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水泥生产方法及主要设备一、硅酸盐水泥熟料1熟料定义硅酸盐水泥熟料按中国标准的定义为：“以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物”。按欧洲试行标准的定义为：“波特兰水泥熟料是一种水硬性材料，以重量计至少23是由硅酸钙(C3S和C2S)组成，其余为氧化铝(Al203)，氧化铁(FC2O3)和其它氧化物。CaOSiO。重量比应不小于20。氧化镁(MgO)以重量计不应超过5。波特兰水泥熟料是由精确配定的混合原料(生料粉，料泥或生料浆)经至少煅烧至烧结而制成的，混合原料含有CaO，SiO2，Al2O3和少量其它物质。生料粉，料泥或生料浆必须细磨，充分混合，因而是均匀的”。由以上的定义中可以看出欧洲标准规定的比较明确，对熟料的矿物组成(如硅酸盐矿物)和化学组成(如CaOSiO重量比)都给予数量上的限定，对生料的制备质量也提出了细磨和混合均匀的要求。这些对新品种开发和提高水泥及混凝土质量是很重要的。2熟料矿物组成硅酸盐水泥熟料主要由4种结晶矿物组成，即阿利特，贝利特，铝酸盐和铁铝酸盐，它们紧密地交织在一起，另外还有少量游离石灰，方镁石，玻璃体和孔隙。阿利特(Alite)主要由硅酸三钙组成，分子式为3CaOSiO2，简写C3S。因为熟料中不存在纯的C3S，其中都固溶有MgO，Al2O3，Fe2O3，TiO2以及V12O，Na2O等金属氧化物，所以在准确叫法称为阿利特矿物，简称A矿，C3S水化速度快，早期强度和后期强度都高，是硅酸盐水泥熟料尤其高活性熟料的主要矿物，含量一般在4080，我国最高在67左右，国外可达85。贝利特(Belite)主要由硅酸二钙组成，分子式为2CaOSiO2，简写为C2S。因为熟料中不可能有纯的C2S，其中多固溶有Al2O3，Fe2O3，MgO，V12O，Na2O，TiO2，P2O5等杂质，所以称为贝利特矿物，简称B矿。C2S水化速度慢、早期强度低，长期强度能达到与C3S相同的水平。C2S有4种晶型，在2130下烧至熔融为a型，1420C为a型，温度降至675转变为型，降到300400转变为型。强度以a型最高，以后随温度降低和晶型转变而降低，到v型几乎没有强度，体积膨胀10，造成熟料粉化。在水泥熟料中主要是型C2S，一般通过其他离子侵入和快速冷却能使型C2S稳定不再转变为V型C2S。C2S含量一般在030之间，我国高的在35左右。铝酸盐纯的铝酸盐相为铝酸三钙，即3CaOAl2O，简写为C3A，在熟料中C3A也含有Al2O，Na2O等氧化物。C3A水化速度极快，为抑制其水化速度调节凝结时间要加入一定量的硫酸盐(如石膏)，C3A本身强度不高，但因其水化快和水化热高，能与阿利特和贝利特一起提高一些水泥早期强度。CaA含量一般613，我国偏低一些，411，国外一般偏高，个别情况高达15。铁铝酸盐又称铁酸盐相，它没有固定的化学组成，是晶体混合系列中的一环，理论上可达到C2A和C2F，所以常常称为铁铝酸四钙，简写为C4AF，然而C2A并不存在。这一晶体混合系列为C2AC6A2FC4AFC6AFC2F，视氧化铁和氧化铝含量的不同，混合晶体可偏向铁多的一面或铝多的一面，在水泥熟料中系数情况下是相当于C4AF的组成，也可写成C2(AF)。铁铝酸盐相中也固溶一些其他离子，它对水泥颜色起很大的决定作用，纯的C4AF为褐色，含MgO后为深灰绿色。C4AF的反应活性很低，对水泥性能作用不大。C4AF含量一般为415，中国偏高一些，高的在18左右，低的约8。游离石灰水泥熟料中未与酸性氧化物化合的氧化钙，常写成fCaO，一般含量都在2以下。游离石灰是不希望存在的，它的出现有以下几个原因：生料制备不好，有过粗的颗粒或混合不均匀；煅烧温度不够，未能同其他氧化物化合；冷却速度过慢，部分C3S分解成C2S和fCaO；配料不当氧化钙含量过高。游离石灰过高会使砂浆和混凝土发生膨胀，造成安定性不良。游离氧化镁或方镁石在氧化镁含量高的熟料中可能含有游离的氧化镁，一般只写成MgO，MgO有225能固溶到熟料的其它相中，水泥标准中规定MgO含量不得超过5，所以熟料中最高能有2530的MgO。固溶在其它相中的方镁石量取决于熟料的化学成分和生产工艺，这部分没有什么危害。游离的方镁石如含量过高会产生膨胀，又常在一年以后发生，造成混凝土损坏。方镁石如结晶细小和分散均匀，膨胀作用也小，粗大的结晶和呈窝状存在危害较大，游离石灰也是这样。除此之外熟料中在个别情况下也还可能存在极少量的硫酸碱和玻璃体。