，还有少量游离氧化钙 (f-ca0 ) 、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物及玻璃体。通常熟料中 c3s 和 c2s 含量约占 75 左右，称为硅酸盐矿物。 c3a 和 c4af 的理论含量约占 22 左右。在水泥熟料锻烧过程中 ，c 3 a 和 c4af 以及氧化镁、碱等在 1250oc 1280oc 会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物.1.2.1硅酸三钙c3s 是硅酸盐水泥熟料的主要矿物。其含量通常为 50 左右，有时甚至高达 60

14、 以上。纯 c3s 只有在 2065oc1250oc 温度范围内才稳定。在 2065oc 以上不一致熔融为 ca0 和液相；在 1250 0 c 以下分解为 c2s 和 ca0 ，但反应很慢，故纯 c3s 在室温可呈介稳状态存在。 c3s 有三种晶系七种变型：1070 0 c 1060 0 c 990 0 c 960 0 c 920 0 c 520 0 cr m m m t t t r 型为三方晶系， m 型为单斜晶系， t 型为三斜晶系，这些变型的晶体结构相近。但有人认为 ，r 型和 m型的强度比 t 型的高。在硅酸盐水泥熟料中 ， c3s 并不以纯的形式存在，总含有少量氧化镁、氧化铝、氧化

15、铁等形成固溶液，称为阿利特 (alite ）或 a 矿。纯 c3s 在常温下，通常只能为三斜晶系 (t 型），如含有少量 mg0， a1203 ， fe2o3 ， p503 ，zno，cr203，r20 等氧化物形成固溶体则为 m 型或 r 型。由于熟料中 c3s 总含 mgo，a12o3，fe2o3 以及其他氧化物，故阿利特通常为 m 型或 r 型。据认为锻烧温度的提高或锻烧时间的延长也有利于形成 m型或 r 型。纯 c3s 为白色，密度为 3. 14g /cm3 ， 其晶体截面为六角形或棱柱形。单斜晶系的阿利特单晶为假六方片状或板状。在阿利特中常以 c3s 和 cao 的包裹体存在。c3s

16、 凝结时间正常，水化较快，粒径 40-50m 的颗粒 28d 可水化 70 左右。放热较多，早期强度高且后期强度增进率较大， 28d 强度可达一年强度的 70 -80 ，其 28d 强度和一年强度在四种矿物中均最高。阿利特的晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力，当烧成温度高时，阿利特晶形完整，晶体尺寸适中，几何轴比大（晶体长度与宽度之比 l/b>2-3) ，矿物分布均匀，界面清晰，熟料的强度较高。当加矿化剂或用急剧升温等锻烧方法时，虽然含较多阿利特，而且晶体比较细小，但因发育完整、分布均匀，熟料强度也较高。因此，适当提高熟料中的硅酸三钙含量，并且当其岩相结构良好时，可以获得优质熟料。但硅酸

17、三钙的水化热较高，抗水性较差，如要求水泥的水化热低、抗水性较高时，则熟料中的硅酸三钙含量要适当低一些。1.2.2硅酸二钙c2s 在熟料中含量一般为 20 左右，是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一，熟料中硅酸二钙并不是以纯的形式存在，而是与少量 mgo，a1203，fe2o3，r20 等氧化物形成固溶体，通常称为贝利特 (belite ) 或 b 矿。纯 c2s 在 14500c 以下有下列多晶转变。1425 0 c 1160 0 c 630 680 0 c 500 0 c = h l - 780 860 0 c(h 一高温型， l 一低温型）在室温下 ， ， h ， l ， 等变形都是不稳定的，有

18、转变成 y 型的趋势。在熟料中 ， h 型一般较少存在，在烧成温度较高、冷却较快的熟料中，由于固溶有少量 a120， ， mg0 ， fe2o3 等氧化物，可以 型存在。通常所指的硅酸二钙或 b 矿即为 型硅酸二钙。， h 型 c2s 强度较高，而 y 型 c2s 几乎无水硬性。在立窑生产中，若通风不良、还原气氛严重、烧成温度低、液相量不足、冷却较慢，则硅酸二钙在低于 5000c 下易由密度为 3. 28g /cm3 的 r 型转变为密度 2. 97g /cm3 的 y 型，体积膨胀 10 而导致熟料粉化。但若液相量多，可使溶剂矿物形成玻璃体将刀型硅酸二钙晶体包围住，并采用迅速冷却方法使之越过

