9.水泥熟料煅烧

1、上节回顾 1. 1. 注浆成型注浆成型l空心注浆空心注浆和和实心注浆实心注浆两种两种 压力注浆、真空注浆、离心注浆压力注浆、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。磷酸钠等都符合以上条件。l 常用电解质常用电解质使同样含水量的泥浆变稀使同样含水量的泥浆变稀 2. 2. 可塑成型可塑成型 利用模具或刀具等运动所产生的外力（如压力、剪切、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，挤压等）使可塑泥料产生塑性变形而制成某种形状的制品，称为称为

2、可塑成型可塑成型。1. 低温预热阶段（室温低温预热阶段（室温300）2. 氧化分解及晶型转化期（氧化分解及晶型转化期（300950）3. 成瓷期（成瓷期（950烧成温度）烧成温度）4. 高火保温（高火保温（0.52h）5. 冷却期（烧成温度至室温）冷却期（烧成温度至室温）一、坯体一、坯体烧成过程中的物理化学变化烧成过程中的物理化学变化上节回顾上节回顾二、二、烧成制度烧成制度上节回顾上节回顾 烧成制度烧成制度包括包括温度制度温度制度、气氛制度气氛制度和和压力制度压力制度。 影响产品性能的关键：影响产品性能的关键：T Tt t，atmosphereatmosphere 压力制度压力制度旨在保证窑炉

3、按照要求的温度制度与气氛制度进旨在保证窑炉按照要求的温度制度与气氛制度进 行烧成。行烧成。 温度制度温度制度包括升温速度、烧成温度、保温时间及冷却速度。包括升温速度、烧成温度、保温时间及冷却速度。三、三、烧结温度及烧结温度范围烧结温度及烧结温度范围 低温长烧、高温短烧低温长烧、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：生料制备熟料煅烧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

4、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3240%） 半干法（制成料球，水分1214%） 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

5、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三、硅酸盐水泥熟料（p164）1.定义：凡以适当成分的

6、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矿物组成 （1）主要矿物： 硅酸三钙：3CaOSiO2C3S5060% 硅酸二钙：2CaOSiO2C2S20% 铝酸三钙：3CaOAl2O3C3A 铁铝酸四

7、钙：4CaOAl2O3Fe2O3C4AF 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12501280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%。水泥的产量、质量、燃料水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安与衬料的消耗以及窑的安全运转。全运转。熟料的煅烧过程熟料的煅烧过程 高岭石脱水后的产物为无定形物质，脱水后具有的活性高岭石脱水后的产物为无定形物质，脱水后具有的

8、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。的形成。 入窑生料中的水分入窑生料中的水分 干法窑干法窑 （水分（水分1%） 湿法窑湿法窑 （制成料浆，水分（制成料浆，水分3240%） 立窑（立波尔窑）（制成料球，水分立窑（立波尔窑）（制成料球，水分1214%） 生料中的碳酸盐是指碳酸钙与碳酸镁，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，此反应是可逆反应，反应式如下：反应是可逆反应，反应式如下： MgC

9、O3 MgO + CO2 -1047-1214Jg (590时时) CaCO3 CaO + CO2 -1645Jg (890时时) 湿法生产湿法生产1/3能耗，新型干法窑的能耗，新型干法窑的1/2 碳酸盐分解反应特点碳酸盐分解反应特点：1.可逆反应；可逆反应；2.强吸热反应；强吸热反应；3反应反应起始温度较低。起始温度较低。 通常碳酸钙在通常碳酸钙在600时就开始有微弱的分解，至时就开始有微弱的分解，至894时，时，分解速度加快，分解出的分解速度加快，分解出的CO2分压达一个大气压，分压达一个大气压，11001200时，分解速度极为迅速。时，分解速度极为迅速。 v 气流向颗粒表面的传热过程；气

