硅酸盐水泥熟料的煅烧和生产过程
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矿化剂 矿化剂可通过与反应物形成固溶体使晶格活 化，反应能力加强；也可以形成低共熔物，使物 料在较低温度下形成液相，从而加速扩散和和固 相的溶解作用
5.1.4 液相的形成与熟料的烧结
液相的形成 液相的组成：由氧化铁、氧化铝、 氧化钙、氧化镁和碱 及其他组分。
最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组 分开始出现液相的温度称为最低共熔温度。 其大小与组分的性质与数目有关。（见表1 －4－1）
硅酸三钙的形成： C 2SC aO 液 相 C 3S
物理化学变化过程：随着时间延长和温度升高，液相 量逐渐增加，氧化钙、硅酸二钙 不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核 不断形成，小晶体逐渐发育长大， 最终形成几十微米大小、结晶良 好的阿利特晶体。
影响因素：物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、 矿化剂与其他微量元素等。
800 ~ 900 ℃：开始形成12CaO•7Al2O3(C12A7); 900 ~ 1000 ℃: 2CaO• Al2O3•SiO2(C2AS)形成后又分解。
开始形成3CaO•Al2O3(C3A)和4CaO• Al2O3•Fe2O3(C4AF)。所有 碳酸盐均分解,游离氧化钙达到最高值。
1100 ~ 1200℃:大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大 值。
硅酸盐水泥熟料 的煅烧和生产过程
学习要点 本章主要介绍新型干法水泥生产过 程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程 中的物理化学变化，以旋风筒—换 热管道—分解炉—回转窑—冷却机 为主线，着重介绍当代水泥工业发 展的主流和最先进的煅烧工艺及设 备、生产过程的控制调节等。
熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃 料与衬料的消耗以及窑的安全运转。水泥窑有多种功 能：反应炉、熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体 的输送设备。
液相的粘度：它直接影响硅酸三钙的形成速率及晶体发 育。其大小与液相的组分性质与温度有关。 温度越高，粘度越低；铝率越高，粘度越 大；多数微量元素可降低液相粘度。
液相的表面张力：其大小与组分性质、温度有关。它 影响着液相能润湿固相的程度，表 面张力越小，润湿性越好，有利于 C3S的形成。
熟料的烧结
（1）高岭石脱水
A l 2 O 3 2 S i O 2 2 H 2 O A l 2 O 3 2 S i O 2 2 H 2 O
（2）蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.m H2O→Al2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构—活性低)
（3）伊利石脱水 产物也是晶体结构,伴随体积膨胀
5.1.2碳酸盐分解 碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解，其
影响固相反应的因素
生料的细度 生料愈细，比表面积越大，组分接触面越 大，同时表面质点的自由能越大，使扩散和反应 能力增强，因而反应速率加快；
生料的均化程度 生料的均匀混合，可增加各组分间接 触，也有利于加速反应；
压力 在固相反应中，增大压力可加速物质的传递过程. 但熟料烧结过程是多相共存、多反应同时进行的 过程.因此，提高压力有时并不表现出积极作用；
5.1 生料煅烧过程中的物理、化学变化
尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异，但物理、化 学变化过程基本相似.其过程可概括为：
干燥与脱水
碳酸盐分解
固相反应
熟料的冷却
液相和熟料的烧结
5.1.1 生料的干燥与脱水
干燥 自由水的蒸发。这一过程由于煅烧方式的不同
而有所差异。干法窑生料含水量一般不超过1.0％； 半干法立波尔窑和立窑为便于生料成球，通常含水 12-15%，半湿法立波尔窑过滤水分后的料块通常为 18-22%；湿法为保证料浆的可泵性则通常为30-40%。
自由水蒸发热耗：
100℃时，2257kJ/kgH2O（539kCal/kg）
✓ 脱水 指黏土矿物分解释放化学结合水。
粘土矿物的化合水存在形式： 层间水：以水分子形式吸附于晶层结构中。 配位水：以OH－状态存在于晶体结构中。
层间水在100℃左右即可排除， 而配位水则必须高达400~600℃以上 才能脱去。
(单个颗粒碳酸盐分解动力学方程)
窑系统的CO2分压 通风良好, CO2分压较低,有利 于碳酸盐分解;
生料细度和颗粒级配 生料细度细,颗粒均匀,粗粒 少,分解速率快;
生料悬浮程度 生料悬浮分散良好,相对减小颗粒 尺寸,增大了传热面积,提高了碳酸盐分解速率;
石灰石的种类和物理性质 结构致密,结晶粗大的 石灰石,分解速率慢;
目的：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑 的热效率；改善熟料质量与易磨性；便于熟料 运输、贮存与粉磨。
（4）分解出的CO2，穿过CaO层面向表面扩散的传质过 程；
（5）表面的CO2向周围介质气流扩散过程
✓影响碳酸盐分解速率的因素
温度 随温度升高，分解速率常数和压力倒数差相 应增大，分解速率和时间缩短；
t
d
(1—3 1—ε)
K(1 — 1 )
p P0
式中： t—分解时间；K—分解常数；
P—CO2的分压；ε—分解率 d—生料等效粒径；
生料中粘土质组分和性质 粘土质中的矿物组分 的活性依次按高岭土、蒙脱石、伊利石、石英降低.粘 土质原料活性越大，可加速碳酸盐的分解过程.
