硅酸盐水泥的组成及配料计算课件

硅酸三钙C3S

硅酸二钙C2S

铝酸三钙C3A

铝酸一钙CA

二铝酸一钙CA2

七铝酸十二钙

C12A7

钙铝黄长石C2AS

六铝酸一钙CA6

一、CaO—SiO2—Al2O3系统硅酸三钙C3S一、CaO—SiO2—Al2O3系统1

硅酸三钙C3S

纯C3S只在2065~1250℃温度范围内稳定。

随着温度的降低，C3S在不同温度下存在多晶转变。

硅酸三钙可以固溶少量的其它氧化物，将影响它的反应能力

和晶型。

硅酸三钙加水调和后，初凝≥45min，终凝≤12h。

水化较快。

硅酸三钙可产生较高的强度，且强度发展比较快，早期强度

较高，且强度增进率较大，28d强度可以达到一年强度的70~80%。

硅酸三钙水化热较高，抗水性较差。

硅酸三钙固溶体晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力。硅酸三钙C3S纯C3S只在2065~1250℃温度范2硅酸三钙的合成：在CaO—SiO2二元系统中：1800℃，几分钟；

1650℃，1h，C3S基本形成，游离CaO1％左右；

1450℃，1h，只有少量C3S生成。

硅酸三钙单矿物在1450℃合成时，需要多次重复粉磨再燃烧。如有足够的熔剂(液相)存在，就可使C2S在液相中吸收CaO，比较迅速地形成硅酸三钙。硅酸三钙的合成：在CaO—SiO2二元系统中：1800℃，3

硅酸二钙C2S

纯C2S在1450℃下，进行下列多晶转变：C2S由β型转变为γ型，体积膨胀10%而导致物料粉化。γ型C2S无水硬性硅酸二钙C2S纯C2S在1450℃下，进行下列多晶转变4

硅酸二钙可固溶其它少量氧化物。固溶的氧化物不同，同一晶型的硅酸二钙与水反应后所得的强度不同。

纯硅酸二钙色洁白当有氧化铁时呈棕黄色。

硅酸二钙固溶体与水反应速度较慢，28天仅有20%左右反应。

凝结硬化较慢，早期强度低，但后期强度增进率较高，一年后可赶上或超过硅酸三钙固溶体。

硅酸二钙固溶体的水化热较小，耐水性好。硅酸二钙可固溶其它少量氧化物。固溶的氧化物不同，5

等轴晶系，可固溶部分其他氧化物，呈多晶形态。

在偏光镜下，无色透明。

在反光镜下，快冷呈点滴状，慢冷呈矩形或柱状。

反光能力弱，呈暗灰色。

水化迅速，放热多，凝结很快，如不加缓凝剂，就会急凝。

硬化很快，它的强度3天内就大部分发挥出来，故早期强度

较高，但绝对值不高，以后几乎不再增长，甚至倒缩。

干缩变形大，抗硫酸盐性能差。

铝酸三钙C3A

等轴晶系，可固溶部分其他氧化物，呈多晶形态。铝酸三钙C36铝酸一钙CA二铝酸一钙CA2七铝酸十二钙C12A7钙铝黄长石C2AS六铝酸一钙CA6Fe2O3？铝酸一钙CAFe2O3？7铁铝酸四钙C4AF

斜方晶系，常呈棱柱状和圆粒状晶体。

密度为3770Kg／m3。

在偏光镜下，具有从浅褐到深褐的多色性，二轴晶，

负光性，光轴角中等。在反光镜下，由于反射能力强，

呈亮白色，故在硅酸盐水泥熟料中又称白色中间相。

铁铝酸四钙的水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙

之间，但随后的发展不如硅酸三钙。

早期强度类似于铝酸三钙，而后期还能不断增长，类似

于硅酸二钙。

铁铝酸四钙的抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，水化热

较铝酸三钙低。铁铝酸四钙C4AF斜方晶系，常呈棱柱状和圆粒状晶体。8

四种矿物性能比较

28d内绝对强度：C3S＞C4AF＞C3A＞C2S水化速度：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S水化热：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

四种矿物性能比较28d内绝对强度：C3S＞C4AF＞C39硅酸盐水泥的组成设计及配料计算

一、硅酸盐水泥的组成设计

1.

硅酸盐水泥对矿物组成的要求

硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料，因此水泥熟料矿物必须具备：

良好的与水反应的能力

相当的强度与良好的耐久性

反应速度可以满足生产的要求硅酸盐水泥的组成设计及配料计算一、硅酸盐水泥的组成设计110

对硅酸盐水泥而言，最符合硅酸盐水泥性质要求的矿物组成是硅酸三钙和硅酸二钙。3C2SykC2SC3SC3AC3SC3A2.硅酸盐水泥组成矿物的选择对硅酸盐水泥而言，最符合硅酸盐水泥性质要求的11硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成。均以固溶体的形式存在。A矿——在硅酸盐水泥熟料中固溶了其它少量氧化物的C3S

称为阿利特（Alite），又称为A矿；在反光显微镜下为黑色多角形颗粒硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成12B矿——C2S固溶体称为贝利特（Belite），又称为B矿；

在反光显微镜下呈圆粒状，快冷常具有黑白交叉双晶条纹；慢冷常具有黑白平行双晶条纹。B矿——C2S固溶体称为贝利特（Belite），又称为B矿；13C矿——固溶了其它少量氧化物的C4AF称为才利特

