無機(jī)非金屬材料工學(xué)(水泥)

1、主講主講 張培萍張培萍 教授教授 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)系電話：聯(lián)系電話-mail: l一、課程名稱及課時一、課程名稱及課時l l 無機(jī)非金屬材料工學(xué)；56學(xué)時教材：普通硅酸鹽工藝學(xué) 武漢理工大學(xué)，曹文聰?shù)?。說明：由于本教材系為建材專業(yè)學(xué)生用書，我們作為無機(jī)非金屬材料專業(yè)，選用該教材自然有不足之處。因此，我們將在材料內(nèi)容的基礎(chǔ)上補(bǔ)入耐火材料工藝學(xué)部分。另外就水泥、玻璃、陶瓷而言，我們也將在不同章節(jié)中，根據(jù)需要加入其它內(nèi)容。 l1、材料研究l2、材料制備（合成） l結(jié)晶學(xué)及材料礦物 l材料工程基礎(chǔ)l材料物理化學(xué)l材料物性性能 l材料測試方法l1、水泥工藝

2、學(xué)l2、玻璃工藝學(xué)l3、陶瓷工藝學(xué)l4、耐火材料工藝學(xué) l1. “材料”相關(guān)的定義：l材料學(xué)(研究材料的科學(xué))；l材料工學(xué)(研究材料工藝的科學(xué))；l材料科學(xué)與工程(材料的成分、結(jié)構(gòu)、工藝、性能、用途的科學(xué)）；l無機(jī)非金屬材料（根據(jù)成分劃分，由硅酸鹽材料演變而來）；l結(jié)構(gòu)材料、功能材料、建筑材料、環(huán)境材料、生態(tài)材料 。l2、材料分類（根據(jù)組成和結(jié)構(gòu)）：l (1) 金屬材料； (2) 無機(jī)非金屬材料： 礦物巖石材料 ； 水泥、玻璃; 陶瓷、耐火材料； l (3) 高分子材料； l (4) 復(fù)合材料；l3、材料工藝l l 定義：我們將任何一種材料從原料成品的整個過程稱為材料工藝過程。l 它包括原料制

3、備工藝、成型工藝、溶制（窯爐工藝），制品工藝等。 l4、無機(jī)非金屬材料工藝： 將原料選擇粉碎配方設(shè)計(jì)混合高溫（成型）制品后期處理的整個過程稱為工藝過程，研究工藝過程中的各種物理化學(xué)變化、機(jī)械加工方法、生產(chǎn)各種的控制等以確保產(chǎn)品質(zhì)量的過程稱為工藝學(xué)。l 不同無機(jī)非金屬材料其各自的工藝過程不盡相同，但有著許多的共性和相似性，下面就硅酸鹽水泥、平板玻璃、普通陶瓷、常用耐火材料的制備工藝過程分別加以闡述。l1、定義：l 在物理化學(xué)的作用下，能從漿體變成堅(jiān)硬的石狀體，并能膠結(jié)其它物料而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料。l2、分類： l 根據(jù)成分：l a. 有機(jī)（瀝青、樹脂等）l b. 無機(jī)非（水泥

4、、石膏等）；l 根據(jù)性能：l a. 水硬性(拌水后在空氣中或水中硬化。如：各種水泥、化學(xué)溶膠凝膠)；l b. 非水硬性(又稱氣硬性，只在空氣中硬化，不在水中硬化。如：石灰、石膏、水溶性有機(jī)膠等)。l 公元前20003000年如中國（長城石灰）、埃及（金子塔煅燒石膏）、羅馬（龐貝圣廟石灰）使用石膏膠凝材料，十八世紀(jì)后期發(fā)展水硬性石灰，十九世紀(jì)初(18101825)，Portland 水泥即硅膠鹽水泥制成。英國（ J. Aspdin）1824年首獲Portland cement 專利。19071909，制成快硬性高鋁水泥，近年又發(fā)展了硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等。l1、定義：l 加入水后成塑性漿體

5、，能在空氣和水中硬化，并能膠結(jié)砂、石等材料的細(xì)粉狀水硬性膠凝材料稱為水泥。l2、分類：l 通用水泥：Portland等各種硅酸鹽水泥；l 專用水泥：油井、砌筑水泥、大壩水泥等；l 特性水泥：快硬、抗硫酸、膨脹、自應(yīng)力水泥等。l 目前，水泥種類已達(dá)200多種。l 水泥是建筑工業(yè)三大基本材料之一，可廣泛用于民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、交通和軍事等工程。雖然制造水泥能耗較多，但它與砂、石等集料制成的混凝土卻是一種低能耗的建筑材料。因此，水泥工業(yè)具有極其廣闊的前景。l l 1、規(guī)模擴(kuò)大； l 2、窯爐改變；l 3、粉末工藝改進(jìn)；l 4、能源、資源、環(huán)境l一、定義：是以硅酸鈣為主要成分的熟料所制得的水泥統(tǒng)稱