3熟料化学组成及率值为了能够煅烧出所需矿物组成的熟料，首先要配制出具有一定化学成分的生料，生料去掉烧失量后的化学成分即熟料化学成分一般范围列于表7。表7熟料化学成分范围（重量）在调配原料时要通过各种氧化物的比例关系进行控制，这些比例关系又称率值，常用的率值有以下几种：(1)石灰饱和系数KH在熟料中石灰完全饱和是指全部SiO2都形成C3S，全部Fe2O3，都形成C4AF，剩余的Al2O3，都形成C3A，石灰饱和系数是指熟料中实际的CaO含量与理论上达到完全饱和时的CaO含量之比。在中国使用前苏联的金德公式计算，用生成C4AF和C3A和CaSO4后剩余的CaO量与SiO2全部生成C3S，所需要的CaO量之比KH=如fCaO过高上式中还应考虑扣除iCaO，尤其在我国的立窑生产中要计算扣除fCaO后的KH值KH=目前我国熟料的KH值在082096之间。在国外石灰饱和系数的计算为：也还有用石灰标准系数KST(德国)和石灰饱和率CSF(英国)两种表示法，即KST=LSF=(2)硅酸率SM硅酸率是SiO2与A12O3和Fe2O3之和的比值，它表示熟料在烧结时(在烧成带内)固相与流相的比例。因为SiO2在烧结温度下绝大部分都在固相阿利特和贝利特相中，而氧化铝和氧化铁则存在液相中。目前，我国水泥熟料的硅酸率在1628之间，国外在1932之间。SM=(3)铝氧率IM铝氧率也称铁率是氧化铝与氧化铁的比，在烧结温度下这两种氧化物几乎全部进入液相。IM主要表示液相的特性，若提高氧化铁含量，IM值减小，液相粘度下降，若IM值95泥灰岩质石灰石CaCO3含量8595石灰质泥灰岩CaCO3含量?085泥灰岩CaCO3含量3070粘土质泥灰岩CaCO3含量1530泥灰岩质粘土CaCO3含量515粘土CaCO3含量5纯石灰石，泥灰岩质石灰石和石灰质泥灰岩用以引入CaCaCO3，粘土、泥灰岩质粘土和粘土质泥灰岩用以引入SiO2，Al2O3和Fe2O3。配料时最好选用与熟料化学成分相接近的原料，如石灰质泥灰岩，因为它已混入一些粘土质组分，结晶细小，分布均匀，易烧性好。最不利的是用纯的石灰石和纯的粘土混合配料，易烧性不好。为了调整生料化学成分，有的还加入少量砂岩，硫铁矿渣、铁矿等作为校正原料。除天然原料外还可以使用工业废渣，如高炉矿渣、煤矸石、粉煤灰、金属尾矿等作为粘土质原料，今后的发展趋势也是尽可能利用泥灰岩类天然原料和工业废渣作主要原料，高质量的石灰石作为校正原料来生产水泥熟料。生产熟料所用的燃料，从今天的技术水平来看不受什么限制，气体、液体、固体燃料，可燃性废料都可以使用，仅立窑上受工艺条件限制只能烧固体燃料，并以无烟煤、焦炭之类含挥发分低的燃料为好，回转窑则烟煤，无烟煤以及各种可燃性废料都可以使用。2生产水泥的原料硅酸盐水泥自然是由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏共同磨细而成，有些品种允许加入一定量的混合材。然而今天在欧洲水泥试行标准中则将我国所称的混合材也作为水泥的组分，在水泥含量6的为主要组分，5的为次要组分或填充料，即水泥的组成应为主要组分，次要组分，石膏和外加剂。因为这些组分材料不论是熟料、石膏，还是矿渣、粉煤灰甚至窑灰都对水泥性能的发挥起一定作用，都是为获得优质混凝土所不可缺少的材料，所以在标准中对这些材料的质量也都提出了相应的要求，这里只就几种主要材料作些介绍。(1)硅酸盐水泥熟料熟料定义前已有介绍，这里不再重复，中国标准强调了要用适当成分的生料和烧至部分熔融，以及要以硅酸钙为主要成分。欧洲试行标准除此之外还要求硅酸钙(C3S+C2S)含量应23，CaOSiO2重量比20，并对生料制备也提出一些原则要求，这些对保证混凝土质量很有益处，尤其目前对提高我国水泥实物质量很有参考价值。其他对如铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的熟料也都有相应质量要求。(2)混合材在我国将水泥中除熟料和石膏以外的组分都称为混合材，它是为改善水泥性能，调节水泥标号的矿物质材料。常用的混合材有粒化高炉矿渣，粉煤灰，火山灰质混合材，石灰石，粒化电炉磷渣，冶金工业的各种熔渣。火山灰质混合材分为两大类，1类是天然的，如火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土和硅藻石。另1类是人工的，如煤矸石、烧页岩、烧粘土、煤渣、硅质渣。对这些材料都有一定的质量要求和掺加量限定，今后的发展趋势是加大工业废渣的掺加量，减少熟料使用量，为保护环境多做贡献，但是，也有一个前提，即不能过份影响水泥及混凝土质量，不能产生二次污染，也不能太大地影响生产过程，每使用一种新的废渣都必须做水泥性能及混凝土性能和耐久性试验，有关环保及安全方面的检测，取得有关部门的许可方可正式使用。