5.1.3固相反应
在碳酸盐分解的同时，石灰质与粘土质组分间进行固 相反应，其过程如下：
~800℃：CaO•Al2O3，CaO•Fe2O3与2CaO•SiO2开始 形成；
化学反应式为：
C aC O 3 C aO C O 21645Jg1(890C ) M gC O 3 M gO C O 21214Jg1(590C )
✓ 分解过程分五步进行：
CaCO3
（1）气流向颗粒表面的传热过程；
CaO
（2）热量由表面以热传导方式向分解面传递过程；
（3）碳酸盐在一定温度下吸收热量，进行分解并放出 CO2的化学过程；
液相量：液相量与组分的性质、含量、温度等因素有关 (一般为20~30%) 。对C－S－A－F四元系统， 在不同温度下的液相量（P）可按下式计算：
不同温度下，液相的计算公式：
1400℃ 1450℃ 1500℃
P＝2.95A＋2.20F P＝3.00A＋2.2分全部 进入液相。
5.1.4 液相的形成与熟料的烧结
液相的形成 液相的组成：由氧化铁、氧化铝、 氧化钙、氧化镁和碱 及其他组分。
最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组 分开始出现液相的温度称为最低共熔温度。 其大小与组分的性质与数目有关。（见表1 －4－1）
硅酸三钙的形成： C 2SC aO 液 相 C 3S
物理化学变化过程：随着时间延长和温度升高，液相 量逐渐增加，氧化钙、硅酸二钙 不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核 不断形成，小晶体逐渐发育长大， 最终形成几十微米大小、结晶良 好的阿利特晶体。
影响因素：物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、 矿化剂与其他微量元素等。
800 ~ 900 ℃：开始形成12CaO•7Al2O3(C12A7); 900 ~ 1000 ℃: 2CaO• Al2O3•SiO2(C2AS)形成后又分解。
开始形成3CaO•Al2O3(C3A)和4CaO• Al2O3•Fe2O3(C4AF)。所有 碳酸盐均分解,游离氧化钙达到最高值。
1100 ~ 1200℃:大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大 值。
硅酸盐水泥熟料 的煅烧和生产过程
学习要点 本章主要介绍新型干法水泥生产过 程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程 中的物理化学变化，以旋风筒—换 热管道—分解炉—回转窑—冷却机 为主线，着重介绍当代水泥工业发 展的主流和最先进的煅烧工艺及设 备、生产过程的控制调节等。
熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃 料与衬料的消耗以及窑的安全运转。水泥窑有多种功 能：反应炉、熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体 的输送设备。
液相的粘度：它直接影响硅酸三钙的形成速率及晶体发 育。其大小与液相的组分性质与温度有关。 温度越高，粘度越低；铝率越高，粘度越 大；多数微量元素可降低液相粘度。
液相的表面张力：其大小与组分性质、温度有关。它 影响着液相能润湿固相的程度，表 面张力越小，润湿性越好，有利于 C3S的形成。
熟料的烧结
（1）高岭石脱水
A l 2 O 3 2 S i O 2 2 H 2 O A l 2 O 3 2 S i O 2 2 H 2 O
（2）蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.m H2O→Al2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构—活性低)