（Celite），又称为C矿；

在偏光显微镜下反光能力强，

一般称为白

色中间相。黑色中间相——C3A固溶体。

在偏光显微镜下反光能力弱，

一般称为黑

色中间相。

C矿——固溶了其它少量氧化物的C4AF称为才利特

14

C3A和C4AF在煅烧中的作用

铁铝酸四钙和铝酸三钙在煅烧过程中熔融成液相，又称熔剂矿物，可以促进硅酸三钙的顺利形成。

如果物料中熔剂矿物过少，易生烧，氧化钙不易被吸收完全，导致熟料中游离氧化钙增加，影响熟料质量，降低窑的产量，增加燃料消耗。如果熔剂矿物过多，在立窑内易结大块，结炉瘤；在回转窑内易结大块，甚至结圈等。

液相的粘度，随C3A／C4AF比而增减。

粘度的影响？C3A和C4AF在煅烧中的作用铁铝酸四钙153.硅酸盐水泥的组成设计

硅酸盐水泥中含有C3S、C2S、C3A、C4AF四种矿物，相应的组成氧化物为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。因为Fe2O3含量较低，可以合并入Al2O3一并考虑，C4AF则相应计入C3A，这样可以用CaO-Al2O3-SiO2三元系统来表示硅酸盐水泥的配料组成。

CaO62%~67%SiO220%~24%Al2O3+Fe2O36.5%~13%C3S50%~60%C2S20%C3A+C4AF22%3.硅酸盐水泥的组成设计硅酸盐水泥中含有164.熟料中其他物质及其作用

玻璃体

工厂中，通常熟料冷却较快，有部分液相来不及结晶就成为玻璃体。玻璃体的主要成分为Fe2O3、

Al2O3、CaO，也有少量的MgO和碱(K2O和Na2O)等。冷却方式？4.熟料中其他物质及其作用玻璃体工厂17

游离氧化钙

性质：

水化很慢；

水化生成氢氧化钙时，体积膨胀97.9％，在硬

化水泥石内部造成局部膨胀应力。作用：

游离氧化钙含量增加：

强度降低，甚至倒缩；

严重时甚至引起安定性不良，使水泥制品变形或

开裂，导致水泥浆体的破坏。

应严格控制游离氧化钙的含量。游离氧化钙性质：水化很慢；作用：游离氧化钙含量增18种类产生原因特点对水泥安定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1100~1200℃低温下形成结构疏松多孔、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，水化较慢较大游离氧化钙（f-CaO)种类产生原因特点对水泥安定性的影响欠烧游离19

方镁石

方镁石——系游离状态的氧化镁晶体。

氧化镁的作用：熟料含有少量氧化镁时，能降低熟料液相

生成温度，增加液相数量，降低液相粘，有利于熟

料形成，还能改善熟料色泽。

方镁石性质：方镁石的水化比游离氧化钙更为缓慢；

水化生成氢氧化镁时，体积膨胀148％，也会

导致安定性不良。水化时会导致安定性不良。

方镁石膨胀的严重程度与其含量、晶体尺寸等都有关系。方镁石方镁石——系游离状态的氧化镁晶体。方镁石20二、配料计算

1.熟料的率值

水泥熟料是一种多矿物集合体，而这些矿物又是由四种主要氧化物化合而成。因此，在生产控制中，不仅要控制熟料中各氧化物的含量，还应控制各氧化物之间的比例，即率值。这样，可以比较方便地表示化学成分和矿物组成之间的关系，明确地表示对水泥熟料的性能和煅烧的影响。因此，在生产中，用率值作为生产控制的一种指标。

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。二、配料计算1.熟料的率值水泥熟料是一21

石灰饱和系数（KH）

当A2O3/Fe2O3≥0.64时，熟料CaO与另外三种酸性氧化物化合形成C3S、C2S、C3A、C4AF四个主要熟料矿物。CaO存在一个极限石灰含量。

古特曼与杰耳：石灰理论极限含量的观点。

将C4AF看作为“C3A”和“CF”，并把“C3A”与C3A视为同一相。

理论上在熟料四个主要氧化物中，酸性氧化物应形成碱性最高的熟料矿物——C3S、C3A、C4AF。石灰饱和系数（KH）当A2O3/Fe2O22每1％酸性氧化物所需石灰含量分别为：1％Al2O3形成C3A所需CaO=3CaO分子量

/Al2O3

分子量

=1.65

1％Fe2O3形成

CF所需CaO=CaO分子量/Fe2O3

分子量

=0.35

1％SiO2形成C3S所需CaO=3CaO分子量/SiO2分子量

=2.8

1％酸性氧化物所需石灰量，既石灰理论极限含量计算公式：

CaO

＝

2.8SiO2

十

1.65

Al2O3

+

0.35

Fe2O3每1％酸性氧化物所需石灰含量分别为：1％Al2O3形成C323

金德和容克——Al2O3和Fe2O3始终为CaO所饱和，唯有SiO2可能不完全被饱和和CaO生成C3S，而存在一部分C2S。否则，熟料就会出现游离氧化钙。因此应在公式中的SiO2之前加一系数——石灰饱和系数KH。CaO＝