6、為硅酸鹽水泥。l二、分類：l 1. 硅酸鹽水泥：熟料（0-5%）石灰石或爐渣石膏，即波特蘭水泥：P為不摻混合料 （型）； P為摻混合料5% （型）l 2. 普通硅酸鹽水泥：熟料（6%-15%）混合料石膏。代號PO.l 1. 熟料：以適當(dāng)成分的生料，燒至部分熔融，所制得以硅酸鈣成分為主的產(chǎn)物稱為硅酸鹽水泥熟料。l 2. 石膏：滿足GB5483，作用：緩凝。l3.活性混合料：l 符合GB1596的粉煤灰；GB2847的火山灰；lGB203的爐渣。l4、非活性混合料：l 活 性 指 標(biāo) 終 于 G B 1 5 9 6 ，GB2847，GB203，AI2O32.5%。l5、窯灰：符合ZBQ12001。

7、l 回轉(zhuǎn)窯粉塵。l6、助磨劑：1%l四、水泥標(biāo)號： 一般以28d抗壓強(qiáng)度值作為水泥的標(biāo)號。而特性水泥和專用水泥則不同。 Portland cement分為：425R，525，525R，625，625R，725R，6個標(biāo)號。l普通硅酸鹽水泥分為：325，425，425R，525，525R，625，625R，7個標(biāo)號。l R：快硬型 l五、技術(shù)指標(biāo)：l l 1. 不溶物：P. 0.75%; P. 1.5%l 2. MgO: 5.0%l 3. SO33.5%l 4.燒失量：3.0%( P.); 3.5%( P.); 普通300m2/Kg的比表面積；普通：80m方孔篩余45min, 終凝45min,

8、終凝10h。l7. 安定性：煮沸檢驗(yàn)合格；l8. 堿：Na2O0.658K2O0.60%l9. 強(qiáng)度：滿足下表。品種標(biāo)號抗壓強(qiáng)度（Mpa）抗折強(qiáng)度（Mpa）3d28d3d28d硅酸鹽水泥425R22.042.54.06.5525525R23.027.052.552.54.05.07.07.0625625R28.032.062.562.55.05.08.08.0725R37.072.56.08.5普通水泥32512.032.52.55.5425425R16.021.042.542.53.54.06.56.5525525R22.026.052.552.54.05.07.07.0625625R27.

9、031.062.562.55.05.58.08.0l六、廢品與不合格：l1. 廢品：l MgO、SO3、初凝時間、安定性之一不合格為廢品；l2. 不合格品：l 細(xì)度、終凝、不溶物、燒矢量之一不合格或摻入物超標(biāo)為不合格品。 l第二節(jié)第二節(jié) 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)硅酸鹽水泥的生產(chǎn)l一、生產(chǎn)步驟：la、生料制備：石灰粘土鐵粉+少量校正材料粉磨。lb、熟料煅燒：部分熔融硅酸鈣為主成分。l c、水泥制備：熟料石膏少量混合料粉磨。l 即：“兩磨一燒”。l二、生產(chǎn)方法：l1、干法：l “兩磨一燒” l2、濕法：l 原料加入水（磨）生料漿燒磨。目的：生料均 化。 圖圖 21 立窯生產(chǎn)工藝過程立窯生產(chǎn)工藝過程 1 破

10、碎機(jī)；2 烘干機(jī)；3 原料庫；4 原煤庫；5 生料磨； 6 生料庫； 7 成球盤； 8 立窯； 9 碎煤機(jī)； 10 熟料庫； 11烘干機(jī)；12 混合材料； 13 水泥磨； 14 水泥庫； 15 包裝機(jī)圖圖22窯外分解窯（回轉(zhuǎn)窯）工藝過程窯外分解窯（回轉(zhuǎn)窯）工藝過程 1 石灰石；2黏土； 3鐵粉； 4煤； 5石膏； 6一級破碎； 7二級破碎； 8碎石庫； 9均化庫；10破碎機(jī)； 11生料磨； 12提升泵； 13攪拌庫； 14懸浮預(yù)熱器； 15窯外分解窯； 16回轉(zhuǎn)窯； 17冷卻； 18電收塵；19加熱塔； 20煤磨； 21煤庫； 22熟料庫； 23熟料磨； 24選粉機(jī)； 25輸送泵； 26水泥庫

11、； 27包裝機(jī)； 28袋裝出廠； 29散裝出廠 l熟料主要化學(xué)組成：l硅酸鹽水泥：CaO 6267%；SiO2 2024%；Al2O3 47%；Fe2O3 2.515%.l白水泥：Fe2O30.5%,其他同硅酸鹽水泥l(xiāng)少量：MgO，SO3，K2O，Na2O，CaO，TiO2，P2O5.l一、硅酸三鈣 l二、硅酸二鈣 l三、鋁酸三鈣（中間相） l四、鐵鋁酸四鈣（中間相）l五、玻璃體（中間相）l六、游離氧化鈣和方鎂石 l一、硅酸三鈣l3 CaO SiO2 (C3S) 含量50-60%；它有三種晶系七種變形；lR三方（含雜質(zhì)）（1070）M（單斜）（1060）M（990）M（960）T三斜（純C3S

