第一篇水泥工艺学复习

1、School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H第一篇水泥工艺学第一篇水泥工艺学1 绪论绪论School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H1.1 胶凝材料的分类胶凝材料的分类拌水后只能在空气中硬化，拌水后只能在空气中硬化，不能在水中硬化。不能在水中硬化。无机胶凝材料无机胶凝材料气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料（如：石灰、石膏）（如：石灰、石膏）水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料（如：水泥（如：水泥 ）有机胶凝材料有机胶凝材料（如：沥青、各种树脂（如：沥青、各种树脂 ）胶胶凝凝材材

2、料料拌水后既能在空气拌水后既能在空气 中硬化中硬化又能在水中硬化又能在水中硬化胶凝材料胶凝材料: :指在物理、化学作指在物理、化学作用下，从浆体变成坚固石状体，用下，从浆体变成坚固石状体，并能胶结其他物料且具有一定并能胶结其他物料且具有一定机械强度的物质。机械强度的物质。第一章第一章 绪论绪论School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H1.2 水泥的定义与分类水泥的定义与分类水泥水泥指细磨成粉末状，加水拌和成塑性浆体后，指细磨成粉末状，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能胶结砂、石等适当材料并能在空气中硬

3、化的粉状水硬性胶凝材料。化的粉状水硬性胶凝材料。按其用途和性能分按其用途和性能分通用水泥通用水泥 专用水泥专用水泥 特性水泥特性水泥 硅酸盐水泥系列硅酸盐水泥系列按水泥的组成分按水泥的组成分硫铝酸盐水泥系列硫铝酸盐水泥系列氟铝酸盐水泥系列氟铝酸盐水泥系列铁铝酸盐水泥系列铁铝酸盐水泥系列其他其他铝酸盐水泥系列铝酸盐水泥系列定义定义分类分类School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H2硅酸盐水泥生产硅酸盐水泥生产2.1 通用硅酸盐水泥的标准通用硅酸盐水泥的标准(GB175 2007) 2.1.1定义：定义：通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水

4、泥熟料和适量的通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的 石膏、及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。石膏、及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。2.1.2分类分类：通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为：通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。各品种的组分和代号应符合表酸盐水泥。各品种的组分和代号应符合表1的规定。的规定。 School of materials Science and Art Design

5、Prof. J.T. H(1) 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 由主要含由主要含CaOCaO、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3的的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其中硅酸钙矿钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其中硅酸钙矿物不小于物不小于66%66%，氧化钙和氧化硅质量比不小于，氧化钙和氧化硅质量比不小于2.02.0。(2) 石膏石膏 天然石膏或工业副产石膏天然石膏或工业副产石膏(采用前应经过试验证明对采用前应经过试验证明对水泥性能无害水泥性能无害)。(3) 活性

6、混合材料活性混合材料 符合符合GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料。粉煤灰、火山灰质混合材料。(4) 非活性混合材料非活性混合材料 活性指标分别低于活性指标分别低于GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料；石灰石和砂岩，其中石灰石中的三氧化二铝含量料；石灰石和砂岩，其中石灰石中的三氧化二铝含量应不大于应不

7、大于2.5%。 2.1.3 组分材料组分材料School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H(5)窑灰窑灰 符合符合JC/T742的规定。的规定。(6) 助磨剂助磨剂 水泥粉磨时允许加入助磨剂，其加入量应不水泥粉磨时允许加入助磨剂，其加入量应不大于水泥质量的大于水泥质量的0.5%，助磨剂应符合，助磨剂应符合JC/T667的规定。的规定。2.1.4 强度等级强度等级(1) 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级。六个等级。(2) 普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：42.5、42.

8、5R、52.5、52.5R四个等级。四个等级。(3) 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥：盐水泥、复合硅酸盐水泥：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级。六个等级。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H(2) 碱含量碱含量（选择性指标）（选择性指标）水泥中碱含量按水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大若使用活性骨料，用户要求提

9、供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于于0.60%或由买卖双方协商确定。或由买卖双方协商确定。(3) 凝结时间凝结时间 硅酸盐水泥初凝不小于硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于，终凝不大于390min；普通硅普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于，终凝不大于600min。(4) 安定性安定性 沸煮法合格。沸煮法合格。(6) 强度强度 不同品种不同强度等级的通用硅酸盐水泥，其不同各龄期的强度应符不同品种不同强度等级的通用硅酸盐水