(3)石膏石膏又称缓凝剂，是调节水泥凝结时间用的，常用的为天然石膏矿，主要成分为二水硫酸钙CaSO42H2O，或者天然硬石膏，主要成分为无水硫酸钙CaSO4。另外也有半水石膏CaSO42H2，它们的混合物，或工业副产石膏，如陶瓷工业的石膏模，烟气脱硫石膏等。石膏的用量约为5左右，一般控制水泥中的 SO，量不超过35。(4)外加剂水泥中允许加入不超过水泥重量1的外加剂，主要是助磨剂。这些外加剂不应损害对钢筋的保护性能，以及水泥和混凝土的其他有关性能，所以水泥中的外加剂应慎重使用，以加在混凝土中为好，以免与混凝土的外加剂相抵触。(5)超细掺加料自90年代以来兴起的超细粉掺加料能显著提高水泥混凝土的强度和改善其他有关施工性能和物理性能。水泥中常用的是硅灰，它的细度是水泥细度的50100倍。近来又发展使用磨细矿渣以及磨细熟料，磨细程度一种是超细磨，比面积磨到9000或10000cm2g以上到20000cm2g，平均粒径136m。另一种是在9000cm2g以下，有的在5000cm2g左右，或40005000cm2g之间，后一种当然算不上超细磨了，现在的研究得出，加入这些微细粉能明显提高水泥及混凝土强度，尤其是早期强度，并能改善水泥砂浆的可加工性，提高混凝土的密实性、抗渗性、抗蚀性、耐久性，这种微细粉可以加到水泥中也可以在施工时加到混凝土中，我国目前比较重视的是用磨细矿渣掺到水泥中，改善水泥性能。三、水泥生产工艺1熟料形成过程硅酸盐水泥熟料是由石灰石组分和粘土组分经高温煅烧相互化合而成的，其主要反应过程如下20150C一烘干原料带入的附着水分，湿法生产在这一段消耗了大量热量。150600C一高岭土脱去吸附的水分和结晶水。600900C一高岭土分解，同时形成一些初级矿物，如CA，C2F，C2S和C12A7。8501100一CaCO3分解率最大，形成的游离石灰量也最大，这期间因CaCO3分解为吸热反应，需要热量最多。C3A和C4AF也在这时开始形成。11001200一C3A和C4AF主要在这一温度区内形成，C2S量达到最大值。12601310一形成熟料液相12501450C2S吸收fCaO形成C3S，最终烧成熟料，所以一般都要达到1450以上，并停留一定时间才能烧出合格熟料。2水泥生产方法水泥的生产工艺简单讲便是两磨一烧，即原料要经过采掘、破碎、磨细和混匀制成生料，生料经1450C的高温烧成熟料，熟料再经破碎，与石膏或其他混合材一起磨细成为水泥。干法生产的特点干法是将生料粉直接送入窑内煅烧，入窑生料的含水率一般仅12，省去了烘干生料所需的大量热量。以前的干法生产使用的是中空回转窑，窑内传热效率较低，尤其在耗热量大的分解带内，热能得不到充分利用，以致干法中空窑的热效率并没有多少改善。干法制备的生料粉不易混合均匀，影响熟料质量，因此4050年代湿法生产曾占主导地位。50年代出现了生料粉空气搅拌技术和悬浮预热技术，?0年代初诞生了预分解技术，原料预均化及生料质量控制技术。现在干法生产完全可以制备出质量均匀的生料，新型的预分解窑已将生料粉的预热和碳酸盐分解都移到窑外在悬浮状态下进行，热效率高，减轻了回转窑的负荷，不仅热耗低使回转窑的热效率由湿法窑的30左右提高到60以上，又使窑的生产能力得以扩大，目前的标准窑型为3000td，最大的10000td。我国现在有700td、1000td、2000td、4000td的几种规格，逐步向大型方向发展。预分解窑生料预烧得好，窑内温度较高，熟料冷却速度快，可以烧高硅酸率、高饱和比以及高铝氧率的熟料，熟料强度高，因此现在将悬浮预热和预分解窑统称为新型干法窑，或新型干法生产线，新型干法生产是今后的发展方向。新型干法窑规模大，投资相对较高，对技术水平和工业配套能力要求也比较高，如条件不具备则难以正常发展。3水泥生产工艺流程水泥生产的基本流程，以干法生产为例包括以下几个主要工序：原料开采一破碎一烘干一配料一粉磨一生料贮存一均化一煅烧一熟料冷却及破碎一配料(加石膏和混合材)一粉磨一水泥贮存一装运。湿法生产的区别在煅烧以前的生料制备过程上，主要工序为：半干法生产的区别仅在出生料磨以后和入窑煅烧之前的一段，即：粉磨一生料贮存均化一加水成球一煅烧。新型干法生产则在各贮存环节上都加强了均化，具体为：原料开采一破碎一预均化一配料一粉磨并烘干一生料粉贮存均化一煅烧一熟料冷却破碎一熟料贮存均化一配料一粉磨一水泥贮存均化一装运(或混配搅拌一装运)此外，用煤做燃料时也要经过贮存均化，破碎(或烘干)，粉磨制成煤粉再人窑。混合材则视品种而定，如粒化高炉矿渣要经过烘干，煤矸石要预先破碎，石膏也需预先破碎。