硅酸盐水泥熟料的煅烧工艺课件(PPT 49页)

对高铁配方，IM<1.38，应适当慢冷，可增加C3S (液相粘度小，温度梯度小，回吸C2S析出C3S)。
（2）相变反应
影响熟料质量
C3S < 1250℃
C2S + fCaO
(1)反应条件：冷却速度慢，还原气氛， <1250℃； (2)后果：降低水硬性，不影响安定性，因为反应生成的fCaO较快水化(消解)； (3)措施：急冷。
4.形成中间过渡相，加速C3S形成；
3(α-C2S)+3CaF2+CaO 3C3S ·CaF2
3C3S ·CaF2液相 3C3S+CaF2
晶种
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5.增加A矿含量；
C12A7+CaF2 C11A7 ·CaF2 +CaO
C2S+CaO C3S
6.促使含碱矿物分解；
KC23S12+CaF2 KF+12C2S NC8A3+CaF2 NaF+3C3A
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六、熟料的冷却
1.目的
（1）回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑的热效率； （2）便于熟料的运输：高温对运输设备要求高，影响大； （3）有利于改善熟料易磨性：急冷，熟料矿物晶体小，玻璃体
含量高； （4）有利于改善熟料性能：
急冷A矿，晶体细小，发育完整，活性好，水化快； 急冷C3A，玻璃态多，抗硫酸盐侵蚀性能好； 慢冷方镁石，晶体大，对安定性影响更严重。
（5）水泥中含碱量高，易生成钾石膏（K2SO4·CaSO4·H2O）， 使水泥快凝；
（6）在混凝土中，水泥中的碱能与活性集料发生“碱集料反应”， 使混凝土膨胀破坏；
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（7）碱还能使混凝土表面起霜（白斑）。
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五、氧化镁
（1）降低熟料烧成温度，增加液相量，降低液相粘度，具有助 熔作用；
（2）主要固溶于铁相，能改善水泥色泽； （3）MgO过多，形成游离方镁石结晶，影响水泥的安定性。
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3.液相粘度
取决于组分的性质、含量和煅烧温度
IM大，粘度大；碱多，粘度大；温度高，粘度小。
液相粘度影响C3S形成速度和晶体尺寸，粘度小，质点扩散速度快， 有利于C3S的形成及晶体的发育。
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4.液相表面张力
取决于镁、碱、硫含量和煅烧温度
液相表面张力越小，越容易润湿熟料颗粒，有利于固相反应和固液 相反应。促进熟料矿物尤其是C3S的形成。
4.降低液相表面张力，有利于A矿生长成大晶体；
5.含硫酸盐的A矿晶体水硬性较弱。
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三、萤石、石膏复合矿化剂
掺氟硫复合矿化剂，形成熟料矿物的影响因素较多： 熟料组成、CaF2/SO3的比值、烧成温度的高低。 （1）多采用高饱和系数、低硅率和高铝率配料。 （2）石膏掺量，以熟料中SO3＝1.0～1.5％为宜；萤石掺量，以熟料中
烧结范围：是指水泥生料加热至出现烧结所需的、最少的液相时的温度 （开始烧结的温度）与开始出现结大块（超过正常液相量）时温度的差值。
通常硅酸盐水泥熟料的烧结范围约为150℃（1300～1450 ℃ ）。 液相量随温度升高而缓慢增加，烧结范围就较宽；反之，烧结范围就校窄。 烧结范围宽的生料，窑内温度波动时，不易发生生烧或结大块现象。 含铁量较高的硅酸盐水泥，其烧结范围就较窄。
液相
C2S + CaO
C3S
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1.液相出现温度
取决于组分的性质和数目
2.液相量
取决于组分的性质、含量和煅烧温度
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MgO 和碱等组分可认为全部变成液相，所以MgO和碱的 存在及其含量影响液相量的多少。 一般熟料的液相量约为20～30％，白水泥熟料的液相量 只有15％左右（采用白土，熟料中Fe2O3< 0.5%）。
矿 化
剂
加
与反应物形成低共熔物
降低液相出现温度， 加速扩散和溶解作用
速
固
相
使反应物断键
反
提高反应速度
应
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五、熟料的烧成
温度升高至1250～1280℃时，达到最低共熔温度，C3A、C4AF 熔成液相，出现主要由Fe2O3、Al2O3、CaO组成，还有MgO和 碱等的液相。
在高温液相的作用下，熟料逐渐烧结；同时，C2S与fCaO溶解于 液相，以Ca2＋离子扩散与SiO44－离子、C2S反应，形成C3S。
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β — C2S 500℃ γ — C2S
