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)過程。所以，硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程經(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%的石灰石或粒化高爐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)。熟料的煅燒過程生料在煅燒過程中的物理化學(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程：氣流向顆粒表面的傳熱過程；熱量由表面以傳導(dǎo)方式向分解面?zhèn)鬟f的過程；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)過程；分解放出CO2，穿透CaO層向表面擴(kuò)散的傳質(zhì)過程；表面的CO2向周圍介質(zhì)氣流擴(kuò)散的過程。正在分解的CaCO3顆粒傳熱、傳質(zhì)VS分解反應(yīng)化學(xué)過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)。