水泥工艺学(第三章)

1、第三章 硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算n3.1 硅酸盐水泥熟料的矿物组成n3.2 熟料的率值n3.3 熟料矿物组成的计算n3.4 熟料矿物组成的选择n3.5 配料计算3.1 硅酸盐水泥熟料的矿物组成n一、化学组成：一、化学组成： 主要化学成分：CaO 62%67% SiO2 20%24% Al2O3 4% 7% Fe2O3 2.5%6% 其它氧化物MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5等 95%5%n二、矿物组成硅酸三钙：3CaOSiO2 (C3S)硅酸二钙：2CaOSiO2 (C2S)铝酸三钙： 3CaOAl2O3 (C3A)铁铝酸四4CaO Al2O3 Fe2O3 (C4

2、AF)钙：主要矿物组成其它矿物组成游离氧化钙（f-CaO)方镁石(结晶氧化镁)含碱矿物及玻璃体硅酸盐矿物熔剂矿物75%22%（一）硅酸三钙（C3S） 矿物特性： （1）含量50%左右，甚至高达60%以上； （2）纯C3S只在20651250内稳定； 1250 C3S C2S+CaO 反应慢，常温下呈介稳状态； （3）C3S有三种晶系七种变型： R型为三方晶系，M型为单斜晶系，T型为三斜晶系。R型和M 型强度比T型高。 （4）不纯，含少量氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固溶体，称为阿利特，简称A矿。 （5）纯C3S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。 矿物水化特性： （

3、1）水化较快，早期强度高，强度的绝对值和强度的增进率大，居四种矿物之首，28 d强度达一年强度的70%80%； （2）水化热较高；抗水性较差。10701060990960920520RMMMTTT （二）硅酸二钙（C2S） 矿物特性： （1）含量20%左右，硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一； （2）纯C2S在1450 以下存在多晶转变： （3）不纯，含少量氧化铝、氧化镁和氧化铁等形成固溶体，称为贝利特，简称B矿。为 型硅酸二钙。 （4）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500 下易由 型转变为 型，体积膨胀10%导致熟料粉化。 （5）贝利特为

4、单斜晶系，在硅酸盐水泥熟料中呈圆粒状。常温下，有水硬性，不稳定几乎无水硬性14251160630680690HL 500780 820 C2S的水化特性：（1）水化反应慢，28 d仅水化20%左右，凝结硬化慢；早期强度低，但后期强度增长率较高，一年后赶上阿利特。（2）贝利特的水化热小，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。（三）中间相 1.铝酸三钙 矿物特性： （1）不纯，形成固溶体，称黑色中间相 （2）晶型随原材料性质、熟料形成与冷却工艺的不同而有所差别。 水化特性： （1）水化快，凝结快； （2）早强较高，但绝对值不高。3 d发挥出大部分强度

5、，以后不增长，甚至倒缩。 （3）水化热高，干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。 2. 铁铝酸四钙 矿物特性： （1）铁铝酸四钙代表的是一系列连续的固溶体。 （2）不纯，形成固溶体，称C矿（才利特）白色中间相。 水化特性： （1）水化速度：早期介于C3A、C3S间，后期的发展不如C3S； （2）早强似C3A，后期能增长，似C2S （3）水化热较C3A低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。 3. 玻璃体 形成：工厂实际生产条件下，硅酸盐水泥熟料中的部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体称为玻璃体。 主要成分：Al2O3、Fe2O3、CaO及少量MgO、Na2O、K2O 等。 性能：水

6、化热较大；可改善熟料性能和易磨性。 矿物名称矿物名称又称又称水化速度水化速度早期强度早期强度水化热水化热硅酸三钙A矿较快高较高硅酸二钙B矿慢低小铝酸三钙黑色中间相快较高大铁铝酸四钙白色中间相介于1、3间早期似C3A后期似C2S较小四种主要矿物的特性28d内绝对强度：C3SC4AFC3AC2S水 化 速 度：C3A C4AF C3SC2S水 化 热： C3A C3S C4AF C2S四种主要矿物性能比较（四）游离氧化钙和方镁石种种 类类产产 生生 原原 因因特特 点点对水泥安定对水泥安定性的影响性的影响欠烧游离氧化钙（欠烧f-CaO）熟料煅烧过程中因欠烧、漏生，在11001200低温下形成结构疏