19、尹 -y 型转变温度而保留下来。贝利特为单斜晶系，在硅酸盐水泥熟料中常呈圆粒状，这是因为贝利特的棱角已溶进液相而其余部分未溶进液相之故。已全部溶进液相而在冷却过程中结晶出来的贝利特则可以自行出现而呈其他形状。在反射光下，正常温度烧成的熟料中，贝利特有交叉双晶条纹，而烧成温度低冷却慢者，则呈现平行双晶条纹。纯硅酸二钙色洁白，当含有 fe20， 时呈棕黄色。贝利特水化反应较慢 ，28d 仅水化 2000a左 右，凝结硬化缓慢，早期强度较低但后期强度增长率较高，在一年后可赶上阿利特。贝利特的水化热较小，抗水性较好。在中低热水泥和抗硫酸盐水泥中，适当提高贝利特含量而降低阿利特含量是有利的。1.2.3中

20、间相填充在阿利特、贝利特之间的物质通称中间相，它可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和方镁石。但以包裹体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和方镁石除外。中间相在熟料缎烧过程中，熔融成为液相，冷却时，部分液相结晶，部分液相来不及结晶而凝固成玻璃体。铝酸钙熟料中铝酸钙主要是铝酸三钙，有时还可能有七铝酸十二钙。在掺氟化钙作矿化剂的熟料中可能存在 c 12 a 7 · caf2 ，而在同时掺氟化钙和硫酸钙作矿化剂低温烧成的熟料中可以是 c 11 a 7 · caf2 和 c 4 a 2 s 而无 c 3 a 。纯 c 3 a 为等轴晶系，无多晶转化。

21、 c 3 a 也可固溶部分氧化物，如 k2o，na20 ， si02 ， fe203 等，随固溶的碱含量的增加，立方晶体的 c，a 向斜方晶体 ncb a， 转变。结晶完善的 c 3 a 常呈立方、八面体或十二面体。但在水泥熟料中其形状随冷却速率而异。氧化铝含量高而慢冷的熟料，才可能结晶出完整的大晶体，一般则溶入玻璃相或呈不规则微晶析出。c 3a 在熟料中的潜在含量为 7-15 。纯 c 3a 为无色晶体，密度为 3. 04g /cm3 ，熔融温度为 15330c ， 反光镜下，快冷呈点滴状，慢冷呈矩形或柱形。因反光能力差，呈暗灰色，故称黑色中间相。c 3a 水化迅速，放热多，凝结很快，若不加

22、石膏等缓凝剂，易使水泥急凝；硬化快，强度 3d 内就发挥出来，但绝对值不高，以后几乎不增长，甚至倒缩。干缩变形大，抗硫酸盐性能差。1.2.4铁相固溶体铁相固溶体在熟料中的潜在含量为 10-18 。熟料中含铁相较复杂，有人认为是 c2f - c8a 3f 连续固溶体中的一个成分，也有人认为是 c6a 2f -c6af2 连续固溶体的一部分。在一般硅酸盐水泥熟料中，其成分接近 c4af ，故多用 c4 af 代表熟料中铁相的组成。也有人认为，当熟料中 mg0 含量较高或含有 caf2 等降低液相粘度的组分时，铁相固溶体的组成为 c6a2f 。若熟料中 a1203/fe203<0. 64 ，则

23、可生成铁酸二钙。铁铝酸四钙的水化速度早期介于铝酸三钙和硅酸三钙之间，但随后的发展不如硅酸三钙。早期强度类似于铝酸三钙，后期还能不断增长，类似硅酸二钙。抗冲击性能和抗硫酸盐性能好，水化热较铝酸三钙低，但含 c4 af 高的熟料难磨。在道路水泥和抗硫酸盐水泥中，铁铝酸四钙的含量高为好。含铁相的水化速率和水化产物性质决定于相的 a1203/fe203 比，研究发现 :c 6a 2f 水化速度比 c4af 快，这是因为其含有较多的 a1203 之故 c6af2 水化较慢，凝结也慢 c 2f 的水化最慢，有一定水硬性。1.2.5玻璃体硅酸盐水泥熟料锻烧过程中，熔融液相若在平衡状态下冷却，则可全部结晶出

