水泥生产工艺及水泥熟料的形成

水泥生产工艺及水泥熟料的形成

水泥生料经过连续升温，达到相应的温度时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）等矿物所组成。

硅酸盐水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脱石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。

硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热，发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。

一、煅烧过程物理化学变化

水泥生料在加热煅烧过程中所发生的

（一）自由水的蒸发

（二）黏土质原料脱水和分解

（三）石灰石的分解

（四）固相反应

（五）熟料烧成

（六）熟料的冷却

（一）自由水的蒸发

无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。

（二）黏土质原料脱水和分解

黏土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例波动于2：1~4：1之间。当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，黏土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。

高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅，其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900-950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。

（三）石灰石的分解

脱水后的物料，温度继续升至600℃以上时，生料中的碳酸盐开始分解，主要是石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁进行分解，并放出二氧化碳，其反应式如下：

实验表明：碳酸钙和碳酸镁的分解速度随温度升高而加快，在600~700 ℃时碳酸镁已开始分解，加热到750 ℃分解剧烈进行。碳酸钙分解温度较高，在900 ℃时才快速分解。

碳酸钙（CaCO3）是生料中的主要成分，分解时需要吸收大量的热，其分解过程中消耗的热量约占干法窑热耗的一半以上，其分解时间和分解率都将影响熟料的烧成。因此，碳酸钙的分解是水泥熟料生产中重要的一环。

碳酸钙的分解具有可逆的性质，如果反应在密闭容器中一定的温度下进行，则随着碳酸钙的分解，气体CO2的总量的增加，其分解速度就要逐渐减慢甚至为零。因此，在煅烧窑内或分解炉内加强通风，及时将CO2气体排出则是有利于碳酸钙的分解，窑系统内CO2来自碳酸盐的分解和燃料的燃烧，废气中CO2含量每减少2%，约可使分解时间缩短10%。当窑系统内通风不畅时，CO2不能及时被排出，废气中CO2含量的增加，会影响燃料燃烧，使窑温降低，废气中CO2含量的增加和温度降低都要延长碳酸钙的分解时间。由此可见，窑内通风对碳酸钙的分解起着重要的作用。

（四）固相反应

黏土和石灰石分解以后分别形成了CaO、MgO、SiO2、Al2O3等氧化物，这时物料中便出现了性质活泼的游离氧化钙，它与生料中的二氧化硅、三氧化二铁和三氧化二铝等氧化物进行固相反应，其反应速度随温度升高而加快。

水泥熟料中各种矿物并不是经过一级固相反应就形成的，而是经过多级固相反应的结果，反应过程比较复杂，其形成过程大致如下：

应该指出，影响上述化学反应的因素很多，它与原料的性质、粉磨的细度及加热条件等因素有关。如生料磨得愈细，混合得愈均匀，就增加了各组分之间的接触面积，有利于固相反应的进行。如从原料的物理化学性质来看，黏土中的二氧化硅若是以结晶状态的石英砂存在，就很难与氧化钙反应，若是由高岭土脱水分解而来的无定形二氧化硅，没有一定晶格或晶格有缺陷，则易与氧化钙进行反应。

从以上化学反应的温度不难发现，这些反应温度都小于反应物和生成物的熔点（如CaO、SiO2与2CaO·SiO2的熔点分别为2570℃、1713℃与2130℃），就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现，反应是在固体状态下进行的。因此叫固相反应，又由于以上反应在进行时放出一定的热量，因此，这些反应又统称为“放热反应”。

（五）熟料烧成

由于固相反应，生成了水泥熟料中C4AF、C3A、C2S等矿物，但是水泥熟料的主要矿物C3S要在液相中才能大量形成。当物料温度升高到近1300℃时，会出现液相，形成液相的主要矿物为C3A、C4AF、R2O等熔剂矿物，但此时，大部分C2S和CaO仍为固相，但它们易被高温的熔融液相所溶解，这种溶解于液相中的C2S和CaO很容易起反应，而生成硅酸三钙：

2CaO·SiO2+CaO → 3CaO·SiO2（C3S）

这个过程也称石灰吸收过程。

当然，C3S也可以通过固相反应来形成，但是煅烧过程需要更高的温度和更长的时间，这种办法在工业上至少在目前还没有什么实用价值。大量C3S 的生成是在液相出现之后，普通硅酸盐水泥熟料组成一般在1300 ℃左右时就开始出现液相，而C3S形成最低温度约在1350 ℃，在1450 ℃下C3S绝大部分生成，所以熟料烧成温度可写成1350~1450 ℃，它是决定熟料质量好坏的关键，若此温度有保证则生成的C3S较多，熟料质量较好；反之，生成C3S较少，熟料质量较差。不仅如此，此温度还影响着C3S的生成速度，随着温度的长高，C3S生成的速度也就加快，在1450 ℃时，反应进行非常迅速，此温度称为熟料烧成的最高温度，所以水泥熟料煅烧设备，必须能够使物料达到如此高的温度。否则，烧成的熟料质量将受影响。