水泥工艺复习题.doc

第1章 水泥胶凝材料:在物理化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质，称为胶凝材料，或者称为胶结材料。胶凝材料可分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料两大类。非水硬性胶凝材料:凡不能在水中硬化但能在空气中或其他条件下硬化的胶凝材料，称为非水硬性胶凝材料。(包括有无机的和有机的，如一般用途的非水硬性胶凝材料石灰、石膏等；特殊用途的耐酸胶结料、磷酸盐胶结料及环氧树脂胶结料等。)水硬性胶凝材料:基本上是无机矿物材料(可掺少量的有机外加剂或有机掺合料)，它和水成浆状后，既能在空气中硬化，又能在潮湿介质或水下继续硬化，并不断增进它的强度。(如硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、矾土水泥(又称高铝水泥)、膨胀水泥以及聚醋酸乙烯水泥等。)天然胶凝材料(如粘土)石膏、石灰石灰-火山灰水硬性石灰、天然水泥硅酸盐水泥不同品种水泥的各个阶段。水泥:凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢同地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。水泥的种类按用途和性能分为：通用水泥、专用水泥以及特性水泥三大类。按组成分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥以及少熟料或无熟料水泥等，目前水泥品种已达100余种 硅酸盐水泥:凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%石灰石或粒化高炉渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥(即国外统称的波特兰水泥)。不掺混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号PI；掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉渣混合材料的称为II型硅酸盐水泥，代号PII。 普通硅酸盐水泥:凡由硅酸盐水泥熟料、6-15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)。代号PO，水泥中掺合材料掺量按质量百分比计。掺活性混合材料时、不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料来替代。硅酸盐水泥熟料(clinker)：凡以适当成分的生料烧制部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，称为硅酸盐水泥熟料(简称熟料)。 活性混合材料(active admixture)：系指符合国家标准GB1596要求的粉煤灰、GB2847要求的火山灰质混合材料以及GB203的粒化高炉矿渣炉渣。 非活性混合材料：系指活性指标低于GB1596、GB2847和GB203要求的粉煤灰、火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣炉渣，以及石灰石和砂岩 在水泥粉磨时还允许加入主要起助磨作用而不损害水泥性能的助磨剂，其加入量不得超过水泥质量的l% 硅酸盐水泥分为42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R、72.5R六个标号；普通水泥分32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R七个标号。其中R为快硬型水泥，对3天强度有较高要求。硅酸盐水泥熟料各率值，及在生产中的意义水硬系数:是表示水泥熟料中氧化钙的百分含量与酸性氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2O3)百分含量之比。