硅酸盐煅烧过程中的物理化学变化

1、第五节第五节 硅酸盐水泥熟料的煅烧硅酸盐水泥熟料的煅烧学习要点学习要点：主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料：主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化，以煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化，以预热预热器器分解炉分解炉回转窑回转窑冷却机冷却机为主线，着重介绍当代为主线，着重介绍当代水泥工业发展的主流和最先进的煅烧工艺及设备水泥工业发展的主流和最先进的煅烧工艺及设备, ,以及以及耐火材料在水泥工业中的应用。耐火材料在水泥工业中的应用。 5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化 生料在加热过程中，依次发生生料在加热过程中，依次发生干燥干燥、粘土原料脱

2、粘土原料脱水水、碳酸盐分解碳酸盐分解、固相反应固相反应、熟料烧结熟料烧结及及熟料冷却结熟料冷却结晶晶等重要的物理化学反应。等重要的物理化学反应。 这些反应过程的反应温度、反应速度及反应产物不这些反应过程的反应温度、反应速度及反应产物不仅受原料的仅受原料的化学化学成分和成分和矿物矿物组成的影响，还受反应时组成的影响，还受反应时的物理因素诸如生料的物理因素诸如生料粒径粒径、均化均化程度、气固相接触程程度、气固相接触程度等的影响。度等的影响。 5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.1 干燥与脱水干燥与脱水 1、干燥、干燥 干燥过程干燥过程：温度：温度100150生料水分（自

3、由水）全部排除生料水分（自由水）全部排除 的过程，称干燥过程。的过程，称干燥过程。 干法窑生料水分一般不超过干法窑生料水分一般不超过1%； 立窑和立波尔窑生料约含水分立窑和立波尔窑生料约含水分12%15%； 湿法窑料浆水分湿法窑料浆水分30%40%。高岭石（属于单网层结构）高岭石（属于单网层结构） 2、粘土脱水、粘土脱水 粘土脱水粘土脱水：指粘土矿物分解放出化合水。：指粘土矿物分解放出化合水。 两种化合水两种化合水： 晶体配位水（晶体配位水（400600）；）； 层间吸附水（层间吸附水（100左右）。左右）。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.1 干燥与脱水干燥与脱

4、水 2、粘土脱水、粘土脱水 粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解过程：粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解过程： 540开始高岭土脱水分解：开始高岭土脱水分解： Al2O32SiO222O Al2O32SiO2（偏高岭石）（偏高岭石）+22O 540880偏高岭石逐渐密实化。偏高岭石逐渐密实化。 9701050时，其结构再次发生重大变化，无定形偏高时，其结构再次发生重大变化，无定形偏高 岭土转变成莫来石：岭土转变成莫来石： 3（Al2O32SiO2） 3Al2O32SiO2（莫来石）（莫来石）+4SiO25.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.1 干燥与脱水干燥与脱水1、碳

5、酸盐分解反应的特点：、碳酸盐分解反应的特点： 可逆反应可逆反应 强吸热反应强吸热反应 烧失量大烧失量大 分解温度与矿物晶体结构有关分解温度与矿物晶体结构有关5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.2 碳酸盐分解碳酸盐分解 MgCO3 MgO+CO2 (10471214)J/kg CaCO3 CaO+CO2 1645J/kg 600900CaCO3CaOCO2 Q1 a b 正在分解的碳酸钙颗正在分解的碳酸钙颗粒粒热气流传向颗粒表面；热气流传向颗粒表面； 热量由表面向分解面传递；热量由表面向分解面传递；在一定温度下碳酸钙进行分解并放出在一定温度下碳酸钙进行分解并放出CO2

6、；CO2穿过穿过CaO层向表面扩散传质；层向表面扩散传质；表面的表面的CO2向周围气流介质扩散。向周围气流介质扩散。 在上述五个过程中：在上述五个过程中： 两个传热过程两个传热过程和和； 一个化学反应过程一个化学反应过程; 两个传质过程两个传质过程和和 。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化2、碳酸钙分解过程、碳酸钙分解过程5.1.2 碳酸盐分解碳酸盐分解a.石灰石结构和物理性质；石灰石结构和物理性质；b.生料细度；生料细度；c.反应条件；反应条件；d.生料悬浮分散度；生料悬浮分散度；e.粘土组分的性质。粘土组分的性质。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变

7、化5.1.2 碳酸盐分解碳酸盐分解3、影响碳酸钙分解速度的因素、影响碳酸钙分解速度的因素5.1.3 固相反应固相反应 通常在碳酸钙分解的同时，分解产物通常在碳酸钙分解的同时，分解产物CaO与生料中与生料中的的SiO2、Fe2O3、Al2O3等通过质点的相互扩散而进行等通过质点的相互扩散而进行固固相反应相反应，形成熟料矿物。，形成熟料矿物。 5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化反应特点：反应特点：多级反应多级反应交叉进行交叉进行 放热反应放热反应l反应产物：反应产物： C2S、C3A、C4AF 800：CA，CF，C2S开始形成；开始形成； 800900：C12A7，C2F开

8、始形成；开始形成； 9001100：C2AS形成又分解，形成形成又分解，形成C3A，C4AF开始形成，开始形成，所有碳酸钙均分解，所有碳酸钙均分解，游离氧化钙游离氧化钙达最大值。达最大值。 11001200：大量形成：大量形成C3A，和，和C4AF，C2S含量最大值。含量最大值。 1250以上：以上：C3S形成。形成。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化 5.1.3 固相反应固相反应1、 反应过程反应过程5.1.3 固相反应固相反应 2、 影响因素影响因素 生料的细度和均匀性；生料的细度和均匀性； 温度和时间；温度和时间； 原料性质；原料性质； 矿化剂。矿化剂。5.1 煅烧

