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1、第一章新型干法水泥生产工艺 第一节硅酸盐水泥的国家标准 一 水泥的定义与分类凡细磨成粉末状 加入适量水后成为塑性浆体 既能在空气中硬化 又能在水中硬化 并能将砂石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料 称为水泥 水泥按其性能与用途可分为 通用水泥 专用水泥和特性水泥三大类 通用水泥有硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 复合水泥及石灰石水泥等七种 二 水泥工业的发展历史与发展趋势 世界水泥工业的发展历史 1824年 普通立窑 年产量约2千吨 1877年 干法中空回转窑 年产量约1万吨 1910年 机械化立窑 年产量约几万吨 1928年 立波尔窑 年产量约达10万吨以
2、上 1950年 悬浮预热器窑 年产量几十万吨 热耗更低 1971年 预分解窑 年产量可达几百万吨 日产1万吨以上 质量高 热耗低 电耗少 环境优美 资源也得到了充分利用 世界水泥工业的发展趋势 1 大型化 单机产量已达15000t d 2 自动化 采用计算机及集散控制技术 大大提高了控制管理能力 提高了生产效率 3 高效节能化 到目前为止 世界先进水泥工业企业单位产量电耗最低可达60kwh t ck 煤耗最低可达80kg t ck 4 环保生态化 新型干法水泥企业采用先进收尘设备 严格控制粉尘排放与噪声污染 环境优美 资源也得到了充分利用 我国水泥工业发展 1889年 河北唐山启新洋灰公司 现
3、为启新水泥厂 其后建设了大连 上海 中国 广州水泥厂等 至1949年全国解放 全国生产能力300多万吨 实际生产66万吨 1952年 年产量286万吨 至1987年 年产量1 86亿吨 2005年 10亿吨 2006年 12亿吨 新型干法水泥生产总结为 八个字 优质 高产 低耗 环保 一 硅酸盐水泥和普通水泥的标准发展过程1952年 采用日本强度试验方法和前苏联水泥标号 1956年 以前苏联水泥标准为蓝本制订全国统一的水泥标准和检验方法 1979年 建立第二部水泥国家标准 1992年 针对我国水泥面向国际市场 建立第二部国家标准 1999年 修订建立第四部水泥国家标准 标准分类 GB 强制性国
4、家标准 JC 建材行业标准 GB T 推荐性国家标准等 三 硅酸盐水泥的国家标准 二 基本概念 1 硅酸盐水泥的定义与代号凡由硅酸盐水泥熟料 0 5 石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏混合磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 分为两种 不掺混合材料 型硅酸盐水泥 代号P 掺加不超过5 石灰石或粒化高炉矿渣 型硅酸盐水泥 代号P 2 组分材料 1 熟料凡由适当成分生料烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分的烧结物 称为硅酸盐水泥熟料 简称熟料 2 混合材料在粉磨时与熟料 石膏一起加入磨内以改善水泥性能 调节水泥标号 提高水泥产量的矿物材料 3 石膏用作调节水泥凝结时间的组分材料 3 国家标准对硅酸
5、盐水泥品质指标的要求 1 不溶物P I 不超过0 75 P II不超过1 50 2 氧化镁熟料中氧化镁含量不得超过5 0 经压蒸安定性检验合格 不得超过6 0 3 三氧化硫水泥中三氧化硫不得超过3 5 4 烧失量P I不超过3 0 P II不超过3 5 P O 5 0 5 细度0 08mm方孔筛余小于10 0 比表面积大于300m2 kg 6 凝结时间初凝不早于45min 终凝不迟于390min P O 10h 7 安定性经沸煮法检验必须合格 8 强度硅酸盐水泥强度指标如下 9 碱含量以Na2O 0 658K2O表示 在使用活性骨料时 硅酸盐水泥中碱含量应小于0 6 或由供需双方商定 4 其他