12、）（920）T（520）Tl在C3S中含有MgO，Al2O3，F(xiàn)e2O3等固溶體時稱為阿利特（Alite）或A礦（即不太純的C3S）l特點(diǎn)：水化較快，粒徑為40-50m，28d水化70%.在四種水泥礦物中強(qiáng)度最高。l2 CaO SiO2 (C2S) 含量20%左右；是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物之一，熟料中硅酸二鈣并不是以純的形式存在，而是與少量MgO，Al2O3，F(xiàn)e2O3，RaO等氧化物形成固溶體，通常稱為貝利特（Belite）或B礦。純C2S在1450以下有下列多晶轉(zhuǎn)變。 l晶型：（1425）H（1160）L（630-680）/690l 780-860 （快冷）l （單斜）（500） l型不

13、穩(wěn)定，熟料中一般不存在，型只有在高溫快冷的水泥中，T0.64時：lSM=（C3S1.325C2S）/(1.43C3A2.406C4AF)lSM過高，熟料煅燒困難（？），C3S不易形成；SM過低，則液相過多，熟料易結(jié)塊（？）。lIM= Al2O3/Fe2O3 一般：IM=0.91. 7l或IM=1.15C3A/C4AF1.64 (A/F0.64時)lIM過高液相黏度大，凝結(jié)快；IM過小則燒結(jié)范圍窄，易結(jié)塊。 lKH= （CaO-1.65 Al2O3-0.35 Fe2O3）/2.8 SiO2 當(dāng)IM0.64時l它表示熟料中SiO2被飽和成C3S的程度。在實(shí)際熟料中有的C2S形成，所以會有游離CaO

14、。lKH=（CaO-1.1 Al2O3-0.7 Fe2O3）/2.8 SiO2 當(dāng)IM0.64時l一般：KH=0.820.94l或：KH=（C3S0.8838C2S）/( C3S1.3256C2S) l一般：KH=0.6671.0lKH越大，則C3S越高，熟料質(zhì)量越好。但KH值過高，則煅燒困難。 l一般可用物相分析方法測定，但多數(shù)會利用化學(xué)組成計(jì)算。l包括：灰飽和系數(shù)法l 鮑格法（HRBogue）l l水泥熟料中主要礦物的相對分子量比為：lC2S中的2CaO/SiO2=1.87；lC3S中的3CaO/SiO2=4.07; lC4AF中的C4AF/ Fe2O3=3.04; lC3A中的C3A/

15、Al2O3=2.65;lCaSO4中的CaSO4/ SO3=1.7; IM=1.664.l設(shè)與SiO2反應(yīng)的CaO量為Cs，與CaO反應(yīng)的SiO2為Sc，則：lCs=CaO-（1.65 Al2O30.35 Fe2O30.7SO3）=2.8KHSclSc= SiO2l根據(jù)在一般情況下，CaO和SiO2反應(yīng)先生成C2S，剩余的CaO再與C2S反應(yīng)生成C3S。l而CaO和SiO2反應(yīng)先生成C2S需要CaO的量為2CaO/SiO2=1.87。 l所以，CaO的剩余量為Cs-1.87Sc,以此計(jì)算C3S的含量為：lC3S=4.07(Cs-1.87Sc)l=4.07Cs-7.6Scl=4.07(2.8KH

16、Sc)-7.6Scl=3.8(3KH-2) SiO2l因?yàn)?CsSc= C3SC2Sl故 C2S= CsSc- C3Sl= CsSc-(4.07Cs-7.6Sc)l=8.6Sc-3.07Csl=8.6Sc-3.07(2.8KHSc)l=8.6(1-KH)SclC4AF含量可由Fe2O3含量計(jì)算: C4AF=3.04 Fe2O3l將總的Al2O3含量減去C4AF所消耗的Al2O3含量,剩余的Al2O3含量用于計(jì)算C3A的含量: lC3A=2.65(Al2O3-0.64 Fe2O3)l同理,可算出IM0.64時的熟料礦物組成。 l也稱為代數(shù)法。根據(jù)四種主要礦物以及石膏的化學(xué)組成可以計(jì)算出各氧化物的

17、百分含量，見表3-1。 氧化物氧化物/%礦礦 物物C3SC2SC3AC4AFCaSO4CaO73.6965.1262.2746.1641.19SiO226.3134.88-Al2O3-37.7320.98-Fe2O3-32.86-SO3-58.81l根據(jù)上表數(shù)值可列出下列方程:lC=0.7369 C3S 0.6512 C2S0.6227 C3A0.4616 C4AF0.4119 CaSO4lS=0.231 C3S0.3488 C2SlA=0.3773 C3A0.2098 C4AFlF=0.3286 C4AFlSO3=0.5881 CaSO4l解上述聯(lián)立方程組,可得:lC3S=4.07C-7.6