7、松多孔不大一次游离氧化钙（一次f-CaO）因配料不当、生料过粗或煅烧不良，尚未与S、A、F反应而残留的CaO呈“死烧状态”，结构致密大二次游离氧化钙（二次f-CaO）熟料慢冷或还原气氛下，C3S分解而形成的经过高温，水化较慢较大 MgO存在形式： （1）溶解于C4AF、C3S中形成固溶体； （2）溶于玻璃体中； （3）以游离状态的方镁石形式存在。 方镁石指游离状态的氧化镁晶体，是熟料中氧化镁的一部分。 （1）水化很慢，需0.51年。 （2）水化生成氢氧化镁，体积膨胀148%，导致水泥安定性不良。 （3）方镁石膨胀的严重程度与晶粒尺寸和含量有关。 尺寸1m 时，含量5%引起微膨胀； 尺寸5 7m

8、 时，含量3%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%。含2%，无破坏作用3.2 熟料的率值n率值（水泥熟料中各氧化物的比例）更能反映熟料矿物组成和性能。n通过率值作为生产的控制指标。n一、水硬率 意义：熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量分数的比值。 但是，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。 取值：1.8 2.4公式：22323CaOHMSiOAl OFe On二、硅率 意义：熟料中SiO2的百分含量与Al2O3和Fe2O3百分含量之比。表示熟料中的硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例关系，反映了熟

9、料的质量和易烧性。 当Al2O3/Fe2O30.64时，硅率与矿物组成的关系为： 硅率过高，高温液相量减少，熟料煅烧困难，硅酸三钙不易形成；如果氧化钙含量低，硅酸二钙含量过多而熟料易粉化。 硅率过低，熟料因硅酸盐矿物少而强度低；液相量过多，易出现结大块、结炉瘤、结圈等，影响窑的操作。 取值：1.7 2.722323SiOSMAl OFe O公式：32341.3251.4342.046C SC SSMC AC AFn三、铝率 公式： 意义：熟料中氧化铝与氧化铁的百分比。也表示熟料中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例关系，也关系到熟料的凝结快慢。同时还关系到熟料液相粘度，从而影响熟料的煅烧的难易。 当Al

10、2O3/Fe2O30.64时，铝率与矿物组成的关系为： 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。铝率过低，液相粘度小，液相中质点易扩散对硅酸三钙形成有利，但烧结范围窄，窑内易结大块，不利于窑的操作。 取值：0.9 1.7 2323Al OIMFe O341.150.64C AIMC AFn四、石灰饱和系数n公式：n意义：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。n 石灰饱和系数与矿物组成的关系为：n当C3S=0时，KH=0.667，即当KH=0.

11、667时，熟料中只有C2S、C3A和C4AF而无C3S。当C2S=0时，KH=1，即当KH=1时，熟料中无C2S而只有C3S、 C3A和C4AF。故实际上KH值介于0.667 1.0之间。nKH表示了熟料中C3S与C2S百分含量的比例。KH越大，则硅酸盐矿物中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，熟料煅烧困难，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。32320.88381.3256C SC SKHC SC S2323322-(1.65Al O +0.35Fe O +0.7SO )2.8()CaOCaOKHSi

12、OSiO游游2323322-(1.1Al O +0.7Fe O +0.7SO )2.8()CaOCaOKHSiOSiO游游(A/F0.64)(A/F0.64)n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，使之相互配合适当，不能单独强调其某一率值。一般不能三个率值都同时高，或同时都低。3.3 熟料矿物组成的计算熟料矿物组成岩相分析（光学显微镜）化学成分计算X射线定量分析仪器测定石灰饱和系数法鲍格法（代数法）一、石灰饱和系数法 C3S=3.80(3KH-2)SiO2C2S=8

