硅酸鹽水泥熟料礦物組成及其配料計教案

1、硅酸鹽水泥熟料礦物組成及其配料計教案3.1 硅酸鹽水泥熟料的 化學(xué)組成和礦物組成 硅酸鹽水泥熟料-是一種由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按適當(dāng)比例配合磨成細(xì)粉（生料）、燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的水硬性膠凝物質(zhì)。 3.1.1 熟料的化學(xué)組成 主要化學(xué)成分與含量 (1)主要氧化物：CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 其總和通常占熟料總量的95%以上。(2)其它氧化物：如MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5等，其總量通常占熟料的5%以下。主要化學(xué)成分要求 實際生產(chǎn)中，硅酸鹽水泥中個主要氧化物含量的波動范圍一般為： CaO 62%67% SiO2

2、 20%24% Al2O3 4%7% Fe2O3 2.5%6% 3.1.2 熟料的礦物組成 硅酸鹽水泥熟料是一種多礦物組成的、結(jié)晶細(xì)小的人造石。通常為3060m。 (1)主要礦物 硅酸三鈣（3CaOSiO2，簡寫成C3S） 硅酸二鈣（2CaOSiO2，簡寫成C2S） 鋁酸三鈣（3CaOAl2O3，簡寫成C3A） 鐵鋁酸四鈣（4 CaOAl2O3Fe2O3，簡寫成C4AF） 熟料的礦物組成及巖相結(jié)構(gòu)(2)次要礦物游離氧化鈣（f-CaO）方鎂石（結(jié)晶 MgO）玻璃體硅酸三鈣和硅酸二鈣合稱硅酸鹽礦物，約占75%左右。鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣合稱熔劑礦物，約占22%左右。硅酸鹽礦物和熔劑礦物總和約占95%

3、左右。 熟料礦物含量范圍（%） 熟料類別 C3S C2S C3A C4AF 回轉(zhuǎn)窯熟料立窯熟料新型干法窯熟料國內(nèi)重點企業(yè)熟料國外水泥企業(yè)熟料45653860535457 15322033242020 41147878 10181320101410 3.1.3化學(xué)成分與礦物組成間的關(guān)系 熟料中的主要礦物均由各主要氧化物經(jīng)高溫煅燒化合而成，熟料礦物組成取決于化學(xué)組成，控制合適的熟料化學(xué)成分是獲得優(yōu)質(zhì)水泥水泥熟料的中心環(huán)節(jié)，根據(jù)熟料化學(xué)成分也可以推測出熟料中各礦物的相對含量高低。 （1）CaO （2）SiO2 （3）Al2O3 （4）Fe2O3 （5）其他少量氧化物和微量元素 3.1.4熟料礦物的特

4、性 硅酸三鈣（ C3S ）存在形式純C3S只在20651250溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，在2065以上不一致熔融為CaO與液相；在1250以下分解為C2S和CaO。純C3S具有同質(zhì)多晶現(xiàn)象,熟料中C3S不純，總是與少量的其他氧化物如Al2O3、Fe2O3、 MgO、R 2O等形成固溶體。在反光顯微鏡下為黑色多角形顆粒，又稱阿利特（Alite），簡稱A礦。 礦物水化特性凝結(jié)時間正常，水化較快，水化反應(yīng)主要在28d以內(nèi)進(jìn)行，約經(jīng)一年后水化過程基本結(jié)束。早期強度高，強度的絕對值和增進(jìn)率較大。其28d強度可達(dá)到一年強度的70%80%。水化熱較高；抗水性較差。 硅酸二鈣 礦物特性 熟料中硅酸二鈣通常固溶有少量氧化

