胶凝材料学-水泥2.ppt

1、胶凝材料学,主讲：李子成,内容回顾,作业1：在维修古建筑时，工作人员发现古建筑中石灰砂浆坚硬，强度较高。有人认为是古代生产的石灰质量优于现代石灰。此观点是否正确，为什么？ 作业2：同样是含有粘土杂质，为什么在建筑石膏和建筑石灰中体现的水硬性效果不同？ 作业3：建筑石膏制备过程中的陈化和石灰消化过程中的陈伏有何不同？,窑外分解工艺是水泥 工业的一次技术突破,重点内容,第四章 硅酸盐水泥 第一节 硅酸盐水泥的生产过程与方法 第二节 硅酸盐水泥熟料矿物形成的物理化学过程 第三节 硅酸盐水泥熟料矿物的组成、结构及其与胶 凝性能的关系 第四节 硅酸盐水泥的水化反应及机理 第五节 水泥浆结构的形成过程与特

2、性 第六节 水泥石的结构 第七节 水泥的工程性质,第四章 硅酸盐水泥 第一节 硅酸盐水泥的生产过程与方法 第二节 硅酸盐水泥熟料矿物形成的物理化学过程 第三节 硅酸盐水泥熟料矿物的组成、结构及其与胶 凝性能的关系 第四节 硅酸盐水泥的水化反应及机理 第五节 水泥浆结构的形成过程与特性 第六节 水泥石的结构 第七节 水泥的工程性质,第二节 硅酸盐水泥熟料矿物形成的物理化学过程,【重点】 生料的干燥与脱水; 碳酸钙分解; 固相反应; 液相的形成与熟料的烧结; 熟料的冷却,石灰质原料、 粘土质原料 铁质原料 校正原料,按一定要求的 比例配合,生料,经均化、 粉磨、调 配而成。,1450,熟料,水泥熟

3、料生产的工艺流程,发生了什么变化？,生料在煅烧中过程形成水泥熟料的物理化学过程是十分复杂的，按温度的升高大体上可以分为下述几个阶段:,生料的干燥与脱水; 碳酸钙分解; 固相反应; 液相的形成与熟料的烧结; 熟料的冷却,一、生料的干燥与脱水,干燥 生料中自由水的蒸发，称为干燥。 脱水 生料中粘土矿物的分解并放出其化合水，称为脱水。,化合水,结晶水,层间水,以OH-离子形态存在于晶体结构的格子中,以H2O分子形态存在于粘土矿物的层状结构间,一、生料的干燥与脱水,高岭石 Al2O32SiO22H2O 是一种有代表性的粘土矿物，具有“单网层”结构，即由一层水铝石和一层硅氧层结合而成。图4-5所示。 其

4、结构中的(OH)处于两种不同的环境中： 3/4的(OH)位于两个单网层之间，称之为外层的(OH)； 1/4的(OH)位于单网层之中，故称之为内层的(OH)。 高岭石受热时，外层(OH)易于脱出，而内层的(OH)则较困难，其脱水反应可用下式表示： Al2O32SiO22H2O 470-540 Al2O32SiO21/2H2O+3/2H2O Al2O32SiO21/2H2O 540 Al2O32SiO2+1/2H2O,干燥过程由于煅烧方式的不同而有所差异： 干法窑生料含水量一般不超过1.0； 立波尔窑和立窑为便于生料成球，通常含水1214%， 湿法为保证料浆的可泵性则通常为30-40%。 含水量的

5、差异也是造成窑型能耗多少的主要因素之一。,二、碳酸钙分解,分解条件 CaCO3 CaO+CO2-1645J/g (890oC时) MgCO3 MgO+CO2-(10471214)J/g (590oC时) 为了使分解能顺利进行，必须保持较高的反应温度和较低的CO2分压。 分解过程 1. 热气流传向颗粒表面； 2. 热量由表面向分解面传递； 3. 分解处的碳酸钙在一定温度下进行分解并放出CO2; 4. CO2气体穿过CaO层向表面扩散; 5. 表面的CO2向周围介质扩散。,传热传质物理过程,化学反应过程,特点：缩核型强吸热气固反应； 烧失量大；,CO2,热量,影响碳酸钙分解速度的因素 温度 CO2

6、分压 原料粒度 在窑内的运行状态：悬浮状态分解快 石灰石的种类和物理性质：致密程度、料块形状、杂质等,二、碳酸钙分解,碳酸钙在水泥生料中所占比率在 80左右，其分解过程需要吸收大量的热，是熟料煅烧过程中消耗热量最多的一个过程，是水泥熟料煅烧过程中的重要环节。分解所需总热量约占湿法生产总热耗的1/3，约占新型干法窑的1/2。,1. 温度 碳酸盐分解是吸热反应，是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程。温度升高使分解速度加快。但应注意，温度过高，将增加废气温度和热耗，预热器和分解炉结皮、堵塞的可能性亦大。 2. CO2的分压 碳酸盐分解是可逆反应，受系统温度和周围介质中CO2的分压影响较大。为了