6、概念 1 安定性水泥在加水后体积变化的均匀程度 称为体积安定性 简称安定性 2 废品凡氧化镁 三氧化硫 初凝时间 安定性中任一项不符合标准规定时 均为废品 3 不合格品凡细度 终凝时间 不溶物和烧失量中任一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品标号规定的指标时称为不合格品 水泥包装标志中水泥品种 标号 工厂名称和出厂编号不全的也属于不合格品 第二节硅酸盐水泥熟料的形成过程 硅酸盐水泥主要由熟料组成 熟料的形成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 只有掌握了生料在煅烧过程中的物理化学变化规律 才能合理选择水泥熟料煅烧方法 正确操作 科学控制 最终达到
7、优质 高产 低耗 环保的目的 生料在加热过程中 依次发生干燥 粘土矿物脱水 碳酸盐分解 固相反应 熟料烧结 熟料冷却结晶等重要物理化学反应 一 干燥与脱水 1 干燥主要是指排除生料中自由水分的工艺过程 生料中的自由水分随物料温度而逐渐蒸发 当温度升高至100 150 时 生料中自由水分全部被排除 特点 在预热器中蒸发生料中少量的水分 使生料迅速升温 2 脱水指在预热器中热烟气作用下 粘土矿物分解放出化合水 脱水分两种 一种是脱去配位水 一般在400 600 以上才能脱去 一种是吸附水 一般在100 左右即可脱去 粘土矿物脱水中一个吸热过程 吸热量较少 升温速度快 在900 950 时 无定形物
8、质又转变为晶体 同时放出热量 分解炉温度控制范围 3 碳酸盐分解 生料中碳酸盐主要是碳酸钙和碳酸镁 它们在煅烧过程中分解并放出CO2的过程称为碳酸盐的分解过程 一般碳酸镁在600 开始分解 到750 分解剧烈进行 并吸收大量热 碳酸钙在750 开始分解 到897 时分解剧烈进行 同时也吸收大量热 由于碳酸钙在水泥生料中占80 左右 其分解过程需要吸收大量的热 这是熟料煅烧过程中消耗热量最多的一个环节 也是水泥熟料煅烧的一个最重要的环节 MgCO3 MgO CO2 1047 1214 J gCaCO3 CaO CO2 1645J g 1 碳酸钙分解反应的特点这是一个可逆的 强吸热 烧失量大的反应
9、 其分解温度与CO2的分压和矿物结晶程度有关 2 碳酸钙的分解过程 热气流从周围环境向碳酸钙颗粒表面传热 热量从颗粒表面向内部传递 在一定温度下碳酸钙吸热分解并放出CO2 CO2气体从颗粒内部向表面扩散 CO2气体从颗粒表面向四周扩散 外加剂掺加少量外加剂如OH 等物质可以提高碳酸钙的分解速度 下图为正在分解的碳酸钙颗粒 4 固相反应 当窑内温度升高到一定程度时 生料中各种氧化物之间就会产生相互反应即固相反应 其固相反应过程如下 800 形成CA CF C2S 800 900 开始形成C12A7 900 1100 形成C2AS后又分解 开始形成C3A和C4AF 所有碳酸钙均分解 游离氧化钙达到
10、最大值 1100 1200 大量形成C3A和C4AF C2S含量达最大值 固相反应是放热反应 普通原料放热量约为420 500J g 影响固相反应的因素 1 和生料的细度及其均匀程度生料越细 生料的均匀性越好 其固相反应接触面积越大 反应越快 2 原料的性质原料中结晶SiO2越多 结晶越大 其易烧性越差 固相反应速度就越慢 3 温度反应温度越高 质点能量越高 扩散速度越快 可加快固相反应的速度 4 矿化剂采用适当的矿化剂 可以促使SiO2晶体活化 加速生料中的结晶SiO2分解 从而加快固相反应 5 熟料的烧结 1 熟料的烧结过程熟料的烧结就是在高温液相下 固相硅酸钙和氧化钙都逐步溶解于液相中
11、硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸盐水泥的主要矿物 硅酸三钙 其反应方程式如下 C2S CaO C3S熟料的烧成温度一般在1250 1450 1250 故通常把1250 1450 1250 称为熟料的烧结温度 在此温度范围内大致需要10 20min完成熟料的烧结过程 2 影响熟料烧结过程的因素 最低共熔温度最低共熔温度越小 液相出现越早 熟料的烧结就会越快 液相量适当的液相量可以加速C3S的形成 一般熟料在烧成过程中液相量为20 30 液相的粘度液相的粘度对C3S的形成有很大的影响 粘度越小 质点扩散速度越快 C3S也就越易形成 液相的表面张力液相的表面张力越小 就越易润湿固相颗粒表面 也就越有利于C
