水泥熟料煅烧

上节回顾

1.注浆成型空心注浆和实心注浆两种压力注浆、真空注浆、离心注浆

水玻璃、碳酸钠、焦磷酸钠、腐植酸钠、单宁酸钠、六偏磷酸钠等都符合以上条件。

常用电解质——使同样含水量的泥浆变稀

2.可塑成型利用模具或刀具等运动所产生的外力（如压力、剪切、挤压等）使可塑泥料产生塑性变形而制成某种形状的制品，称为可塑成型。1.低温预热阶段（室温~300℃）2.氧化分解及晶型转化期（300~950℃）3.成瓷期（950℃~烧成温度）4.高火保温（0.5~2h）5.冷却期（烧成温度至室温）一、坯体烧成过程中的物理化学变化上节回顾二、烧成制度上节回顾

烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。影响产品性能的关键：T－t，atmosphere

压力制度旨在保证窑炉按照要求的温度制度与气氛制度进行烧成。

温度制度包括升温速度、烧成温度、保温时间及冷却速度。三、烧结温度及烧结温度范围

低温长烧、高温短烧无机非金属材料工学

水泥熟料煅烧陈杰材料科学与工程学院水泥生产工艺流程回顾硅酸盐水泥的生产方法简单地可以概括为生料制备、熟料煅烧、和水泥粉磨三个过程。所以，硅酸盐水泥生产过程经常被简称为“两磨一烧”，即：①生料制备→②熟料煅烧→③水泥粉磨占全部能耗的80%，直接决定水泥的质量和产量

工艺流程

（一）生料制备过程石灰石 粘土 铁粉 其他辅助原料↓↓↓↓破碎破碎烘干破碎↓↓↓↓烘干烘干↓烘干↓↓↓↓↓配合↓粉磨↓均化↓入生料库生料制备方法方法类型干法（水分1%）

1.分类湿法（制成料浆，水分32~40%）半干法（制成料球，水分12~14%）

2.不同生产方法的区别依据：生料制备方法+入窑生料状态干法：生料制备为干法，生料粉状入窑（干法窑）湿法：生料制备为湿法，生料浆状入窑（湿法窑）半干法：生料制备为干法，入窑前生料中添加少量水份，料球状入窑（立窑、立波尔窑）

不同生产方法优缺点比较1.湿法：生料易于均化、成分均匀而稳定，熟料质量好、扬尘点少，但热耗高；2.干法：热耗低、电耗高。早期的干法生产因均化效果不好，所以熟料质量较差。近年来随着干法均化技术的提高，水泥质量得到改善，完全可以与湿法熟料相比；3.半干法：适宜于低水分原料，热效率和空间效率比较高；

（二）熟料煅烧生料入窑↓干燥脱水↓预热分解↓固相反应↓熟料烧结↓熟料冷却↓熟料出窑↓熟料入库（三）水泥粉磨熟料石膏混合材↓↓↓破碎破碎烘干↓↓↓↓配合↓粉磨↓均化↓水泥入库9.1概述

一、水泥的定义：水泥：与适量的水调和后既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能胶结其他块状或粉状物料，最终形成具有抵抗外力能力的凝固体的无机粉状水硬性胶凝材料。

硅酸盐水泥

铝酸盐水泥二、按组成分为硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥少熟料或无熟料水泥由硅酸盐水泥熟料、05%的石灰石或粒化高炉矿渣和适量的石膏经磨细制成的水硬性胶凝材料。三、硅酸盐水泥熟料（p164）1.定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，冷却后所得的以硅酸钙为主要成分的烧结物，即为硅酸盐水泥熟料，简称熟料

2.硅酸盐水泥熟料的化学成分：（1）硅酸盐水泥熟料化学成分主要成分：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3约95%