10、泥，其不同各龄期的强度应符合表合表3的规定。的规定。(5)细度细度（选择性指标）硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于（选择性指标）硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于300m2/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥以筛余表示，合硅酸盐水泥以筛余表示，80m方孔筛筛余不大于方孔筛筛余不大于10%或或45m方孔筛筛余方孔筛筛余不大于不大于30%。(1)化学指标化学指标 2.1.5 技术要求技术要求School of materials Science and Art Design

11、 Prof. J.T. H2.2硅酸盐水泥的生产方法及流程硅酸盐水泥的生产方法及流程2.2.1 硅酸盐水泥的生产方法硅酸盐水泥的生产方法硅酸盐水泥生产过程硅酸盐水泥生产过程生料制备生料制备熟料煅烧熟料煅烧水泥粉磨水泥粉磨生产方法生产方法(按生料制备按生料制备方法不同分方法不同分)干法：干法：将原料同时烘干与粉磨或先烘干将原料同时烘干与粉磨或先烘干后粉磨成生料粉，而后喂入干法后粉磨成生料粉，而后喂入干法窑内煅烧成熟料。窑内煅烧成熟料。 湿法湿法 ：将原料加水粉磨成，生料浆后将原料加水粉磨成，生料浆后喂入湿法回转窑煅烧成熟料喂入湿法回转窑煅烧成熟料 。可为新型干法、可为新型干法、半干法半干法可为传

12、统湿、湿可为传统湿、湿磨干烧磨干烧School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H化学组成化学组成：主要由氧化钙：主要由氧化钙(CaO)、二氧化硅（、二氧化硅（SiO2)、三氧化二铝、三氧化二铝(A12O3)和三氧化二铁和三氧化二铁(Fe2O3)四种氧化物组成，通常占四种氧化物组成，通常占熟料的熟料的95以上，同时，含有以上，同时，含有5以下的少量氧化物，以下的少量氧化物，如氧化镁如氧化镁(MgO)、三氧化硫、三氧化硫(SO3)、二氧化钛、二氧化钛(TiO2)、五、五氧化二磷氧化二磷(P2O5)、以及碱、以及碱(K2O和和Na2O)

13、等。等。据统计，四种主要氧化物的波动范围一般为：据统计，四种主要氧化物的波动范围一般为：3.1 硅酸盐水泥熟料的化学组成硅酸盐水泥熟料的化学组成CaO:62-67；SiO2:20-24；Al2O3:4-7；Fe2O3:2.5-6.0。水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质熟料应该具水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质熟料应该具有合适的矿物组成和岩相结构。因而控制组成十分关键。有合适的矿物组成和岩相结构。因而控制组成十分关键。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H3.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的矿物组成在硅酸盐

14、水泥熟料中，氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁在硅酸盐水泥熟料中，氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁并不是以单独的氧化物存在，而是经高温燃烧后，以两种或并不是以单独的氧化物存在，而是经高温燃烧后，以两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小，两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小，通常，通常，在硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物；在硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物；硅酸三钙硅酸三钙 3CaOSiO2，可简写为，可简写为C3S，38-55%；硅酸二钙硅酸二钙 2CaOSiO2，可简写为，可简写为C2S，20-33%铝酸三钙铝酸三钙 3CaOAl2O3：可简写为：可简写为C3A

15、:4-15%铁相固溶体铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙通常以铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3代替，代替，可简写为可简写为C4AF:10-18%。另外，还有少量的游离氧化钙另外，还有少量的游离氧化钙(f-CaO)、方镁石、方镁石(结晶氧化结晶氧化镁镁f-MgO)、合碱矿物以及玻璃体等。、合碱矿物以及玻璃体等。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H3.3 硅酸盐水泥熟料矿物性质硅酸盐水泥熟料矿物性质3.3.1硅酸三钙（硅酸三钙（C3S ) 存在形式：存在形式：纯纯C3S只在只在20651250温度范围内稳定，在温度范围内

16、稳定，在2065以上不一致熔融为以上不一致熔融为CaO 与液相；在与液相；在1250以下分解以下分解为为C2S和和CaO。熟料中熟料中C3S不纯，总是与少量的其不纯，总是与少量的其他氧化物如他氧化物如Al2O3、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体。在反光显微镜等形成固溶体。在反光显微镜下为黑色多角形颗粒，又称阿利特下为黑色多角形颗粒，又称阿利特（Alite），简称），简称A矿。矿。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. HC3S加水调和后，凝结时间正常，水化较快，加水调和后，凝结时间正常，水化较快，早期强度高，强度增进率较