24、c3a ，c4af 和含碱化合物等而不存在玻璃体。但在工厂生产条件下冷却速度较快，有部分液相来不及结晶而成为过冷液体，即玻璃体在玻璃体中，质点排列无序，组成也不定其主要成分为 a1203 、 fe2o ， ca0 ，还有少量 mgo 和碱等玻璃体在熟料中的含量随冷却条件而异，快冷则玻璃体含量多而 c3a，c4af 等晶体少，反之则玻璃体含量少而 c3a，c4af 晶体多据认为，普通冷却熟料中，玻璃体含量约为 2%-21 ；急冷熟料玻璃体约 8%-22 ；慢冷熟料玻璃体只有 0 -2 .生成，这是它们的一个重要作用。如果物料中熔剂矿物过少，则易生烧使氧化钙不易被吸收完全，从而导致熟料中游离氧化钙

25、增加，影响熟料的质量，降低窑的产量并增加生料的消耗。如果熔剂矿物过多，物料在窑内易结大块，甚至在回转窑内结圈，在立窑内结炉瘤等，严重影响回转窑和立窑的正常生产.1.2.6游离氧化钙和方镁石游离氧化钙是指经高温锻烧而仍未化合的氧化钙，也称游离石灰。经高温锻烧的游离氧化钙结构比较致密，水化很慢，通常要在 3d 后才明显，水化生成氢氧化钙体积增加 7.9 ，在硬化的水泥浆中造成局部膨胀应力。随着游离氧化钙的增加，首先是抗折强度下降，进而引起 3d 以后强度倒缩，严重时引起安定性不良。因此，在熟料缎烧中要严格控制游离氧化钙含量。我国回转窑一般控制在 1.5 以下，而立窑在 2.5 以下。因为立窑熟料的

26、游离氧化物中有一部分是没有经过高温死烧而出窑的生料。这种生料中的游离氧化钙水化快，对硬化水泥浆的破坏力不大。游离氧化钙在偏光镜下为无色圆形颗粒，有明显解理。在反光镜下用蒸馏水浸蚀后呈彩虹色。水泥熟料中的游离氧化钙主要有下述三种形式：1.欠烧游离氧化钙。只存在于经受11001 200煅烧的牛烧料球中，石灰石分解产生的游离氧化钙叫欠烧游离氧化钙。因其轻烧，结构疏松，遇水很快消解，对水泥石的安定性无大影响。 2.一次游离氧化钙。已经受烧成温度煅烧，但未化合成熟料矿物，遇水消解缓慢，在硬化的水泥石中，水化成氢氧化钙，体积膨胀达979，严重影响水泥的安定性。正常熟料中形成一次游离氧化钙的主要原因是：生料

27、配料不当，石灰饱和系数过高，熔剂矿物少，生料粒度太粗，或生料均匀性差。 3.二次游离氧化钙。在还原气氛中，氧化铁被还原为氧化亚铁，如熟料冷却缓慢，则fe2促使硅酸三钙分解为硅酸二钙和游离氧化钙。如果包裹在熟料矿物中，则水化十分缓慢。综上所述，影响水泥安定性的主要成分是一次和二次游离氧化钙。为了保证水泥的质量，并判断生料配料和烧成工艺是否适宜，应及时测定熟料中游离氧化钙的含量。方镁石是指游离状态的 mg0 晶体。 mg0 由于与 sio2，fem 的化学亲和力很小，在熟料锻烧过程中一般不参与化学反应。它以下列三种形式存在于熟料中：溶解于 c4af，c3s 中形成固溶体；溶于玻璃体中；以游离状态的