(1)反应条件：冷却速度慢，还原气氛， 500℃； (2)后果： C2S 密度减小，体积增大，导致熟料粉化，强度下降； (3)措施：急冷；引入少量Ba2+、Na+替代Ca2+,BO45-、PO43-替代SiO44-,稳定C2S。
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第二节 其它少量组分和矿化剂 对熟料煅烧和质量的影响
温度高 含有镁、碱、硫
液相表面张力降低
5.CaO溶解于液相的速率
烧成温度
CaO颗粒大小
溶解速度快
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6.反应物存在的状态
（1）CaO、C2S晶体尺寸小，处于晶体缺陷多的新生态，活性大，反应能力强； （2）极快速升温（600℃/min以上），使粘土脱水、碳酸盐分解、固相反应、
固液相反应几乎重合，反应物新生的高活性状态，在极短时间内，同时 生成液相、B矿、A矿。
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四、碱
（1）降低液相出现的温度，增加液相量，起助熔作用；
（2）增加液相粘度，液相中质点扩散困难,烧结后料散；当有矿 化剂时，R2O转变为R2SO4，液相粘度下降；
（3）粘附在旋风预热器上形成结皮，严重时堵塞卸料管，影响 窑正常生产；
（4）取代CaO形成KC23S12 、NC8A3等无胶凝性含碱化合物，析出 CaO，使C2S难以再吸收CaO形成C3S，增加fCaO含量，C3S发育 差，影响28天强度；当有矿化剂时，可促使含碱矿物分解；
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三、碳酸盐分解
CaCO3 MgCO3
CaO+CO2-1645kJ/kg 890 ℃ MgO+CO2-1047~1214kJ/kg 590 ℃
1.碳酸盐分解反应的特点
（1）可逆反应：受温度、CO2分压影响 保持较高温度，降低CO2分压或CO2浓度
（2）强吸热反应：热耗占湿法回转窑的1/3，干法回转窑的1/2
六、氧化磷
（1）熟料中P2O5=0.1～0.3％，能对β -C2S起稳定作用，可提高水泥 强度；
（2）P2O5会使C3S分解，导致C3S含量减少，C2S含量增加，强度发展 较慢；配料中适当减少原料中CaO含量，以免fCaO过高；加入 萤石，减少C3S的分解，抵消部分P2O5的不良影响。
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七、氧化钛
（1）含量较少，熟料中TiO2=0.5～1.0％，能与各熟料矿物形成固 溶体，特别是对β -C2S起稳定作用，可提高水泥强度；
（2）含量过多，因其与CaO反应生成无水硬性的钙钛矿（CaO·TiO2）， 消耗了CaO，减少了熟料中的A矿，影响水泥强度。
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第三节 水泥窑与煅烧工艺
一、水泥窑的类型和作用
立窑 立波尔窑
干法回转窑
料球球径较大,传热速度慢,传质阻力大
取决传热和 传质过程
生料悬浮于气流中,传热面积大, 传热系数高,传质阻力小
取决化学反应速度
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3.影响碳酸钙分解反应的因素
石灰石结构 生料细度
结构致密,结晶粗大,晶体缺陷少,分解反应困难
细度小且均匀,比表面积大,传热 和传质速度快,有利于分解反应
2.反应过程：碳酸钙分解产物CaO，与生料中的SiO2、Fe2O3和
Al2O3通过质点的互相扩散进行固相反应，形成熟料矿物。
～800℃，
CA、CF和C2S开始形成；
800～900℃， C12A7、C2F开始形成；
900～1100℃， C3A、C4AF开始形成；CaCO3全部分解，CaO
达最高值；
1100～1200℃，大量形成C3A和C4AF，C2S达最大值。
保持较高温度，供给足够热量
（3）反应在600℃左右开始但速度缓慢，900℃以后快速进行。
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2.碳酸钙的分解过程
热气流 Q 颗粒表面 Q 分解面
反 应
CO2 扩散 颗粒表面 扩散 周围介质
两个传热过程,一个化学反应,两个传质过程——反应速度受控于最慢的一个过程
湿法回转窑 物料呈堆积状态,传热面积小,传热系数低 取决传热过程
回转窑
类
型
立窑
反应器
熔炉
作 用
燃烧设备
传热设备
输送设备
窑筒体卧置，略带斜度，并能作回转运动
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3.影响固相反应的主要因素
原料性质
结晶质SiO2,方解石结晶粗大,影响固相反应速度
生料细度、均匀性
接触面积大,表面自由能高,反应和扩散能力增强
温度和时间 矿化剂
较高的温度,一定的时间 可加速固相反应
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矿化剂：能改善水泥生料的易烧性，加速熟料矿物形成