5、物如Al2O3、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶體，稱貝利特（Belite），簡稱B礦。在反光顯微鏡下呈圓粒狀，常具有黑白交叉雙晶條紋。 多晶轉(zhuǎn)變純C2S在1450以下有同質(zhì)多晶現(xiàn)象。其中：-C2S的密度為2.97g/cm3，-C2S的密度為3.28g/cm3，故發(fā)生轉(zhuǎn)變時，伴隨著體積膨脹10%，結(jié)果是熟料崩潰，生產(chǎn)中稱之為粉化。而-C2S幾乎無水硬性。 水化特性水化反應(yīng)比C3S慢得多，28d只水化20%左右，凝結(jié)硬化慢；早期強度低，但28d后強度仍能較快增長，一年后其強度可趕超阿利特；水化熱?。豢顾院?。 鋁酸三鈣礦物特性C3A可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固

6、溶體，在反光鏡下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A礦與B礦中間，又稱黑色中間相。 水化特性水化迅速，凝結(jié)較快，如不加石膏等緩凝劑，易使水泥急凝；早期強度較高，但絕對值不高，其強度3d之內(nèi)大部分發(fā)揮出來，以后幾乎不增長，甚至倒縮；水化熱高；干縮變形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸鹽性能差。 鐵鋁酸四鈣礦物特性鐵鋁酸四鈣代表的是一系列連續(xù)的鐵相固溶體。通常固溶有少量的MgO、SiO2等氧化物，又稱才利特（Celite）或C礦。在反光鏡下其反射能力強，呈亮白色，并填充在A礦與B礦之間，也稱白色中間相。 水化特性水化速度在早期介于鋁酸三鈣與硅酸三鈣之間，但隨后的發(fā)展不如硅酸三鈣； 早期強度類似于鋁酸三鈣

7、，而后期還能不斷增長，類似于硅酸二鈣； 水化熱較鋁酸三鈣低，抗沖擊性能和抗硫酸鹽性能較好。 玻璃體 形成 部分熔融液相被快速冷卻來不及結(jié)晶而成為過冷凝體主要成分 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、R 2O含量 取決于液相量及冷卻條件 性能 不及晶體穩(wěn)定，水化熱較大；可改善熟料性能與易磨性。 游離氧化鈣（f-CaO） 定義是指熟料中沒有以化合狀態(tài)存在而是以游離狀態(tài)存在的氧化鈣。特征 游離氧化鈣在偏光顯微鏡下為無色圓形顆粒，有明顯解理。在反光鏡下用蒸溜水浸蝕后呈彩虹色。 游離氧化鈣的種類及其對安定性的影響 種類 產(chǎn)生原因 特點 對水泥安定的影響性 欠燒f-CaO 熟料煅燒過程中因欠燒、漏生，

8、在11001200低溫下形成 結(jié)構(gòu)疏松多孔 不大 一次f-CaO 因配料不當(dāng)、生料過粗或煅燒不良，尚未與S、A、F反應(yīng)而殘留的CaO呈“死燒狀態(tài)”，結(jié)構(gòu)致密 大 二次f-CaO 熟料慢冷或還原氣氛下，C3S分解而形成的經(jīng)過高溫，水化較慢 較大 方鎂石（MgO） 指游離狀態(tài)的氧化鎂晶體。 產(chǎn)生 一部分氧化鎂存在于玻璃體中，一部分結(jié)晶呈游離狀態(tài)。當(dāng)熟料快冷時，結(jié)晶細(xì)小，慢冷時晶體發(fā)育較大，結(jié)構(gòu)致密。 危害 方鎂石與水反應(yīng)速度很慢，幾個月甚至幾年才明顯反映出來。水化生成Mg(OH)2時，體積膨脹148%，在水泥石內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，輕者會降低水泥制品強度，重者會造成水泥制品破壞。方鎂石含量越多，晶體尺寸越大