18、0S-6.72A-2.86 SO3lC2S=8.60S5.07A2.15 SO3-3.07Cl =2.87S-0.75 C3SlC3A=2.65A-1.69FlC4AF=3.04FlCaSO4=1.70 SO3l1、固溶體的影響；l2、冷卻條件的影響；l3、堿和其它微組分的影響。 l根據(jù)水泥標(biāo)號的要求，選擇各個率值。KH、SM、IM要綜合考慮。l石灰石要純，黏土中的碎屑礦物要少，不滿足率值時需要摻入校正原料。l根據(jù)不同的窯型對燃料的灰份、揮發(fā)分、熱值進(jìn)行選擇。l 越細(xì)越勻，KH可稍高。l回轉(zhuǎn)窯對KH的要求可稍低，而立窯對原料的細(xì)度、均勻性都要求較高。l物料平衡。物料首先應(yīng)干燥處理，失放吸附水和

19、結(jié)晶水，得：l干石灰石干粘土干鐵粉=干生料l然后灼燒去掉CO2，得：l灼燒石灰石灼燒粘土灼燒鐵粉=灼燒生料=熟料l實(shí)際生產(chǎn)中，熟料中會殘留煤灰，其摻入量為：lGA=qAS/Q*100=PAS/100l式中：GA-熟料中煤灰摻入量，%l q-單位熟料熱耗，kJ/kg熟料l A-煤應(yīng)用基灰分含量，%l S-煤灰沉落率，%l Q-煤的應(yīng)用基低熱值，kJ/kg煤l P-煤耗，kg/kg。l1、代數(shù)法；l2、圖解法；l3、嘗試誤差法；l4、礦物組成法；l5、最小二乘法。 l應(yīng)用較廣的是嘗試誤差法（遞減試湊法），即從熟料化學(xué)成分中依次遞減，假定配合比的原料成分，試湊至符合要求為止。 l已知：1、原料、煤、

20、煤灰的化學(xué)成分，表3-2、3-3l 2、熟料率值要求：KH=0.89, SM=2.1, IM=1.3l 3、單位熟料熱耗：3350kJ/kg名名 稱稱燒失燒失量量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO總和總和石灰石灰石石42.662.420.310.1953.130.5799.28粘粘 土土5.2770.2514.725.481.410.9298.05鐵鐵 粉粉-34.4211.5348.273.530.0997.84煤 灰-53.5235.344.464.791.1999.30揮發(fā)物固定碳灰分熱值水分22.42%49.02%28.5620930kJ/kg0.6%l計(jì)算：1、煤灰摻入量:lG

21、=qAS/Q*100=335028.56100(20930100)=4.57%l 2、干燥原料配合比:l預(yù)設(shè)原料配比為: 石灰石 81%, 黏土 15%; 鐵粉 4%. 則干燥原料配合比為表3-4.名名 稱稱配合比配合比燒失量燒失量SiO2Al2O3Fe2O3CaO石灰石石灰石81.034.551.960.250.1543.03粘粘 土土15.00.7910.542.210.820.21鐵鐵 粉粉4.0-1.380.461.930.14生生 料料100.035.3413.883.922.9043.33灼燒生料灼燒生料-21.474.524.4867.09l扣除4.57%的粉煤灰,則灼燒生料的配

22、合比為95.43%, 對應(yīng)的化學(xué)組成見表3-5.名名 稱稱配合比配合比SiO2Al2O3Fe2O3CaO灼燒生料灼燒生料（%）95.4320.484.314.2864.02煤煤 灰（灰（%）4.572.451.620.200.22熟熟 料（料（%）100.0022.935.934.4864.24l由此計(jì)算各率值為: KH=0.824; SM=2.20; IM=1.32l結(jié)果顯示: 與要求比KH 過低,SM過高,IM較接近。l調(diào)整方法: 增加石灰石,降低黏土。 l一般：每增減1%的石灰石（相應(yīng)減增1%的黏土），約增減KH值為0.05。據(jù)此調(diào)整原料配比：石灰石82.20%、黏土13.7%、鐵粉4.

23、1%, 重新計(jì)算化學(xué)組成結(jié)果見表3-6。名名 稱（稱（%）配合比配合比燒失量燒失量SiO2Al2O3Fe2O3CaO石灰石（石灰石（%）82.2035.071.990.260.1643.67粘粘 土（土（%）13.700.729.622.020.750.10鐵鐵 粉（粉（%）4.10-1.410.471.980.15生生 料（料（%）100.0035.7913.022.752.8944.01灼燒生料灼燒生料（%）-20.284.284.5068.54灼燒熟料灼燒熟料（%）95.43-19.354.084.2965.41煤煤 灰（灰（%）4.57-2.451.620.200.22熟熟 料（料（%