的少量外加剂。
与反应物形成固溶体
活化晶格,增加反应能力
CaF2＝0.4～0.8％为宜；CaF2/SO3＝0.35～0.6％为宜。 （3）降低液相出现的温度，降低液相粘度，使A矿形成温度降低150～
200℃，促进A矿形成。
有时出现不正常凝结现象：
CaF2/SO3比偏高，煅烧温度偏低，KH偏低，IM偏高，窑内出现还原气氛，形 成较多的C11A7 · CaF2 ，若所加石膏不足以阻止其迅速水化，就会发生闪凝。 CaF2/SO3比偏高，煅烧温度过高，KH偏高，IM偏低，形成C6AF2，C3A少； C6AF2和氟固溶在C3S中，减缓C3S的水化，从而慢凝。
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2.冷却反应
（1）液相凝固
计算矿物组成 实际矿物组成
影响矿物组成
纯矿物 差原
别
因
固溶体
平衡冷却 非平衡冷却
平衡冷却：冷却速度非常缓慢，使液固相反应充分进行。 淬 冷：冷却速度很快，液相来不及结晶冷却成玻璃相。 独立结晶：不是通过固液相反应而是液相单独结晶。
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对高铝配方，IM>1.38，应急冷，可增加C3S (液相粘度大，温度梯度大，析出C3S);
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二、粘土矿物脱水
两种化合水
层间吸附水 晶体配位水
以H2O分子状态吸附在 晶体结构间，100 ℃脱去
以OH-离子状态存在于 晶体结构内，400～600 ℃脱去
高岭石 600 ℃脱水
1000～1100
无定形偏 ℃晶型转变 高岭石
吸热
活性高
晶体莫 来石
放热
蒙脱石、伊利石 脱水
仍是晶体结构
活性低
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急烧，提高脱水过程的温度梯度，使高岭石脱水温度滞后， 脱水后的产物偏高岭石来不及进行晶型转变，就已经进入 碳酸钙分解温度，使无定形偏高岭石和碳酸钙分解产物CaO， 均处于高活性状态而进行反应，有利于熟料的形成。
学习本章的意义
1.煅烧直接决定水泥的产质量、燃料消耗和窑的安全运转，有必要了解和 研究；
2.煅烧过程因窑型不同有差别，但基本反应是类同的，有必要了解六个基
学本反习应的。目的和要求
1.了解物料在煅烧过程中所经历的一系列物理化学变化；
2.了解各种水泥窑的生产方法；
3.了解影响熟料煅烧过程的主要工艺因素。
矿化剂：能改善水泥生料的易烧性，加速熟料矿物形成
的少量外加剂。
助熔剂：能降低液相出现温度的少量外加剂。
矿
按作用分
化
剂
种
类
按组成分
单一矿化剂 复合矿化剂 氟化物：CaF2、NaF、Na2SiO6 硫化物：CaSO4、FeS2、FeS
有些工业废渣：含少量金属
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一、氟化钙
1.破坏SiO2晶格；
2.加速CaCO3分解；
反应条件
温度高,化学反应速度快,CO2扩散快;通风好,及时排出CO2
生料悬浮分散程度
悬浮分散好,传热面积大,传质阻力小
粘土质组分的性质
活性高的高岭石,可加速分解反应; 蒙托石、伊利石，影响分解反应速度
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四、固相反应
1.定义：无论有无气、液相参加，一种或一种以上物质
转变成为一种或一种以上物质的反应。
7.生成早强矿物。
C12A7+CaF2 C11A7 ·CaF2 +CaO
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二、硫
1.降低液相出现温度和粘度，增加液相量； 2.形成中间过渡化合物；
4CaO+2SiO2+CaSO41050℃ 2 (α,-C2S)+CaSO4
2 (α,-C2S)+CaSO4 1200℃2 C2S ·CaSO4
3.生成早强矿物； 4CaO+3Al2O3+CaSO4 4CaSO4·3Al2O3·SO3
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第一节 物料在煅烧过程中的物理化学变化
一、干燥
生料中自由水的蒸发。100～150 ℃
热耗：100 ℃ ，蒸发1kg水热耗为2257kJ。 含水分35％的料浆，生产1kg熟料蒸发水分热耗2210kJ，占湿 法窑热耗的35％。
降低生料水分，从而降低热耗，提高窑产量。回转 窑型的发展朝此方向不断改进。
CaF2+H2O CaO+2HF
4HF+SiO2 SiF4+2 H2O
SiF4+2CaO 2CaF2+ SiO2
再生
新生态
CaF2+H2O CaO+2HF CaCO3+2HF CaF2+CO2 + H2O
CaCO3 CaO+ CO2
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3.降低液相出现温度和粘度，增加液相量； 加入0.6％～1.2％的CaF2，可降低烧成温度50～100℃， 扩大了烧成温度范围，增加了反应时间。