煅烧制度对硅酸盐水泥熟料矿物组成和性能的影响
作者：-
武汉工业大学 王善拔 〔提要〕本文讨论了煅烧温度、煅烧时间、气氛和冷却速度对硅酸盐水泥熟料矿物组成和性能的影响。据此，对掺复合矿化剂熟料的高温和低温煅烧及其节能问题提出了自己的看法。 〔Summary〕The paper
discussed the effects of temperature，time，atmosphere of burning and cooling
speed on the mineral composition and properties of portland cement
clinker.The author，based on the study，also presented some distinctive
viewpoints on the high and low temperature burning of the clinker burned from
the material with compound mineralizers. 一、前言
硅酸盐水泥熟料的矿物组成和性能不仅与原材料和燃料的质量以及熟料的各率值有关，而且还与煅烧制度和冷却制度有关。煅烧制度和冷却制度既影响熟料的矿物组成，又影响熟料矿物的结晶形态和大小，因而影响熟料质量。因此，选择合适的煅烧制度，或者说优化煅烧制度也是水泥生产中节能的重要因素。本文讨论煅烧和冷却制度对硅酸盐水泥熟料矿物组成和性能的影响，以便为优化煅烧制度提供理论依据，同时兼论掺复合矿化剂煅烧硅酸盐水泥熟料的“高温”和“低温”煅烧及其节能。 二、煅烧和冷却制度对熟料矿物组成和性能的影响 1.煅烧温度的影响
众所周知，在硅酸盐水泥熟料煅烧过程中，A矿的大量形成是在高温液相出现(一般为1250～1280℃)之后。提高煅烧温度，可使液相量增加，液相粘度降低，促进CaO和C2S的溶解和扩散，有利于A矿的形成。因此，煅烧温度提高一般会使A矿含量增加而B矿和fCaO减少。另外，煅烧温度提高还会使含铝相(C3A或C11A7.CaF2等)减少而含铁相固溶体增加。因为温度提高使液相粘度降低，有利于Al2O3溶进铁相，形成C6A2F，这样铁相就增加，而剩余下来生成含铝相的Al2O3就减少了。煅烧温度提高也使A矿中固溶的Al2O3增加，从而减少含铝相含量。此外，煅烧温度提高还使A矿晶体发育良好、粗大。U.Costa和F.Massor—zza〔1〕以及I.Odler〔2〕的研究都认为，煅烧温度提高使A矿和B矿晶体粗大，A矿早期(如1天)水硬活性降低。李浩璇和杨家智〔3〕研究含氟硫硅酸盐水泥熟料煅烧时发现，煅烧温度提高既使A矿增多又使它的晶体变大。当煅烧温度从1350℃分别提高到1400℃和1425℃时，A矿含量从64%分别提高到69%和74%，A矿晶体也由小变大，从10微米晶体占50%分别增大到20～25微米的占60%和25～35微米的占50%。其初凝时间从0∶55分别延长到1∶27和2∶29；终凝时间从2∶49分别延长至4∶39和7∶17。3天强度从23.6兆帕分别提高到27兆帕和41.2兆帕；28天强度从52.2兆帕分别提高到57.7兆帕和64.2兆帕。钟景裕〔4〕也发现，低温(1150～1200℃)烧成的含氟硫熟料，A矿结粒细小，晶形不完整，A矿含量低，含有大量C11A7·CaF2和少量C4A3 ，熟料凝结快，强度不高。而随着煅烧温度提高，含铝相减少，诱导期延长。笔者〔5〕的研究中也发现，高温煅烧的含氟熟料，其含铝相比低温时的少，而铁相固溶体增多，它由C4AF向C6A2F转变，凝结时间延长。许多研究工作者还发现，在掺复合矿化剂高温煅烧的硅酸盐水泥熟料中，随着煅烧温度提高，含铝相往往不是C11A7·CaF2而是C3A。这是因为A矿从高温液相中析晶出来时固溶有较多的氟而使液相中氟含量减少或消失的缘故〔6、7〕。
水泥生产工艺及水泥熟料的形成
水泥生料经过连续升温，达到相应的温度时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF） 等矿物所组成。
硅酸盐水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脱石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。
硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热，发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等 矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。
一、煅烧过程物理化学变化
水泥生料在加热煅烧过程中所发生的
（一）自由水的蒸发
（二）黏土质原料脱水和分解
（三）石灰石的分解
（四）固相反应
（五）熟料烧成 （六）熟料的冷却
（一）自由水的蒸发
无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。
（二）黏土质原料脱水和分解
黏土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例波动于2：1~4：1之间。当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，黏土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。
