第十四章 无机材料的制备

第十四章无机材料的制备

传统无机非金属材料包括水泥、陶瓷、玻璃和耐火材料，将无机材料科学基础的基本理论和它们的制备工艺原理结合起来，从而加深对理论的理解,进一步培养科学的思维方法。

第一节水泥的制备

主要讲授硅酸盐水泥的生产方法、制备原理和工艺过程。

一．生产方法

水泥的生产方法可归纳为：两磨一烧。

硅酸盐水泥的生产分为三个阶段：石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料经破碎后,按一定比例配合、磨细，并配合为成分合适、质量均匀的生料，称为生料的制备；生料在水泥窑内煅烧至部分熔融所得以硅酸盐为主要成分的硅酸盐水泥熟料，称为熟料煅烧；熟料加适量石膏，有时还加适量混合材料或外加剂共同磨细为水泥，称为水泥粉磨。

二．硅酸盐水泥熟料的煅烧

1．生料在煅烧过程中的物理与化学变化

1．干燥与脱水

干燥即物料中自由水的蒸发,而脱水则是粘土矿物分解放出结晶水。

粘土矿物—高岭土在５00－60０℃下失去结晶水，主要形成非晶质的偏高岭土，因此高岭土脱水后活性较高,其反应式为:

Ａｌ2O3．2SiO2.２Ｈ2O→Aｌ2O３．2SiＯ２+2H2Ｏ

2.碳酸盐分解

生料中的碳酸钙在煅烧过程中发生分解放出二氧化碳，其反应式如下：

ＣaCO3→CaO＋CＯ2 吸热反应

影响碳酸钙分解的因素:

a.温度：高，分解速度增加

b.窑系统的CO２分压:通风良好,CO2分压低，有利于分解

c.生料细度、悬浮分散程度

ｄ.原料的种类和性质。

3.固相反应

在碳酸钙分解的同时，石灰质和粘土质组分间，通过质点的相互扩散,进行固相反应，过程如下:

~80０℃:CａO.Ａl2O3、CaO.Fe2O3、与2CaO.ＳiO2（Ｃ2S）开始形成

800~900℃：开始形成１2CaO.7Al2O3。

900~１100℃：2CaＯ．Al2Ｏ3.ＳｉＯ2（C２AS）形成后又分解。开始形成3CaＯ.ＡlO3(C3A)和４CaO．Al2O3.Ｆｅ２Ｏ3(C4AF)。

1１00~1200℃：大量形成C3A和C4AF，C2S含量达到最大值。

固相反应一般包含相界面上的反应和物质迁移两个过程。提高质点的迁移速率、颗粒粒度的控制（窄分布，避免少量大颗粒的存在）；生料的混合均匀,可以增大各组分间接触,也有利于加速固相反应；矿化剂的引入可以加速固相反应。

4.液相和熟料的烧结

通常水泥熟料在出现液相以前,硅酸三钙不会大量生成。到达最低共熔温度(约125０℃）后,开始出现液相。液相主要由氧化铁、氧化铝、氧化钙所组成，还会有氧化镁、碱等其它组分。在高温液相作用下,水泥熟料逐渐烧结,并伴随着体积收缩。同时,硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相中,以钙离子扩散与硅酸根离子、硅酸二钙

反应，形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙。反应式如下:

C２S+CaＯ→(液相)C3S

随着温度升高和时间的延长,液相量增加，液相粘度减少,氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散,硅酸三钙晶核不断形成，并使小晶体逐渐发育长大，得到发育良好的阿利特晶体，完成熟料的烧结过程。

熟料烧结形成阿利特的过程,与液相形成温度、液相量、液相性质以及氧化钙、硅酸二钙溶解于液相的溶解速度、离子扩散速度等各种因素有关。

最低共熔温度：

组分的性质和数目都影响系统的最低共熔温度。

矿化剂与其他微量元素如氧化钒、氧化锌等将影响最低共熔温度。

液相量：

液相量不仅与组分的性质，而且与组分的含量、熟料烧结温度等有关。液相粘度：

液相粘度对硅酸三钙的形成影响较大。粘度小,液相中质点的扩散速度增加,有利于硅酸三钙的形成。液相的粘度和液相的组成、结构等有关。还与煅烧方法有关,快速升温煅烧的熟料液相粘度小于慢速升温的熟料。

液相的表面张力：

液相的表面张力愈小，愈易润湿熟料颗粒或固相物质，有利于固相反应与固液相反应,促进硅酸三钙的形成。

氧化钙溶解于熟料液相的速率：

与氧化钙的颗粒粒度有关。

5.熟料的冷却

熟料的冷却从烧结温度开始，同时进行液相的凝固与相变两个过

程。

平衡冷却、淬冷、独立析晶三个过程得到的矿物组成差别很大。煅烧良好和急冷的熟料保持细小并发育完整的阿利特晶体。

三.硅酸盐水泥熟料的组成

1．硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁四种氧化物组成，通常在熟料中占95%左右。同时含有约5%的少量氧化物，如氧化镁、硫酐、氧化钛、氧化磷及碱等。

现代生产的硅酸盐水泥熟料，各主要氧化物含量的波动范围为:氧化钙62~67%;氧化硅20~40％；氧化铝4~７%;氧化铁2.５~6%。

2.硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物:

硅酸三钙 3CaＯ.ＳiO2 简写为Ｃ3S;

硅酸二钙 2ＣaＯ．SｉO2 简写为C2S；

铝酸三钙 3ＣaO.AlＯ3 简写为Ｃ3A；

铁相固溶体 4CaＯ.Al2O3.Fｅ2O3 简写为C4AF。

另外,还有少量的游离氧化钙（f－CaＯ）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物以及玻璃体等。

通常,熟料中硅酸三钙和硅酸二钙的含量占７５%左右，合成硅酸盐矿物;铝酸三钙和铁铝酸四钙含量占22%左右。在煅烧过程中与氧化镁、碱等,在1250~1280℃开始，会逐渐熔融成液相以促进硅酸三钙的顺利形成,故称为熔剂矿物。

四．硅酸盐水泥生产的主要工艺过程

硅酸盐水泥生产的主要工艺过程为：生料制备（包括原料破碎、原料预均化、原料的配合、生料的粉磨和均化等);熟料的煅烧;水泥的粉磨与包装等。

水泥按照生料制备方法,有干法和湿法两种。将原料同时烘干与