17、大。其早期强度高，强度增进率较大。其28 天强度、一天强度、一年强度是四种矿物中最高的。它的体积干缩性也年强度是四种矿物中最高的。它的体积干缩性也较小，抗冻性较好。但它的水化热较高，抗水性较小，抗冻性较好。但它的水化热较高，抗水性较差，抗硫酸盐腐蚀能力也较差。另外，由于在较差，抗硫酸盐腐蚀能力也较差。另外，由于在锻烧过程中，锻烧过程中，C3S形成需要较高的烧成温度和较形成需要较高的烧成温度和较长的烧成时间，这给熟料的锻烧操作带来了困难。长的烧成时间，这给熟料的锻烧操作带来了困难。因此，在实际生产中不能不切实际地追求因此，在实际生产中不能不切实际地追求C3S的的数量，否则将导致有害成分数量，否则

18、将导致有害成分f-CaO增多，反而降增多，反而降低熟料质量。低熟料质量。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H3.3.2硅酸二钙（硅酸二钙（C2S ) 熟料中硅酸二钙通常固溶有少量氧化物如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，称贝等形成固溶体，称贝利特（利特（Belite），简称），简称B矿。在反光显微镜下呈圆矿。在反光显微镜下呈圆粒状，常具有黑白交叉双晶条纹。粒状，常具有黑白交叉双晶条纹。 School of materials Science and Art Desi

19、gn Prof. J.T. HC2S与水作用时，水化速度较慢早期强度较低，与水作用时，水化速度较慢早期强度较低，但但28 天以后强度仍能较快增长，一年后可接近场天以后强度仍能较快增长，一年后可接近场C3S。它的水化热低，体积干缩性小，抗水性和抗硫酸盐浸它的水化热低，体积干缩性小，抗水性和抗硫酸盐浸蚀能力较强。它的形成温度一般较低，蚀能力较强。它的形成温度一般较低，C2S在在1450 以下易发生多种晶型转变，尤其在低于以下易发生多种晶型转变，尤其在低于500 时，由时，由-C2S 转变为密度更小、活性很低的转变为密度更小、活性很低的-C2S时，体积膨时，体积膨胀胀10 % ，导致熟料粉化，且使熟

20、料强度大大降低。这，导致熟料粉化，且使熟料强度大大降低。这种现象在通风不良、液相量较少、还原气氛较浓、冷种现象在通风不良、液相量较少、还原气氛较浓、冷却较慢的立窑生产中较为多见。在烧成温度较高、冷却较慢的立窑生产中较为多见。在烧成温度较高、冷却较快的熟料中，由于却较快的熟料中，由于C2S中固熔进少量中固熔进少量Al2O3、 Fe2O3、MgO等，通常都可保留等，通常都可保留型。这种型。这种-C2S被称被称为贝利特，简称为贝利特，简称B 矿。矿。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. Hp铝酸钙（铝酸钙（C3A、C12A7 、

21、C12A7CaF2、C4A3) C3A可固溶有少量可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶等形成固溶体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿矿与与B矿中间，又称黑色中间相。矿中间，又称黑色中间相。 C3A与水结合后，水化迅速，凝结硬化很快，如不加石与水结合后，水化迅速，凝结硬化很快，如不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝。它的早期强度较高，但后期膏等缓凝剂，易使水泥急凝。它的早期强度较高，但后期强度增长不多，甚至倒缩。它的水化热高，干缩变形大，强度增长不多，甚至倒缩。它的水化热高，干缩变形大，抗硫酸盐浸蚀、抗碱性都较差。

22、它的脆性也大，耐磨性差。抗硫酸盐浸蚀、抗碱性都较差。它的脆性也大，耐磨性差。C3A中也可固溶少量中也可固溶少量SiO2、Fe2O3、MgO等氧化物。等氧化物。 3.3.3中间相中间相填充在阿利特、贝利特之间的物质通称为中间相，填充在阿利特、贝利特之间的物质通称为中间相，它包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体、含碱化它包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体、含碱化合物、游离氧化钙及方镁石等。合物、游离氧化钙及方镁石等。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. Hp铁相固溶体（铁相固溶体（C2FC8A3F ) C4AF实际是实际是C2

