第三章 熟料的组成

KH
C3 S 0.8837C2 S C3 S 1.3256C2 S
从上式中可知： 当C3S=0时，KH=0.667，这时，熟料中只有 C2S，C3A，C4AF而无C3S； 当C2S=0时,KH=1，此时，熟料中无C2S，只 有C3S,C3A,C4AF。 所以KH值介于0.667~1.0之间。


若ＩＭ小于０.64，则熟料矿物组成为C3S、 C2S、C4AF和Ｃ２Ｆ，同理可将C4AF改写成 C2A和C2F ，可得： ＫＨ＝ＣaO-1.1Al2O3-0.7Fe2O3/2.8SiO2 如果考虑熟料中还有游离CaO，游离SiO2和石 膏，则上面两式分别为：（上式适用条件为 IM≥0.64，下式适用条件为IM<0.64)



四.熟料矿物组成的计算




（一）石灰饱和系数法 （二）鲍格法（代数法） （三）熟料真实矿物组成与计算矿物组 成的差异 1.固溶体的影响 2.冷却条件的影响 3.碱和其他微组分的影响


思考题
1.推导石灰饱和系数KH公式？ 2.KH过低和过高将会对熟料质量、窑的操作产生怎样 的影响？ 3. SM过低和过高将会对熟料质量、窑的操作产生怎样 的影响？ 4 .下列水泥是什么品种的水泥？ A. 91.5%熟料，5%石灰石，3.5%石膏; B. 91%熟料，5%矿渣，4%石膏; C. 96%熟料，4%石膏; D. 82%熟料，15%矿渣，3%石膏; E. 81.5%熟料，5%窑灰，10%火山灰，3.5%石 膏;


颗粒层的填充结构 1、等径球形颗粒群的规则排列结构 等径球形颗粒的平面排列形式： 立方排列和六方排列

规则填充

规则填充：(a)和 (d)是在下层球的正上面排 列上层球； (b)和(e)是在下层球和球的切点 上排列上层球； (c)和(f)是在下层球间隙的 中心上排列上层球。
布拉伐格子是晶格的 一种数学抽象，其中 布拉伐格子的所有格 点都是几何位置上等 价、周围环境相同的 点；若把原子或原子 团安置在布拉伐格子 的每一个格点上，就 可得到相应的晶格。 虽然晶格的类型很多， 但自然界中的布拉伐格子却只有14种。这14种布拉 伐格子又可划分为七大晶系。 七大晶系分别是：单斜晶系、三斜晶系、三方晶系、 四方晶系、斜方晶系、六方晶系、立方晶系


课堂测验题：
1.请推导IM<0.64时的KH公式。 2.某熟料中SiO2 含量为20%，已知与SiO2 化合的 CaO含量为50.4%，试计算该熟料的KH。(已知分 子量分别是：Si:28，O:16，Ca:40, Fe:56, Al:27) 3.请说明熟料粉化的原因。 4.水泥粉磨时，为什么要加入石膏？但又为什么 要限制其掺量？ 5.造成水泥安定性不良的原因有那些？各应采取 什么方法检验？为什么？







苏联学者金德和容克根据上式，认为在实际生 产中，Al2O3和Fe2O3始终为CaO所饱和，唯独SiO2 可能不完全饱和生成C3S，而存在一部分C2S，因此， 应在SiO2之前加一石灰饱和系数KH。 CaO=KH×2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3 即： ＫＨ＝ＣaO-1.65Al2O3-0.35Fe2O3/2.8SiO2 上式适应的条件是：铝率ＩＭ＝Al2O3/Fe2O3≥0.64的 熟料。 因此，石灰饱和系数KH是熟料中全部二氧化硅生成 硅酸钙（Ｃ２Ｓ＋Ｃ３Ｓ）所需的氧化钙含量与全部 二氧化硅理论上全部生成硅酸三钙所需的氧化钙含 量的比值．也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形 成硅酸三钙的程度。



பைடு நூலகம்
KH实际上表示了熟料中C3S与C2S百分含量的 比例。KH越大，则硅酸盐矿物中的C3S的比例 越高，熟料强度越好，故提高KH有利于提高 水泥熟料质量。但KH过高，熟料煅烧困难， 必须提高煅烧温度，延长煅烧时间，否则会出 现f-CaO，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工 作条件恶化。 为使熟料顺利形成，不致因过多的游离石灰而 影响熟料的质量，通常，在工厂条件下，石灰 饱和系数一般控制在0.82~0.96之间。 值得一提的是，各国用于控制石灰含量的率值 公式有所不同，常见的有： 水硬率HM，石灰标准值KSt，李和派克石灰 饱和系数LSF。
第三章 熟料化学成分及矿物组成