9、过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.3 固相反应固相反应 2、 影响因素影响因素 矿化剂矿化剂：能加速结晶化合物的形成，使水泥生料：能加速结晶化合物的形成，使水泥生料易烧易烧 的少量外加物。的少量外加物。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化萤石萤石萤石、石膏复合矿化剂萤石、石膏复合矿化剂铅矿渣、铜矿渣铅矿渣、铜矿渣等等5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程 当物料温度升高到最低共熔温度后，当物料温度升高到最低共熔温度后，C3A、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液相

10、逐步溶解于液相中，中， C2S吸收吸收CaO形成形成C3S。 反应式：反应式： C2S + CaO C3S 随着温度的升高和时间延长，液相量随着温度的升高和时间延长，液相量增加增加，液相粘，液相粘度度降低降低， C2S、CaO不断溶解、扩散，不断溶解、扩散， C3S晶核不断形晶核不断形成，并逐渐发育、长大，形成成，并逐渐发育、长大，形成几十微米几十微米大小、发育良好大小、发育良好的阿利特晶体。同时晶体不断重排、收缩、密实化，物的阿利特晶体。同时晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑、结构致密色泽灰黑、结构致密的熟料。的熟料。5.1 煅烧过程中的物理化

11、学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程 影响熟料烧结过程的因素影响熟料烧结过程的因素 最低共熔温度最低共熔温度 液相量液相量 液相粘度液相粘度 液相的表面张力液相的表面张力 C2S、CaO溶于液相的速率溶于液相的速率 反应物存在状态反应物存在状态 C3S形成条件：形成条件： 温度：温度：130014501300 液相量：液相量： 20%30% 时间：时间： 1020min (1) 最低共熔温度最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组：物料在加热过程中，两种或两种以上组分开始出现液相的温度。分开始出现液相的温度。 硅酸盐水泥熟料中，硅酸盐水泥熟料中，12501

12、280达到最低共熔温度，出现达到最低共熔温度，出现氧化铝、氧化铝、氧化铁氧化铁和氧化钙为主体及少量氧化镁和碱的液相。和氧化钙为主体及少量氧化镁和碱的液相。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程 (2) 液相量液相量： 液相量液相量增加增加，形成硅酸三钙就快。但液相量过，形成硅酸三钙就快。但液相量过多，煅烧时多，煅烧时易结大块易结大块，造成回转窑结圈等，影响生产。一，造成回转窑结圈等，影响生产。一般熟料在煅烧阶段的液相量为般熟料在煅烧阶段的液相量为20%30%。v 液相量与组分性质、含量及烧结温度有关。液相量与组分性质、含量及烧结温度有关。

13、1400 L=2.95A+2.2F+M+R 1450 L=3.0A+2.25F+M+R1338 IM1.38 L=6.1F; IM1.38 L=8.2A-5.22F5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程 (3) 液相粘度液相粘度：直接影响：直接影响C3S的形成。的形成。 熟料的液相粘度主要决定于温度和铝率：温度高，熟熟料的液相粘度主要决定于温度和铝率：温度高，熟料液相粘度低；料液相粘度低；铝率铝率增加，液相粘度增大。增加，液相粘度增大。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程 (4) 液相

14、表面张力液相表面张力：促进熟料矿物特别是：促进熟料矿物特别是C3S的形成。的形成。 温度温度高高，液相表面张力降低；熟料中，液相表面张力降低；熟料中镁，硫、碱镁，硫、碱等物质等物质也会降低液相表面张力，易于也会降低液相表面张力，易于润湿润湿固相，促进烧结。固相，促进烧结。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程（5） C2S、CaO溶解于熟料液相的速率：溶解于熟料液相的速率：5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程（6）反应物存在状态反应物存在状态：氧化钙与贝利特：氧化钙与贝利特晶粒小晶粒小

15、，处于缺陷多，处于缺陷多的新生态，活性大，易于溶入液相，利于阿利特的形成。的新生态，活性大，易于溶入液相，利于阿利特的形成。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.4 熟料烧结过程熟料烧结过程5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.5 熟料的冷却熟料的冷却 冷却过程：液相凝固以后冷却过程：液相凝固以后(小于小于1300)。5.1 煅烧过程中的物理化学变化煅烧过程中的物理化学变化5.1.5 熟料的冷却熟料的冷却 熟料烧结过程完成之后，熟料烧结过程完成之后，C3S的生成反应结束，熟料的生成反应结束，熟料从烧成温度开始下降至从烧成温度开始下降至常温常温，熔体，熔体晶化、凝固晶化、凝固，熟料颗，熟料颗粒结构形成，并伴随熟料矿物粒结构形成，并伴随熟料矿物相变相变的过程称为熟料的冷的过程称为熟料的冷却。却。（1）提高熟料的质量）提高熟料的质量（2）改善熟料的易磨性）改善熟料的易磨性 急冷熟料的玻璃体含量急冷熟料的玻璃体含量髙髙，内部存在，内部存在应力裂纹应力裂纹，易磨碎。，易磨碎。（3）回收余热）回收余热（4）有利于熟料的输送、存储和