23、F-C8A3连续固溶体，在一般的硅酸盐水连续固溶体，在一般的硅酸盐水泥熟料中，这种连续固溶体的化学成分接近于泥熟料中，这种连续固溶体的化学成分接近于C4AF，简称，简称C 矿；矿物中也溶有少最矿；矿物中也溶有少最MgO、SiO2等氧化物。等氧化物。C 矿在反矿在反射光下呈白色，故又被称为白色中间相。射光下呈白色，故又被称为白色中间相。C4AF水化硬化速度较快，因而早期强度较高，仅次于水化硬化速度较快，因而早期强度较高，仅次于C3A。与。与C3A不同的是它的后期强度也较高，类似不同的是它的后期强度也较高，类似C2S。它。它的水化热低，干缩变形小，耐磨，抗冲击，抗硫酸盐浸蚀的水化热低，干缩变形小，

24、耐磨，抗冲击，抗硫酸盐浸蚀能力强。据研究发现：铁相固溶体的水化速率与其中的铝能力强。据研究发现：铁相固溶体的水化速率与其中的铝的含量有直接关系，其含量越高，水化越快。的含量有直接关系，其含量越高，水化越快。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H形成形成 部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体为过冷凝体主要成分主要成分 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、R 2O含量含量 取决于液相量及冷却条件，一般取决于液相量及冷却条件，一般2%22% 性能性能 不及晶体稳定，水化热较大；可

25、改善熟不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟料性能与易磨性。料性能与易磨性。p 玻璃体玻璃体School of materials Science and Art Design Prof. J.T. Hp 游离氧化钙和方镁石游离氧化钙和方镁石游离氧化钙（游离氧化钙（f-CaO）指经高温煅烧而仍未化合的氧指经高温煅烧而仍未化合的氧化钙。其水化反应如下：化钙。其水化反应如下：CaO+H2OCa(OH)2此反应的产生导致：体积膨胀此反应的产生导致：体积膨胀97.9%，严重时，抗折强，严重时，抗折强度降低，度降低，3天以后强度倒缩，甚至导致安定性不良。通常回转天以后强度倒缩，甚至导致安定性不良。通常回转窑

26、控制在窑控制在1.5%以下，立窑控制在以下，立窑控制在2.5%以下。以下。方镁石方镁石（游离状态的（游离状态的MgO晶体）晶体）MgO+H2OMg(OH)2MgO一般存在于铁相固溶体、一般存在于铁相固溶体、A矿、玻璃体或者矿、玻璃体或者以方镁石出现。方镁石与水会发生如下反应，但反应以方镁石出现。方镁石与水会发生如下反应，但反应速率慢。速率慢。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H3.4 硅酸盐水泥熟料的率值及其意义硅酸盐水泥熟料的率值及其意义 3.4.1率值：率值：用来控制熟料中各氧化物含量和彼此间比例关用来控制熟料中各氧

27、化物含量和彼此间比例关系的系数，称为率值系的系数，称为率值 。我国目前一般采用石灰饱和系我国目前一般采用石灰饱和系数（数（KH）、硅率（）、硅率（n 或或SM）、铝率（）、铝率（p或或IM ）三个）三个率率 值。值。232321.650.352.8CaOAl OFe OSiOK K H H-=3.4.2石灰饱和系数石灰饱和系数232321.650.352.8CaOAl OFe OfCaOSiOK K H H-=当铝率当铝率0.640.64时时物理意义物理意义：熟料中的：熟料中的SiO2被被CaO饱和生成饱和生成C3S的程度。理的程度。理论范围：论范围：0.667-1.00，通常，通常0.82-

28、0.94。各国控制方各国控制方法不同！法不同！School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H4.1.1石灰质原料石灰质原料 4.1原料原料4.1.2 粘土质原料粘土质原料 4.1.3 校正原料校正原料 4.1.4 矿化剂矿化剂School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H5.1 生料煅烧过程中的物理、化学变化生料煅烧过程中的物理、化学变化尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异，但物理、化尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异，但物理、化学变化过程基本相似学变化过程基本相似.其过程

29、可概括为：其过程可概括为：干燥与脱水干燥与脱水碳酸盐分解碳酸盐分解固相反应固相反应液相和熟料的烧结液相和熟料的烧结熟料的冷却熟料的冷却熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。料与衬料的消耗以及窑的安全运转。水泥窑有多种功能：反应炉、熔炉、燃烧炉和传水泥窑有多种功能：反应炉、熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体的输送设备。热设备、物料和气体的输送设备。 School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H5.1.1 生料的干燥与脱水生料的干燥与脱水干燥干燥自由水的蒸

