水泥熟料煅燒

上節(jié)回顧

1.注漿成型空心注漿和實(shí)心注漿兩種壓力注漿、真空注漿、離心注漿

水玻璃、碳酸鈉、焦磷酸鈉、腐植酸鈉、單寧酸鈉、六偏磷酸鈉等都符合以上條件。

常用電解質(zhì)——使同樣含水量的泥漿變稀

2.可塑成型利用模具或刀具等運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的外力（如壓力、剪切、擠壓等）使可塑泥料產(chǎn)生塑性變形而制成某種形狀的制品，稱為可塑成型。1.低溫預(yù)熱階段（室溫~300℃）2.氧化分解及晶型轉(zhuǎn)化期（300~950℃）3.成瓷期（950℃~燒成溫度）4.高火保溫（0.5~2h）5.冷卻期（燒成溫度至室溫）一、坯體燒成過(guò)程中的物理化學(xué)變化上節(jié)回顧二、燒成制度上節(jié)回顧

燒成制度包括溫度制度、氣氛制度和壓力制度。影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵：T－t，atmosphere

壓力制度旨在保證窯爐按照要求的溫度制度與氣氛制度進(jìn)行燒成。

溫度制度包括升溫速度、燒成溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度。三、燒結(jié)溫度及燒結(jié)溫度范圍

低溫長(zhǎng)燒、高溫短燒無(wú)機(jī)非金屬材料工學(xué)

水泥熟料煅燒陳杰材料科學(xué)與工程學(xué)院水泥生產(chǎn)工藝流程回顧硅酸鹽水泥的生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單地可以概括為生料制備、熟料煅燒、和水泥粉磨三個(gè)過(guò)程。所以，硅酸鹽水泥生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常被簡(jiǎn)稱為“兩磨一燒”，即：①生料制備→②熟料煅燒→③水泥粉磨占全部能耗的80%，直接決定水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量

工藝流程

（一）生料制備過(guò)程石灰石 粘土 鐵粉 其他輔助原料↓↓↓↓破碎破碎烘干破碎↓↓↓↓烘干烘干↓烘干↓↓↓↓↓配合↓粉磨↓均化↓入生料庫(kù)生料制備方法方法類型干法（水分1%）

1.分類濕法（制成料漿，水分32~40%）半干法（制成料球，水分12~14%）

2.不同生產(chǎn)方法的區(qū)別依據(jù)：生料制備方法+入窯生料狀態(tài)干法：生料制備為干法，生料粉狀入窯（干法窯）濕法：生料制備為濕法，生料漿狀入窯（濕法窯）半干法：生料制備為干法，入窯前生料中添加少量水份，料球狀入窯（立窯、立波爾窯）

不同生產(chǎn)方法優(yōu)缺點(diǎn)比較1.濕法：生料易于均化、成分均勻而穩(wěn)定，熟料質(zhì)量好、揚(yáng)塵點(diǎn)少，但熱耗高；2.干法：熱耗低、電耗高。早期的干法生產(chǎn)因均化效果不好，所以熟料質(zhì)量較差。近年來(lái)隨著干法均化技術(shù)的提高，水泥質(zhì)量得到改善，完全可以與濕法熟料相比；3.半干法：適宜于低水分原料，熱效率和空間效率比較高；

（二）熟料煅燒生料入窯↓干燥脫水↓預(yù)熱分解↓固相反應(yīng)↓熟料燒結(jié)↓熟料冷卻↓熟料出窯↓熟料入庫(kù)（三）水泥粉磨熟料石膏混合材↓↓↓破碎破碎烘干↓↓↓↓配合↓粉磨↓均化↓水泥入庫(kù)9.1概述

一、水泥的定義：水泥：與適量的水調(diào)和后既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能膠結(jié)其他塊狀或粉狀物料，最終形成具有抵抗外力能力的凝固體的無(wú)機(jī)粉狀水硬性膠凝材料。