次要成分：MgO、SO3、TiO2、P2O5、K2O、Na2O等约5%

各氧化物的波动范围为：

CaO:6267%SiO2:2024%Al2O3:47%Fe2O3:2.56.0%3.硅酸盐水泥熟料的矿物组成

（1）主要矿物：硅酸三钙：3CaO•SiO2——C3S——50~60%

硅酸二钙：2CaO•SiO2——C2S——20%

铝酸三钙：3CaO•Al2O3——C3A

铁铝酸四钙：4CaO•Al2O3•Fe2O3——C4AF

称C3S和C2S为硅酸盐矿物，称C3A和C4AF为熔剂性矿物（在水泥熟料煅烧过程中该两矿物于1250～1280℃开始熔融转变为液相）。（2）次要矿物：游离氧化钙（f-CaO）、方镁石（结晶态氧化镁）、含碱矿物、硫酸盐以及玻璃体等。（3）熟料矿物的波动范围及特征C3S和C2S的合计含量：～

75%，C3A和C4AF的合计含量：～

22%。9.2硅酸盐水泥熟料的煅烧（p177）水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。熟料的煅烧过程生料在煅烧过程中的物理化学变化：干燥与脱水碳酸盐分解固相反应熟料的烧结冷却（1）干燥与脱水（100~500℃）

干燥即物料中自由水的蒸发。100-150℃，热耗极大。脱水是粘土矿物分解放出化合水。高岭石脱水后的产物为无定形物质，脱水后具有的活性较高。如果提高脱水过程的温度梯度，在急烧时，有利于熟料的形成。——每公斤水蒸发耗热2257kJ,占湿法生产总耗热的35%。

入窑生料中的水分干法窑（水分<1%）湿法窑（制成料浆，水分32~40%）立窑（立波尔窑）（制成料球，水分12~14%）（2）碳酸盐分解（600~1200℃

）生料中的碳酸盐是指碳酸钙与碳酸镁，碳酸盐分解是指碳酸钙与碳酸镁在煅烧过程中分解放出二氧化碳的反应，此反应是可逆反应，反应式如下：

MgCO3

≒

MgO+CO2-1047~-1214J／g(590℃时)CaCO3

≒

CaO+CO2-1645J／g(890℃时)——湿法生产1/3能耗，新型干法窑的1/2

碳酸盐分解反应特点：1.可逆反应；2.强吸热反应；3反应起始温度较低。

通常碳酸钙在600℃时就开始有微弱的分解，至894℃时，分解速度加快，分解出的CO2分压达一个大气压，1100~1200℃时，分解速度极为迅速。

碳酸钙颗粒的分解过程：气流向颗粒表面的传热过程；热量由表面以传导方式向分解面传递的过程；碳酸钙在一定温度下，吸收热量并进行分解并放出CO2的化学过程；分解放出CO2，穿透CaO层向表面扩散的传质过程；表面的CO2向周围介质气流扩散的过程。正在分解的CaCO3颗粒传热、传质VS分解反应化学过程影响碳酸钙分解速度的影响因素：1．温度：随温度升高，分解速度常数增加，分解时间缩短，分解速度增加。但应注意温度过高，将增加废气温度和热耗。2．窑系统的CO2分压：通风良好，CO2分压较低，有利于碳酸钙的分解。3．生料细度和颗粒级配：生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，分解速度快。4．生料悬浮分散程度：生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒尺寸，减少了传热面积，降低了碳酸钙的分解速度。5．石灰石的种类和物理性质：结构致密、结晶粗大，分解速度慢。6．生料中粘土质组分的性质：高岭土类活性大、蒙脱石、伊利石次之，石英砂较差。活性越大的，在800℃下越能和氧化钙或直接与碳酸钙进行固相反应，生成低钙矿物，可以促进碳酸钙的分解过程。（3）固相反应（800~1200℃）——放热反应反应特点：多级反应放热反应反应产物：

C2S、C3A、C4AF

f-CaO与生料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3进行固相反应形成熟料矿物。800℃：CA、CF、C2S开始形成800~900℃：7CA+5CaO→C12A7

CF+CaO

→C2F900~1100℃：

C12A7+9CaO→7C3A7C2F+2CaO+C12A7

→7C4AF1100~1200℃

大量形成C3A和C4AF，

C2S达到最大值（3）固相反应（800~1200℃）——放热反应影响因素：生料细度及均匀程度

——优化控制生料细度原料性质

如果相互进行故相反应的物质都处于晶型转变或刚分解的新生态时，由于其质点间的相互作用较弱，反应速度增加，能耗降低。温度矿化剂

（4）熟料烧结过程（固液相反应）

当物料温度升高到最低共熔温度后，C3A、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液相中，

C2S吸收CaO形成C3S。反应式：C2S+CaO→C3S（高温液相的作用下）

随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低，C2S、CaO不断溶解、扩散，C3S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体。晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑、结构致密的熟料。C3S的形成熟料烧结