混合材和石膏通常都与熟料一起粉磨，近年来对粒化高炉矿渣趋向于单独粉磨，因为矿渣比熟料难磨，如与熟料一起粉磨难以磨细，不能充分发挥矿渣的作用。四、生产水泥用的主要设备1水泥窑系统水泥窑是水泥厂的主要设备，由生料烧成熟料的整个过程都在窑内完成，最简单的回转窑是干法中空窑，如图1所示。生料粉由窑尾加入，煤粉用一次风由窑头喷入并在窑内燃烧，这里的火焰温度达18002000。生料在窑内不断向窑头流动，湿度也逐渐升高，经过烘干、脱水、预热、分解，到1300C左右时出现液相，在火焰下面升高到1450C烧成熟料，然后冷却到13001100离开回转窑落入单筒冷却机，冷却到100150左右卸到熟料输送机运至熟料破碎机，破碎后入库贮存。图1干法中空回转窑1次风鼓风机2煤粉下料管3喷煤管4窑头罩5回转窑6生料粉下料管7烟室8熟料下料溜槽9单筒冷却机10熟料运输机回转窑是由钢板卷制的圆筒，内砌耐火砖，由装车简体上的轮带和下面的托轮支承，用装在窑身上的大齿圈传动。回转窑通常以35的斜度安放，转数一般在1转分钟以内、新式干法窑可达3转分钟以上。单筒冷却机与窑相似，不同的是筒内装有扬料板用以加速熟料冷却。窑头高温区简体温度过高，以前曾用水冷却，现已改为用风冷却。上述干法中空窑是基本窑型，其他各种窑型主要是改变后部的烘干、预热和分解部分的结构与型式，及变换熟料冷却机。如湿法窑因料浆含水量高不易烘干，所以将窑加长，窑内挂上链条帮助烘干料浆，又装上热交换器提高烘干后物料的预热速度。冷却机常使用多筒冷却机，它是装在窑简体外面的小型冷却筒，一般由911个组成，筒内装扬料板，随窑筒体一起转动，将熟料冷却，如图2所示为我国常用的老式湿法窑和多筒冷却机。半干法回转窑是用篦式加热机代替部分回转窑，生料球在炉篦子上被烘干、预热和部分分解，因篦式加热机的热效率比转筒高，所以窑的生产能力也比较大(见图3)。新型干法窑是在短的回转窑后面加上悬浮式预热器，最早出现的为由4个旋风筒组成的旋风式预热器，如图4所示，物料仅用几秒钟的时间便能通4级旋风筒，温度升高到800900C，完成烘干、预热和有20一30的碳酸盐分解。以后又出现了立筒预热器，如图5所示，原理基本相同，都是让生料粉在悬浮状态下被预热。立筒预热器断面较大，不易堵塞尤其对小型窑比较有利，但效率较低，新建窑已很少采用。预分解窑是在旋风式预热器系统中用，入窑生料的分解率可达到8595，回转窑的能力有了成倍的提高，煅烧熟料的单位热耗可降到2930KTkg(700kcalkg)，如图6所示。分解炉的型式很多，有4050种，其基本原理都是使煤粉在悬浮的生料粉雾中或在沸腾的生料粉层中燃烧，燃烧放出的热量能立即被正在分解的生料粉吸收，传热效率极高，生料在分解炉中能基本完成碳酸盐分解反应，随气体进入下一级旋风筒并被从气体中分离出来进入回转窑。在分解炉中要燃烧50左右的煤粉，所以从冷却机中抽出部分经过预热的空气送人分解炉，这一送风管称三次风管。大型预分解窑采用双系列6级预热器系统，并利用出预热器的废气来烘干生料，窑系统与生料磨系统联合生产，能更充分地利用热能，占地也小(如图7)。国外还有一些现代化的水泥厂，生料磨真正地与回转窑联索成一个系统，取消了生料粉贮存和均化库，出磨生料直接喂入预热器，当然这要求生料磨的可靠性和生料质量控制水平要达到相当高的程度，否则是行不通的。图2湿法长窑生产流程图1回转窑2多筒式冷却机3喷煤管4传动齿轮5热交换器6链条7托轮8水冷却9鼓风机10煤磨11选粉机12旋风收尘器13煤磨排风机14从窑头吸热空气送入煤磨的管子15收尘器16烟囱图3二次通过的炉篦式加热机1成球盘2料球加料斗3烘干室4热风二次入口5加热室6炉篦子7回转窑8热风一次出口9废气出口图4洪堡型旋风预热器1回转窑2竖烟道3排风机4旋风筒5入窑下料管现代回转窑十分重视熟料冷却效率，对各种型式的冷却机都做了相应的改进，如图8所示，单筒冷却机加大了直径和长度，设备结构简单，但占地较大，新式多筒冷却机也都加长到20m左右，窑筒体也被迫又向前延长并增加一道轮带，虽然省去了传动机构，但结构也较复杂，冷却效率相对较低，又不能抽三次风供分解炉用，新建窑已不再采用。篦冷机占地相对最小，效率高，虽结构复杂，动力消耗高，仍是目前所用的主要冷却设备。新式篦冷机篦板结构，送风方式都做了改进，又将篦冷机分为两级，中间加装辊式破碎机，三次风由窑头抽出，以提高三次风温度，有利于分解炉内的燃料燃烧，如图9所示。图5几种不同型式的立筒预热器1旋风筒2立筒3回转窑立窑是不动的竖筒，生料与煤混合粉磨制成料球，由立窑上部加入窑内。料球尺寸一般7一15mm。含水14左右，我国采用的预加水成球设备可将料球降到35mm，含水10一12，提高了窑的热效率。