硅酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥二、按組成分為硫鋁酸鹽水泥氟鋁酸鹽水泥鐵鋁酸鹽水泥少熟料或無(wú)熟料水泥由硅酸鹽水泥熟料、05%的石灰石或?；郀t礦渣和適量的石膏經(jīng)磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。三、硅酸鹽水泥熟料（p164）1.定義：凡以適當(dāng)成分的生料燒至部分熔融，冷卻后所得的以硅酸鈣為主要成分的燒結(jié)物，即為硅酸鹽水泥熟料，簡(jiǎn)稱熟料

2.硅酸鹽水泥熟料的化學(xué)成分：（1）硅酸鹽水泥熟料化學(xué)成分主要成分：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3約95%

次要成分：MgO、SO3、TiO2、P2O5、K2O、Na2O等約5%

各氧化物的波動(dòng)范圍為：

CaO:6267%SiO2:2024%Al2O3:47%Fe2O3:2.56.0%3.硅酸鹽水泥熟料的礦物組成

（1）主要礦物：硅酸三鈣：3CaO?SiO2——C3S——50~60%

硅酸二鈣：2CaO?SiO2——C2S——20%

鋁酸三鈣：3CaO?Al2O3——C3A

鐵鋁酸四鈣：4CaO?Al2O3?Fe2O3——C4AF

稱C3S和C2S為硅酸鹽礦物，稱C3A和C4AF為熔劑性礦物（在水泥熟料煅燒過(guò)程中該兩礦物于1250～1280℃開始熔融轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵?。?）次要礦物：游離氧化鈣（f-CaO）、方鎂石（結(jié)晶態(tài)氧化鎂）、含堿礦物、硫酸鹽以及玻璃體等。（3）熟料礦物的波動(dòng)范圍及特征C3S和C2S的合計(jì)含量：～

75%，C3A和C4AF的合計(jì)含量：～

22%。9.2硅酸鹽水泥熟料的煅燒（p177）水泥的產(chǎn)量、質(zhì)量、燃料與襯料的消耗以及窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。熟料的煅燒過(guò)程生料在煅燒過(guò)程中的物理化學(xué)變化：干燥與脫水碳酸鹽分解固相反應(yīng)熟料的燒結(jié)冷卻（1）干燥與脫水（100~500℃）

干燥即物料中自由水的蒸發(fā)。100-150℃，熱耗極大。脫水是粘土礦物分解放出化合水。高嶺石脫水后的產(chǎn)物為無(wú)定形物質(zhì)，脫水后具有的活性較高。如果提高脫水過(guò)程的溫度梯度，在急燒時(shí)，有利于熟料的形成?！抗锼舭l(fā)耗熱2257kJ,占濕法生產(chǎn)總耗熱的35%。

入窯生料中的水分干法窯（水分<1%）濕法窯（制成料漿，水分32~40%）立窯（立波爾窯）（制成料球，水分12~14%）（2）碳酸鹽分解（600~1200℃

）生料中的碳酸鹽是指碳酸鈣與碳酸鎂，碳酸鹽分解是指碳酸鈣與碳酸鎂在煅燒過(guò)程中分解放出二氧化碳的反應(yīng)，此反應(yīng)是可逆反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

MgCO3

≒

MgO+CO2-1047~-1214J／g(590℃時(shí))CaCO3

≒

CaO+CO2-1645J／g(890℃時(shí))——濕法生產(chǎn)1/3能耗，新型干法窯的1/2

碳酸鹽分解反應(yīng)特點(diǎn)：1.可逆反應(yīng)；2.強(qiáng)吸熱反應(yīng)；3反應(yīng)起始溫度較低。

通常碳酸鈣在600℃時(shí)就開始有微弱的分解，至894℃時(shí)，分解速度加快，分解出的CO2分壓達(dá)一個(gè)大氣壓，1100~1200℃時(shí)，分解速度極為迅速。