30、发。这一过程由于煅烧方式不同而有所差异。自由水的蒸发。这一过程由于煅烧方式不同而有所差异。自由水蒸发热耗：自由水蒸发热耗：100时，时，2257kJ/kgH2O（539kCal/kg）干法窑干法窑: 生料含水量生料含水量1.0；半干法立波尔窑和立窑半干法立波尔窑和立窑:通常含水通常含水12-15%，半湿法立波尔窑半湿法立波尔窑: 过滤水分后料块通常为过滤水分后料块通常为18-22%；湿法湿法: 为保证料浆可泵性通常为为保证料浆可泵性通常为30-40%。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H粘土矿物的化合水存在形式：粘土矿物

31、的化合水存在形式：层间水层间水：以水分子形式吸附于晶层结构中。：以水分子形式吸附于晶层结构中。配位水配位水：以：以OH状态存在于晶体结构中。状态存在于晶体结构中。232223222222Al OSiOH OAl OSiOH O脱水脱水指黏土矿物分解释放化学结合水。指黏土矿物分解释放化学结合水。层间水在层间水在100左右即可排除，左右即可排除，而配位水则必须高达而配位水则必须高达400600以上以上才能脱去。才能脱去。（2）蒙脱石脱水）蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.m H2OAl2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构晶体结构活性低活性低)（3）伊利石脱水）伊利石脱水 产物也是晶体结构产

32、物也是晶体结构,伴随体积膨胀伴随体积膨胀（1）高岭石脱水）高岭石脱水School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H5.1.2碳酸盐分解碳酸盐分解 碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解，其碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解，其化学反应式为：化学反应式为：分解过程分五步进行：分解过程分五步进行：（1）气流向颗粒表面的传热过程；）气流向颗粒表面的传热过程；（2）热量由表面以热传导方式向分解面传递过程；）热量由表面以热传导方式向分解面传递过程；（3）碳酸盐在一定温度下吸收热量，进行分解并放出）碳酸盐在一定温度下吸收热量，进行分解并放

33、出CO2的化学过程；的化学过程；（4）分解出的）分解出的CO2，穿过，穿过CaO层面向表面扩散的传质过层面向表面扩散的传质过程；程；（5）表面的）表面的CO2向周围介质气流扩散过程向周围介质气流扩散过程1321321645(890)10471214(590)CaCOCaOCOJ gCMgCOMgOCOJ gCCaOCaCO3School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H影响碳酸盐分解速率的因素影响碳酸盐分解速率的因素30(11)11()dtKpP温度温度 随温度升高，分解速率常数和压力倒数差相随温度升高，分解速率常数和压力倒数差相

34、应增大，分解速率和时间缩短；应增大，分解速率和时间缩短；(单个颗粒碳酸盐分解动力学方程单个颗粒碳酸盐分解动力学方程) 式中：式中： t分解时间；分解时间；K分解常数；分解常数； PCO2的分压；的分压；分解率分解率 d生料等效粒径；生料等效粒径；School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H窑系统的窑系统的CO2分压分压 通风良好通风良好, CO2分压较低分压较低,有利有利于碳酸盐分解于碳酸盐分解;生料细度和颗粒级配生料细度和颗粒级配 生料细度细生料细度细,颗粒均匀颗粒均匀,粗粒粗粒少少,分解速率快分解速率快;生料悬浮程度生料悬浮

35、程度 生料悬浮分散良好生料悬浮分散良好,相对减小颗粒相对减小颗粒尺寸尺寸,增大了传热面积增大了传热面积,提高了碳酸盐分解速率提高了碳酸盐分解速率;石灰石的种类和物理性质石灰石的种类和物理性质 结构致密结构致密,结晶粗大的结晶粗大的石灰石石灰石,分解速率慢分解速率慢;生料中粘土质组分和性质生料中粘土质组分和性质 粘土质中的矿物组分粘土质中的矿物组分的活性依次按高岭土、蒙脱石、伊利石、石英降低的活性依次按高岭土、蒙脱石、伊利石、石英降低.粘粘土质原料活性越大，可加速碳酸盐的分解过程土质原料活性越大，可加速碳酸盐的分解过程.School of materials Science and Art De

36、sign Prof. J.T. H在碳酸盐分解的同时，石灰质与粘土质组分间进行固在碳酸盐分解的同时，石灰质与粘土质组分间进行固相反应，其过程如下：相反应，其过程如下：800：CaO Al2O3，CaOFe2O3与与2CaOSiO2开始开始形成；形成；800 900 ：开始形成：开始形成12CaO7Al2O3(C12A7);900 1000 : 2CaO Al2O3SiO2(C2AS)形成后又分解。形成后又分解。开始形成开始形成3CaOAl2O3(C3A)和和4CaO Al2O3Fe2O3(C4AF)。所有。所有碳酸盐均分解碳酸盐均分解,游离氧化钙达到最高值。游离氧化钙达到最高值。1100 12