28、方镁石形式存在。据认为，前两种形式的 mg0 含量约为熟料的 2 ，它们对硬化水泥浆体无破坏作用，而以方镁石形式存在时，由于水化速度比游离氧化钙要慢，要在 0. 5-1 年后才明显。水化生成氢氧化镁时，体积膨胀 148 ，也会导致安定性不良。方镁石膨胀的严重程度与晶体尺寸、含量均有关系。尺寸 1m 时，含量 5 才引起微膨胀，尺寸 5-7um 时，含量 3 就引起严重膨胀。国家标准规定硅酸盐水泥中氧化镁含量不得超过 5.0 。在生产中应尽量采取快冷措施减小方镁石的晶体尺寸。2 熟料的率值因为硅酸盐水泥熟料是由两种或两种以上的氧化物化合而成，因此在水泥生产中控制各氧化物之间的比例即率值，比单独控

29、制各氧化物的含量更能反映出对熟料矿物组成和性能的影响。故常用表示各氧化物之间相对含量的率值来作为生产的控制指标。2.1水硬率 (h m)水硬率是 1868 年德国人米夏埃利斯 (w. michaelis) 提出的作为控制熟料适宜石灰含量的一个系数。它是熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量百分数的比值，常用 hm 表示，其计算式为：hm cao = （ 1-3-1 ） si02 a1203+fe203其中 cao， si02 ， a1203， fe2o3 分别代表熟料中各氧化物的质量百分数。水硬率通常在 1.8-2.4 之间。水硬率假定各酸性氧化物所结合的氧化钙是相同的，实际上并非如此。当各酸性氧

30、化物的总和不变而它们之间的比例发生变化时，所需的氧化钙并不相同。因此只控制同样的水硬率，并不能保证熟料有相同的矿物组成。只有同时也控制各酸性氧化物之间的比例，才能保证熟料矿物组成的稳定。因此后来库尔 (h. had 提出了控制熟料酸性氧化物之间的关系的率值：硅率和铝率。2.2硅率或硅酸率（ s m）硅率又称硅酸率，它表示熟料中 si02 的百分含量与 ai2o3 和 fe20， 百分含量之比，用 sm表示：sm=sio2/(ai2o3+fe2o3)（ 1-3-2 ）通常硅酸盐水泥的硅率在 1.7-2.7 之间。但白色硅酸盐水泥的硅率可达 4. 0 甚至更高。硅率除了表示熟料的 si02 与 a

31、1203 和 fe2o3 的质量百分比外，还表示了熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例关系，相应地反映了熟料的质量和易烧性。当 a120，/fe2o3 大于 0.64 时，硅率与矿物组成的关系为： sm=sio2/(ai2o3+fe2o3)（ 1-3-3 ）式中 c3s，c2s，c 3a ，c4af 分别代表熟料中各矿物的质量百分数。从 1-3-3 式可见，硅率随硅酸盐矿物与熔剂矿物之比而增减。若熟料硅率过高，则由于高温液相量显著减少，熟料缎烧困难，硅酸三钙不易形成，如果氧化钙含量低，那么硅酸二钙含量过多而熟料易粉化。硅率过低，则熟料因硅酸盐矿物少而强度低，且由于液相量过多，易出现结大块、结炉瘤、

32、结圈等，影响窑的操作。2.3铝率或铁率（ i m）铝率又称铁率，以 im 表示。其计算式为：im=ai2o3/fe2o3（ 1-3-4 ）铝率通常在 0.9-0.7 之间。抗硫酸盐水泥或低热水泥的铝率可低至 0.7 。铝率表示熟料中氧化铝与氧化铁的质量百分比，也表示熟料中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例关系，因而也关系到熟料的凝结快慢。同时还关系到熟料液相粘度，从而影响熟料的锻烧的难易，熟料铝率与矿物组成的关系如下：im=ai2o3/fe2o3（ 1-3-5 ）从 1-3-5 式可见，铝率高，熟料中铝酸三钙多，液相粘度大，物料难烧，水泥凝结快。但铝率过低，虽然液相粘度小，液相中质点易扩散对硅酸三钙形

33、成有利，但烧结范围窄，窑内易结大块，不利于窑的操作。有些国家，如日本采用 hm， sm 和 im 三个率值来控制熟料成分，结果还比较满意。我国从日本引进的冀东水泥厂也用此三个率值来控制生产。但不少学者认为水硬率的意义不明确，因此，又提出了不同的与石灰最大含量有关的计算公式，常见的有 kh 和 lsf 。2.4石灰饱和系数（ kh）古特曼与杰耳认为，酸性氧化物形成的碱性最高的矿物为 c3s，c2s，c3a，c4af ，从而提出了他们的石灰理论极限含量。为便于计算，将 c4af 改写成“ c3a " 和“ c2f" ，令 "c2f" 与 c3a 相加，那么每