24、）100.00-21.805.704.4965.65l根 據(jù) 表 中 數(shù) 據(jù) 重 新 計(jì) 算 率 值 為 ：KH=0.895；SM=2.14; IM=1.27.l與已知率值要求基本一致.l根據(jù)原料中水分的含量將其換算成濕原料配合比即可。 l1、化學(xué)成分必須滿足配料要求。l2、有害雜質(zhì)的含量盡量少。l 3、具有良好的工藝性能（易磨、燒、混合等）。 l（一）石灰質(zhì)原料：l（二）粘土質(zhì)原料： l（三）校正原料： l1、石灰石：CaCO3 提供 CaO 其含量應(yīng)48%。l2、白云石：CaCO3MgCO3 MgO 應(yīng)5%（熟料）；生料3%。l3、燧石： SiO2Nh2o SiO2 應(yīng)4%（原料）。l4、

25、另：各種礦渣。l5、泥灰?guī)r：相應(yīng)減少粘土含量。l層狀硅酸鹽：提供SiO2 和Al2O3。 高嶺石、蒙脫石、伊利石（長石、石英碎屑）。長石由于含堿其含量不易過高。一般4%. 石英過多不易破碎。l1、鐵校正原料：硫酸（磁鐵礦）工業(yè)礦渣，、鐵校正原料：硫酸（磁鐵礦）工業(yè)礦渣，提供提供Fe2O3l2、硅校正原料：多種砂巖。、硅校正原料：多種砂巖。l3、鋁校正原料：煤矸石、粉煤灰等、鋁校正原料：煤矸石、粉煤灰等。l l粗碎或中碎，25mm的粒徑：粉磨、烘干、輸送、儲存，分為：粗、中、細(xì)碎l壓碎、折碎、沖擊破碎、劈碎、磨碎。l破碎比：即物料破碎前后粒度比：l平均破碎比：i=Dm/dm Dm：碎前平均粒徑；

26、dm：碎后平均粒徑l公稱破碎比：i=B/b（用于破碎機(jī)） B：破碎機(jī)最大進(jìn)料口寬度（mm）；b：破碎機(jī)最大出料口寬度l1、顎式；2、錘式；3、反擊式；4、反擊錘式。l l包括：l原料、燃燒均化；l生料均化；l水泥均化。l用標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量均化效果。測定物料中某一種成分含量。l n l S=1/n-1 (xi-x)21/2l i =1 lS：標(biāo)準(zhǔn)偏差；xi ：物料中某成分的各次測量值；x：各次測量值算術(shù)平均值；n：測量次數(shù)。lS越小則均化越好。 l1、開采：垂直開采；l2、破碎：先粗碎后細(xì)碎；l3、堆放：采用單人字型，圖4-1；矩形，圖42；和圓形，圖 43。l4、取料：與堆放方向垂直，圖4-4

27、。l l1、多庫搭配；l2、機(jī)械倒庫；l3、壓縮空氣攪拌庫； l一、生料l一般：0.2mm方孔篩篩余量小于1.5%,含SiO2的灰?guī)r則應(yīng)更細(xì)。l二、煤l 一般：0.08mm方孔篩篩余量在10%-15%之間。l三、水泥粉磨l 水泥細(xì)度為比表面積控制在300m2/kg左右。一般小于30m, 顆粒越細(xì)水泥水化越快，但太細(xì)（ 3m）則水化太快，造成水泥孔隙多強(qiáng)度下降。l 1、開路、開路l l 2、閉路、閉路 l1、濕法、濕法l l2、干法、干法l水泥混合粉磨系統(tǒng)流程，圖53。l包括：l一、入磨物料粒度 l二、物料的易磨性l三、入磨物料溫度 l四、入磨物料水分l五、磨內(nèi)通風(fēng)l六、助磨劑l七、設(shè)備及流程l

28、 粒度與產(chǎn)品質(zhì)量成正比，越細(xì)越好。l與產(chǎn)品質(zhì)量成正比，C3S含量與易磨系數(shù)成正比；C2S含量與易磨系數(shù)成反比。 l一般為50，出磨水泥溫度為110-120。溫度過高會出現(xiàn)粘板、結(jié)塊現(xiàn)象，效果差。 l一般小于1%，水分越大效果越差。l通風(fēng)程度與易磨系數(shù)成正比。l 煤、焦碳、三乙醇胺、醋酸鈉、乙二醇及其它活性物等可助磨。 l1、一級閉路；2、二級閉路。l1、水分蒸發(fā) l2、黏土礦物脫羥l3、碳酸鹽分解 l4、固相反應(yīng) l5、熟料的燒結(jié) l6、熟料冷卻 l T=100-150，脫分子水。包括吸附水和層間水。lT=400-600，黏土礦物脫羥基水。l高嶺石脫水（500）偏高嶺石（1000）莫來石放熱

29、， 活性強(qiáng)，體積收縮；l蒙脫石、伊利石脫水仍具有晶體結(jié)構(gòu) 活性差，蒙脫石收縮而伊利石膨脹。因此伊利石作原料對于立窯和立波爾窯不合適，因其用料球，會炸裂，熱穩(wěn)定性差。l1.粘土成分，高嶺土活動強(qiáng)，利于分解，伊利石和蒙脫石活性差影響分解l2. 溫度：越高分解越快l3. 時間：越長分解越徹底l4. 通風(fēng)：利于分解l5. 顆粒團(tuán)聚：不利于分解lT=600-900，l對 CaCO3 CaOCO2l MgCO3 MgOCO2lCaMg(CO3)2 CaO MgO CO2la、可逆反應(yīng)。因此，要保證溫度和CO2分解，分解不易太大。l b、強(qiáng)吸熱反應(yīng)。 每千克CaCO3 900時需1658kJ熱量才能分解l

