水泥生产方法及其主要设备

水泥生产方法及主要设备

一、硅酸盐水泥熟料

1．熟料定义

硅酸盐水泥熟料按中国标准的定义为：“以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物”。按欧洲试行标准的定义为：“波特兰水泥熟料是一种水硬性材料，以重量计至少2／3是由硅酸钙(C3S和C2S)组成，其余为氧化铝(Al203)，氧化铁(FC2O3)和其它氧化物。CaO／SiO。重量比应不小于2．0。氧化镁(MgO)以重量计不应超过5％。

波特兰水泥熟料是由精确配定的混合原料(生料粉，料泥或生料浆)经至少煅烧至烧结而制成的，混合原料含有CaO，SiO2，Al2O3和少量其它物质。生料粉，料泥或生料浆必须细磨，充分混合，因而是均匀的”。

由以上的定义中可以看出欧洲标准规定的比较明确，对熟料的矿物组成(如硅酸盐矿物)和化学组成(如CaO／SiO重量比)都给予数量上的限定，对生料的制备质量也提出了细磨和混合均匀的要求。这些对新品种开发和提高水泥及混凝土质量是很重要的。

2．熟料矿物组成

硅酸盐水泥熟料主要由4种结晶矿物组成，即阿利特，贝利特，铝酸盐和铁铝酸盐，它们紧密地交织在一起，另外还有少量游离石灰，方镁石，玻璃体和孔隙。

阿利特(Alite) 主要由硅酸三钙组成，分子式为3CaO·SiO2，简写C3S。因为熟料中不存在纯的C3S，其中都固溶有MgO，Al2O3，Fe2O3，TiO2以及V12O，Na2O等金属氧化物，所以在准确叫法称为阿利特矿物，简称A矿，C3S水化速度快，早期强度和后期强度都高，是硅酸盐水泥熟料尤其高活性熟料的主要矿物，含量一般在40％~80％，我国最高在67％左右，国外可达85％。

贝利特(Belite) 主要由硅酸二钙组成，分子式为2CaO·SiO2，简写为C2S。因为熟料中不可能有纯的C2S，其中多固溶有Al2O3，Fe2O3，MgO，V12O，Na2O，TiO2，P2O5等杂质，所以称为贝利特矿物，简称B矿。C2S水化速度慢、早期强度低，长期强度能达到与C3S相同的水平。

C2S有4种晶型，在2130℃下烧至熔融为a型，1420°C为a′型，温

度降至675℃转变为β型，降到300~400℃转变为ν型。强度以a型最高，以后随温度降低和晶型转变而降低，到v型几乎没有强度，体积膨胀10％，造成熟料粉化。在水泥熟料中主要是β型C2S，一般通过其他离子侵入和快速冷却能使β型C2S稳定不再转变为V型C2S。C2S含量一般在0％~30％之间，我国高的在35％左右。

铝酸盐纯的铝酸盐相为铝酸三钙，即3CaO·Al2O，简写为C3A，在熟料中C3A也含有Al2O，Na2O等氧化物。C3A水化速度极快，为抑制其水化速度调节凝结时间要加入一定量的硫酸盐(如石膏)，C3A本身强度不高，但因其水化快和水化热高，能与阿利特和贝利特一起提高一些水泥早期强度。CaA含量一般6％~13％，我国偏低一些，4％~11％，国外一般偏高，个别情况高达15％。

铁铝酸盐又称铁酸盐相，它没有固定的化学组成，是晶体混合系列中的一环，理论上可达到C2A和C2F，所以常常称为铁铝酸四钙，简写为C4AF，然而C2A并不存在。这一晶体混合系列为C2A…C6A2F…C4AF…C6AF…C2F，视氧化铁和氧化铝含量的不同，混合晶体可偏向铁多的一面或铝多的一面，在水泥熟料中系数情况下是相当于C4AF的组成，也可写成C2(AF)。铁铝酸盐相中也固溶一些其他离子，它对水泥颜色起很大的决定作用，纯的C4AF为褐色，含MgO后为深灰绿色。C4AF的反应活性很低，对水泥性能作用不大。C4AF含量一般为4％~15％，中国偏高一些，高的在18％左右，低的约8％。

游离石灰水泥熟料中未与酸性氧化物化合的氧化钙，常写成fCaO，一般含量都在2％以下。游离石灰是不希望存在的，它的出现有以下几个原因：生料制备不好，有过粗的颗粒或混合不均匀；煅烧温度不够，未能同其他氧化物化合；冷却速度过慢，部分C3S分解成C2S和fCaO；配料不当氧化钙含量过高。游离石灰过高会使砂浆和混凝土发生膨胀，造成安定性不良。

游离氧化镁或方镁石在氧化镁含量高的熟料中可能含有游离的氧化镁，一般只写成MgO，MgO有2％~2．5％能固溶到熟料的其它相中，水泥标准中规定MgO含量不得超过5％，所以熟料中最高能有2．5％~3．0％的MgO。固溶在其它相中的方镁石量取决于熟料的化学成分和生产工艺，这部分没有什么危害。游离的方镁石如含量过高会产生膨胀，又常在一年以后发生，造成混凝土损坏。方镁石如结晶细小和分散均匀，膨胀作用也小，粗大的结晶和呈窝状存在危

害较大，游离石灰也是这样。

除此之外熟料中在个别情况下也还可能存在极少量的硫酸碱和玻璃体。

3．熟料化学组成及率值

为了能够煅烧出所需矿物组成的熟料，首先要配制出具有一定化学成分的生料，生料去掉烧失量后的化学成分即熟料化学成分一般范围列于表7。

表7熟料化学成分范围（重量>）

在调配原料时要通过各种氧化物的比例关系进行控制，这些比例关系又称率值，常用的率值有以下几种：

(1)石灰饱和系数KH

在熟料中石灰完全饱和是指全部SiO2都形成C3S，全部Fe2O3，都形成C4AF，剩余的Al2O3，都形成C3A，石灰饱和系数是指熟料中实际的CaO含量与理论上达到完全饱和时的CaO含量之比。在中国使用前苏联的金德公式计算，用生成C4AF和C3A和CaSO4后剩余的CaO量与SiO2全部生成C3S，所需要的CaO量之比

KH=

如fCaO过高上式中还应考虑扣除iCaO，尤其在我国的立窑生产中要计算扣除fCaO后的KH′值

KH′=

目前我国熟料的KH值在0．82—0．96之间。

在国外石灰饱和系数的计算为：

也还有用石灰标准系数KST(德国)和石灰饱和率CSF(英国)两种表示法，即KST=

LSF=

(2)硅酸率SM

硅酸率是SiO2与A12O3和Fe2O3之和的比值，它表示熟料在烧结时(在烧成带内)固相与流相的比例。因为SiO2在烧结温度下绝大部分都在固相阿利特和贝利特相中，而氧化铝和氧化铁则存在液相中。目前，我国水泥熟料的硅酸率在1．6~2．8之间，国外在1．9~3．2之间。