KH×2.8SiO2

十

1.65Al2O3

十

0.35Fe2O3

KH=（CaO－

1.65Al2O3－

0.35Fe2O3

）/2.8SiO2

石灰饱和系数KH是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙(C3S十C2S)所需的氧化钙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。即KH表熟料中二氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。金德和容克——Al2O3和Fe2O3始终为C24考虑到熟料中有游离CaO、游离SiO2和石膏，

KH式可写为:

KH=[（CaO-f-CaO）-（1.65Al2O3十0.35Fe2O3+0.7SO3)]/2.8(SiO2-f-SiO2)石灰饱和系数KH与熟料矿物组成的关系式：KH=(C3S+0.8838C2S)/(C3S+1.3256C2S)

当C3S=0时，KH=0.667，即此时的熟料矿物只

有C2S、C3A、C4AF而无C3S；

当C2S=0时，KH=1，即此时的熟料矿物只有

C3S、C3A、C4AF而无C2S。因此，在正常硅酸盐水泥熟料中，石灰饱和系数KH应控制在0.667~1.0之间。为了使水泥具有较好的力学性能，应适当提高C3S在熟料中的含量，KH一般控制在0.88~0.94。考虑到熟料中有游离CaO、游离SiO2和石膏，KH式可写为25

硅率SM硅率又称为硅酸率，其数学表达式是：ＳＭ＝

SiO2/(Al2O3+Fe2O3)

式中：SiO2、Al2O3、Fe2O3分别代表熟料中各该氧化物的质量百分数。物理意义：硅率是表示熟料中氧化硅含量与氧化铝、

氧化铁之和的质量比。也表示了熟料中

硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例。硅率SM硅率又称为硅酸率，其数学表达式是：ＳＭ＝SiO226当Al2O3/Fe2O3大于0.64时：SM=(C3S+1.3256C2S)/(1.434C3S+2.046C2S)

式中：C3S、C2S、C3A、C4AF分别代表熟料中各该矿物的质量百分数。硅率随硅酸盐矿物与熔剂矿物之比而增减。

熟料中硅率过高，液相量显著减少，热料煅烧困难。

特别当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时，熟料易

于粉化。

硅率过低，硅酸盐矿物太少而影响水泥强度，且由

于液相过多，易出现结大块、结炉瘤、结圈等，影

响窑的操作。通常，硅酸盐水泥熟料的硅率在1.7~2.7之间，有的白色硅酸盐水泥熟料的硅率可高达4.0左右。当Al2O3/Fe2O3大于0.64时：SM=(C327

铝率IM率铝又称为铁率，其数学表达式为：IM=Al2O3/Fe2O3

物理意义：铝率是表示熟料中氧化铝和氧化铁含量的

质量比，也表示熟料熔剂矿物中铝酸三钙

与铁铝酸四钙的比例。铝率IM率铝又称为铁率，其数学表达式为：IM=Al2O28当IM铝大于0.64时，铝率和矿物组成关系的数学式是：IM=+0.64C4AF

1.15C3A

式中：C3A、C4AF为熟料中各该矿物的质量百分数。铝率高低，反映了水泥煅烧过程中高温液相的粘度。

铝率高，熟料中C3A多、相应C4AF较少，则液相粘度大，

物料难烧。

铝率过低，虽然液相粘度较小，液相中质点易于扩散，对

硅酸三形成有利，但烧结范围变窄，窑内易结大块，不利

于窑的操作。当IM铝大于0.64时，铝率和矿物组成关系的数学式是：IM291.2.2无机非金属材料的组成设计及配料计算

二、配料计算

1.熟料的率值

（4）熟料矿物组成的计算

熟料矿物组成可用岩相分析、X射线定量分析等方法测定，也可以根据化学成分进行计算。

岩相分析

X射线定量分析

红外光谱分析

X射线光谱分析仪

KH,SM,IM1.2.2无机非金属材料的组成设计及配料计算二、配料30

常用的从化学成分计算熟料矿物组成的方法有两种，即石灰饱和系数法和鲍格法。

石灰饱和系数法

先列出有关摩尔质量的比值：

C3S中的MC3S/MCaO=4.07;C2S中的2MCaO/MSiO2=1.87;C4AF中的MC4AF/MFe2O3=3.04;C3A中的MC3A/MAl2O3=3.04CaSO4中的MCaSO4/MSO3=3.04MAl2O3/MFe2O3=0.64常用的从化学成分计算熟料矿物组成的方法有两种31设与SiO2反应的CaO为Cs；与CaO反应的SiO2为Sc，则Cs=CaO-（1.65Al2O3+0.35Fe2O3+0.7SO3）

=2.8KH·Sc

（1）Sc=SiO2

（2）

正常煅烧情况下，CaO与SiO2反应先生成C2S，剩余的CaO再与部分C2S反应生成C3S。则由该剩余的CaO量（Cs-1.87Sc），可以算出C3S含量：

C3S=4.07（Cs-1.87Sc）=4.07Cs-7.6Sc

（3）KH=（CaO－1.65Al2O3－0.35Fe2O3

）/2.8SiO2CaO－1.65Al2O3－0.35Fe2O3=2.8KHSiO2C2S中的2MCaO/MSiO2=1.87C3S中的MC3S/MCaO=4.07设与SiO2反应的CaO为Cs；与CaO反应的SiO2为Sc32将（1）、