37、00:大量形成大量形成C3A和和C4AF，C2S含量达最大含量达最大值。值。5.1.3固相反应固相反应School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H影响固相反应的因素影响固相反应的因素生料的细度生料的细度 生料愈细，比表面积越大，组分接触面越生料愈细，比表面积越大，组分接触面越大，同时表面质点的自由能越大，使扩散和反应大，同时表面质点的自由能越大，使扩散和反应能力增强，因而反应速率加快；能力增强，因而反应速率加快；生料的均化程度生料的均化程度 生料的均匀混合，可增加各组分间接生料的均匀混合，可增加各组分间接触，也有利于加速反应；触

38、，也有利于加速反应；压力压力 在固相反应中，增大压力可加速物质的传递过在固相反应中，增大压力可加速物质的传递过程程.但熟料烧结过程是多相共存、多反应同时进但熟料烧结过程是多相共存、多反应同时进行的过程行的过程.因此，提高压力有时并不表现出积极因此，提高压力有时并不表现出积极作用；作用；矿化剂矿化剂 矿化剂可通过与反应物形成固溶体使晶格活矿化剂可通过与反应物形成固溶体使晶格活化，反应能力加强；也可以形成低共熔物，使物化，反应能力加强；也可以形成低共熔物，使物料在较低温度下形成液相，从而加速扩散和和固料在较低温度下形成液相，从而加速扩散和和固相的溶解作用相的溶解作用School of materi

39、als Science and Art Design Prof. J.T. Hp 液相的形成液相的形成5.1.4 液相的形成与熟料的烧结液相的形成与熟料的烧结液相的组成液相的组成：由氧化铁、氧化铝、：由氧化铁、氧化铝、氧化钙、氧化镁和碱氧化钙、氧化镁和碱及其他组分。及其他组分。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称为最低共熔温度。分开始出现液相的温度称为最低共熔温度。其大小与组分的性质与数目有关。（见表其大小与组分的性质与数目有关。（见表161）液相量：液相量：液相量与组分的性质、含量、温度等因素有关液相量与组分的

40、性质、含量、温度等因素有关(一般为一般为2030%) 。对。对CSAF四元系统，四元系统，在不同温度下的液相量（在不同温度下的液相量（P）可按下式计算：）可按下式计算：School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H液相的粘度液相的粘度：它直接影响硅酸三钙的形成速率及晶体发：它直接影响硅酸三钙的形成速率及晶体发育。其大小与液相的组分性质与温度有关。育。其大小与液相的组分性质与温度有关。温度越高，粘度越低；铝率越高，粘度越温度越高，粘度越低；铝率越高，粘度越大；多数微量元素可降低液相粘度。大；多数微量元素可降低液相粘度。液相的表面张力

41、液相的表面张力：其大小与组分性质、温度有关。它：其大小与组分性质、温度有关。它影响着液相能润湿固相的程度，表影响着液相能润湿固相的程度，表面张力越小，润湿性越好，有利于面张力越小，润湿性越好，有利于C3S的形成。的形成。1400P2.95A2.20F1450P3.00A2.25F1500 P3.30A2.60F可以认为水泥熟料可以认为水泥熟料中的其它组分全部中的其它组分全部进入液相。进入液相。不同温度下，液相的计算公式：不同温度下，液相的计算公式：School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H物理化学变化过程物理化学变化过程：随着

42、时间延长和温度升高，液：随着时间延长和温度升高，液相量逐渐增加，氧化钙、硅酸二相量逐渐增加，氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核不断形成，小晶体逐渐发育长核不断形成，小晶体逐渐发育长大，最终形成几十微米大小、结大，最终形成几十微米大小、结晶良好的阿利特晶体。晶良好的阿利特晶体。硅酸三钙的形成硅酸三钙的形成：影响因素影响因素：物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、矿化剂与其他微量元素等。矿化剂与其他微量元素等。23C SC SCaO 液液相相p 熟料的烧结熟料的烧结School of materials Science and