30、c、反應(yīng)的起始溫度較低，約600，但分解速度慢。T=900，分解加快，以后每增加50，速度加快一倍。圖圖61 石灰石顆粒分解過程石灰石顆粒分解過程 l包括：la、傳熱（氣流顆粒分解面）2個lb、分解，并CO2lc、傳質(zhì)，分解CO2向表面及大氣中擴(kuò)散，2個la、 石灰石結(jié)構(gòu)、物性：致密、晶體粗大（大理石）分解反應(yīng)困難，灰?guī)r、泥灰?guī)r分解容易。lb、生料細(xì)度：越細(xì)，越有利于分解。lc、 反應(yīng)條件：溫度T。 CO2快；促使CO2迅速擴(kuò)散；ld、生料懸浮擴(kuò)散程度：分散好，分解快le、泥灰?guī)r中粘土的礦物組成，高嶺石利于分解。l（1）反應(yīng)過程：l T=800： CaOAl2O3 CaOAl2O3 (CA)l

31、 CaO Fe2O3 CaOFe2O3 (CF)l 2CaO SiO2 2 CaOSiO2 (C2S)l T=800-900： 7(CA)5 CaO 12(C12A7)l (CF) CaO 2 (C2F)l T=900-1100： 2 CaO Al2O3SiO2 (C2AS)l 12 CaO7 Al2O39 CaO 7(C3A)l 7(2CaOFe2O3)CaO 12CaO7Al2O3 7(C4AF)l T=1100-1200： 大量形成C3A、C4AF、C2S。l a、生料細(xì)度和均勻性l b、溫度T、時間tl c、原料性質(zhì)（是含SiO2等CaCO3，晶體的存在會降低反應(yīng)速度。l d、礦化劑：

32、加入少量能使晶體生成速度加快，生料易燒的物質(zhì)。l 反應(yīng)過程l T=12501280，最低共熔，出現(xiàn)熔體。C2SCaO C3S。體積收縮，結(jié)構(gòu)致密。 la. 最低共熔溫度：兩種或兩種以上組分開始出現(xiàn)液相的溫度。（P45圖）lb.液相量：越多，C3S越快，但過多易結(jié)塊。l 計(jì)算公式：（P46）與Al2O3和Fe2O3含量有關(guān)。lc. 液相粘度：粘度小則有利于C3S形成，P46圖。ld. 液相的表面張力：T，張力愈小，愈有利于C3S形成。le. CaO溶解于熟料液相的速率：CaO顆粒越小，溶解速度越快，反應(yīng)越徹底P47 表162。lf. 反應(yīng)物存在的狀態(tài)：顆粒越細(xì)，T梯度越大，對反應(yīng)越有利。l含有凝

33、固和相變兩個過程，快速冷卻的作用：l 提高熟料的質(zhì)量：l C3S （1250）C2Sf-CaO 所以提高冷卻速度，可降低f-CaO含量。l 改善熟料的易磨性：快冷晶體小易磨。l 回收余熱 提高窯爐的熱效率。l 有利于熟料的輸送、儲存和粉磨 T100，防止粉磨的時出現(xiàn)“假凝”現(xiàn)象。l熟料形成過程中的熱效應(yīng)：P48表163。l理論熱耗=支出熱量收入熱量l結(jié)果：l1kg熟料20需43122553=1759KJ/kg熟料l1. 氟化物：CaF2、NaF、Na2SiF6、CaSiF6、MgSiF6等。l2. 硫酸鹽：石膏、重晶石（BaSO4）等。l3. 氯化物：CaCl2、NaCl等。l4. 磷灰石、磷

34、酸二氫鈣。l5.工業(yè)廢渣：銅礦渣、汰礦渣等。 l1、螢石：螢石是一種使用最廣泛，效果最好的礦化劑。l 機(jī)理：CaF2H2O（高溫）CaO2HFl 4HFSiO2（Q）=SiF42H2Ol 2HFCaCO3CaF2H2OCO2l 作用： 加速SiO2、CaCO3和鉀長石分解。l 降低液相生成溫度。l 加速C3S形成。 l2、硫酸鹽：CaSO4CaOSO3 BaSO4BaOSO3l作用： SO3能降低液相粘度，增加液相量。l 利于C3S形成，因可形成2C2SCaSO4等中間過度化含物。l3、螢石石膏復(fù)合礦化：l 效果更好，但有時會出現(xiàn)不正常凝結(jié)現(xiàn)象。l4、氯化物：與氟化物相似，但效果稍差。l5、磷