(一)化学成分 四种主要氧化物:CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3,其总量 大于95%，一般硅酸水泥熟料各氧化物含量波 动范围为:CaO 62~67%，SiO2 20~24%，Al2O3 4~7%，Fe2O3 2.5~6.0%; 白色硅酸盐水泥熟料中Fe2O3必须小于0.5%， SiO2高于24%，甚至可达27%。


3.3 熟料组成设计
熟料矿物组成的选择，一般应根据水泥的 品种和强度等级、原料和燃料的品质、生料 制备和熟料煅烧工艺综合考虑，以达到优质 高产低消耗和设备长期安全运转的目的。
（一）水泥品种和强度等级
若要求生产普通硅酸盐水泥，则在保证水泥强度等级以及正 常凝结时间和良好安定性的条件下，其化学成分可在一定范围 内变动。可以采用高铁、低铁、低硅、高硅、高饱和系数低饱 和系数等多种配料方案。但要注意三个率值配合适当，不能过 份强调某一率值。强度等级要求高的熟料，其KH或SM要求应 高些；反之，可要求低些。一般情况下，采用高KH时，应适当 降低SM；采用高SM时，应适当降低KH；同时采用高KH和高 SM，由于需要较高的煅烧温度，实际生产中C3S往往难以反应 完成，会有较多f-CaO产生，影响水泥的安定性。




关于水泥四种矿物性质的比较: 1.水化速度: C3A>C3S>C4AF>C2S 2.水化热: C3A>C3S>C4AF>C2S 3.强度: C3S>C2S>C4AF>C3A 4.耐化学侵蚀: C4AF>C2S>C3S>C3A 5.干缩性: C3A>C3S>C2S>C4AF
（三）铝率




铝率又称铁率，表示熟料中氧化铝与氧化铁 的质量比，也表示熟料中铝酸三钙与铁铝酸 四钙的比例关系，以IM表示，计算式为： IM=Al2O3/Fe2O3 IM一般在0.9~1.7之间。 熟料铝率IM高，熟料中铝酸三钙多，液相黏 度大，物料难烧，水泥凝结快。但铝率IM过 低，虽然液相黏度小，液相中质点易扩散对 硅酸三钙形成有利，但烧结范围窄，窑内易 结大块，不利于窑的操作。
面心立方堆积




2.硅酸二钙（C2S) 在熟料中含量约为20%左右，是硅酸盐水泥熟料的主要 矿物之一。在熟料中并不是以纯的形式存在，常含少量 MgO, Al2O3, Fe2O3, R2O等氧化物形成固溶体，通常称之 为 Blite或B矿，纯C2S在1450以下有下列晶型转变。 C2S存在α,α’,β,γ等变形,在室温下, α,α’,β变形是不稳定的, 有转变成γ型的趋势.一般在熟料中α和α’较少存在；在烧 成温度较高，冷却较快时,由于固溶了少量的MgO、 Al2O3、Fe2O3、R2O等氧化物形成固溶体而以β型存在, 通常所指的硅酸二钙或B矿即为β型硅酸二钙.由于有固 溶体的存在, β型的C2S可以稳定. α,α’型C2S强度较高,而γ型C2S几乎无水硬性.在立窑厂有 时熟料常出现粉化现象,就是由于出现了β型向γ转变,体 积膨胀的结果. Blite水化反应较慢,28d仅水化20%左右,凝结硬化缓慢,早 期强度较低,但后期强度增长率较高,在一年后可赶上
3.中间相

填充在Alite和Blite 之间物质通称为中间相,部分结晶, 部分成为玻璃体.


(1)铝酸三钙(C3A)

在熟料中含量约在7~15%的范围内,结晶完善的C3A 呈立方,八面体或十二面体.一般成玻璃相或不规则微 晶体.在反光镜下,快冷呈点滴状,慢冷呈矩形或柱形,常 因反光能力差,呈暗灰色,故称黑色中间相. C3A水化迅速,放热多,凝结很快,硬化快,强度3d内就发 挥出来,但绝对值不高,以后几乎不增长,甚至倒缩.干缩 变形大,抗硫酸盐性能差.