9、，引起的破壞越嚴(yán)重，因此，應(yīng)限制其含量及晶體尺寸。熟料冷卻速度越快，方鎂石晶體越小，含量越少。3.2 熟料的率值 硅酸鹽水泥熟料中各主要氧化物含量之間的比例稱作率值。 表示化學(xué)成分與礦物組成之間的關(guān)系、水泥熟料的性能及其對煅燒的影響。 在一定的工藝條件下，率值是水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制的主要指標(biāo)。 我國主要采用石灰飽和系數(shù)（KH）、硅率（n）、鋁率（p）三個率值。 3.2.1石灰飽和系數(shù) 物理意義 KH表示水泥熟料中的總CaO含量扣除飽和酸性氧化物（如Al2O3、Fe2O3）所需要的氧化鈣后，剩下的與二氧化硅化合的氧化鈣的含量與理論上二氧化硅全部化合成硅酸三鈣所需要的氧化鈣含量的比值。 簡言之，石灰飽

10、和系數(shù)表示熟料中二氧化硅被氧化鈣飽和成硅酸三鈣的程度。 數(shù)學(xué)表達(dá)式 式中：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3分別為熟料中相應(yīng)氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。KH值與熟料礦物間的關(guān)系 從理論上講：KH值高，則C3S較多，C2S較少。（1）KH=1，熟料中只有C3S，而無C2S；（2）KH1，無論生產(chǎn)條件多好，熟料中都有游離氧化鈣存在；（3）KH=0.667，熟料中無C3S。 因此，熟料的KH值應(yīng)控制在0.6671間。 實際生產(chǎn)中，為使熟料順利形成，又不產(chǎn)生過多的游離氧化鈣，通常KH值控制在0.870.96。3.2.2硅率 含義：熟料中SiO2含量與Al2O3、Fe2O3之和的比例。反映了熟料中

11、硅酸鹽礦物（C3S+C2S）與熔劑礦物（C3A+C4AF）的相對含量。 SM值與熟料礦物及煅燒之間的關(guān)系 SM值過高，表示硅酸鹽礦物多，熔劑礦物少，對熟料強度有利，但將給煅燒造成困難；隨SM值的降低，液相量增加，對熟料的易燒性和操作有利，但SM值過低，熟料強度低，操作困難。 一般取值：1.72.7。3.2.3鋁率（又稱鋁氧率或鐵率） 含義：表示熟料中Al2O3含量與Fe2O3含量之比，反映了熟料中C3A和C4AF的相對含量。也反映煅燒過程中液相的性質(zhì)（主要是液相的粘度，C3A形成的液相粘度大，C4AF形成的液相粘度小） p值與熟料礦物及煅燒的關(guān)系 p值過大，C3A多，液相粘度大，不利于C3S

12、的形成，易引起熟料快凝；p值過低，C4AF量相對較多，液相粘度小，對C3S 的形成有利，但易使窯內(nèi)結(jié)大塊，對煅燒不利。 說明：三個率值要相互配合適當(dāng)，才能使熟料順利燒成，并保證熟料質(zhì)量。 3.2.4 熟料率值的控制 在工廠生產(chǎn)中，為了使熟料順利燒成，保證熟料的質(zhì)量，應(yīng)同時控制KH、n、p這三個率值，并使三率值相應(yīng)配合適當(dāng)。 窯型KHnp預(yù)分解窯0.860.902.22.61.31.8濕法長窯0.880.921.52.51.01.8干法回轉(zhuǎn)窯0.860.892.02.351.01.6立波爾窯0.850.881.92.31.01.8立窯（無礦化劑）0.850.022.00.11.30.1立窯（摻復(fù)

13、合礦化劑）0.920.961.62.11.11.53.3 熟料礦物組成的計算 獲得熟料的礦物組成的方法：儀器分析法：如巖相分析；X射線分析；紅外光譜分析等。理論計算法。 化學(xué)法C3S=3.80（3KH-2）SiO2C2S=8.60(1-KH) SiO2C3A=2.65(Al2O3-0.64Fe2O3)C4AF=3.04Fe2O3 式中：SiO2、Al2O3、Fe2O3分別是熟料中相應(yīng)氧化物的百分含量（%）。 KH是熟料的石灰飽和系數(shù)。 代數(shù)法：（也稱鮑格法）C33C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C=2.87S-0.754 C3SC3C4AF=3.04F式中：