10、流向颗粒表面的传热过程；v 热量由表面以传导方式向分解面热量由表面以传导方式向分解面 传递的过程；传递的过程；v 碳酸钙在一定温度下，吸收热量碳酸钙在一定温度下，吸收热量 并进行分解并放出并进行分解并放出CO2的化学过程；的化学过程；v 分解放出分解放出CO2，穿透，穿透CaO层向表面层向表面 扩散的传质过程；扩散的传质过程；v 表面的表面的CO2向周围介质气流扩散的向周围介质气流扩散的 过程。过程。1温度：温度：随温度升高，分解速度常数增加，分解时间缩短，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。分解速度增加。但应注意温度过高，将增加废

11、气温度和热耗。2窑系统的窑系统的CO2分压分压：通风良好，：通风良好，CO2分压较低，有利于碳分压较低，有利于碳酸钙的分解。酸钙的分解。3生料细度和颗粒级配生料细度和颗粒级配：生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，：生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，分解速度快。分解速度快。4生料悬浮分散程度：生料悬浮分散程度：生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒生料悬浮分散差，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。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：石灰石的种类和物理性质：结构致密、结晶粗大，结构致密、结晶粗大， 分解速度慢。分解速度慢。6生料中粘土质组分的性质：

12、生料中粘土质组分的性质：高岭土类活性大、蒙脱石、伊利高岭土类活性大、蒙脱石、伊利 石次之，石英砂较差。活性越大的，在石次之，石英砂较差。活性越大的，在800下越能和氧化钙下越能和氧化钙 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。钙的分解过程。反应特点：反应特点：v 多级反应v 放热反应反应产物：反应产物： C2S、C3A、C4AF f-SiO2、Al2O3、Fe2O3800 C2S开始形成800900 9001100 11001200 C2S达到最大值影响因素：影响因素：v 生料细度及均匀程度 优化控制生料细度v

13、 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。v 温度v 矿化剂 （4）熟料烧结过程（固液相反应）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，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逐步溶解于液相中，逐步溶解于液相中， C2S吸收吸收CaO形成形成C3S。 反应式：反应式： C2S+ CaO C3S（高温液相的作用下）（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，液相粘度随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低，

14、降低， C2S、CaO不断溶解、扩散，不断溶解、扩散， C3S晶核不断形成，并晶核不断形成，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体。晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为变为色泽灰黑、结构致密的熟料色泽灰黑、结构致密的熟料。C3S的形成熟料烧结 C3S形成条件：条件： 温度：温度：130014501300 液相量：液相量： 20%30% 时间：时间： 1020min 影响熟料烧结影响熟料烧结 过程的因素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、

15、CaO溶于液相的速率反应物存在的状态 C2S+ f-CaO500 硅酸盐水泥熟料的煅烧 二、水泥工业的发展概况 (一一)水泥工业水泥工业发展史发展史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：（197

16、1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

17、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。4.70年代：预分解窑开发。中国水泥工业的发展（续） 5 . 7 0 年 代 末 ： （ 7 8 年 起 ） 陆 续 引 进 日 产20004000吨熟料的预分解生产线。自行设计制造日产700吨和2000吨的预分解生产线。80年代末新型干法生产线占大中型水泥厂生产能力的1/4。90、91、92、93年水泥年产量分别为2.02、2.05、2.40、2.97亿吨。96年水泥年产量超过4亿吨。20002002年6.0、6.6、7.3吨，2004年已经超过8亿吨。目前单条水泥生产线规模为日产6000吨。中国水泥工业的发展（续） 6 6、水泥品种多达60余种，能满足国民经济建设需要。 7 7、基础理论研究取得较好成绩，某些方面处于前沿。（二）主要存在问题 1、人均产量远远低于世界先进水平。 2、水泥厂设备存旧、技术落后。 3、小水泥占相当大部分 4、大水泥中湿法占一半以上。 5、环境污染严重、水泥质量不够稳定。 6 、中小水