三.熟料的率值

率值:各氧化物之间的比例。


(一)石灰饱和系数
在熟料四个主要氧化物中,CaO为碱性氧化物,SiO2, Al2O3和Fe2O3为酸性氧化物，两者相互化合生成四种 熟料矿物C3S、C2S、C3A和C4AF。 古特曼(A.Guttmann)和杰耳(F.Gille)认为酸性氧化物 形成碱性最高的矿物为C3S、C3A和C4AF，从而提出 了他们的石灰理论极限含量。为便于计算，可将 C4AF改写为C3A与CF，所以石灰理论极限含量计算 式为： CaO=2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3


(2)铁相固溶体
在熟料中一般10~18%。熟料中含铁相较复杂，是 一系列的连续固溶体，一般用C4AF表示，称为铁铝 酸四钙，又称为Clite,C矿，属斜方晶系，常呈棱柱 状和圆粒状晶体,在反光镜下由于反射能力强，呈亮 白色，故通常称为白色中间相。 C4AF的水化速度在早期介于C3A与C3S之间，但随 后的发展不如C3S。早期强度类似C3A，后期还能不 断地增长，类似于C2S.抗冲击性能和抗硫酸盐性能 好，水化热较C3A低，含C4AF高的熟料难磨，所以 在道路水泥中和抗硫酸盐水泥中，C4AF含量应高些。
(二）硅率





硅率又称硅酸率，它表示熟料中SiO2的百分含 量与Al2O3和Fe2O3百分含量之比，还表示熟料 中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例关系，用SM 表示： SM=SiO2/(Al2O3+Fe2O3) SM一般在1.7~2.7之间。 若熟料硅率SM过高，则由于高温液相量显著 减少，熟料煅烧困难，C3S不易形成，如果 CaO含量低，那么C2S含量过多而熟料易粉化。 SM过低，则熟料因硅酸盐矿物少而强度降低， 且由于液相量过多，易出现结大块、结炉瘤、 结圈等，影响窑的操作。
CaO CaO游 1.65 Al2O3 0.35Fe2O3 0.7 SO3 2.8( SiO2 SiO2 游 )
KH
KH
CaO CaO游 1.1 Al2O3 0.7 Fe2O3 0.7 SO3 2.8( SiO2 SiO2 游 )
石灰饱和系数与矿物组成的关系可用下式表示：



(3)玻璃体

在实际的生产中,由于冷却速度较快,部分液相来不及 结晶而成为过冷液体，即玻璃体。 熔剂矿物太多或太少，都会影响熟料质量。


(4)游离氧化钙和方镁石
游离氧化钙又称为游离石灰，是指经高温煅烧而仍 未化合的氧化钙。 f-CaO增加，首先是抗折强度下降，进而引起3d以 后强度倒缩，严重影响安定性。 我国回转窑f-CaO一般控制在1.5%以下，立窑控制 在2.5%以下。 方镁石是指游离的MgO晶体，它在熟料中有三种存 在形式:1.溶解于C3A、C3S中形成固溶体；2.溶于 玻璃体中；3.以游离状态形式存在。 以前两者形式存在熟料中，对硬化水泥浆体无破坏 作用，但以游离状态形式存在会造成体积安定性不 良。因此，在水泥生产中应严格限制MgO的含量。
1.硅酸三钙(C3S)





C3S是硅酸盐水泥熟料的主要矿物,其含量通常在50% 以上.纯C3S只有在2065~1250º C温度内才稳定,所以 在室温下C3S呈介稳状态;它有三种晶系七种变形. R型为三方晶系,M型为单斜晶系,T型为三斜晶系;这些 变型的晶体结构相近. 由于在硅酸盐水泥熟料中,C3S常含有少量MgO, Al2O3, Fe2O3等形成固溶体,称为Alite(A矿),通常为M型或R型 . 在Alite 中常以C2S和CaO的包裹体存在。 C3S凝结时间正常,水化较快,放热较多,早期强度高且后 期强度增进率较大,28d强度可达一年强度的 70~80%,其28d强度和一年强度在四种矿物中均最 高.但C3S的水化热较高,抗水性较差.
系统中的水泥区





(二)矿物组成 四种矿物主要是:硅酸三钙,3CaO.SiO2,简写C3S; 硅酸二钙,2CaO.SiO2,简写C2S; 铝酸三钙,3CaO.Al2O3,简写C3A; 铁铝酸四钙,4CaO.Al2O3.Fe2O3,简写C4AF; 此外,熟料中还有:fCaO，和MgO,含碱矿物及玻璃体。 注意:在反光显微镜下,C3S呈黑色多角形;C2S呈黑白双晶 条纹的圆形;反射能力强的白色中间相是铁相固溶体,反 射能力弱的黑色中间相是C3A; 硅酸盐矿物:C3S+C2S约75% 熔剂矿物:C3A和C4AF,以及氧化镁,碱等.