高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅，其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900-950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。
硅酸盐水泥熟料的煅烧
§5-1 生料在煅烧过程中的物理化学变化
§5-2 熟料形成的热化学
§5-3 矿化剂、晶种对熟料煅烧和质量的影响
§5-4 挥发性组分及其他微量元素的作用
§5-5 水泥熟料的煅烧方法及设备
【掌握内容】
1、 硅酸盐水泥熟料的形成过程：名称、反应特点、影响反应速度的因素；
2、 熟料的形成热、热耗的定义、一般数值、影响因素
3、 挥发性组分对新型干法水泥生产的影响
4、 悬浮预热器窑及预分解窑的组成、工作过程
5、 影响窑产、质量及消耗的因素
【理解内容】
1、 C3S的形成机理，形成条件；
2、 影响熟料形成热的因素，形成热与实际热耗的区别，降低热耗的措施；
3、 回转窑的结构、组成、及工作过程；
4、 回转窑内“带”的划分方法，预分解窑内“带”的划分。
【了解内容】
1、 水泥熟料的煅烧方法及设备类型；
2、 矿化剂、晶种：定义、类型、作用、使用；
3、 湿法窑的组成，工作过程
合格生料在水泥窑内经过连续加热，高温煅烧至部分熔融，经过一系列的物理化学反应，得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料的工艺过程叫硅酸盐水泥熟料的煅烧，简称煅烧。
结合目前生产现状及学生的就业去向，主要介绍与回转窑尤其是新型干法回转窑有关的知识，立窑有关知识留给学生自学。
第一节 生料在煅烧过程中的物理化学变化
生料在加热过程中，依次进行如下物理化学变化：
一、干燥与脱水
（一）干燥
入窑物料当温度升高到100～150℃时，生料中的自由水全部被排除，特别是湿法生产，料浆中含水量为32～40%，此过程较为重要。而干法生产中生料的含水率一般不超过1.0%。
（二）脱水
当入窑物料的温度升高到450℃，粘土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）发生脱水反应，脱去其中的化学结合水。此过程是吸热过程。
Al2O3·2SiO2·2H2O Al2O3 + 2SiO2 + 2H2O
1．硅酸盐水泥熟料煅烧过程所发生的物理化学变化？答：1、干燥过程，即是指物理水的蒸发2、粘土矿物的脱水过程3、碳酸盐分解过程，包括碳酸钙和碳酸镁的分解4、固相反应，指粘土矿物分解产物、铁质校正原料与碳酸盐分解后的cao发生反应，生成硅酸二钙、铝酸三钙、铁相固溶体等矿物5、液相和熟料的烧成过程，液相在1250-1280℃出现，主要是由铝酸三钙、铁相固溶体等矿物形成，硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸三钙6、熟料的快冷阶段
2.硅酸盐水泥熟料为什么要冷却？而且要急冷？答：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、储存与粉磨。急冷的目的：减少C3S分解，防止β—C2S向γ—C2S转化，提高熟料质量，防止方镁石晶体长大，有利于水泥安定性，急冷熟料晶粒小，活性高，C3A主要呈玻璃体，抗硫酸盐性能提高，提高熟料易磨性等。
3、请解释什么是烧结范围？水泥的烧结范围指水泥生料加热至出现烧结所必需的、最少液相量时的温度（开始烧结温度）与开始出现结大块（超过正常液相量）时的温度差值。生料中的液相量随温度升高而缓慢增加，其烧结范围就宽，生料中的液相量随温度升高增加很快，则烧结范围就窄。烧结范围不仅仅是液相量的函数,而且和液相的粘度,表面张力以及这些性质随温度变化的规律有关。
4、提高水泥耐久性的途径有哪些？1调整水泥熟料的矿物组成2在硅酸盐水泥中掺混合材3提高混凝土密实度
5、某厂的水泥熟料煅烧设备为预分解窑，采用的原料有石灰石、页岩、硅石、铁粉配料，其中页岩的AL2O3含量偏高，需要用硅石和铁粉作校正原料，使用的煤品质有保证，说明影响水泥生料易烧性的因素有哪些？建议该厂在生产中需要注意什么问题？答：1生料的潜在矿物组成：KH、SM高，生料难烧；反之易烧，但可能结圈；SM、IM高，难烧，要求较高的烧成温度。2原料的性质和颗粒组成：原料中石英和方解石含量多，难烧，易烧性差；结晶质粗粒多，易烧性差。3生料中次要氧化物和微量元素：适量存在，有利于烧成，易烧性好，但含量过多，不利于煅烧。4生料的均匀性及细度：生料均匀性好，粉磨细度细，易烧性好。5矿化剂：掺加各种矿化剂，均可改善生料的易烧性。6液相：生料煅烧时，液相出现温度低，数量多，液相粘度小，表面张力小，离子迁移速度大，易烧性好，有利于熟料的烧成。7燃料性质：燃煤热值高、煤灰分少、细度细，煅烧速度快，燃烧温度高，有利于熟料的烧成。8窑内气氛：窑内氧化气氛煅烧，有利于熟料的烧成。9生料的热处理：生料的易烧性差，要求烧成温度高，煅烧时间长。生料煅烧过程中升温速度快，有利于提高新生态产物的活性，易烧性好。该厂煅烧设备为预分解窑，煅烧条件有保障，但其使用的原料中用了硅石作校正原料，这种原料含结晶二氧化硅多，比较难磨，反应活性也差，因此在配料和生产控制上要注意以下几点：1注意控制生料细度，尤其是0.2mm方孔筛筛余要严格控制2配料时，石灰饱和系数、硅率不宜太高3由于原料品种多，注意原料的均化和生料均匀性。