43、 Art Design Prof. J.T. H(5) 熟料的冷却熟料的冷却减少减少C3S分解；防止分解；防止-C-C2 2S S向向-C-C2 2S S转化，提高转化，提高熟料质量；熟料质量；防止方镁石晶体长大，防止方镁石晶体长大，有利于有利于水泥安定性；水泥安定性；急冷熟料晶粒小，活性高；急冷熟料晶粒小，活性高；C3A主要呈玻璃体，抗硫主要呈玻璃体，抗硫酸盐性能提高；易磨性好等。酸盐性能提高；易磨性好等。目的目的：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑的热效率；改善熟料质量与易磨性；便于熟料的热效率；改善熟料质量与易磨性；便于熟料运输、贮存与粉磨

44、。运输、贮存与粉磨。过程过程：液相的凝固和相变两个过程：液相的凝固和相变两个过程.熟料为何要急冷？熟料为何要急冷？School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H温度（温度（） 反应反应热效应热效应数值数值100150游离水蒸发游离水蒸发吸热吸热2249kJ/kg水水450粘土结合水逸出粘土结合水逸出吸热吸热932kJ/kg-kao600MgCOMgCO3 3分解分解吸热吸热1421kJ/kg-MC900粘土无定形脱水产物结晶粘土无定形脱水产物结晶放热放热259-284kJ/kg-meta-kao900碳酸钙分解碳酸钙分解吸热吸热1

45、655kJ/kg-CC900-1200固相反应固相反应放热放热418-502kJ/kg-cl1250-1280形成液相形成液相吸热吸热105kJ/kg-cl130-1450硅酸三钙形成硅酸三钙形成微吸热微吸热8.6kJ/kg-cl5.2 熟料形成的热化学熟料形成的热化学生料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热和放生料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热和放热反应热反应水泥熟料形成各反应的热效应经计算，熟料的理论形成热：经计算，熟料的理论形成热：1630-1800kJ/kg-熟料熟料School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H

46、5.3 矿化剂及微量元素的作用矿化剂及微量元素的作用5.3.1 矿化剂矿化剂p 矿化剂的宏观作用矿化剂的宏观作用改善生料易烧性，加速熟料改善生料易烧性，加速熟料矿物的形成，提高熟料质量，降低能耗等。矿物的形成，提高熟料质量，降低能耗等。p 矿化剂的种类矿化剂的种类含氟化合物：含氟化合物：萤石、萤石、NaF、Na2SiF6、CaSiF6、MgSiF6硫酸盐：硫酸盐：石膏、工业付产品石膏、重晶石等石膏、工业付产品石膏、重晶石等其它工业废渣：其它工业废渣：各种冶金工业废渣各种冶金工业废渣不提倡，对环境有污染不提倡，对环境有污染p萤石的矿化作用萤石的矿化作用氟离子破坏原料的晶格，提高生料的反应活性，氟

47、离子破坏原料的晶格，提高生料的反应活性，促进碳酸盐分解，加速固相反应；降低液相生成温度促进碳酸盐分解，加速固相反应；降低液相生成温度（掺（掺13%萤石，液相形成温度可降低萤石，液相形成温度可降低50100）；）；通过形成中间产物，可使通过形成中间产物，可使C3S能在低于能在低于1200 形成。形成。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. Hp硫酸盐硫酸盐硫对熟料形成有强化作用：硫对熟料形成有强化作用：SO3降低液相粘度，降低液相粘度，增加液相量，有利于增加液相量，有利于C3S的形成；能形成的形成；能形成2C2SCaSO4及及C

48、4A3。 2C2SCaSO4为中间产物，为中间产物，1300左右时分左右时分解。解。 C4A3在在1400 以上大量分解。以上大量分解。p氟硫复合矿化剂氟硫复合矿化剂该复合矿化剂的掺入，与熟料组成、该复合矿化剂的掺入，与熟料组成、F/比、烧比、烧成温度等有关。在成温度等有关。在900950 形成形成3C2S3CaSO4CaF2生成，该四元过渡相消失时，出现液相。降低了液相生成，该四元过渡相消失时，出现液相。降低了液相出现温度和粘度，使出现温度和粘度，使A矿形成温度降低矿形成温度降低150200 ，促进其形成。氟硫比在促进其形成。氟硫比在0.40.6。School of materials Sc