若以m表示水硬系公则可得下式 石灰饱和系数KH KH是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙(C2S+C3S)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形成硅酸三钙的程度。硅率又称硅酸率:表示SiO2的百分含量与A12O3和Fe2O3百分含量之比，用n或SM表示之。 硅率表征熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例。当铝率大于0.64，硅率和矿物成分之间的关系式为： 铁率又称铝率:表示A12O3百分含量与Fe2O3百分含量之比，用p或IM表示之。铝率也表示熟料溶剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例。当铝率大于0.64时，铝率与矿物组成的关系式为： 现代生产的硅酸盐水泥熟料的硅率波动在1.7-2.5(通常控制在2.0-2.2)。铝率波动范用在0.9-1.7。率值在生产中的应用从石灰饱和系数的定义可知，当熟料中的SiO2，全部被CaO饱和时，KH1，熟料中的硅酸盐矿物全部为C3S，如果KH230.667时，则说明SiO2未被CaO饱和而只生成C2S，所以实际上KH介于0.667-1.00之间。KH实际上是表示熟料中C3S与C2S百分含量的比例，KH愈大，C3S含量愈多，熟料质量(主要表现为强度)愈好，故提高KH值有利于提高水泥质量。但是是KH高熟料煅烧过程困难，保温时间长，否则会出现游离氧化钙，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工作条件恶化。因此在生产中确定KH值时应当从全面考虑，如生料质量，燃料质量煅烧温度和时间等，选择适当的数值以达到熟料质量好，游离氧化钙低，燃烧容易。 硅酸率实际上是表示熟料中硅酸盐矿物(C3S+C2S)与熔剂矿物(C3A+C4AF，由于它们在煅烧过程中会一度变成液相，故称熔剂矿物)百分含量之比，n值大小，反映了C3S+C2S与C3A+C4AF之间相对含量的关系。相应地又反映熟料质量(主要表现为强度)与熟料易烧程度(烧成过程出现的液相量)。当n值大时，硅酸盐矿物含量多，熔剂矿物含量少，熟料质量高但燃烧困难。反之，则熔剂矿物含量相对增多，生成较多液相，使煅烧较易进行。但液相太多反而造成操作上困难，熟料易结大块，甚至结圈(在回转窑内)。当CaO含量一定时n值大，C3S+C2S含量中，C3S含量增多，反之则C3S增多。铁率表示熔剂矿物中C3A与C4AF相对含量的比例关系，p值大小，一方面关系到熟料水化进度的快慢，同时又关系熟料液相的粘度，从而影响到熟料煅烧的难易。当p值增大，液相粘度度增大，不利于C3S的形成，操作也较困难；适当降低p值会使熟料易烧一些。但Fe2O3超过一定数量，(例如Fe2O35.5)使p值过低时也会造成燃烧困难，因为这种物料出现液相后，随着温度增高，液相迅速增加，粘度也较小，易使熟料“烧流”结大快。 硅酸盐水泥熟料的成分 化学成分：CaO 62-67%，Al2O3 4-7%，SiO2 20-24%，Fe2O3 2-6%矿物成分：C3S(A矿)，C2S(B矿)，C4AF(C矿)，C3A，玻璃体，方镁石，游离氧化钙 硅酸盐水泥熟料的矿物组成以及对水泥性能的影响1 硅酸三钙：C3S，A矿又名阿里特(Alite)，硅酸盐水泥中最主要的矿物成分，对硅酸盐水泥性质有重要影响。遇水反应速度较快，水化热高，水化产物对水泥早期和后期强度起主要作用2 硅酸二钙：C2S，B矿，又名贝里特(Belite)，硅酸盐水泥中的主要矿物成分，遇水反应速度较慢，水化热很低，水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用，耐化学侵蚀性和干缩性较好。 3 铁铝酸钙：称白色中间相(C4AF)，又称浅色中间体。 含量5-10%，遇水反应较快，水化热较高。强度较低，但对水泥抗折强度起重要作用。