碳酸鈣顆粒的分解過(guò)程：氣流向顆粒表面的傳熱過(guò)程；熱量由表面以傳導(dǎo)方式向分解面?zhèn)鬟f的過(guò)程；碳酸鈣在一定溫度下，吸收熱量并進(jìn)行分解并放出CO2的化學(xué)過(guò)程；分解放出CO2，穿透CaO層向表面擴(kuò)散的傳質(zhì)過(guò)程；表面的CO2向周圍介質(zhì)氣流擴(kuò)散的過(guò)程。正在分解的CaCO3顆粒傳熱、傳質(zhì)VS分解反應(yīng)化學(xué)過(guò)程影響碳酸鈣分解速度的影響因素：1．溫度：隨溫度升高，分解速度常數(shù)增加，分解時(shí)間縮短，分解速度增加。但應(yīng)注意溫度過(guò)高，將增加廢氣溫度和熱耗。2．窯系統(tǒng)的CO2分壓：通風(fēng)良好，CO2分壓較低，有利于碳酸鈣的分解。3．生料細(xì)度和顆粒級(jí)配：生料細(xì)度細(xì)，顆粒均勻，粗粒少，分解速度快。4．生料懸浮分散程度：生料懸浮分散差，相對(duì)地增大了顆粒尺寸，減少了傳熱面積，降低了碳酸鈣的分解速度。5．石灰石的種類和物理性質(zhì)：結(jié)構(gòu)致密、結(jié)晶粗大，分解速度慢。6．生料中粘土質(zhì)組分的性質(zhì)：高嶺土類活性大、蒙脫石、伊利石次之，石英砂較差?；钚栽酱蟮?，在800℃下越能和氧化鈣或直接與碳酸鈣進(jìn)行固相反應(yīng)，生成低鈣礦物，可以促進(jìn)碳酸鈣的分解過(guò)程。（3）固相反應(yīng)（800~1200℃）——放熱反應(yīng)反應(yīng)特點(diǎn)：多級(jí)反應(yīng)放熱反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物：

C2S、C3A、C4AF

f-CaO與生料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3進(jìn)行固相反應(yīng)形成熟料礦物。800℃：CA、CF、C2S開始形成800~900℃：7CA+5CaO→C12A7

CF+CaO

→C2F900~1100℃：

C12A7+9CaO→7C3A7C2F+2CaO+C12A7

→7C4AF1100~1200℃

大量形成C3A和C4AF，

C2S達(dá)到最大值（3）固相反應(yīng)（800~1200℃）——放熱反應(yīng)影響因素：生料細(xì)度及均勻程度

——優(yōu)化控制生料細(xì)度原料性質(zhì)

如果相互進(jìn)行故相反應(yīng)的物質(zhì)都處于晶型轉(zhuǎn)變或剛分解的新生態(tài)時(shí)，由于其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用較弱，反應(yīng)速度增加，能耗降低。溫度礦化劑

（4）熟料燒結(jié)過(guò)程（固液相反應(yīng)）

當(dāng)物料溫度升高到最低共熔溫度后，C3A、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液相中，

C2S吸收CaO形成C3S。反應(yīng)式：C2S+CaO→C3S（高溫液相的作用下）

隨著溫度的升高和時(shí)間延長(zhǎng)，液相量增加，液相粘度降低，C2S、CaO不斷溶解、擴(kuò)散，C3S晶核不斷形成，并逐漸發(fā)育、長(zhǎng)大，形成幾十微米大小、發(fā)育良好的阿利特晶體。晶體不斷重排、收縮、密實(shí)化，物料逐漸由疏松狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯珴苫液?、結(jié)構(gòu)致密的熟料。C3S的形成熟料燒結(jié)

C3S形成條件：

溫度：1300~1450~1300℃

液相量：

20%~30%

時(shí)間：

10~20min

影響熟料燒結(jié)過(guò)程的因素最低共熔溫度液相量液相粘度液相的表面張力C2S、CaO溶于液相的速率反應(yīng)物存在的狀態(tài)（5）水泥熟料的冷卻（1450~）冷卻目的：

改善熟料質(zhì)量與易磨性；降低熟料的溫度，便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存、和粉磨；回收熱量，預(yù)熱二次空氣，降低熱耗、提高熱利用率。冷卻方式？急速冷卻熟料的優(yōu)點(diǎn)：

急冷能防止或減少β-C2S轉(zhuǎn)化成γ-C2S

急冷能防止或減少C3S的分解——C3S→

C2S+f-CaO

急冷能防止或減少M(fèi)gO的破壞作用，提高水泥安定性。急冷使熟料中C3A結(jié)晶體減少,增強(qiáng)水泥的抗硫酸鹽性。急冷熟料易磨性提高γ-C2S無(wú)水硬性C2S多晶轉(zhuǎn)變：