14、C、S、A、F、SO3分別代表熟料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 、SO3的百分含量。 以上公式適用于：IM0.64【例2.1】已熟料化學(xué)成分如表2.11所示，試求熟料的率值和礦物組成。 氧化物SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3-CaO%（質(zhì)量）21.406.224.3565.601.060.371.00100.00 =0.877按化學(xué)法公式可求得熟料礦物組成：C3S3.80（3KH2）SiO23.80（30.8772）21.4051.31%C3S8.60（1KH）SiO28.60（10.877）21.4022.64%C3A2.65（Al2O30.64Fe2O3）2.6

15、5（6.220.644.35）9.11%C4AF3.04Fe2O33.044.3513.22%解： 3.4 熟料礦物組成的選擇選擇熟料礦物組成應(yīng)考慮的因素(1)水泥品種和標(biāo)號；(2)原料品質(zhì)；(3)生料細(xì)度和均勻性；(4)窯型與規(guī)格。3.5 生料的配料及計算 3.5.1 基本概念 生料 由石灰質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料、少量校正原料（有時還加入礦化劑、晶種等，立窯生產(chǎn)時還要加煤）按比例配合，粉磨到一定細(xì)度的物料。 生料化學(xué)成分隨產(chǎn)品品種、生產(chǎn)方法、原燃料品質(zhì)、窯型及其它生產(chǎn)條件等不同而有所差異。 生料有生料粉、生料漿兩種。 生料粉 干法生產(chǎn)用的生料為生料粉，其水分含量一般不超過1%。 生料漿 濕法生產(chǎn)

16、所用的生料為生料漿。是由各種原料并摻入適量水后共同磨制而成的含水32%40%左右的料漿。 生料粉 配料 根據(jù)水泥品種、原燃料品質(zhì)、工廠具體生產(chǎn)條件等選擇合理的熟料礦物組成或率值，并由此計算所用原料及燃料的配合比，稱為生料配料，簡稱配料。 配料的目的 （1）工藝設(shè)計 （2）生產(chǎn)運行 配料的原則 （1）生料成分滿足煅燒優(yōu)質(zhì)熟料的要求； （2）生料具有良好的易磨性和易燒性； （3）生產(chǎn)過程易于控制，便于操作，簡化流程； （4）經(jīng)濟(jì)、合理地使用礦山資源。 配料計算的依據(jù) 配料計算的依據(jù)是物料平衡，即反應(yīng)物的量等于生成物的量。 （1）干燥基準(zhǔn)：物料中的物理水分蒸發(fā)后處于干燥狀態(tài)，以干燥狀態(tài)質(zhì)量所表示的計

17、量單位，稱為干燥基準(zhǔn)，簡稱干基。 （2）灼燒基準(zhǔn)：去掉燒失量（結(jié)晶水、二氧化碳與揮發(fā)物質(zhì)等）以后，生料處于灼燒狀態(tài)。以灼燒狀態(tài)質(zhì)量所表示的計算單位，稱為灼燒基準(zhǔn)。 （3）濕基準(zhǔn)：用含水物料作計算基準(zhǔn)時稱為濕基準(zhǔn)，簡稱濕基。 配料方案的選擇 配料方案，即熟料的礦物組成或熟料的三率值。配料方案的選擇，實質(zhì)上就是選擇合理的熟料礦物組成，也就是對熟料三率值KH、n、p值的確定。 確定配料方案，應(yīng)根據(jù)水泥品種、原料與燃料品質(zhì)、生料質(zhì)量及易燒性、熟料煅燒工藝與設(shè)備等進(jìn)行綜合考慮。 熟料率值的選擇 三個率值要互相匹配，吻合，不能只強調(diào)某一率值而忽視其他兩個。 一般率值的波動范圍：KH=目標(biāo)值0.010.02