35、灰石：與石膏相似，但太多會導(dǎo)致C3S分解。l來源于原料。 l優(yōu)點(diǎn)：能降低最低共熔溫度，起助熔作用。l缺點(diǎn)：易形成K-石膏水泥快凝、結(jié)塊、起霜。局部膨脹裂開。同時，堿的出現(xiàn)會導(dǎo)致f-CaO增多。l 通常（K2ONa2O）1%l來源于白云石。 l 優(yōu)點(diǎn)：助熔、降低粘度、增加液相、改善水泥色澤。l 缺點(diǎn)：方鎂石過多會影響水泥的安定性。l 熟料MgO5%l來源于磷灰石礦化劑。l含量極少。0.1-0.3%時，P2O5可與C2S固熔，但太高會導(dǎo)致C3S分解，可加入適量螢石以減小P2O5的不良影響。l來源于粘土。l粘土中，一般含量0.3%，它可對-C2S起穩(wěn)定作用，但太高會影響水泥強(qiáng)度，熟料中一般應(yīng)1%l

36、回轉(zhuǎn)窯是利用一個傾斜的回轉(zhuǎn)鋼圓筒，斜度一般為3%5%，生料由窯尾（高端）加入，熟料由窯頭（低端）輸出。l 煅燒分為一次空氣和二次空氣。一次空氣和煤粉混合入窯，空氣占燃燒總量的15%30%。其余為二次空氣，即空氣經(jīng)預(yù)熱后再入窯。 l物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后，在高溫作用下，進(jìn)行一系列的物理化學(xué)反應(yīng)后形成熟料，按照不同反應(yīng)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)所占有的空間，被稱為“帶”。窯內(nèi)各帶的劃分情況見圖62。 l1干燥帶：物料溫度20150，氣體溫度200400。l2預(yù)熱帶：物料溫度150750，氣體溫度4001000。l3碳酸鹽分解帶：物料溫度 7501000，氣體溫度10001400。l4放熱反應(yīng)帶：物料溫度10001300

37、，氣體溫度14001600。l5燒成帶：物料直接受火焰加熱，溫度130014501300。l6冷卻帶：液相凝固后進(jìn)入冷卻機(jī)繼續(xù)冷卻。l物料入窯后，由于筒體的傾斜并以一定的速度旋轉(zhuǎn)，所以物料的運(yùn)動過程比較復(fù)雜。 l物料運(yùn)動速度：l V=iD/10.621/2l式中,V物料運(yùn)動速度(m/s); i回轉(zhuǎn)窯斜度(%); D回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑(m); 物料的自然休止角。l 在窯內(nèi)的不同“帶”受氣流、物料在各帶的停留時間等的影響，其運(yùn)行速度各不相同。 l不同類型、不同規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)在不同階段產(chǎn)生的熱效應(yīng)不同，但總體上為：l1燒成帶內(nèi)：C2SC3S 熱效應(yīng)0l2分解帶內(nèi)：大量吸熱l3固相反應(yīng)：放熱l4降低熱耗：變濕

38、法為干法，減少廢氣。l5提高傳熱能力：提高氣流溫度，控制廢氣。l6發(fā)熱能力與傳熱能力協(xié)調(diào)?？刹捎妙A(yù)熱、分解窯。 l懸浮預(yù)熱窯和預(yù)分解窯的作用是將大量吸熱的干燥及碳酸鹽分解反應(yīng)過程從窯內(nèi)傳熱速率較低的區(qū)域移到單獨(dú)的懸浮預(yù)熱窯和預(yù)分解窯中進(jìn)行。在懸浮預(yù)熱窯和預(yù)分解窯中生料顆粒分散呈懸浮或沸騰狀態(tài)，以最小的溫度差在燃料無焰燃燒的同時，進(jìn)行高速傳熱過程，使生料迅速完成干燥和分解過程，從而大大減少了回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷，使窯的產(chǎn)量成倍增加，同時延長了耐火襯的壽命，提高了窯的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。同時，窯內(nèi)進(jìn)行的固相反應(yīng)和燒結(jié)反應(yīng)也比較徹底，產(chǎn)品的質(zhì)量也得以提高。余熱重復(fù)利用也降低了成本。 l1工作原理l 將生料粉與從回轉(zhuǎn)

39、窯尾排出的煙氣混合，并使懸浮在熱氣中進(jìn)行熱交換。這樣可大大提高傳熱面積和傳熱系數(shù)。據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，傳熱面積比回轉(zhuǎn)窯內(nèi)提高了2400倍而傳熱系數(shù)也提高了1323倍。生料顆粒干燥的程度與顆粒的大小直接相關(guān)，見圖64。l有旋風(fēng)預(yù)熱器（圖65）和立筒預(yù)熱器（圖66）。l預(yù)分解窯的熱耗比一般懸浮預(yù)熱器窯低，成本也較低。入窯物料的分解率可由30%提高到90%。其預(yù)熱分解的全過程見圖67。 l窯外預(yù)熱分解回轉(zhuǎn)窯的特點(diǎn)：l1溫度變化速度快，熟料易磨性好；l2回轉(zhuǎn)窯的長徑比大，燒成帶長，產(chǎn)品質(zhì)量高；l3操作穩(wěn)定，產(chǎn)量大。 l從“工藝”和“熱工”兩方面對冷卻機(jī)的要求：l1盡可能多的回收熟料的熱量。l2縮短冷卻時間，提