含某粉的料球在窑内被烘干，煤粉燃烧将生料烧成熟料。烧好的熟料由底部经卸料篦子卸出。冷风由窑下鼓入，在上升的过程中将熟料冷却，本身也得到预热，到高温带供料球中的煤粉燃烧用，废气由窑顶排出。立窑的直径以前1725m，现在扩大到2532m，高 81lm，立窑的日产量已达250300td。图6带窑分解炉和预热器窑流程图1旋风筒2立筒3回转窑4水泥粉磨站若把水泥生产工艺过程作为一个完整的工艺系统来看，最终产品是水泥，熟料是半成品，所以可以将这个系统分开，从原料采掘到制成熟料是一段，由熟料制成水泥和装运发货是第二段。一般情况下这两段应放在一起，这样少占用土地，方便管理，用人工也少，可以完全集中控制。然而在有些特殊情况又以分开更为有利，例如：(1)大量运输水泥以水运最便宜，但是，原料基地，尤其石灰石矿山往往远离水运码头，这时可在原料基地建熟料生产线，即包括原料开采，破碎、烘干、粉磨、煅烧和熟料贮存。煅烧好的熟料再用火车运至水运码头附近，在这里建水泥粉磨站磨制水泥，在码头建水泥贮存和装船系统，水泥可以利用各种船舶水运出厂。例如1997年在山东投产的大宇水泥厂，在泅水石灰石矿山基地建了一条7200td的预分解窑熟料生产线，这也是目前中国最大的熟料生产线，又在240公里以外的日照港建了水泥粉磨站和水泥贮存仓及码头装船系统，水泥用远洋货船运往美国。因为运送熟料要比运送水泥简单、便宜，整体经济效益是好的。(2)原料基地不一定在水泥市场附近，这时也可将水泥粉磨站建在水泥市场区，用高效率的大型水泥窑集中生产熟料，在水泥市场分散粉磨。如宁国水泥厂就在浙江宁波建有水泥粉磨站，还有一些水泥厂在上海建粉磨站。(3)水泥工业的现代改造趋向是用大型预分解窑取代小型窑，即熟料生产的集中化，被淘汰的小型窑生产线还有一些粉磨设备可以利用，为提高社会整体效益，可利用这些小厂的粉磨设备作水泥粉磨站加工大型窑的水泥熟料。80年代欧洲水泥工业的现代化改造采用过这种办法，我国今后在逐步淘汰立窑的过程中也将采用这种办法。水泥粉磨站有它有利的一面，即熟料比水泥更便于长途运输，能充分利用现有的小型粉磨设备。也有它不利的一面，如需设两套或更多的质量检验控制系统，管理人员多，太小的磨机磨制的水泥质量有时不如大型磨机的好，分开建粉磨站相对占地较多。今后的水泥厂也要用现代化的新技术和高技术进行改造，整个水泥生产过程要进行智能控制，生产是全封闭的，对厂内厂外都没有污染，若熟料煅烧与水泥粉磨建在一起更方便这种现代化改造。一些较落后的小型水泥磨系统也很难改造，不值得现代化改造，所以利用到一定时候还是以淘汰为好。图8现代的单筒冷却机多筒冷却机和篦冷机图9现代的新式篦冷机1熟料输送机2第二级冷却篦床3辊式破碎机4余风抽风管道5三次风除尘筒6三次风管7窑头罩8回转窑9第1级冷却篦床铺10漏料输送机水泥粉磨站要像水泥厂一样设立化验室，做熟料全分析，对水泥也要做细度、颗粒级配、化学分析，特别是SO3含量、烧失量、碱含量测定，做全套物理性能检验，保证出厂水泥符合标准要求。若熟料来自几家水泥厂还要保证水泥质量的稳定性，不要受更换熟料的影响，不同厂家的熟料对混凝土外加剂会有不同的相容性，对此应特别注意。熟料运输虽比水泥运输简单，但从目前国内一些厂的经验得出，熟料不能淋雨，否则会降低水泥强度。高温熟料经过长途运输也不一定会得到冷却，尤其回转窑熟料，粒度较小，堆积密度较大，经过240多公里的铁路运输温度几乎没有下降。熟料装车和卸车过程扬尘较大，比较难以解决。在发展水泥粉磨站时对这些问题都应考虑到，应有利于在现有的基础进一步提高水泥质量。5粉磨系统球磨机是水泥工业最早使用的粉磨设备，现在仍占主导地位，虽然它的效率很低，如按单颗粒的粉碎功耗计算只有69，但球磨机维护简单，可靠性高，尤其用于水泥熟料粉磨，产品颗粒形状和级配合适，水泥性能好，目前还难以找到可以完全取代的设备(图11、12)。图10机立窑系统1罗茨鼓风机2机立窑3料球输送机4成球盘5生料仓6烟囱7收尘设备8卸料篦子9料封卸料管10传动机组图11双仓水泥磨，细磨仓采用分级衬板1磨头喷水管（一般不用）2加料置3粗磨仓4细磨仓5出料罩6磨尾喷水管（在大型磨机上有时采用）图12带烘干仓的中卸式生料粉磨系统1热风炉2磨头仓3收尘器4粗粉分离器5选粉机6细磨粉磨仓7粗磨仓8烘干仓立磨又称辊盘磨(图13)，它的效率比球磨机高，一般为715，入料粒度大，烘干能力大，多用于生料的粉磨兼烘干作业。若物料中夹有过硬的组分，如燧石，则不易磨碎，辊和盘磨损加大，不宜选用。现在有用立磨做球磨机的预粉磨，效果较好，还有用立磨单独粉磨矿渣，也试验用立磨粉磨熟料，在一定的情况下也获得了性能良好的水泥，普遍应用还不成熟。