34、 1 酸性氧化物所斋石灰含量分别为：1 a1203 所需： cao= 3 × 56.08/101.96=1.651 %fe203 所需 cao=56.08/159.7=0.351 sio2 形成 c3s 所需 cao= 3 × 56.08/60.09=2.8由每 1 酸性氧化物所需石灰量乘以相应的酸性氧化物含量，就可得石灰理论极限含量计算式：cao 2. 8sio21.65al203-0.35fe203 ( 1-3-6 )金德和容克认为，在实际生产中，氧化铝和氧化铁始终为氧化钙所饱和，而 si02可能不完全饱和成 c3s 而存在一部分 c2s， 否则熟料就会出现游离氧化钙。

35、因此就在 sio2 之前加一石灰饱和系数 kh 。故ca0=kh x2.8sio21.65a 1203-0.35fe203 ( 1-3-7 )将 1-3-7 改写成kh=(cao1.65al2o30.35fe2o3)/2.8sio2（ 1-3-8 ）因此，石灰饱和系数 kh 是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙 (c3s-c2s) 所需的氧化钙含量 与全部二氧化硅理论上全部生成硅酸三钙所需的氧化钙含量的比值，也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。式 1-3-8 适用于 im>0. 64 的熟料。若 im<0. 64 ，则熟料组成为 c3s，c2s，c4af 和 c2f 同理将

36、c4af 改写成 c3a +c2f ，令 c3a 与 c2f 相加，根据矿物组成 c3s，c2s，c2f 和 c 2f c3a 可得：kh=(cao1.65al2o30.35fe2o3)/2.8sio2（ 1-3-9 ）考虑到熟料中还有游离 ca0 、游离 si0 和石膏，故式 1-3-8 ， 1-3-9 将写成：kh=(cao-cao游)(1.65al2o3+0.35fe2o3+0.7so3)/2.8(sio2-sio2游)（ a/f 0.6 ） （ 1-3-10 ）kh=(caocao游1.1al2o0.7fe2o30.7so3)/2.8(sio2-sio2游)（ a/f 0.64 ） （

37、 1-3-11 ）硅酸盐水泥熟料 kh 值在 0.82-0.94 之间，我国湿法回转窑 kh 值一般控制在 0.89 士0.0l 左右。石灰饱和系数与矿物组成的关系可用下面数学式表示：kh=(c3s+0.8838c2s)/(c3s+1.3265c2s)（ 1-3-12 ）从上可见，当 c3 s = 0 时 kh= 0. 667， 即当 kh = 0. 667 时，熟料中只有 c20 和c4af 而无 s30 . 当 c20=v 时 ;kh=1 ，即当 kh=1 时，熟料中无 c20 而只有 c03 和c4af， 故实际上 kh 值介于 0. 667-1. 0 之间。kh 实际上表示了熟料中 c

38、3s 与 c2s 百分含量的比例。 kh 越大，则硅酸盐矿物中的 c3s 的比例越高，熟料质量（主要为强度）越好，故提高 kh 有利于提高水泥质量。但 kh 过高，熟料锻烧困难，保温时间长，否则会出现游离 cao ，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工作条件恶化。我国目前采用的是石灰饱和系数 kh， 硅率 sm 和铝率 im 三个率值。为使熟料既顺利烧成，又保证质量，保持矿物组成稳定，应根据各厂的原料、燃料和设备等。具体条件来选择三个率值，使之互相配合适当，不能单独强调其某一率值。一般说来，不能三个率值都同时高，或同时都低。3 熟料矿物组成的计算熟料的矿物组成可用岩相分析 ，x 射线定量分析等方法测