18、，n=目標(biāo)值0.1，p=目標(biāo)值0.1。 4.1.2 配料計算方法 配料計算方法很多，如嘗試誤差法、遞減試湊法、代數(shù)法及其用微機(jī)編制程序的計算方法等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水泥工業(yè)已逐漸實現(xiàn)電子計算機(jī)的控制和管理，使配料計算更簡單、高效。 嘗試誤差法 先按假定的原料配合比計算熟料組成，若計算結(jié)果不符合要求，則調(diào)整配合比重新計算，直到符合要求為止。 例3-2已知原、燃料的有關(guān)分析數(shù)據(jù)如表1、表2所示，假設(shè)用窯外分解窯以四種原料配合進(jìn)行生產(chǎn)，要求熟料的三率值為：KH =0.900.02，SM =2.60.1，IM =1.70.1，單位熟料熱耗為3053KJ/Kg熟料(730Kcal/Kg.熟料)，試計

19、算原料的配合比。 表1 原料與煤灰的化學(xué)成分名稱燒失量sio2Ai2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2O總和石灰石砂頁巖粉煤灰鐵礦石煤灰42.862.723.702.65_1.6889.5947.5749.9652.550.602.8228.145.5128.780.391.678.9532.516.3051.621.774.182.566.492.210.740.521.951.450.050.070.50_1.000.250.361.13_1.000.030.060.210.450.4499.7199.8294.9095.5999.21表2 原煤的工業(yè)分析1.7028.0026.

20、1044.2022998MyVyAyFCyQynet（KJ/Kg） 解 (1)確定熟料組成 根據(jù)題意，已知熟料率值為：KH =0.90，SM =2.6， IM =1.7。 (2)計算煤灰摻入量 (3)計算干燥原料配合比 四組分配料，通常，石灰石配合比例為80%左右；砂頁巖（砂巖）10%左右；鐵礦石4%左右；粉煤灰10%左右； 設(shè)定干燥原料配合比為：石灰石81%，砂巖9%，鐵礦石 3.5%，粉煤灰6.5%，以此計算生料的化學(xué)成分。 名稱LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OCI-石灰石34.72 1.36 0.49 0.32 41.81 1.79 0.04 0.20

21、 0.02 0.0154 砂頁巖0.24 8.06 0.25 0.15 0.16 0.07 0.006 0.0324 0.0054 0.0014 粉煤灰0.24 3.09 1.83 0.58 0.27 0.038 0.0325 0.0735 0.0137 0.0000 鐵礦石0.09 1.75 0.19 1.138 0.09 0.07 0.0000 0.0000 0.0158 0.0000 生料35.29 14.26 2.76 2.19 42.33 1.96 0.0793 0.3084 0.0591 0.0167 灼燒生料22.05 4.27 3.38 65.42 3.03 0.1226 0.

22、4765 0.0913 0.0259 名稱配合比SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OCI-灼燒生料96.5421.28 4.12 3.26 63.16 2.92 0.1183 0.4600 0.0882 0.0250 煤灰3.461.82 1.00 0.22 0.22 0.05 0.0762 0.0346 0.0152 0.0000 熟料10023.10 5.12 3.48 63.38 2.97 0.1945 0.4947 0.1034 0.0250 熟料的率值計算如下： KH=0.83 SM=2.69 IM=1.47 上述計算結(jié)果可知，KH過低，SM較接近，IM較低。根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計，每增減1%石灰石（相應(yīng)減增適當(dāng)砂巖），約增減KH=0.05。 據(jù)此，調(diào)整原料配合比為：石灰石82.3%，砂巖8.1%，鐵礦石2.6%左，粉煤灰7%。重新計算結(jié)果如下： 熟料的率值計算如下： KH=0.90