第五章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
（无定形）（无定形）
脱水后变成无定形的三氧化三铝和二氧化硅，这些无定形物具有较高的活性。
二、碳酸盐分解
当物料温度升高到600℃时，石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁进行分解（见下式），在CO2分压为一个大气压下，碳酸镁和碳酸钙的剧烈分解温度分别是750℃和900℃。
MgCO3 MgO+CO2CaCO3CaO+CO2（一）碳酸钙分解反应的特点
碳酸钙的分解过程是一个可逆反应，所以受系统温度、周围介质中CO2的分压影响较大；该过程是一个强吸热过程，每1kg纯碳酸钙在890℃时分解吸收热量为1645kJ/kg，是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程，而碳酸钙在水泥生料中所占比例约为80%左右，因此，它是水泥熟料煅烧过程中重要的一个环节；该过程的烧失量大，在分解过程中放出大量的CO2气体，使CaO疏松多孔，强化固相反应。
（二）碳酸钙的分解过程
碳酸钙颗粒的分解过程有以下五个过程：
1、通过颗粒边界层由周围介质传进行分解所需的热量Q i；
2、热量Q i继续以传导方式，由表面传至反应面，并积聚达到一定的分解温度；
3、反应面在一定温度下，继续分解、吸收热量并放出CO2；
4、放出的CO2从分解面通过CaO层，向四周进行内部扩散；
5、扩散到颗粒边缘的CO2，通过边界层向介质扩散。
以上五个过程四个是物理过程，一个是化学反应过程，每个过程各有阻力，情况较为复杂，各个过程都会影响碳酸钙的分解，哪个过程最慢，哪个过程便是主控过程。
在悬浮态的反应器里，碳酸钙分解所需的时间主要取决于化学反应速率，即主要取决于化学分解分步过程：
1、在碳酸钙粒径较大时，以传热传质过程为主；在碳酸钙的粒径d=0.2cm时，物理、化学过程占同样重要的地位。如立窑、立波尔窑、回转窑内均属于传热、传质控制过程。
2、粒径较小时，如d≤0.003cm，在悬浮状态分解时，决定于化学过程。
值得提出的是：在窑内分解带，颗粒虽细，但处于堆积状态，仍为传热传质控制过程。
（三）影响碳酸钙分解速度的因素
1、石灰质原料的特性：结构致密、结晶粗大的石灰石分解较慢；
2、生料细度及颗粒级配：生料较细，且颗粒均匀、粗粒少，生料比表面积增加，有利于反应进行；
3、生料的悬浮分散程度：分散度愈高，接触面积愈大，愈有利于反应进行；
4、分解温度：温度愈高，分解速度愈快：
5、窑系统的CO2分压：当温度一定时，分压愈低，愈易分解；
6、生料中粘土质组分的性质：活性高，则能直接与碳酸钙发生反应，可以促进碳酸钙的分解过程。
三、固相反应
（一）反应过程
水泥熟料的主要矿物是硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF），它们是由固态物质相互反应生成的。从原料分解开始，物料中便出现了性质活泼的游离氧化钙，它与生料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3进行固相反应，形成熟料矿物：800～900℃时
CaO+ Al2O3 CaO·Al2O3 （CA）
CaO+ Fe2O3 CaO·Fe2O3 （CF）
900～1100℃时
2 CaO+ SiO2 2 CaO·SiO2 （C2S）
7 CaO·Al2O3+5 CaO 12 CaO·7Al2O3（C12A7）
CaO·Fe2O3+ CaO 2CaO·Fe2O3（C2F）
1100～1300℃时
12 CaO·7Al2O3+9 CaO 7（3CaO·Al2O3）（C3A）
7（2CaO·Fe2O3）+2 CaO+12 CaO·7Al2O3
7（4CaO·Al2O3·Fe2O3）（C4AF）
以上反应在进行时放出一定的热量，故称为“放热反应”阶段。
（二）影响固相反应的主要因素
1、生料细度及其均匀程度；
2、原料物理性质对固相反应的影响；
3、温度对固相反应的影响；
4、其他因素。
四、熟料烧结
（一）熟料烧结过程
水泥熟料中的主要的矿物是硅酸三钙，而它的形成需在液相中进行，当温度达到1300℃时，C3A、C4AF及R2O熔剂矿物变成液相，C2S及CaO很快被高温熔融的液相所溶解并进行化学反应，形成C3S：
2 CaO·SiO2 + CaO
3 CaO·SiO2 （C3S）
该反应称为烧结反应，它是在1300～1450～1300℃范围进行，故称该温度范围为烧成温度范围；在1450℃时反应迅速，故称该温度为烧成温度。为使反应完全，还需有一定的时间，一般为10～20分钟。
由于反应不完全，没有参与反应的CaO就随着温度降低，凝固于凝固体中，这些CaO 称为游离氧化钙（fCaO）（为了便于下面的区别，称其为一次游离氧化钙，其对水泥安定性有重要影响）。
（二）影响熟料烧结过程的因素
1、最低共熔温度；
2、液相量：一般为20～30%；
3、液相粘度：粘度愈小，愈有利于C3S的形成；
4、液相的表面张力：表面张力愈小，愈易润湿固相物质或熟料颗粒，有利于固液反应，促进C3S的形成；
5、CaO和C2S溶于液相的速率：其速率愈大，C3S的成核与发育愈快。
五、熟料冷却
熟料冷却时需急速冷却，其目的和作用是：
1、为了防止C3S在1250℃时分解，出现二次游离氧化钙（对水泥安定性没有大的影响），降低熟料的强度；
2、为了防止C2S在500℃时发生晶型转变，使其密度由3.28g/cm3变为2.97 g/cm3，从面使熟料体积膨胀，变成粉末，产生“粉化”现象；
3、防止C3S晶体长大而强度降低且难以粉磨；
4、减少MgO晶体析出，使其凝结于玻璃体中，避免造成水泥安定性不良；
5、减少C3A晶体析出，不使水泥出现快凝现象，并提高水泥的抗硫酸盐性能；
6、使熟料产生应力，增大熟料的易磨性。
此外，急冷还可以收回热量，提高热的利用率。
第二节熟料形成的热化学
一、熟料的形成热
1、定义：在一定生产条件下，用某一基准温度（一般是0℃或20℃）的干燥物料，在没有任何物料损失和热量损失的条件下，制成1kg同温度的熟料所需要的热量称为熟料的形成热（熟料形成热效应）。
2、影响因素：熟料的形成热是熟料形成在理论上消耗的热，它仅与原、燃料的品种、性质及熟料的化学成分与矿物组成、生产条件有关。
3、计算原理：理论热耗=吸收的总热量—放出的总热量，一般为1630～1800kJ/kg-ck。
二、熟料形成热的计算方法
