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。

（2）、生料浆：湿法生产所用的生料。

一般含水分32%~40%左右。

（3）、配料控制系统图
4．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，配料计算大致过程。

1、干石灰石+干粘土+干铁粉=干生料
2、灼烧石灰石+灼烧粘土+灼烧铁粉=灼烧生料=熟料
3、灼烧生料+煤灰（掺入熟料中的）=熟料
4、熟料的率值 KH=(C-1.65*A-0.35F)/2.8S SM=S/(A+F) IM=A/F 2.5 熟料的率值 一、石灰饱和系数： 公式：KH=
2
3
2328.235.0065.1SiO O Fe Al CaO --
意义：水泥熟料中的总CaO 含量扣除饱和酸性氧化物所需要的氧化钙后，所剩下的与二氧化硅化合的氧化钙的含量与理论上二氧化硅全部化合成硅酸三钙所需要的氧化钙含量的比值。

简言之。

KH 表示熟料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。

取值：0.87~0.96
二、硅 率:
公式: n(SM)= 含义: 反映了熟料中硅酸盐矿物、
熔剂、矿物的相对含量。

取值： 三、铝 率:
公式: p(IM)=
3
23
2O Fe O Al
含义：说明熟料中C3A 、C4AF 的相对含
量。

反映液相的性质。

(C3A 产生的液相粘度大；C4AF 产生的液相粘度小.) 取值：0.9~1.9 配料计算 配料方法 1）、尝试误差法
先按假定的原料配合比计算熟料的组成。

若计算结果不符合要求，则调整原料的配合比再进行重复计算直至符合要求为止。

2）、递减试凑法
从假定的熟料化学成分中依次递减假定配分比的原料组分，试凑至符合要求为止。

3）、酸碱滴定法
根据已确定的生料碳酸盐滴定值和实际测得石灰石、粘土的滴定值按规定的公式作简单的计算，较快地得出各种原料的配合比 4）、烧失量法
水泥生料的烧失量一般为34～36%。

预先确定的生料烧失量数，按实测石灰石烧失量及实测粘土烧失量，计算原料的配合比。

配料计算实例
32322O Fe O Al SiO +
已知原料、燃料的有关分析数据如表4－10、4－11，假设用窑外分解窑以三种原料配合进行生产，要求熟料的三个率值为：KH＝0.89±0.02、SM＝2.1±0.1、IM＝1.3±0.1，单位熟料热耗为q=3350kj/kg熟料，试计算原料的配合比。

原料与煤灰的化学成份
表4－10
煤的工业分析表4－11
A、计算煤灰掺入量
GA=(qAyS)/(Qy)*100) (S为粉尘沉降率)
=(3350*28.56*100)/(20930*100)
=4.57%
B、计算要求的熟料化学成份
设∑＝97.5%
则Fe2O3=∑/((2.8KH+1)(IM+1)SM+2.65IM+1.35)
=4.5%
Al2O3=IM*Fe2O3=5.85%
SiO2=SM(Al2O3+Fe2O3)=21.74%
CaO= ∑-(SiO2+Al2O3+ Fe2O3)=65.41%
C、以100kg熟料为基准，列表递减如下
生料、熟料的化学成份
D、按计算的熟料组成验算率值
KH=(C-1.65*A-0.35F)/2.8S=0.895
SM=S/(A+F)=2.14
IM=A/F=1.27
所得结果KH、SM与要求相比均略高，而铝率略低，但已十分接近要求值，可按此配料进行生产
E、计算湿物料的配合比
设原料操作水分：石灰石为1%；粘土为0.8%；铁粉为12%，则湿物料的配合比为：湿石灰石＝82.2/(100-1)*100=83.03
湿粘土＝13.7/(100-0.8))*100=13.81
湿铁粉＝4.1/(100-12)*100=4.65
湿物料配合百分比为：81.80%：13.61%：4.59%
6．根据配料确定烧成和冷却温度制度，并探讨烧成和冷却温度制度对你的产品性能可能产生的影响。

a．熟料的烧成温度及烧成速度的影响
高温烧成的熟料与低温烧成的熟料表现出的性能不同。

高温快烧的熟料，硅酸盐矿物固溶较多其他组分（如C3S固溶Al2O3、Fe2O3、MgO等形成A矿）。

这增加了A矿的含量及内能，提高了水化活性，并使C3A与C4AF含量减少。

其固溶量随温度的升高及烧成速度的加快而增大。

故高温快烧的熟料，A矿发育良好，尺寸适中，边棱清晰，水泥浆体强度较高，与外加剂相容性好。

低温烧成的熟料，硅酸盐矿物活性较差，胶砂强度较低。

并且由于C3S固溶Al2O3、Fe2O3减少，熟料矿物中析晶出来C3A、C4AF较多，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。

b、冷却制度的影响
熟料在较高温度范围（1450~1200℃）的快速冷却，有利于A矿保持良好的晶形，减少C2S粉化，硅酸盐矿物活性较高；溶剂矿物多以玻璃体存在，大量减少C3A和C4AF的析晶。

因而快冷熟料，即使C3A、C4AF计算含量较高，由于大部分以玻璃体存在，所磨制的水泥仍与外加剂相容性好，凝结时间正常，水泥强度较高。

慢速冷却时，熟料中β-C2S转变为γ-C2S，矿物活性降低，C3A、C4AF大量析晶，磨制的水泥与外加剂相容性差。

四．课程设计的心得体会
通过对水泥制品的课程设计，让我在这个过程中学会了和了解了很多关于水泥生产等方面的知识，以及关于水泥生产工艺流程，并加深了对水泥的一些知识理解和认识。

通过此次课程设计知道了如何去设计一个生产工艺，如何寻找相关资料，如何做好一个工艺设计，通过课程设计提高了我的查询资料的能力，也让我更好的学习到很多生产工艺中的知识，
五．参考文献
1、材料科学基础（第二版）张联盟黄学辉宋晓岚编
2、水泥生产工艺流程及设备参考图册彭宝利编
3、李浩璇杨家智煅烧温度对掺复合矿化剂水泥熟料岩相构造及A矿固溶程度的影响硅酸盐学报1986年Vol.14 No.1 第13页
4、罗云峰熟料矿物组成和烧成工艺对水泥与减水剂相容性及混凝土流动性的影响华南理工大学工学硕士学位论文广州华南理工大学2002年5月
5、TAGNIT-HAMOU,A.; BAALBAKI,M.; AITCIN,P.C. Calcium-sulphate optimization in low water/cement ratio concrete for rheological purposes, Proceedings of the 9th International congress of the Chemistry of Cement, New Deihi, Vol.V, pp.21~25,(1992)
6、吴中伟廉慧珍著高性能混凝土北京中国铁道出版社1999年影响华南理工大学工学硕士学位论文广州华南理工大学2002年5月
7、Shunsuke Hanehara，Kazuo Yamada Interaction between cement and chemical admixture from the point of cement hydration, absorption behaviour of admixture, and paste rheology Cement and concrete research 1999 Vol.29 1159~1165
8、王善拔，阮国超从预拌混凝土和高性能混凝土的要求讨论水泥的生产水泥工程1997。

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