（3）伊利石脱水 产物也是晶体结构,伴随体积膨胀
5.1.2碳酸盐分解 碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解，其
影响固相反应的因素
生料的细度 生料愈细，比表面积越大，组分接触面越 大，同时表面质点的自由能越大，使扩散和反应 能力增强，因而反应速率加快；
生料的均化程度 生料的均匀混合，可增加各组分间接 触，也有利于加速反应；
压力 在固相反应中，增大压力可加速物质的传递过程. 但熟料烧结过程是多相共存、多反应同时进行的 过程.因此，提高压力有时并不表现出积极作用；
5.1 生料煅烧过程中的物理、化学变化
尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异，但物理、化 学变化过程基本相似.其过程可概括为：
干燥与脱水
碳酸盐分解
固相反应
熟料的冷却
液相和熟料的烧结
5.1.1 生料的干燥与脱水
干燥 自由水的蒸发。这一过程由于煅烧方式的不同
而有所差异。干法窑生料含水量一般不超过1.0％； 半干法立波尔窑和立窑为便于生料成球，通常含水 12-15%，半湿法立波尔窑过滤水分后的料块通常为 18-22%；湿法为保证料浆的可泵性则通常为30-40%。
自由水蒸发热耗：
100℃时，2257kJ/kgH2O（539kCal/kg）
✓ 脱水 指黏土矿物分解释放化学结合水。
粘土矿物的化合水存在形式： 层间水：以水分子形式吸附于晶层结构中。 配位水：以OH－状态存在于晶体结构中。
层间水在100℃左右即可排除， 而配位水则必须高达400~600℃以上 才能脱去。
(单个颗粒碳酸盐分解动力学方程)
窑系统的CO2分压 通风良好, CO2分压较低,有利 于碳酸盐分解;
生料细度和颗粒级配 生料细度细,颗粒均匀,粗粒 少,分解速率快;
生料悬浮程度 生料悬浮分散良好,相对减小颗粒 尺寸,增大了传热面积,提高了碳酸盐分解速率;
石灰石的种类和物理性质 结构致密,结晶粗大的 石灰石,分解速率慢;
目的：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑 的热效率；改善熟料质量与易磨性；便于熟料 运输、贮存与粉磨。
（4）分解出的CO2，穿过CaO层面向表面扩散的传质过 程；
（5）表面的CO2向周围介质气流扩散过程
✓影响碳酸盐分解速率的因素
温度 随温度升高，分解速率常数和压力倒数差相 应增大，分解速率和时间缩短；
t
d
(1—3 1—ε)
K(1 — 1 )
p P0
式中： t—分解时间；K—分解常数；
P—CO2的分压；ε—分解率 d—生料等效粒径；
生料中粘土质组分和性质 粘土质中的矿物组分 的活性依次按高岭土、蒙脱石、伊利石、石英降低.粘 土质原料活性越大，可加速碳酸盐的分解过程.
5.1.3固相反应
在碳酸盐分解的同时，石灰质与粘土质组分间进行固 相反应，其过程如下：
~800℃：CaO•Al2O3，CaO•Fe2O3与2CaO•SiO2开始 形成；
化学反应式为：
C aC O 3 C aO C O 21645Jg1(890C ) M gC O 3 M gO C O 21214Jg1(590C )
✓ 分解过程分五步进行：
CaCO3
（1）气流向颗粒表面的传热过程；
CaO
（2）热量由表面以热传导方式向分解面传递过程；
（3）碳酸盐在一定温度下吸收热量，进行分解并放出 CO2的化学过程；
液相量：液相量与组分的性质、含量、温度等因素有关 (一般为20~30%) 。对C－S－A－F四元系统， 在不同温度下的液相量（P）可按下式计算：
不同温度下，液相的计算公式：
1400℃ 1450℃ 1500℃
P＝2.95A＋2.20F P＝3.00A＋2.2分全部 进入液相。