7、使分解反应顺利进行，必须保持较高的反应温度和良好的通风，降低周围介质中CO2的分压。,3.生料细度和颗粒级配 生料颗粒粒径越小，比表面积越大，传热面积增大，分解速度加快；生料颗粒均匀，粗颗粒少，也可加速碳酸盐的分解。,4.生料悬浮分散程度 悬浮态： 悬浮预热器内生料处于悬浮态，比表面积可达200400m2/kg，生料粉中CaCO3分解受化学反应速率控制。 堆积态： 回转窑内生料处于堆积态，CaCO3分解受传热、传质过程控制。,5.石灰石的种类和物理性质 石灰石中伴生其他矿物和杂质具有降低分解温度的作用；方解石晶体越小、缺陷越多，分解越快。 如果黏土质原料的主导矿物是高岭土，由于其活性大，在80

8、0 下能与氧化钙或直接与碳酸钙进行固相反应，生成低钙矿物，则可以促进碳酸钙的分解过程；反之，如果黏土的主导矿物是活性差的蒙脱石和伊利石，则CaCO3的分解速度慢。,定义 在生料煅烧过程中，碳酸盐分解的组分与粘土分解的组分通过质点的相互扩散而进行的反应称为固相反应。 在不同的固相反应温度下其反应产物如下： 800oC：CaOAl2O3(CA)、CaOFe2O3(CF)与2CaOSiO2 (C2S)开始形成。 800900oC：开始形成了12CaO7Al2O3(C12A7)。 9001100oC：2CaOAl2O3SiO2 (C2AS)形成之后又分解。开始形成3CaOAl2O3(C3A)和4CaO

9、Al2O3Fe2O3 (C4AF)。所有碳酸钙均分解，游离氧化钙达最高值。 l1001200oC：大量形成C3A和C4AF，C2S含量也达到最大值。,三、固相反应,固相反应特点： 放热反应，可使物料温度快速升高300以上，物料活性高、预烧性好。,问题： 固相反应与液相反应差异？ 固相反应与烧结差异？,影响固相反应的因素 固相反应的温度（质点键力与质点迁移） 粒子的细度和均匀性（比表面积） 相互进行固相反应的物质状态（活性体） 矿化剂（形成固溶体、低共熔物或中间体）,三、固相反应,在温度为8001200oC之间，通过固相反应可以形成若干水泥熟料矿物如：C3A、C4AF以及C2S。但是，若仅通过固

10、相反应形成C3S时，则其温度需高达1600oC。为了降低C3S的形成温度，必须使熟料中出现液相，烧至部分熔融，这时，物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑，结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。与此同时，C2S与游离CaO逐渐溶解于液相中，相互反应形成硅酸盐水泥熟料的主要矿物硅酸三钙。,四、液相的形成与熟料的烧结,四、液相的形成与熟料的烧结,熟料烧结阶段 铁相，铝相及部分C2S相的熔融 烧结（球化） f-CaO与未反应的SiO2及C2S生成C3S相 C2S多晶转变为- C2S C2S和C2S相的晶体长大与再结晶 挥发物的蒸发,四、液相的形成与熟料的烧结,熟料烧结和C3S形成的关键因素 液相的形成温度 液

11、相量 液相的性质 CaO与C2S在液相中的溶解速率,四、液相的形成与熟料的烧结,液相的形成温度 液相量,问题： 为何组成不同，最低共熔温度差异很大？,四、液相的形成与熟料的烧结,液相的性质：粘度越小越有利于C3S的形成，粘度主要取决于温度及铝率（铝率越小粘度越低，但是液相量少）。 CaO与C2S在液相中的溶解速率：主要决定于CaO和C2S的粒子尺寸及晶体缺陷，尺寸越小，溶解速率越大；缺陷多，无序度大的新生态，活性大，易溶于液相中，利于C3S的形成。,五、熟料的冷却,快速冷却 快速冷却可使高温下形成的液相来不及结晶而成玻璃相，同时也使C3S等矿物晶体的尺寸因来不及长大而保持其细小均匀分布的状态，并且由于急冷在熟料粒子内部产生较大的结晶应力，使其形成较多的微细裂纹。 工艺装备允许的条件下尽可能采用快速冷却，这不仅能使水泥熟料的使用性质(如水泥的活性)，以及抗硫酸盐性能等变好，而且也能改善熟料的工艺性质，特别是使其易磨性变好。,熟料快速冷却的