C3S形成条件：

温度：1300~1450~1300℃

液相量：

20%~30%

时间：

10~20min

影响熟料烧结过程的因素最低共熔温度液相量液相粘度液相的表面张力C2S、CaO溶于液相的速率反应物存在的状态（5）水泥熟料的冷却（1450~）冷却目的：

改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于运输、储存、和粉磨；回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利用率。冷却方式？急速冷却熟料的优点：

急冷能防止或减少β-C2S转化成γ-C2S

急冷能防止或减少C3S的分解——C3S→

C2S+f-CaO

急冷能防止或减少MgO的破坏作用，提高水泥安定性。急冷使熟料中C3A结晶体减少,增强水泥的抗硫酸盐性。急冷熟料易磨性提高γ-C2S无水硬性C2S多晶转变：

α-C2Sα‘-C2Sβ-C2Sγ-C2S＜500℃常温下，有水硬性，不稳定几乎无水硬性密度(g/cm3):3.282.97

体积膨胀10%，熟料粉化防止或减少β-C2S转化成γ-C2S急冷能防止或减少C3S的分解纯C3ST>2065℃不一致熔融为CaO与液相

T=2065~1250℃内稳定；

T＜1250℃C3SC2S+CaO

（反应慢，常温下C3S呈介稳状态）急冷能防止或减少MgO的破坏作用当熟料慢冷时，MgO结晶成方镁石。方镁石：游离状态的MgO晶体，是熟料中氧化镁的一部分。性能：水化很慢，水化时，固体体积膨胀148%，引起水泥的安定性不良。

当熟料急冷时MgO凝结于玻璃体中，或者即使结晶，晶体也非常细小，其水化速度与其他组成大致相等，这样制件就不会胀裂。急冷使熟料中C3A结晶体减少

急冷时C3A来不及结晶出来，而存在玻璃体中，或结晶很少。结晶型的C3A水化后易使水泥浆快凝，而非结晶的C3A水化后不会使水泥浆快凝。因此急冷的熟料加水后不会快凝，容易掌握其凝结时间。急冷熟料易磨性提高

由于急冷，熟料内部产生内应力，因此使得易磨性提高。硅酸盐水泥熟料的煅烧二、水泥工业的发展概况

(一)水泥工业发展史1、第一次产业革命时期：（1824年）硅酸盐水泥问世，用间歇式的土立窑烧制熟料。

2、1877年：水泥的回转窑烧制技术获得专利。出现单筒冷却机、立式磨、单仓钢球磨

3、19世纪末20世纪初：机立窑（1910年）、立波尔窑（1928年）相继诞生。

4、20世纪50年代初：悬浮预热器窑出现，1950年全世界水泥年产量达1.33亿吨。水泥工业的发展概况（续）

5、60年代初：以电子计算机为代表的新技术在水泥工业中开始得到应用。

6、70年代初：（1971年）日本在引进西德悬浮预热器技术的基础上开发出窑外分解技术，使水泥产量翻翻增长。

7、70年代中后期：带悬浮预热器的窑外分解窑在全世界范围内推广应用。生产过程采用计算机集中或分散控制。1980年世界水泥产量达8.7亿吨。2003年世界水泥产量14亿吨。（二）水泥工业的整个发展过程可用下列框图表示土立窑↓机立窑、回转窑↓立波尔窑↓悬浮预热器窑↓预分解窑（预热器＋窑外分解炉）↓预分解窑＋计算机自动控制三、中国水泥工业的发展(一）发展概述1.1889年中国第一个水泥厂建于河北唐山，名为启新洋灰公司（今启新水泥厂前身）。随后陆续建立大连、上海、广州、中国（南京）等水泥厂。1952年到1980年28年间水泥总产为5100万吨。1981年一年年产量就达9700万吨。2.50年代中期：湿法回转窑和立波尔窑成套设备试制。3.50年代后期到60年代：预热器窑试验。