（2）代入（3）式中，整理后得：

C3S=4.07（2.8KHSc）-7.6Sc=3.8（3KH-2）SiO2

（4）由Cs+Sc=C2S+C3S，可计算出C2S含量：C2S=Cs+Sc-C3S=8.6Sc-3.07Cs

（5）将式（1）、（2）代入（5），整理后得：C2S=8.6（1-KH）SiO2

（6）C4AF含量可直接由Fe2O3含量算出：C4AF=3.04Fe2O3

（7）C3A含量的计算，应先从总Al2O3量中将去形成C4AF所需的Al2O3的量，则可知用于形成C3A的Al2O3的量：C3A=2.65（Al2O3-0.64Fe2O3）

（8）CaSO4=1.7SO3（9）C3S=3.8（3KH-2）SiO2

C2S=8.6（1-KH）SiO2

C4AF=3.04Fe2O3

C3A=2.65（Al2O3-0.64Fe2O3）CaSO4=1.7SO3将（1）、（2）代入（3）式中，整理后得：C3S=33

鲍格法（代数法）

以C3S、C2S、C3A、C4AF、CaSO4以及CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3分别代表熟料中各矿物和氧化物的百分含量，则四种矿物和硫酸钙的化学成分百分数可列成下表。

氧化物

C3SC2SC3AC4AFCaSO4CaO73.6965.1262.2746.1641.19SiO226.3134.88Al2O337.7320.98Fe2O332.86SO3

58.81

鲍格法（代数法）以C3S、C2S、C3A、34依据表中数值，可以列出以下方程式：C＝0.7369C3S+0.651C2S+0.6227C3A+0.4616C4AF+0.4119CaSO4S＝0.2631C3S+0.3488C2SA＝0.3773C3A+0.2098C4AFF＝0.3286C4AF依据表中数值，可以列出以下方程式：C＝0.7369C3S+35解上述联立方程组，即可得由氧化物计算各矿物的百分含量公式：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=1.70SO3解上述联立方程组，即可得由氧化物计算各矿物的C3S=436

由率值计算化学组成的公式如下：Fe2O3=∑/[(2.8KH+1)(IM+1)SM+2.65IM+1.35)]

Al2O3=IM·Fe2O3

SiO2=SM(AI2O3+Fe2O3)CaO=∑-(SiO2+Al2O3+Fe2O3)

式中：∑为熟料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3四种氧化物的总量估计值，一般在95~97%。由率值计算化学组成的公式如下：Fe2O337（5）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，是假设熟料平衡冷却，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，有时甚至相差很大。

固溶体的影响

冷却条件的影响

碱和其他微量组分的影响

尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异，但它能基本上说明对熟料燃烧和性能的影响。当设计某一矿物组成水泥熟料时，利用理论计算生料组成是唯一可行的方法，因此，在水泥工业中应用广泛。（5）熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异382.配料

（1）熟料组成的选择及影响因素

熟料组成的选择，一般应该根据水泥品种、原料、燃料的品质、生料制备、生料的易烧性与熟料煅烧工艺等进行综合考虑，以达到保证水泥质量、提高产量、降低消耗和设备长期安全运转的目的。

水泥品种

原料品质

燃料品质

生料细度和均匀性

窑型与规格

水泥生料的易烧性2.配料（1）熟料组成的选择及影响因素39

硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料，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Ⅰ型硅酸盐水泥（P.Ⅰ）（混合材料掺量﹤5％）（不掺加混合材料）Ⅱ型硅酸盐水泥（P.

Ⅱ）硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料，石灰石或粒化高炉矿渣硅40硅酸盐水泥强度等级普通型：42.552.562.5早强型：42.5R52.5R62.5R

注：“R”表示早强型P·Ⅰ、P·Ⅱ28天强度硅酸盐水泥强度等级普通型：42.552.541

原料品质

硅酸盐水泥生产所采用的原料是：石灰石、粘土以及校正原料。而原料的化学成分与工艺性能，往往对熟料组成的选择有很大影响。在一般情况下，为了简化工艺流程，便于生产控制，即使熟料组成略为偏离理想要求，也仍然应采用两种或三种原料的配料方案，除非这种配料不能保证正常生产时，才考虑更换某种原料或掺加另一种校正原料。为此，必须进行全面的技术经济分析。原料品质硅酸盐水泥生产所采用的原料是：石42

燃料品质

用煤作燃料时，煤的灰分将大部分或全部掺入熟料中。据统计，由于煤灰的掺入，将使熟料饱和系数降低0.04~0.16；硅率降低0.05~0.20；铝率提高0.05~0.30。

水泥回转窑

在配料计算中把煤灰作为一个原料组分考虑。

其他燃料?燃料品质用煤作燃料时，煤的灰分将大部分或43

生料细度和均匀性

生料均匀性好，KH可高些;

若生料成分波动大：

对回转窑而言，其熟料KH应适当降低；

对立窑而言，由于低KH易引起立窑结大块，

为了保证立窑正常燃烧，宜采用高KH低SM方案。

若生料粒度粗，由于化学反应难以进行完全，KH

也应适当降低。生料细度和均匀性生料均匀性好，KH可高些;44

窑型与规格

阿联酋UCC10000t/d水泥生产线窑型与规格阿联酋UCC10000t/d水泥生产线45易烧性和反应活性可基本反映固、液、气相环境下，在规定的温度范围内，通过复杂的物理化学变化，形成熟料的难易程度。水泥生料的易烧性可用如下两种表达方式：