12、3S的形成 氧化钙和硅酸二钙溶于液相的速率氧化钙和硅酸二钙的溶解速度加快 就会加快C3S的形成速度 熟料就越易烧结 5 熟料的冷却 1 冷却的作用改善熟料质量与易磨性 降低熟料的温度 便于储存 运输和粉磨 部分回收熟料出窑带走的热量 预热二次空气 从而降低熟料的热耗 提高热效率 熟料冷却的方式分为三种 急冷 冷却速度很快 平衡冷却 冷却速度适中 独立结晶 冷却速度很慢 熟料在冷却过程中 将有部分熔剂矿物形成晶体析出 另一部分来不及析晶而呈玻璃态存在 2 急冷的作用 减少C3S分解 因为熟料在冷却时 其中的C3S在1250 左右时会分解成C2S 并产生二次f CaO 降低了熟料的早强 避免C2S
13、产生晶型转变 熟料在冷却时 其中的C2S在500 600 左右时 会从 C2S转变为 C2S 其密度由3 24降低到2 97 体积膨胀约11 而导致熟料胀裂崩溃而使熟料粉化 C2S几乎没有水硬性 从而大大降低了熟料的强度 使MgO形成固溶体 降低熟料中方镁石的含量 熟料冷却速度快 可以使其中的MgO形成固溶体 不至于形成难以水化的方镁石 保证了熟料的安定性 使C3A形成固溶体 提高熟料的抗硫酸盐性 克服水泥快凝 熟料冷却速度快 可以使其中的C3A形成固溶体 提高了熟料的抗硫酸盐性 同时由于C3A形成了固溶体 还可以使其水化速度减慢 防止熟料快凝 提高熟料的易磨性 熟料冷却速度快 可以在其内部产
14、生内应力 从而改善了熟料的易磨性 提高水泥粉磨的效率 降低了粉磨成本 第三节硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料矿物主要由氧化钙 氧化硅 氧化铝和氧化铁四种氧化物组成 同时还含有约5 的少量如氧化镁 三氧化硫 氧化钛 氧化磷以及碱等 现代生产的硅酸盐水泥熟料 各主要氧化物含量波动范围为 CaO 62 67 SiO2 20 24 Al2O3 4 7 Fe2O3 2 5 6 5 熟料矿物中 氧化钙 氧化硅 氧化铝和氧化铁不是以单独的氧化物存在 而是经高温煅烧后 以两种或两种以上氧化物反应生成的多种矿物集合体 其结晶细小 通常为30 60um 硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物 硅酸三钙 3CaO
15、 SiO2 硅酸二钙 2CaO SiO2 铝酸三钙 3CaO Al2O3 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 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 以上四种主要矿物约占95 其中硅酸钙约占75 合称为硅酸盐矿物 铝酸三钙和铁铝酸四钙占22 左右 称为熔剂矿物 第一节熟料的矿物组成 一 硅酸三钙 硅酸三钙在干法水泥熟料中约占50 60 通常和少量其它氧化物如氧化镁 氧化铝等形成固溶体 称为阿利特或A矿 硅酸三钙的水化特点 1 早期强度高 总强度高 2 水化速度较快 3 水化热较大 4 抗水性差 增大熟料中硅酸三钙含量 可以提高熟料的强度 但过
16、高时 会给煅烧带来困难 同时熟料中游离氧化钙增高 从而降低水泥强度 甚至会影响水泥的安定性 二 硅酸二钙 熟料中硅酸二钙约占20 左右 通常硅酸二钙与少量其它氧化物如氧化镁 氧化铝等形成固溶体 称为贝利特或B矿 熟料中硅酸二钙的水化速度水化较慢 约为硅酸三钙的20分之一 至28d仅水化20 左右 硅酸二钙的水化特点 1 早期强度低 总强度较高 2 水化速度慢 3 水化热小 4 抗水性好 增大熟料中硅酸二钙含量 可以提高熟料的后期强度 但过高时 烧结范围会变窄 熟料易产生粉化 从而降低水泥强度 三 铝酸三钙 熟料中铝酸三钙与其它少量氧化物如Na2O等形成固溶体 由于在反光显微镜下呈暗灰色 故又称为黑色中间相 铝酸三钙水化迅速 放热量大 凝结很快 其强度在三天内大部分发挥出来 28d达到80 以上 故早强较高 但后期强度有倒缩现象 铝酸三钙的水化特性 1 早强较高 但后期强度差 2 水化速度快 3 水化放热量大 4 抗硫酸盐性差 四 铁铝酸四钙 熟料中铁铝酸四钙与其它少量氧化物如Na2O等形成固溶体 由于在反光显微镜下呈亮白色 故又称为白色中间相 铁铝酸四钙水化较快 放热量较小 早强较高