39、定，也可根据化学成分进行计算。岩相分析基于显微镜下测量出单位面积各矿物所占的面积的百分率再乘以相应的矿物的相对密度而得各矿物含量。这种方法较符合实际情况，但要求操作者要有熟练的技巧，且劳动，强度大。此外，晶体较小，也可重迭而产生误差 .x 射线定量分析基于熟料矿物特征峰强度与基准单矿物特征峰强度之比求其含量。这种方法方便且准确，国外现代化水泥厂都普遍采用。但限于设备条件，我国水泥厂使用的还不多，另外，此方法对含量太低的矿物不适用。我国常用化学方法进行计算。此方法计算出来的仅是理论上可能生成的矿物，称之为“潜在矿物”组成。在生产条件稳定的情况下，熟料真实矿物组成与计算矿物组成有一定的相关性，已能

40、说明矿物组成对熟料及水泥性能的影响，因此在我国仍普遍使用。常用的从化学成分计算熟料矿物组成的方法有两种，即石灰饱和系数法和鲍格法。3.1石灰饱和系数法为了计算方便，先列出有关相对分之质量的比值。c3s=3.80（ 3kh2 ）sio 2c2s=8.60(1-kh) sio 2c3 a =2.65(al2o3 -0.64fe2 o3 )c 4 af=3.04fe2o3caso4 1.7s033.2鲍格 (r. h. bogue) 法鲍格法也称代数法。根据四种主要矿物以及 caso4； 的化学组成可计算出各氧化物的百分含量，见表 1-3-1 表 1-3-1 主要矿物中各主要级化物的百分含量 ( ）

41、氧化物矿 物c2sc3sc3 ac4afcaso4cao73.6965.1265.1246.16.41.19sio 226.3126.31al 2 o 337.7320.98fe 2 o 332.86so 258.81根据上表数值可列出下列方程式：ca=0.7369c 3s0.6512c2s+0.0229c 3a 0.4016c4af 0.4119cas04，si=0.2631c3s-0.3488c2sal=0.3773c3a 0.2098c4affe= 0.3286 c4afso3 =0. 5881caso4 解上述联立方程，可得各矿物百分含量计算式 <im>0. 64 ）： c

42、3s=4.07 cao 7.60sio2 6.72al2o3 一 2.86s03c2s=8.60sio2 5.07al2o3 1. 07f 2.15s0 3 一 3. 07cao 2. 87 sio2 0.754c3sc 3a =2.65 1. 09fec 4 af=3.04fe（ 1-3-20 )同理，当 i m 0.64 时，熟料矿物组成计算式如下：c3 s=4.07 cao 7.60sio2 4.47al2o3 2.80 fe 2.86s03c2s 8.60sio2+3.38al2o3 2.15s03 一 3.07cao 2.87sio2-0.754c3sc4af=4.77al2o3c2

43、f =1.70(fe-1.57al2o3 ）caso4； 1.7s03 ：3.3熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异硅酸盐水泥洲料矿物组成的计算是假设熟料是平衡冷却并生成 c3s，c2s，c3a 和 c4af 四种纯矿物，其计算结果与熟料真实矿物组成并不完全一致，有时甚至相差很大。其原因是：1. 固溶体的影响计算矿物为纯 c3s，c2s，c 3a 和 c4af， 但实际矿物为固溶有少量其他氧化物的固溶体，即阿利特、贝利特、铁相固溶体等。例如，若阿利特组成按 c3s 考虑，则计算 c3s 的公式中 si02 前面的系数就不是 3.80 而是 4.30， 这样实际含量就要提高 11 ，而 c 3a

44、 则因有一部分 a1203 固溶进阿利特而使它的含量减少。又如，铁相固溶体并非固定组成的 c4 af， 而在高温或有 mgo，caf2 等条件下有可能是 c6f ， 其结果使实际矿物中铁相固溶液含量增加使 c 3a 含量减少。2. 冷却条件的影响硅酸盐水泥熟料冷却过程，若缓慢冷却而平衡结晶，则液相几乎全部结晶出 c3a ，c4af等矿物。但在工业生产条件下，冷却速度较快，因而液相可部分或几乎全部变成玻璃体，此时，实际 c 3a ，c4af 含量均比计算值低，而 c3s 含量可能增加使 c2s 减少。3. 碱和其他微组分的影响碱的存在可能与硅酸盐矿物形成 kc23s12 ，与铝酸三钙形成 nc8