耐磨性、耐化学侵蚀性好，干缩性小4 铝酸钙：铝酸三钙水化硬化非常迅速它的强度三天之内就能充分发挥出众所以早期强度较面但强度绝对值较小，且后期强度不再增长甚至反而降低。水化时能放出大量水化热，于缩变形较大，抗硫酸盐腐蚀能力较差。 5 玻璃体：硅酸盐水泥熟料中，除了A矿与B矿外，其他物质统称中间物质。中间物质包括铝酸钙、铁铝酸钙、氧化物及其他少量物质。这些物质在硅酸盐水泥熟料燃烧过程中一度转变成熔融液抵在水泥熟料冷却时部分液相结晶，如部分铝酸三钙、铁铝酸四钙以及方镁石等，部分液相凝固成玻璃体。 6 方镁石：水泥含方镁石高会因其水化慢而使水泥产生膨胀裂纹,造成严重的危害。为了避免此种现象，必须将水泥允许MgO含量限制在一定范围内。 7 游离氧化钙 ：游离氧化钙对水泥的安定性的影响主要决定于游离游氧化钙的类型、颗粒大小及分布情况。硅酸盐水泥生产的主要工艺过程1 生料制备2 熟料煅烧 熟料的锻烧可以采用立窑和回转窑。立窑适用于规模较小的工厂；而大、中型厂则宜采用回转窑。回转窑分为干法窑、立波尔窑、湿法窑。 3 水泥粉磨 水泥熟料的粉磨，通常在钢球磨机中进行，可以采用开路或闭路份磨系统。立式磨闭路系统在大型水泥厂中使用较多。粉磨硅酸盐水泥时，应加入少量石膏作为缓凝剂。是水泥品种和标号不同，可以掺入不同种类和数量的混合材料。 硅酸盐熟料化学成分1 氧化钙 水泥熟料中的主要成分。一般说来，增加熟料中的氧化钙含量能增强水泥强度，加速水泥的硬化过程，但并不是氧化钙含量愈多，水泥质量愈好，所是氧化钙在燃烧过程中全部和酸性氧化物作用生成化合物存在于熟料中而不是呈游离状态存在于熟料中。游离氧化钙应愈低愈好.2 二氧化硅水泥熟料的主要成分之一。二氧化硅与氧化钙作用生成硅酸盐水泥熟料的主要矿物硅酸钙，没有二氧化硅的熟料就不能称其为硅酸盐水泥熟料。二氧化硅含量对水泥强度有显著影响。二氧化硅含量对水泥熟料的煅烧也有影响。3 氧化铝它与主要成分氧化钙、氧化铁化合生成铝酸三钙和铁铝酸四钙。当氧化铝含量增加时，水泥的凝结及硬化速度变快，但水泥的后期强度增长缓慢，并且降低水泥的抗硫酸盐性能。氧化铝含量高的熟料及由此熟料制成的水泥，水化时放热较大，放热速度也快。氧化铝和氧化铁是熟料烧成过程中产生液相的主要氧化物，氧化铝含量过高，液相粘度大，不利于熟料烧成。4 氧化铁与氧化钙和氧化铝形成铁铝酸钙矿物。增加熟料中氧化铁含量，能降低水泥熟料的煅烧温度，但水泥的凝结过程和硬化过程变慢，不过硬化过程在相当长随时间内仍一直在进行。含氧化铁高的水泥较含氧化铝高的水泥的抗硫酸盐性能好。含氧化铁高的熟料液相比含氧化铝高的液相粘度小，因而含氧化铁高的熟料较易烧成，但不适当地提高氧化铁，在烧成过程中会造成液相量过多、液相增长迅速，使物料易结大块而影响操作。水泥生产的主要原料及其作用根据水泥品种、原料的物理、化学性能与具体的生产条件，确定所用原料的配合比，称为生料的配合，简称配料。 1 石灰质原料：制造硅酸盐水泥的主要原料是石灰质原料(主要提供氧化钙) 2 粘土质原料 ：主要提供氧化硅和氧化铝，也提供部分氧化铁 根据主导矿物不同，可将粘土分成高岭石类、蒙脱石类及水云母类等 3 校正原料：当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时，必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料。氧化铁含量不够时，应掺加氧化铁含量大了40%的铁质校正原料。常用的有低品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业废渣硫酸渣(硫铁矿渣)等。生料在煅烧过程中的物理与化学变化1 干燥与脱水：干燥即物料中自由水的蒸发，而脱水则是粘土矿物分解放出化合水。 2 碳酸盐分解：生料中的碳酸钙与碳酸镁在煅烧过程中都分解放出二氧化碳，其反应式如下： MgCO3MgO+CO2-1047-1214J/g(590时) CaCO3CaO+CO2-1645J/g(890时)这是可逆反应，受系统温度和周围介质中CO2的分压影响较大。