第一种方式：在某一已知温度下测量经规定时间后的f-CaO，

f-CaO的降低数值与易烧性的改善相对应；

测量规定温度下达到f-CaO≤2.0％的时间（t），t的减少数值与易烧性的改善相对应。

所谓“实用易烧性”即是在1350℃恒温下，在回转窑内燃烧生料达到CaO＜2％所需的时间。易烧性和反应活性可基本反映固、液、气相环境下，在规定的水泥46用各种易烧性指数或易烧性值来表示：第二种方式：

BI1=C3S/（C4AF+C3A）

BI2=C3S/（C4AF+C3A+M+K+Na）

BF1=LSF+10SM-3（M+K+Na）

BF2=LSF+6（SM-2）-（M+K+Na）

Bth=55.5+11.9R+90μm+1.58(LSF-90)2-0.43LC2式中：C3S、C4AF、C3A分别代表计算生料的潜在矿物组成；

R+90μm为生料在90μm筛的筛余量；

LC为在1350℃时的液相量（按L·A·Dabl计算）。用各种易烧性指数或易烧性值来表示：第二种方式：47

生料易烧性愈好，生料煅烧的温度愈低；易烧性愈差，

煅烧温度愈高。

通常生料的煅烧温度为1420~1480℃。

生料的最高煅烧温度与生料成分也就是熟料潜在矿物组成的关系，如下列回归方程式所示：T（℃）=1300+4.15C3S-3.74C3A-12.64C4AF生料易烧性愈好，生料煅烧的温度愈低；易烧性愈48影响生料易烧性的主要因素：

生料的潜在矿物组成

KH、SM高，生料难烧；反之易烧，易结圈；SM、IM高难烧，烧成温度高。

原料的性质和颗粒组成

石英和方解石含量多、结晶质粗粒多难烧，易烧性差。

生料中的次要氧化物和微量元素

次要氧化物MgO、Na2O、K2O等有利于熟料形成，但量过多，不利于熟料煅烧并影响质量。影响生料易烧性的主要因素：生料的潜在矿物组成KH、SM高49

生料的均匀性和细度生料的均匀性好、细度细，易烧性好。

矿化剂

掺加各种矿化剂，均可改善生料的易烧性。

生料的热处理生料易烧性差，烧成温度就高，煅烧时间越长。生料煅烧过程中升温速度快，有利于提高新生态物质的活性。生料的均匀性和细度50

液相

液相出现温度低，数量多，液相粘度小，表面张力小，离子迁移速度大，易烧性好，有利于熟料的烧成。

燃煤的性质燃煤热值高、煤灰分少、细度细，燃烧速度快，燃烧温度高，有利于熟料的烧成。

窑内气氛窑内氧化气氛煅烧，有利于熟料的形成。液相51目的：求出符合要求熟料组成的原料配合比。Ⅰ.配料：根据水泥熟料成分的要求，将各种原料按比例配合，以制得符合熟料要求的生料Ⅱ.配料计算：根据设计熟料成分以及所用原料的化学组成，进行每一种原料用量的计算，（求出符合要求的熟料组成的原料配合比）(2)配料计算

目的：求出符合要求熟料组成的原料配合比。Ⅰ.配料：根据水泥熟52Ⅲ.配料计算的依据

——物料平衡(2)配料计算

反应物的量等于生成物的量Ⅲ.配料计算的依据(2)配料计算反应物的量等于生成物的量53物料随温度升高的一些变化：物理水：H2O（液）——H2O（气）粘土中结晶水：高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）有机物：CO2碳酸盐：CaCO3——CaO+CO2物料处于不同状态(2)配料计算

Ⅳ.配料计算基准:基准？过程中有水分、CO2等逸出物料随温度升高的一些变化：物料处于不同状态(2)配料计算Ⅳ54干燥基：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。干燥基应用：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，则干石灰石

十

干粘土

十

干铁粉

＝

干生料(2)配料计算

干燥基：蒸发物理水以后，生料处于干燥状态。以干燥干燥基应用55灼烧基：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。灼烧基应用：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，无灰分掺入时：灼烧石灰石

十

灼烧粘土

十

灼烧铁粉

＝

灼烧生料

＝

熟料如果不考虑生产损失，有灰分掺入的燃煤时：灼烧生料

十

煤灰(掺入熟料的)＝

熟料回转窑配料计算时必须统一基准灼烧基：去掉烧失量(结晶水、二氧化碳与挥发物质等)以后，56熟料中的煤灰掺入量式中

GA——熟料中煤灰掺入量，％

q——单位熟料热耗，kJ／kg熟料

QY——煤的应用基低热值，kJ／kg煤

AY

——煤的应用基灰分含量，％

S——煤灰沉落率，％

（煤灰沉落率因窑型而异）

P——煤耗，kg／kg熟料熟料中的煤灰掺入量式中GA——熟料中煤灰掺入量，％57Ⅴ.配料计算的方法与步骤（1）方法：代数法、图解法、尝试误差法、矿物组成法、最小二乘法

人工计算比较繁琐，且不够精确，尤其是当所用原料的各类较多时

随着计算机及各种应用软件的普及，用计算机进行配料已解决了繁琐的人工计算问题Ⅴ.配料计算的方法与步骤（1）方法：代数法、图解法、尝试误差58

生料配料计算方法繁多，现主要介绍累加试凑法。

原理：根据熟料化学成分要求，依次加入各种原料，同时计算所加入原料的化学成分。然后进行熟料成分累计验算，如发现成分不符要求，再进行试凑，直至符合要求为止。例：已知原、燃料的有关数据如下表所示，假设用预分解窑