13、.60(1-KH) SiO2C3A=2.65(Al2O3-0.64Fe2O3)C4AF=3.04Fe2O3二、鲍格法C3S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C =2.87S-0.754C3SC3A=2.65A-1.69FC4AF=3.04FCaSO4=1.70SO3n三、熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异 硅酸盐水泥熟料矿物组成的计算式假设熟料式平衡冷却并生成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，甚至相差很大。 （1）固溶体的影响 （2）冷却条件的

14、影响 （3）碱和其它微组分的影响3.4 熟料矿物组成的选择熟料矿物组成的选择水泥品种和强度等级原料品质燃料品质生料细度和均匀性窑型与规格3.5 配料计算n配料：根据水泥品种、原燃料品质、工厂具体生产条件等选择合理的熟料矿物组成或率值，并由此计算所用原料及燃料的配合比，称为生料配料，简称配料。n配料的目的：设计生产n配料计算的依据：物料平衡（反应物的量等于生成物的量）n配料计算的基准：干燥基准、灼烧基准 干燥基准：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。用于计算干燥原料的配合比和干燥原料的化学成分。 如果不考虑生产损失，则干燥原料的质量等于生料的质量，即：

15、 干石灰石干石灰石+干粘土干粘土+干铁粉干铁粉=干生料干生料n灼烧基准：去掉烧失量（结晶水、二氧化碳与挥发物质等）以后，生料处于灼烧状态，以灼烧状态质量所表示的计算单位，称为灼烧基准。灼烧基准用于计算灼烧原料的配合比和熟料的化学成分。 如果不考虑生产损失，在采用基本上无灰分掺入的气体或液体燃料时，则灼烧原料、灼烧生料与熟料三者的质量相等，即： 灼烧石灰石灼烧石灰石+灼烧粘土灼烧粘土+灼烧铁粉灼烧铁粉=灼烧生料灼烧生料=熟料熟料 如果不考虑生产损失，在采用有灰分掺入的燃煤时，则灼烧生料与掺入燃料的煤灰之和应等于熟料的质量，即： 灼烧生料灼烧生料+煤灰煤灰(掺入熟料的掺入熟料的)=熟料熟料 在实际

16、生产中，由于总有生产损失，且飞灰的化学成分不可能等于生料成分，煤灰的掺入量也并不相同。因此，在生产中应以生熟料成分的差别进行统计分析，对配料方案进行校正。n 熟料中煤灰掺入量计算： GA熟料中煤灰掺入量，%； q 单位熟料热耗，kJ/kg熟料； Ay煤应用基低热值， kJ/kg煤； S 煤灰沉落率，%；一般取S=100。 P煤耗， kg/kg。 煤的基准 在科学研究和生产过程中，为了使用方便，可以将煤炭中的某些成分去除之后视为一个新的组合体，然后计算各组分的含量，这种组合体就称为基准。换句话说就是以一个特定的煤炭状态表示化验结果，这样更科学更实用。 100100yyAFDWqA SPA SGQ

17、 （1）空气干燥基（简称：空干基，原称：分析基） 空气干燥基符号：ad ，是指：以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，由实验室直接测定出的结果一般都是分析基结果，如Mad、Aad、Vad等。 （2）干燥基（简称：干基） 干燥基符号：d，是指以假想无水状态的煤为基准，干基结果是换算出来的。 （3）收到基（原习惯称：应用基） 收到基符号：ar，是指以收到状态的煤为基准。收到基结果也是换算出来的，收到基指标在运销中使用较多，一般用户都要求收到基结果。 （4）干燥无灰基（原习惯称：可燃基） 干燥无灰基符号：daf，是指以假想无水、无灰状态的煤为基准，它也是换算出来的。 表示燃煤的化验结果时，只有标明了基准才有实用意义，因为同一组分的化验结果，用不同的基准表示会相差很大，以至于缺少可比性，引起诸多不便。 使用基准的方法是，先将化验项目的代表符号用大写英文字母书写好，将基准的代表符号用小写的英文字母写在右下角，例如：Mar，表示收到基水分（M是水分的代表符号，ar是收到基的代表符号）。同样，其他项目都有固定的代表符号。不同基准间也可以进行换算。这样既正确反映了煤的质量，也方便了技术人员的使用。n生料配料计算方法：代数法