45、a 3 ，而析出 cao ，从而使 c 3a 减少而出现 nc 3a 3， 碱也可能影响 c3s 含量。其他次要氧化物如 ti02 ， mgo， p05 也会影响熟料的矿物组成。尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异，但它能基本说明对熟料锻烧和性能的影响，也是设计某一矿物组成的水泥熟料时，计算生料组成的唯一可能的方法，因此在水泥工业中仍得到广泛应用。4 熟料矿物组成的选择熟料矿物组成的选择，一般应根据水泥的品种和标号、原料和燃料的品质、生料制备和熟料锻烧工艺综合考虑，以达到优质高产低消耗和设备长期安全运转的目的。4.1水泥品种和标号若要求生产普通硅酸盐水泥，则在保证水泥标号以及凝结时间正常和安定

46、性良好的条件下，其化学成分可在一定范围内变动。可以采用高铁、低铁、低硅、高硅、高饱和系数等多种配料方案。但要注意三个率值配合适当，不能过份强调某一率值。例如，同样生产 525 号硅酸盐水泥，华新水泥厂采取的配料方案为kh=0.89-0.93 sm=(2.0-2.2) im=1.2-1.4 ，而峨眉水泥厂限于原料、燃料的条件则采取高铁高饱和系数配料方案， kh = 0. 90-0. 93 ， sm= 2. 00 士 0. 10 ，也可生产出 525 号硅酸盐水泥。生产专用水泥或特性水泥应根据其特殊要求，选择合适的矿物组成。若生产快硬硅酸盐水泥，则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高，因此应提高 kh 和

47、 im 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量，即降低 kh 和 im 率。4.2原料品质原料的化学成分和工艺性能对熟料矿物组成的选择有很大影响，在一般情况下，应尽量采用两种或三种原料的配料方案。除非其配料方案不能保证正常生产，才考虑更换原料或掺加另一种校正原料。若石灰石品位低而粘土氧化硅含量又不高，则无法提高石灰饱和系数和硅率，熟料强度难以提高，只有采用品位高的石灰石和氧化硅含量高的粘土才能提高饱和系数和硅率，烧出标号较高的水泥。若石灰石的隧石含量较高而粘土的粗砂含量高，则因为原料难磨，熟料难烧，其熟料的饱和系数也不能高。原料含碱量太高， kh 宜降低。4.3燃料

48、品质燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来，发热量高的优质燃料，其火焰温度高，熟料的 kh 值可高些。若燃料质量差，除了火焰温度低外，还会因煤灰的沉落不均匀，降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见泥，则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高，因此应提高 kh 和 im 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量，即降低 kh 和 im 率。燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来，发热量高的优质燃料，其火焰温度高，熟料的 kh 值可高些。若燃料质量差，除了火焰温度低外，还会因煤灰的沉落不均匀，降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见表 1-3-2 。表 1-3-2 水泥烧

49、成用煤的质要求窑型灰分（）挥发分（）干燥基低热值 <kj/kg)湿法窑、预热窑、分解窑<288-30>20900立波尔窑<258-30>22900立窑<30 10>20900煤灰掺入熟料中，除全黑生料的立窑外，往往分布不均匀，对熟料质量影响极大。据统计，由于煤灰不均匀掺入，将使熟料 kh 值降低 0.4-0.16；硅率下降 0.05 - 0.20; 铝率提高。当煤灰掺入量增加时，熟料强度下降此时除了采用提高煤粉细度和用矿化剂等措施外，还应适当降低熟料 kh 值，以利生产正常进行。当煤质变化时，熟料组成也应相应调整。对回转窑来说，采用的煤的发热量高，挥发

50、分低，则因挥发分低，火焰黑火头长，燃烧部分短，热力集中，熟料易结大块，游离氧化钙增加，耐火砖寿命缩短，除设法使火焰的燃烧部分延长外，还应降低（石灰石饱和系数） kh 值并提高（铝率） im 值。若用液体或气体燃料，火焰强度很高，形状易控制，几乎无灰分，因此 (石灰石饱和系数)kh 值可适当提高。  生料细度和均匀性生料化学成分的均匀性，不但对窑的热工制度的稳定和运转率的提高有影响，而且对熟料质量也有影响，因而也就对配料方案的确定有影响。一般说来，生料均匀性好， kh 值可高些。据认为，生料碳酸钙滴定值的均匀性达士0.25 时，可生产 525 号以上的熟料。若生料均匀性差，其熟料 kh