以三种原料配料进行生产，要求熟料的三个率值为：KH=0.89，SM=2.1，IM=1.3；单位熟料热耗为3350kJ/kg熟料，计算其配合比。生料配料计算方法繁多，现主要介绍累加试凑59

原料与煤灰的化学成分

名称烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO其他合计石灰石42.662.420.310.1953.130.570.72100.00

粘土5.2770.2514.725.481.410.921.95100.00铁粉0.0034.4211.5348.273.530.092.16100.00煤灰0.0053.5235.344.464.791.190.70100.00

煤的工业分析WY(%)VY(%)AY(%)CY(%)QY(kJ/kg)0.6022.4228.5649.0220930原60解：1）确定熟料组成

据题已知熟料率值为：KH=0.89±0.02

，SM=2.1±

0.1，IM=1.3±0.1

。

2）计算煤灰沉落率

GA=QAYS/100QY=PAYS/100=4.57（%）

3）计算要求熟料的化学成分设：∑

=97.5%Fe2O3=4.51%Al2O3=IM·Fe2O3=5.86%SiO2=SM(Al2O3+Fe2O3)=21.78%CaO=∑-(SiO2+Al2O3+Fe2O3)=65.35%Fe2O3=∑/[(2.8KH+1)(IM+1)SM+2.65IM+1.35)]

解：1）确定熟料组成据题已知熟料率值61

计算步骤

SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO其他

合计要求熟料成分

21.785.864.5165.3597.50煤灰（+4.57）

2.4461.6150.2040.2190.0540.032

差

19.3344.2454.30665.131－0.054－0.032石灰石(+122)2.9520.3780.23264.8190.6950.878

差

16.3823.8674.0740.312－0.749－0.91粘土（+23）

16.1583.3861.2600.3240.2120.449

差

0.2240.4812.814－0.012－0.961－1.359铁粉（+5.8）

1.9960.6692.8000.2050.0050.125

差

－1.772－0.1880.014－0.217－0.966－1.484粘土（-2.6）

1.8270.3830.1430.0370.0240.051

差

0.0550.1950.157－0.18－0.942－1.433铁粉（+0.3）

0.1030.0350.1450.0110.0000.006

差

－0.0480.160.012－0.191－0.942－1.427累计熟料成分

21.8285.7004.49865.5410.9421.42799.94

65.131/0.5313=122.6≈12216.158/0.7025=232.814/0.4827=5.829≈5.81.772/0.7025=2.522≈2.60.157/0.4827=0.325≈0.3计算步骤SiO2625）计算干原料料耗（熟料料耗）由表可知，配制100kg熟料所需的干原料如下：石灰石=122/99.94×100=122.06kg

粘土=（23-2.6）/99.94×100=20.41kg

铁粉=（5.8+0.3）/99.94×100=6.10kg6）计算生料的干原料配合比石灰石=122.06/（122.06+20.41+6.10）×100%=82.16%

粘土=20.41/（122.06+20.41+6.10）×100%=13.74%

铁粉=6.10/（122.06+20.41+6.10）×100%=4.10%5）计算干原料料耗（熟料料耗）63作业：已知原、燃料的有关数据如下表所示，假设用预分解窑以三种原料配料进行生产，要求熟料的三个率值为：KH=0.90，SM=2.2，IM=1.3；单位熟料热耗为3350kJ/kg熟料，计算其配合比。作业：64

原料与煤灰的化学成分

名称烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO其他合计石灰石41.480.670.440.2455.270.391.51100.00

粘土5.2271.2614.595.271.770.371.52100.00铁粉2.6128.1211.2050.463.872.061.68100.00煤灰0.0060.3832.803.232.610.510.47100.00

煤的工业分析WY(%)VY(%)AY(%)CY(%)QY(kJ/kg)0.3110.3633.2256.4222417原65硅酸盐水泥的组成及配料计算课件66硅酸盐水泥的组成及配料计算课件67硅酸盐水泥的组成及配料计算课件68

硅酸三钙C3S

硅酸二钙C2S

铝酸三钙C3A

铝酸一钙CA

二铝酸一钙CA2

七铝酸十二钙

C12A7

钙铝黄长石C2AS

六铝酸一钙CA6

一、CaO—SiO2—Al2O3系统硅酸三钙C3S一、CaO—SiO2—Al2O3系统69

硅酸三钙C3S

纯C3S只在2065~1250℃温度范围内稳定。

随着温度的降低，C3S在不同温度下存在多晶转变。

硅酸三钙可以固溶少量的其它氧化物，将影响它的反应能力

和晶型。

硅酸三钙加水调和后，初凝≥45min，终凝≤12h。

水化较快。

硅酸三钙可产生较高的强度，且强度发展比较快，早期强度

较高，且强度增进率较大，28d强度可以达到一年强度的70~80%。

硅酸三钙水化热较高，抗水性较差。

硅酸三钙固溶体晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力。硅酸三钙C3S纯C3S只在2065~1250℃温度范70硅酸三钙的合成：在CaO—SiO2二元系统中：1800℃，几分钟；