辊压机是80年代中期出现的新设备，用两个相对转动的压辊对中间的料层施加压力，又称物料层粉碎，见图14。辊压机效率高，可达70以上，能大幅度降低粉磨能耗，目前主要用做球磨机的预粉磨或联合粉磨。根据辊压机和球磨机的组合方式分以下5种流程：(1)预粉磨一辊压机只承担预粉磨工作，可增产30一40，节能10一15(图15a)(2)混合粉磨一球磨机的选粉机有部分粗粉回辊压机，可增产60一80，节能10一20(图15b)(3)联合粉磨一辊压机的选粉机粗粉回辊压机细粉进球磨机，可增产80一200，节能15一30(图15c)图13常用的两种用于粉磨生料的立磨aMPS型立型b菜歇（Loesche）4型立磨1选份机2磨辊3磨盘(4)部分终粉磨一辊压机出料经选粉后细粉人成品库，粗粉进球磨机，增产节能效果与(3)相同，(图15d)图14辊压机工作原理1固定压辊2喂料3活动压辊4料饼(5)终粉磨一粉磨过程完全由辊压机和造粉机承担，可节能3550，(图15e)终粉磨用在粉磨生料和矿渣方面取得了较好的效果，用在水泥方面也有些试生产线，还不完全成熟，对有些熟料效果还可以，对大部分熟料粉磨出的水泥性能不如球磨机水泥性能好。粉磨系统中还有一个重要设备即选粉机，我国水泥工业用得最多的是离心式和选风式选粉机，这些属第一代和第二代选粉机，近几年又引进和开发了第三代选粉机，分离精度和分离效率又有很大提高。第三代选粉机一般都加大了分离压，采用笼形选粉轮，能更好地将细粉选出，细粉在专设的分离设备中从气体分离出来，图16为最早由日本引进的OSEPA型选粉机，图17为德国SEPOLSV型选粉机。第一章 水泥生产概述【掌握内容】1、 水泥的定义，分类；2、 水泥标准的号的表示方法；3、 硅酸盐水泥的定义、代号、强度等级、技术指标；4、 影响水泥安定性的因素；5、 废品、不合格品的划分；6、 掌握新型干法水泥生产工艺流程；7、 硅酸盐水泥生产的工序【理解内容】1、 水泥标准的分级；2、 现行标准制定实施的年份；3、 强度等级的划分方法；4、 细度的表达方法；5、 水泥的生产过程及生产方法的类型，【了解内容】1、 水泥的命名方法；2、 各种生产方法的特点；3、 立窑、湿法窑生产工艺流程；1-1水泥的分类一、水泥的定义；水泥：是指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气中硬化的粉状水硬性胶凝材料。简言之，水泥是一种水硬性胶凝材料。二、水泥的分类：（一）、按水泥的性能和用途分：三类1、 通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥。如：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。2、 专用水泥：具有专门用途的水泥。如：油井水泥、大坝水泥、道路水泥等。3、 特性水泥：某种性能特别突出的水泥。如快硬硅酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥等。通常情况下，把专用水泥、特性水泥合称为特种水泥。（二）、按水泥的组成分类：六种1、 硅酸盐水泥系列（简称硅酸盐水泥）2、 铝酸盐水泥系列3、 氟铝酸盐水泥系列4、 硫铝酸盐水泥系列5、 铁铝酸盐水泥系列6、 其他1-2 硅酸盐水泥生产基本技术要求一、水泥标准（一）、标准的作用：对指导水泥生产、控制质量、加强管理和提高企业经济效益起重要作用；是质检机构、科研设计、建设施工等部门监督检验产品质量、保证工程质量的重要技术依据。（二）、标准的等级及代号：国家标准（代号GB）、建材行业标准（代号JC）；国家标准、行业标准中又分为强制性标准和推荐性标准（GB/T、JC/C）。（三）、标准号表示方法及意义：我国现行的硅酸盐水泥标准是1999年修订，1999年12月1日正式实施，标准代号为GB175-1999。二、GB175-1999主要内容简介（一）、硅酸盐水泥的定义与代号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，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型：1、 不掺加混合材料的称类硅酸盐水泥，代号P。2、 在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水泥，代号P。（二）、组分材料1、硅酸盐水泥熟料：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结物，称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料。