材料科学基础

《材料科学基础》

课程设计报告

设计题目：水泥制品的设计

学生姓名：何祥涛

学号： 1020560126

指导老师姓名：朱国平

所属院(系)：化学生物与材料科学学院专业班级：材料化学（1）班

课程设计时间： 2013 年 1 月 8日

课程设计的总结报告

一．课程设计的基本任务

结合钙铝硅三元相图，通过查阅资料了解水泥生产工艺，设计并确定原料配方和烧成冷却温度制度。

二．课程设计的基本要求

1．读懂并分析钙铝硅三元相图，尤其是高钙部分。

2．硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成，根据三角形规则，确定配料点。根据你的配料，写出相关析晶过程。3．常用的水泥生料的主要成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，因为Fe2O3含量低，并入Al2O3一起考虑，设计水泥材料生料化学组成。4．查阅相关资料，画出水泥生产工艺流程图。

5．硅酸盐水泥生产所采用的原料是：石灰石、粘土以及校正原料，在报告中提出配料计算大致过程。

6．根据你设计的配料确定烧成和冷却温度制度，并探讨你的烧成和冷却温度制度对你的产品性能可能产生的影响。

附：CaO-Al2O3-SiO2系统相图，CaO-Al2O3-SiO2系统相图高钙部分相图。

图一：CaO-Al2O3-SiO2系统相图

图二：CaO-Al2O3-SiO2系统高钙部分相图

三．课程设计内容

1．读懂并分析钙铝硅三元相图，尤其是高钙部分。

(1) 首先看系统中生成了多少化合物，找出各化合物的初晶区，根据化合物组成点与其初晶区的位置关系，判断化合物的性质。本系统共有10个二元化合物，其中四个是一致熔化合物：CS、C2S、C12A7、A3S2，六个不一致熔化合物：C3S2、C3S、C3A、CA、CA2、CA6。两个三元化合物都是一致熔的：CAS2(钙长石)及C2AS(铝方柱石)。这些化合物的熔点或分解温度都标在相图上各自的组成点附近。

(2) 如果界线上未标明等温线，也未标明界线的温降方向，则需要运用连线规则，首先判明各界线的温度下降方向，再用切线规则判明界线性质。然后，在界线上打上相应的单箭头或双箭头。

(3) 运用重心规则判断各无变量点的性质。

如果在判断界线的性质时，已经画出了与各界线相对应的连线，则与无变量点相对应的副三角形已经自然形成了；如果先画出与各无变量点相对应的副三角形，则与各界线相对应的连线也会自然形成。

需要注意的是，不能随意在二个组成点之间连连线或在三个组成点间连副三角形。如A3S2与CA组成点之间不能连连线，因为相图上这二个化合物的初晶区并无共同的界线，液相与这二个晶相并无平衡共存关系；在A3S2、CA、Al2O3的组成点间也不能连副三角形，因为相图上不存在这三个初晶区相交的无变量点，它们并无共同析晶的关系。

三元相图上的无变量点必定都处于三个初晶区，三条界线的交点，而不可能出现其它的形式，否则是违反相律的。

在一般情况下，有多少个无变量点，就可以将系统划分成多少个相应的副三角形(有时副三角形可能少于无变量点的数目)。本系统共有15个无变量点，所以整个相图可以划分成15个副三角形。在副三角形化以后，根据配料点所处的位置，运用三角形规则，就可以很容易地预先判断任一配料的结晶产物和结晶终点。

(4) 仔细观察相图上是否指示系统中存在晶型转变、液相分层或形成固溶体等现象。本相图在富硅部分液相有分液区(2L)，它是从CaO-SiO2二元的分液区发展而来的。此外，在SiO2初晶区还有一条1470℃的方石英与鳞石英之间的晶型转变线。

2．硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成，根据三角形规则，确定配料点。根据配料，写出相关析晶过程。

(1) 硅酸盐水泥的配料

硅酸盐水泥熟料中含有C3S、C3A、C2S、C4AF四种矿物，相应的组成氧化物为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。因为Fe2O3含量较低(2%~5%)，可以合并入Al2O3一并考虑，C4AF则相应计入C3A，这样可以用CaO-Al2O3-SiO2三元来表示硅酸盐水泥的配料组成。

根据三角形规则，配料点落在何副三角形中，最后析晶产物便是这个副三角形三个角顶所表示的三种晶相。图中1点配料处于三角形CaO-C3A-C3S中，平衡析晶产物中将有游离

CaO。2点配料处于三角形C2S-C3A-C12A7内，平衡析晶产物中将有C12A7，而没有C3S，前者的水硬活性很差，而后者是水泥中最重要的水硬矿物。因此，这二种配料都不符合硅酸盐水泥熟料矿物组成的要求。硅酸盐水泥生产中熟料的实际组成是含62%~67%CaO，20%~24% SiO2，6.5%~13%( Al2O3+Fe2O3)，即在三角形C3S-C3A-C2S内的小圆圈内波动。从相图的观点看，这个配料是合理的，因为最后析晶产物都是水硬性能良好的胶凝矿物。以C3S-C3A-C2S 作为一个浓度三角形，根据配料点在此三角形中的位置，可以读出平衡析晶时水泥熟料中各矿物的含量。

CaO-Al2O3-SiO2系统与许多硅酸盐产品有关，其富钙部分相图与硅酸盐水泥生产关系尤为密切。在这一部分相图上(图5-43)，共有三个无变量点h、k、F，h、k是单转熔点，F 是低共熔点。与这三个无变量点相对应的副三角形是CaO-C3A-C3S、C3S-C3A-C2S、C2S-C3A-C12A7。用切线规则判断，CaO与C3S初晶区的界线在Z点从转熔界线变为共熔界线，而C3S与C2S初晶区的界线则在Y点从共熔性质变为转熔性质。在Yk段，冷却时，L+C2S→C3S，即C2S被回吸，生成C3S。但到达k点，L k+C3S→C2S+C3A，即C3S被回吸，生成C2S。这个有趣的现象说明，系统从三相图进人四相图，是一种质的飞跃，而不是量的渐变，不能简单地从三相图关系类推四相图关系。

图5-43 CaO-Al2O3-SiO2系统的富钙部分相图

我们以硅酸盐水泥熟料的典型配料，图上的点3为例，分析一下结晶路程。将配料3加热到高温完全熔融(约2000℃)，然后平衡冷却析晶，从熔体中首先析出C2S，液相组成沿C2S—3连线的延长线变化到C2S-C3S界线，开始从液相中同时析出C2S与C3S。液相点随温度下降沿界线变化到Y点时，共析晶过程结束，转熔过程开始，C2S被回吸，析出C3S。当系统冷却到k点温度(1455℃)，液相点沿Yk界线到达k点，系统进入相图的无变量状态，L k液相与C3S晶体不断反应生成C2S与C3A。由于配料点处于三角形C3S-C3A-C2S内，最后L k首先耗尽，结晶过程在k点结束。获得的结晶产物是C3S、C3A、C2S。

3．常用的水泥生料的主要成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，因为Fe2O3含量低，并入Al2O3一起考虑，设计水泥材料生料化学组成。