1650℃，1h，C3S基本形成，游离CaO1％左右；

1450℃，1h，只有少量C3S生成。

硅酸三钙单矿物在1450℃合成时，需要多次重复粉磨再燃烧。如有足够的熔剂(液相)存在，就可使C2S在液相中吸收CaO，比较迅速地形成硅酸三钙。硅酸三钙的合成：在CaO—SiO2二元系统中：1800℃，71

硅酸二钙C2S

纯C2S在1450℃下，进行下列多晶转变：C2S由β型转变为γ型，体积膨胀10%而导致物料粉化。γ型C2S无水硬性硅酸二钙C2S纯C2S在1450℃下，进行下列多晶转变72

硅酸二钙可固溶其它少量氧化物。固溶的氧化物不同，同一晶型的硅酸二钙与水反应后所得的强度不同。

纯硅酸二钙色洁白当有氧化铁时呈棕黄色。

硅酸二钙固溶体与水反应速度较慢，28天仅有20%左右反应。

凝结硬化较慢，早期强度低，但后期强度增进率较高，一年后可赶上或超过硅酸三钙固溶体。

硅酸二钙固溶体的水化热较小，耐水性好。硅酸二钙可固溶其它少量氧化物。固溶的氧化物不同，73

等轴晶系，可固溶部分其他氧化物，呈多晶形态。

在偏光镜下，无色透明。

在反光镜下，快冷呈点滴状，慢冷呈矩形或柱状。

反光能力弱，呈暗灰色。

水化迅速，放热多，凝结很快，如不加缓凝剂，就会急凝。

硬化很快，它的强度3天内就大部分发挥出来，故早期强度

较高，但绝对值不高，以后几乎不再增长，甚至倒缩。

干缩变形大，抗硫酸盐性能差。

铝酸三钙C3A

等轴晶系，可固溶部分其他氧化物，呈多晶形态。铝酸三钙C374铝酸一钙CA二铝酸一钙CA2七铝酸十二钙C12A7钙铝黄长石C2AS六铝酸一钙CA6Fe2O3？铝酸一钙CAFe2O3？75铁铝酸四钙C4AF

斜方晶系，常呈棱柱状和圆粒状晶体。

密度为3770Kg／m3。

在偏光镜下，具有从浅褐到深褐的多色性，二轴晶，

负光性，光轴角中等。在反光镜下，由于反射能力强，

呈亮白色，故在硅酸盐水泥熟料中又称白色中间相。

铁铝酸四钙的水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙

之间，但随后的发展不如硅酸三钙。

早期强度类似于铝酸三钙，而后期还能不断增长，类似

于硅酸二钙。

铁铝酸四钙的抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，水化热

较铝酸三钙低。铁铝酸四钙C4AF斜方晶系，常呈棱柱状和圆粒状晶体。76

四种矿物性能比较

28d内绝对强度：C3S＞C4AF＞C3A＞C2S水化速度：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S水化热：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

四种矿物性能比较28d内绝对强度：C3S＞C4AF＞C377硅酸盐水泥的组成设计及配料计算

一、硅酸盐水泥的组成设计

1.

硅酸盐水泥对矿物组成的要求

硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料，因此水泥熟料矿物必须具备：

良好的与水反应的能力

相当的强度与良好的耐久性

反应速度可以满足生产的要求硅酸盐水泥的组成设计及配料计算一、硅酸盐水泥的组成设计178

对硅酸盐水泥而言，最符合硅酸盐水泥性质要求的矿物组成是硅酸三钙和硅酸二钙。3C2SykC2SC3SC3AC3SC3A2.硅酸盐水泥组成矿物的选择对硅酸盐水泥而言，最符合硅酸盐水泥性质要求的79硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成。均以固溶体的形式存在。A矿——在硅酸盐水泥熟料中固溶了其它少量氧化物的C3S

称为阿利特（Alite），又称为A矿；在反光显微镜下为黑色多角形颗粒硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成80B矿——C2S固溶体称为贝利特（Belite），又称为B矿；

在反光显微镜下呈圆粒状，快冷常具有黑白交叉双晶条纹；慢冷常具有黑白平行双晶条纹。B矿——C2S固溶体称为贝利特（Belite），又称为B矿；81C矿——固溶了其它少量氧化物的C4AF称为才利特

（Celite），又称为C矿；

在偏光显微镜下反光能力强，

一般称为白

色中间相。黑色中间相——C3A固溶体。

在偏光显微镜下反光能力弱，

一般称为黑

色中间相。

C矿——固溶了其它少量氧化物的C4AF称为才利特

82

C3A和C4AF在煅烧中的作用

铁铝酸四钙和铝酸三钙在煅烧过程中熔融成液相，又称熔剂矿物，可以促进硅酸三钙的顺利形成。

如果物料中熔剂矿物过少，易生烧，氧化钙不易被吸收完全，导致熟料中游离氧化钙增加，影响熟料质量，降低窑的产量，增加燃料消耗。如果熔剂矿物过多，在立窑内易结大块，结炉瘤；在回转窑内易结大块，甚至结圈等。

液相的粘度，随C3A／C4AF比而增减。

粘度的影响？C3A和C4AF在煅烧中的作用铁铝酸四钙833.硅酸盐水泥的组成设计

硅酸盐水泥中含有C3S、C2S、C3A、C4AF四种矿物，相应的组成氧化物为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。因为Fe2O3含量较低，可以合并入Al2O3一并考虑，C4AF则相应计入C3A，这样可以用CaO-Al2O3-SiO2三元系统来表示硅酸盐水泥的配料组成。