α-C2Sα‘-C2Sβ-C2Sγ-C2S＜500℃常溫下，有水硬性，不穩(wěn)定幾乎無(wú)水硬性密度(g/cm3):3.282.97

體積膨脹10%，熟料粉化防止或減少β-C2S轉(zhuǎn)化成γ-C2S急冷能防止或減少C3S的分解純C3ST>2065℃不一致熔融為CaO與液相

T=2065~1250℃內(nèi)穩(wěn)定；

T＜1250℃C3SC2S+CaO

（反應(yīng)慢，常溫下C3S呈介穩(wěn)狀態(tài)）急冷能防止或減少M(fèi)gO的破壞作用當(dāng)熟料慢冷時(shí)，MgO結(jié)晶成方鎂石。方鎂石：游離狀態(tài)的MgO晶體，是熟料中氧化鎂的一部分。性能：水化很慢，水化時(shí)，固體體積膨脹148%，引起水泥的安定性不良。

當(dāng)熟料急冷時(shí)MgO凝結(jié)于玻璃體中，或者即使結(jié)晶，晶體也非常細(xì)小，其水化速度與其他組成大致相等，這樣制件就不會(huì)脹裂。急冷使熟料中C3A結(jié)晶體減少

急冷時(shí)C3A來(lái)不及結(jié)晶出來(lái)，而存在玻璃體中，或結(jié)晶很少。結(jié)晶型的C3A水化后易使水泥漿快凝，而非結(jié)晶的C3A水化后不會(huì)使水泥漿快凝。因此急冷的熟料加水后不會(huì)快凝，容易掌握其凝結(jié)時(shí)間。急冷熟料易磨性提高

由于急冷，熟料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此使得易磨性提高。硅酸鹽水泥熟料的煅燒二、水泥工業(yè)的發(fā)展概況

(一)水泥工業(yè)發(fā)展史1、第一次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期：（1824年）硅酸鹽水泥問世，用間歇式的土立窯燒制熟料。

2、1877年：水泥的回轉(zhuǎn)窯燒制技術(shù)獲得專利。出現(xiàn)單筒冷卻機(jī)、立式磨、單倉(cāng)鋼球磨

3、19世紀(jì)末20世紀(jì)初：機(jī)立窯（1910年）、立波爾窯（1928年）相繼誕生。

4、20世紀(jì)50年代初：懸浮預(yù)熱器窯出現(xiàn)，1950年全世界水泥年產(chǎn)量達(dá)1.33億噸。水泥工業(yè)的發(fā)展概況（續(xù)）

5、60年代初：以電子計(jì)算機(jī)為代表的新技術(shù)在水泥工業(yè)中開始得到應(yīng)用。

6、70年代初：（1971年）日本在引進(jìn)西德懸浮預(yù)熱器技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出窯外分解技術(shù)，使水泥產(chǎn)量翻翻增長(zhǎng)。

7、70年代中后期：帶懸浮預(yù)熱器的窯外分解窯在全世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。生產(chǎn)過(guò)程采用計(jì)算機(jī)集中或分散控制。1980年世界水泥產(chǎn)量達(dá)8.7億噸。2003年世界水泥產(chǎn)量14億噸。（二）水泥工業(yè)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程可用下列框圖表示土立窯↓機(jī)立窯、回轉(zhuǎn)窯↓立波爾窯↓懸浮預(yù)熱器窯↓預(yù)分解窯（預(yù)熱器＋窯外分解爐）↓預(yù)分解窯＋計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制三、中國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展(一）發(fā)展概述1.1889年中國(guó)第一個(gè)水泥廠建于河北唐山，名為啟新洋灰公司（今啟新水泥廠前身）。隨后陸續(xù)建立大連、上海、廣州、中國(guó)（南京）等水泥廠。1952年到1980年28年間水泥總產(chǎn)為5100萬(wàn)噸。1981年一年年產(chǎn)量就達(dá)9700萬(wàn)噸。2.50年代中期：濕法回轉(zhuǎn)窯和立波爾窯成套設(shè)備試制。3.50年代后期到60年代：預(yù)熱器窯試驗(yàn)。