3 固相反应：在碳酸钙分解的同时，石灰质与粘土质组分间，通过质点的相互扩散，进行固相反应 4 液相和熟料的烧结：通常水泥生料在出现液相以前，硅酸三钙不会大量生成。到达最低共熔温度(一般硅酸盐水泥生料在通常的煅烧制度下约为1250)后，开始出现液相。液相主要由氧化铁、氧化铝、氧化钙所组成，还会有氧化镁、碱等其它组分。在高温液相作用下，水泥熟料逐渐烧结，物料逐渐由疏松状转变为色泽灰黑、结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。同时，硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相中，以Ca2+离子扩散与硅酸根离子、硅酸二钙反应，形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙。 5 熟料的冷却：水泥熟料冷却的目的在于：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑的热效率；迅速冷却熟料以改善熟料质量与易磨性；降低熟料温度，便于熟料的运输、贮存与粉磨。熟料的冷却从烧结温度开始，同时进行液相的凝固与相变两个过程。6 熟料形成的热化学：水泥原料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热反应和放热反应。 画图说明悬浮预热器的工作原理 画图说明双喷腾式窑外分解窑的工作原理水化和硬化：水泥与一定量的水调和后，能很快生成塑性的胶状物质，具有粘结性能，可以用来胶结砂、石等骨料；这种胶状物质，以后会逐渐失去其塑性，硬化成为具有相当强度的石状物体，而与其所胶结的砂、石等骨料一起变成坚固的整体。上述过程是系列复杂的化学、物理化学和物理现象的总和，整个过程就构成了水泥的水化和硬化。一种物质从无水状态变成含水状态叫做水化作用。凝结：水泥与水拌和后，熟料矿物进行水化，产生水化物溶胶并析出Ca(OH)2，水泥浆适渐减小流动论但仍具有可塑性，结构还没有固定。随着熟料矿物水化作用的继续进行，水化物增多，游离水减少，水化物溶胶逐渐凝聚，浆体逐渐失去可塑性，形成凝胶，这一过程叫做凝结过程。所以水泥浆的凝结也就是水泥浆失去可塑性，由流动状态向固态转变，并有一定的强度的过程。硬化机理：结晶理论：水泥的活性组份熔解于水并起水化作用，生成溶解度很小的水化物，这些水化物从其过饱和溶液中析出。未溶解的活性组份又接着进入溶液继续水化和析出，以致全部活性组份逐步结成具有抗水性的晶体。它们之间的吸着力和紧密交结，导致水泥石的强度。硅酸钙与无限量水作用时完全水解，生成各自相应的水化产物CaO/SiO2比在0.8-1.5之间变化的硅酸钙水化物称为硅酸钙水化物I，也称水化硅酸钙凝胶 CaO/SiO2比由1.5到2.0的硅酸钙水化物称为硅酸钙水化物(II)，简称C-S-H(II)铝酸钙水化过程的特征是水化快、放热快以及强度增长快。 (1) 在无限量水中，铝酸钙完全水解，生成Al2O3aq和Ca(OH)2水泥中铁铝酸盐实际是C6A2F和C6AF2固溶体，接近于C4AF，它的水化不仅受外界条件(加水量、温度、氧化钙浓度)的影响，而且受矿物中A12O3和Fe2O3比例的影响。 在无限量水中水化，C4AF完全分解为Ca(OH)2、Al2O3aq和Fe2O3aq。 玻璃体主要成分是Al2O3，CaO、Fe2O3，亦含有少量SiO2、MgO及碱等。它的水化产物为C5AH6-C3FH之间的固溶体。此外，还有部分水分子可能被SiO2所代替生成更复杂的固溶体水化石榴子石，其组成式是3CaO(Al2O3，Fe2O3)xSiO2(6-2x)H2O。游离CaO和Mgo的水化：初凝：实际上相当于屈服值提高到某一个规定数值，即将开始第二次快速上升的时间。从矿物组成看，铝酸三钙的含量是控制水泥凝结时间的决定性因素。有人认为，初凝是与C-S-H开始快速形成的时间一致的，而水泥颗粒被C-S-H完全覆盖的时间即为终凝。国标规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390m