CaO62%~67%SiO220%~24%Al2O3+Fe2O36.5%~13%C3S50%~60%C2S20%C3A+C4AF22%3.硅酸盐水泥的组成设计硅酸盐水泥中含有844.熟料中其他物质及其作用

玻璃体

工厂中，通常熟料冷却较快，有部分液相来不及结晶就成为玻璃体。玻璃体的主要成分为Fe2O3、

Al2O3、CaO，也有少量的MgO和碱(K2O和Na2O)等。冷却方式？4.熟料中其他物质及其作用玻璃体工厂85

游离氧化钙

性质：

水化很慢；

水化生成氢氧化钙时，体积膨胀97.9％，在硬

化水泥石内部造成局部膨胀应力。作用：

游离氧化钙含量增加：

强度降低，甚至倒缩；

严重时甚至引起安定性不良，使水泥制品变形或

开裂，导致水泥浆体的破坏。

应严格控制游离氧化钙的含量。游离氧化钙性质：水化很慢；作用：游离氧化钙含量增86种类产生原因特点对水泥安定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1100~1200℃低温下形成结构疏松多孔、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，水化较慢较大游离氧化钙（f-CaO)种类产生原因特点对水泥安定性的影响欠烧游离87

方镁石

方镁石——系游离状态的氧化镁晶体。

氧化镁的作用：熟料含有少量氧化镁时，能降低熟料液相

生成温度，增加液相数量，降低液相粘，有利于熟

料形成，还能改善熟料色泽。

方镁石性质：方镁石的水化比游离氧化钙更为缓慢；

水化生成氢氧化镁时，体积膨胀148％，也会

导致安定性不良。水化时会导致安定性不良。

方镁石膨胀的严重程度与其含量、晶体尺寸等都有关系。方镁石方镁石——系游离状态的氧化镁晶体。方镁石88二、配料计算

1.熟料的率值

水泥熟料是一种多矿物集合体，而这些矿物又是由四种主要氧化物化合而成。因此，在生产控制中，不仅要控制熟料中各氧化物的含量，还应控制各氧化物之间的比例，即率值。这样，可以比较方便地表示化学成分和矿物组成之间的关系，明确地表示对水泥熟料的性能和煅烧的影响。因此，在生产中，用率值作为生产控制的一种指标。

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。二、配料计算1.熟料的率值水泥熟料是一89

石灰饱和系数（KH）

当A2O3/Fe2O3≥0.64时，熟料CaO与另外三种酸性氧化物化合形成C3S、C2S、C3A、C4AF四个主要熟料矿物。CaO存在一个极限石灰含量。

古特曼与杰耳：石灰理论极限含量的观点。

将C4AF看作为“C3A”和“CF”，并把“C3A”与C3A视为同一相。

理论上在熟料四个主要氧化物中，酸性氧化物应形成碱性最高的熟料矿物——C3S、C3A、C4AF。石灰饱和系数（KH）当A2O3/Fe2O90每1％酸性氧化物所需石灰含量分别为：1％Al2O3形成C3A所需CaO=3CaO分子量

/Al2O3

分子量

=1.65

1％Fe2O3形成

CF所需CaO=CaO分子量/Fe2O3

分子量

=0.35

1％SiO2形成C3S所需CaO=3CaO分子量/SiO2分子量

=2.8

1％酸性氧化物所需石灰量，既石灰理论极限含量计算公式：

CaO

＝

2.8SiO2

十

1.65

Al2O3

+

0.35

Fe2O3每1％酸性氧化物所需石灰含量分别为：1％Al2O3形成C391

金德和容克——Al2O3和Fe2O3始终为CaO所饱和，唯有SiO2可能不完全被饱和和CaO生成C3S，而存在一部分C2S。否则，熟料就会出现游离氧化钙。因此应在公式中的SiO2之前加一系数——石灰饱和系数KH。CaO＝

KH×2.8SiO2

十

1.65Al2O3

十

0.35Fe2O3

KH=（CaO－

1.65Al2O3－

0.35Fe2O3

）/2.8SiO2

石灰饱和系数KH是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙(C3S十C2S)所需的氧化钙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。即KH表熟料中二氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。金德和容克——Al2O3和Fe2O3始终为C92考虑到熟料中有游离CaO、游离SiO2和石膏，

KH式可写为:

KH=[（CaO-f-CaO）-（1.65Al2O3十0.35Fe2O3+0.7SO3)]/2.8(SiO2-f-SiO2)石灰饱和系数KH与熟料矿物组成的关系式：KH=(C3S+0.8838C2S)/(C3S+1.3256C2S)

当C3S=0时，KH=0.667，即此时的熟料矿物只

有C2S、C3A、C4AF而无C3S；

当C2S=0时，KH=1，即此时的熟料矿物只有

C3S、C3A、C4AF而无C2S。因此，在正常硅酸盐水泥熟料中，石灰饱和系数KH应控制在0.667~1.0之间。为了使水泥具有较好的力学性能，应适当提高C3S在熟料中的含量，KH一般控制在0.88~0.94。考虑到熟料中有游离CaO、游离SiO2和石膏，KH式可写为93

硅率SM硅率又称为硅酸率，其数学表达式是：ＳＭ＝

SiO2/(Al2O3+Fe2O3)

式中：SiO2、Al2O3、Fe2O3分别代表熟料中各该氧化