2、混合材料：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、调节水泥强度等级、提高水泥产量的矿物质材料。分活性混合材料、非活性混合材料。活性混合材料包括符合GB/T203的粒化高炉矿渣，符合GB/T1596的粉煤灰，符合GB/T2847的火山灰质混合材料。非活性混合材料包括活性指标低于GB/T203、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料以及石灰石和砂岩，石灰石中的三氧化二铝含量不得超过2.5%。3、石膏：用来调节水泥的凝结时间。可用天然的石膏，也可用工业副产石膏。其中天然石膏：应符合GB/T5483中规定的G类或A类二级（含）以上的石膏或硬石膏。工业副产石膏：工业生产中以硫酸钙为主要成分的副产品。采用工业副产石膏时，必须经过试验，证明对水泥性能无害。4、窑灰：应符合JC/T742的规定。5、助磨剂：水泥粉磨时允许加入助磨剂，其加入量不得超过水泥质量的1%，助磨剂须符合JC/T667的规定。（三）、强度等级硅酸盐水泥强度等级分：42.5 52.5 62.542.5R 52.5R 62.5R其中：R型表示早强型水泥。其3d强度比普通水泥高，28d强度指标完全相同。（四）、硅酸盐水泥技术要求硅酸盐水泥基本技术要求序号项 目指 标PP1不溶物（%）0.751.52烧失量（%）3.03.53细度（比表面积）（m2/kg）3004凝结时间（min）初凝45 终凝3905安定性沸煮法检验合格雷氏夹膨胀（mm）56氧化镁（%）5.0；水泥压蒸安定性检验合格可放宽到6.07三氧化硫（%）3.58碱（Na2O + 0.658K2O）（%）0.6或协商指标1、不溶物：指水泥经酸和碱处理，不能被溶解的残留物。其主要成分是结晶SiO2，其次是R2O3（R指铁和铝），是水泥中非活性组分之一。2、水泥烧失量：水泥在9501000高温下燃烧失去的质量百分数。3、细度：即水泥的粗细程度。表示方法有：比表面积、筛余百分数。比表面积越大、筛余百分数越小表示水泥越细。细度影响施工及水泥生产的能耗、质量、产量和成本。4、凝结时间：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，分初凝时间、终凝时间两种。初凝时间指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间；终凝时间指水泥加水拌和起到标准稠度净浆完全失去塑性的时间。初凝时间不能太短，以保证水泥使用时砂浆或混凝土有充分时间进行搅拌、运输和砌筑；终凝时间不能太长，以保证施工完毕后混凝土能较快硬化，较快脱模。磨水泥时加入石膏来调节凝结时间。5、安定性：水泥硬化后体积变化的均匀性。如果水泥中某些成分的化学反应发生在水泥硬化过程中甚至硬化后，致使剧烈而不均匀的体积变化（体积膨胀）足以使建筑物强度明显降低，甚至溃裂，即是水泥安定性不良。引起水泥安定性不良的原因有：熟料中游离氧化钙、方镁石过高及水泥中石膏掺加量过多。（1）、游离氧化钙（f-CaO）：用雷氏夹或试饼法、沸煮法能检验，因此GB中不规定其含量指标。（2）、氧化镁（MgO）：沸煮法不能检定。（3）、三氧化硫（SO3）：主要由石膏带入，过高会使水泥强度下降，温胀率上升，硬化后水泥体积膨胀甚至结构破坏。6、碱：按钠当量计。混凝土中会发生碱-骨料反应，但其反应速度较慢，通常是几年甚至几十年，因此该指标为任选要求。7、强度：水泥试体砂浆在单位面积上所能承受的外力。水泥拌水后硬化过程中强度是逐渐增大的，以各龄期的强度表示强度增长速率。分早期强度和后期强度。一般称3d或7d以前的强度为早期强度；28d及其后的强度为后期强度。强度分抗压强度、抗折强度。水泥的强度等级按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于下表数值。 硅酸盐水泥的强度指标（依据GB175-99）强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0凡符合某一强度等级的水泥必须同时满足上表所规定的各龄期抗压、抗折强度的相应指标。若其中任一龄期抗压或抗折强度指标达不到所要求强度等级的规定，则以其中最低的某一个指标计算该水泥的强度等级。（五）、废品与不合格品废品：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。