51、 值应比生料均匀性好的要低一些，否则游离氧化钙增加，强度下降。若生料粒度粗，由于化学反应难以进行完全，（石灰石饱和系数） kh 值也应适当低些。  窑型与规格物料在不同类型的窑内受热和锻烧的情况不同，因此熟料的组成也应有所不同。回转窑内物料不断翻滚，与立窑、立波尔窑相比，物料受热和煤灰掺人都比较均匀，物料反应进程较一致，因此 （石灰石饱和系数）kh 可适当高些。立波尔窑的热气流自上而下通过加热机的料层，煤灰大部分沉降在上层料面，上部物料温度比下部的高，因此形成上层物料（石灰石饱和系数） kh 值低，分解率高，而下层物料 kh 值高、分解率低，因此，其 kh 值应配得低一些。立窑通风、

52、锻烧都不均匀，因此不掺矿化剂的熟料 kh 值要适当低些。对于掺复合矿化剂的熟料，由于液相出现温度低且液相粘度低，烧成温度范围变宽，一般采用高（石灰石饱和系数） kh 、低（硅率） sm 和高（铝率） im 配料方案，例如，广西北流水泥厂的熟料各率值为：（石灰石饱和系数） kh 0. 94-0. 98，（硅率）sm=1. 60-1.80 ，（铝率） im=1.40-1 .60 。预分解窑生料预热好，分解率高，另外由于单位产量窑桐体散热损失少以及耗热最大的碳酸盐分解带已移到窑外，因此窑内气流温度高，为了有利于挂窑皮和防止结皮、堵塞、结大块，目前趋于低液相量的配料方案。我国大型预分解窑大多采用高硅率

53、、高铝率、中饱和比的配料方案，即所谓“二高一中”配料方案，例如，安徽宁国水泥厂的配料方案为（铝率） im =0. 89 ，（硅率） sm=2.20-2. 30，（铝率）im=1. 45， 窑的规格对熟料组成的设计也有影响。例如日产 700t 熟料的上海川沙水泥厂，由于窑的规格小，窑内的气流温度比宁国水泥厂的稍低，因此各率值也稍低，其（石灰石饱和系数） kh = 0.89 ，（硅率） sm=2. 10，（铝率） im =1 .10 。影响熟料组成的选择的因素很多，一个合理的配料方案既要考虑熟料质量，又要考虑物料的易烧性；既要考虑各率值或矿物组成的绝对值，又要考虑它们之间的相互关系。原则上，三个率

54、值不能同时偏高或偏低。不同窑型硅酸盐水泥熟料各率值的参考范围见表 1-3-3 ，表 1-3-3 不同窑型硅酸盐水泥熟料率值的参考范围窑型khs im预分解窑0.86-0.892.2-2.61.1-1.8湿法长窑0.88-0.911.5-2.51.0-1.8干法窑0.86-0.892.0-2.351.0-1.6立波尔窑0.85-0.881.9-2.31.0-1.8立窑（无矿化剂）0.85 士 0.022.0 士 0.11.3 士 0.1立窑（掺加复合矿化剂）0.92-0.961.6-2.21.1 - 1 55 配料计算熟料组成确定后，即可根据所用原料，进行配料计算，求出符合要求熟料组成的原料配合比.配料计算的依据是物料平衡任何化学反应的物料平衡是：反应物的量应等于生成物的量。随着温度的升高，生料缎烧成熟料经历着：生料干燥蒸发物理水；粘土矿物分解放出结晶水；有机物质的分解、挥发；碳酸盐分解放出二氧化碳，液相出现使熟料烧成。因为有水分、二氧化碳以及某些物质逸出，所以，计算时必须采用统一基准。蒸发物理水以后，生料处于干燥状态，以干燥状态质量所表示的计算单位，称为干燥基准。干燥基准用于计算干燥原料的配合比和干燥原料的化学成分。如果不考虑生产