49、ience and Art Design Prof. J.T. H5.3.2 微量元素的影响微量元素的影响p 碱碱碱的来源碱的来源碱对操作的影响碱对操作的影响碱对熟料烧成的作用碱对熟料烧成的作用可降低最低共熔温度，增加可降低最低共熔温度，增加液相量，降低粘度，降低烧成温度。但碱太高，能液相量，降低粘度，降低烧成温度。但碱太高，能形成含碱矿物和固溶体形成含碱矿物和固溶体KC23S12和和NC8A3，使，使C3S难难以形成，增加以形成，增加f-CaO。当有硫存在时，能缓和碱的。当有硫存在时，能缓和碱的不利影响，因其能生成钾石膏，导致水泥快凝或结不利影响，因其能生成钾石膏，导致水泥快凝或结块。制成混

50、凝土时，能引起块。制成混凝土时，能引起“碱集料反应碱集料反应”。p MgO少量的少量的MgO有利于熟料的形成，且改善水泥色泽。有利于熟料的形成，且改善水泥色泽。School of materials Science and Art Design Prof. J.T. HpP2O5少量少量P2O5存在，能提高熟料强度，这与能和存在，能提高熟料强度，这与能和C2S形成固溶体，阻止其晶型转变有关。但其含量较高形成固溶体，阻止其晶型转变有关。但其含量较高时，会导致时，会导致C3S的分解。的分解。据研究：每增加据研究：每增加1% P2O5，将减少，将减少9.9%C3S，增加，增加10.9%的的C2S，当

51、，当P2O5达达7%时，时，C3S将减为将减为0。氟可以抵。氟可以抵消部分消部分P2O5的不良影响。的不良影响。pTiO2少量少量TiO2可作为可作为C2S的稳定剂，对熟料质量有利，的稳定剂，对熟料质量有利，但过多会形成钙钛矿，减少但过多会形成钙钛矿，减少C3S含量。应含量。应1%。p其他微量元素其他微量元素School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H6.1 原料的开采与破碎原料的开采与破碎生产生产1t硅酸盐水泥熟料约消耗硅酸盐水泥熟料约消耗1.6t左右的干原料，左右的干原料，其中干石灰质原料约占其中干石灰质原料约占80左右，干

52、粘土质原料约左右，干粘土质原料约1015。6 物料制备与均化物料制备与均化School of materials Science and Art Design Prof. J.T. H破碎比破碎比:物料破碎前后的粒度之比。物料破碎前后的粒度之比。破碎的目的破碎的目的：便于运输、储存、烘干、配料和粉磨。：便于运输、储存、烘干、配料和粉磨。 破碎的方法破碎的方法：压碎折碎冲击破碎劈碎磨碎压碎折碎冲击破碎劈碎磨碎破碎比及破碎的工艺流程破碎比及破碎的工艺流程School of materials Science and Art Design Prof. J.T. Hp 均化均化采用一定的工艺措施，达到

53、降低物料的化采用一定的工艺措施，达到降低物料的化学成分波动振幅，使物料的化学成分均匀一致的学成分波动振幅，使物料的化学成分均匀一致的过程。过程。p 作用作用是保证熟料质量、产量及降低消耗的基本是保证熟料质量、产量及降低消耗的基本措施和前提条件，也是稳定出厂水泥质量的重要措施和前提条件，也是稳定出厂水泥质量的重要途径。途径。p 标准偏差标准偏差6.2物料的均化物料的均化 6.2.1 均化与预均化的基本概念均化与预均化的基本概念 211()1niiSxxnxi-物料中某成分的各次测量值；物料中某成分的各次测量值；各次测量值算术平均值；各次测量值算术平均值；n测量的次数。测量的次数。xSchool

54、of materials Science and Art Design Prof. J.T. HentoutSHSp 变异系数：变异系数：是指标准偏差是指标准偏差(S)与各次测量值算术平均与各次测量值算术平均值值()的比值，通常用符号的比值，通常用符号Cv来表示。来表示。100%vSCxp 均化效果（均化效果（H）均化效果亦称均化倍数或均化系数，均化效果亦称均化倍数或均化系数，通常它指的是均化前物料的标准偏差与均化后物料通常它指的是均化前物料的标准偏差与均化后物料的标准偏差之比值的标准偏差之比值。xSchool of materials Science and Art Design Prof. J.T. H6.2.2 原、燃料的预均化原、燃料的预均化p基本原理基本原理 原燃料的预均化就是原料或燃料在粉磨之前所原燃料的预均化就是原料或燃料在粉磨之前所进行的均化。进行的均化。 “平铺直取平铺直取”：堆放时，尽可能地以最多的相：堆放时，尽可能地以最多的相互平行、上下重叠的同厚度的料层构成料堆；取料互平行、上下重叠的同厚度的料层构成料堆；取料时，按垂直于料层方向的截面对所有料层切