不合格品：凡细度、终凝时间、不溶物和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和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。1-3 硅酸盐水泥的生产方法简介一、水泥生产过程：通常分为三个阶段：1、生料的制备：将各种原料按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料。其主要工序是生料粉磨。2、熟料煅烧：生料在水泥窑内煅烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料。3、熟料加适量石膏、混合材料共同磨细成粉状的水泥，并包装或散装出厂。其主要工序是水泥粉磨。可将水泥的生产过程高度概括为“两磨一烧”。二、生产方法及特点（一）、生产方法法分类：1、按生料制备方法分类：湿法干法2、按煅烧熟料窑的结构分类： 立窑生产回转窑生产（二）、各种生产方法的特点1、立窑生产特点：投资小，见效快；可就地取材、就地生产、就地使用；能源消耗较低；生产规模小；自动化程度低。2、湿法回转窑生产特点：（1）、熟料质量较好且均匀；（2）、粉尘飞扬少；（3）、熟料单位热耗高。3、新型干法回转窑生产特点：（1）、熟料质量好；（2）、熟料单位热耗低；（3）、生产效率高；（4）、单机生产能力大；（5）、环境污染小；（6）、自动化水平高。目前国家的政策是鼓励发展大型新型干法水泥生产线。1-4 硅酸盐水泥生产工艺流程一、新型干法水泥生产工艺流程（见图1）二、湿法回转窑水泥生产工艺流程（见图2）三、立窑水泥生产工艺流程（见图3）四、硅酸盐水泥生产的工序四、硅酸盐水泥生产主要工序1、原料、燃料、材料的选择及入厂；2、原料、燃料、材料的加工处理与准备；3、原材料的配合；4、生料粉磨；5、生料的调配、均化与储存；6、熟料在窑内的煅烧；7、熟料、石膏、混合材料的储存、准备；8、熟料、石膏、混合材料的配合及粉磨；9、水泥储存、包装及发运。第二章 硅酸盐水泥熟料的组成【掌握内容】1、硅酸盐水泥熟料的化学组成及矿物组成2、四种主要矿物主要特性3、熟料的率值：符号、公式、物理意义【理解内容】1、 熟料的率值大小与熟料质量及煅烧过程的关系2、 玻璃体的形成、组成、性能3、 游离氧化钙的类型及其对安定性的影响4、 方镁石的形成，性能【了解内容】1、熟料矿物组成的计算方法2、熟料化学组成、矿物组成、率值之间的换算2-1 熟料的组成一、化学组成：主要氧化物：CaO 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。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%二、矿物组成：在硅酸盐水泥熟料中，各氧化物不是单独存在的，而是以两种或两种以上的氧化物反应组合成各种不同的氧化物集合体，即以熟料矿物的形态存在。主要矿物：硅酸三钙：3CaOSiO2 简写成C3S 硅酸二钙：2CaOSiO2 简写成C2S 铝酸三钙：3CaOAl2O3 简写成C3A 铁铝酸四钙：4 CaOAl2O3Fe2O3 简写成C4AF其次还有：游离氧化钙：f-CaO 方镁石：MgO 玻璃体等其中：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。2-2熟料矿物特性一、硅酸三钙（一）、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。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。（二）、矿物水化特性：水化较快，水化反应主要在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。二、硅酸二钙（一）、多晶转变纯C2S在1450以下有同质多晶现象。过程如下：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。（二）、矿物特性熟料中硅酸二钙通常固溶有少量氧化物如Al2O3、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。（三）、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。三、铝酸三钙（一）、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。（二）、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。四、铁铝酸四钙（一）矿