40、高熟料質(zhì)量。l3耗空氣量盡量少，以提高二次空氣溫度。l4結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。 l常見冷卻機(jī)的種類有：l1筒式冷卻機(jī)：l （1）單筒式l （2）多筒式l （3）立筒式l2篦式冷卻機(jī)：l （1）推動式l （2）震動式l （3）回轉(zhuǎn)式l圖圖68 單筒冷卻機(jī)單筒冷卻機(jī)l1卸料篦子；卸料篦子；2揚(yáng)料板；揚(yáng)料板；3大牙輪；大牙輪；4輪帶；輪帶；5耐火磚；耐火磚；6筒體；筒體；7密封裝置；密封裝置；8窯頭；窯頭；9熱煙室；熱煙室；10通料口；通料口；11溜子；溜子；12風(fēng)道；風(fēng)道；13清理積料門清理積料門l優(yōu)點(diǎn)：熱效率高；l缺點(diǎn)：冷卻速度慢、占地面積大、沒有廢氣處理、成本高，已逐漸被篦冷取代。l圖圖69 多

41、筒冷卻機(jī)多筒冷卻機(jī)l1- 回轉(zhuǎn)窯筒體；回轉(zhuǎn)窯筒體；2-冷卻機(jī)筒體；冷卻機(jī)筒體； 3-冷卻機(jī)接料管；冷卻機(jī)接料管； 4-托輪與托輪與輪帶；輪帶； 5-看火隧道看火隧道l優(yōu)點(diǎn)：占地小，簡便；l缺點(diǎn)：筒體短，散熱慢。l圖圖610 篦式冷卻機(jī)篦式冷卻機(jī)l篦床；篦床； 2-鐵柵；鐵柵； 3-拉鏈機(jī)；拉鏈機(jī)； 4-傾斜固定篦板；傾斜固定篦板； 5-高壓風(fēng)管；高壓風(fēng)管； 6-中中壓風(fēng)進(jìn)口；壓風(fēng)進(jìn)口； 7-廢氣煙窗；廢氣煙窗； 8-閘板；閘板； 9-出料溜管出料溜管 l優(yōu)點(diǎn)：冷卻速度快、有廢氣處理；l缺點(diǎn)：需要冷卻風(fēng)量較多。 l優(yōu)點(diǎn)： 熱耗低；構(gòu)造簡單；占地面積小，成本低。 缺點(diǎn)：生產(chǎn)能力低；煅燒不夠均勻，產(chǎn)

42、品質(zhì)量差；生產(chǎn)率低。圖圖611 立窯中生料球的煅燒過程立窯中生料球的煅燒過程l分為：l1預(yù)熱（燒）帶：溫度201000，占全窯的5%10%。l2燒成帶：溫度10001300，占全窯的10%。l3冷卻帶：小于1300，占全窯的75%85%。l1燃燒：C+CO22COl CaCO3CO2+ CaO (吸熱)l C+O2CO2l 2CO+O22CO2 （放熱）l2通風(fēng)：通風(fēng)不良是立窯的缺陷l1普通燃燒法（白生料法）：生料粉磨與煤?；旌铣汕?； 2全黑生料法：將煤與生料混合球磨后成球；l3差熱煅燒法：在窯的邊部和中部加入不同的煤量。l1粒度：815mm，均勻；l2水分：12%15%；l3強(qiáng)度：1m高度自

43、由落下不碎；l4孔隙率：30%35%。l1礦物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，水化后形成穩(wěn)定的化合物。而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因有：熟料冷卻快；C3S、C2S有固溶體；礦物中含有微量元素。l2Ca2+配位不規(guī)則，致使結(jié)晶礦物內(nèi)有“空洞”，即非最緊密堆積。l 1C3S的水化l 2C2S的水化l 3C3A的水化l 4C4AF的水化l l C3S在水泥熟料中占50%60%，是熟料中最主要的礦物。因此，它的水化過程幾乎決定了水泥的水化過程。硅酸三鈣水化后形成水化硅酸鈣-凝膠。其 化學(xué)反應(yīng)式為：l C3S+nH=CX-S-HY+（3-x）CHl即 3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2l 水化硅酸鈣的特點(diǎn)：組成不定，與Ca(OH)2的濃度有關(guān)。lC3S的水化過程如圖71，分為五個階段。 l 初始水解期：C3SC4AFC2S；l2水灰比：水越多，水化越快；l3水泥細(xì)度：越細(xì)越快；l4溫度：越高越快；l5外加劑：包括促凝劑（無機(jī)電解質(zhì)）、促硬劑和緩凝劑（有機(jī)外加劑）。l各家觀點(diǎn)不一。l1結(jié)晶理論：液相反應(yīng)，溶解沉淀的過程；l2膠體理論：固相反應(yīng)，膠體凝膠的過程；l3