第2章 硅酸盐水泥生产技术

第2章硅酸盐水泥生产技术要点：本章主要学习硅酸盐水泥的组分材料、生产技术要求与指标；熟悉硅酸盐水泥的生产过程、生产方法和特点；明确新型干法水泥生产的技术特征；掌握硅酸盐水泥熟料的组成、性能要求、矿物特性；熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制；可以利用相关计算式对熟料的率值、化学组成、矿物组成进行测算和换算。2.1硅酸盐水泥生产概述硅酸盐水泥（波特兰水泥）：凡由硅酸盐水泥熟料，0～5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，用代号P．Ⅰ表示；在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，用代号P．Ⅱ表示。其中P为波特兰“Portland”的英文字首。2.1.1硅酸盐水泥熟料即国际上的波特兰水泥熟料，简称水泥熟料。是一种由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当比例配合磨成细粉（生料）烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝物质。熟料2.1.2混合材料混合材料是指在粉磨水泥时与熟料、石膏一起加入磨内用以改善水泥性能、调节水泥标号、提高水泥产量的矿物质材料，如粒化高炉矿渣、石灰石等。粒化高炉矿渣是高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物经淬冷成粒后的产品。石灰石为水泥工业原料，在水泥中掺入少量石灰石可以起到混合材料的作用。混合材料2.1.3石膏石膏是用作调节水泥凝结时间的组分，是缓凝剂。适量石膏可以延缓水泥的凝结时间，使建筑施工中的搅拌、运输、振捣、砌筑等工序得以顺利进行；同时适量的石膏也可以提高水泥的强度。2.1.3.1天然石膏（1）石膏以二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）为主要成分的天然矿石。（2）硬石膏以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石。2.1.3.2工业副产石膏工业生产中以硅酸钙为主要成分的副产品，称工业副产石膏。2.1.4.1水泥的化学和物理指标(1)不溶物:不溶物是指水泥经酸和碱处理，不能被溶解的残留物。(2)烧失量:水泥烧失量是指水泥在950~1000℃高温下燃烧失去的质量百分数。(3)细度:细度即水泥的粗细程度，通常以比表面积或筛余数表示(4)凝结时间水泥凝结时间是水泥从和水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间，分初终时间和终凝时间两种。初凝时间：是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间。终凝时间：是指水泥加水拌和起到标准稠度净浆完全失去塑性的时间。(5)安定性：水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性，简称安定性。引起水泥安定性不良的原因主要有三种:熟料中游离氧化钙、方镁石过高及水泥中石膏掺加量过多。(6)氧化镁（MgO）：水泥中氧化镁含量过高时，由于其缓慢的水化和体积膨胀效应可使水泥硬化体结构破坏。采用压蒸安定性试验进行检验。(7)三氧化硫（SO3）(8)碱硅酸盐水泥化学物理指标序号项目指标检验方法与依据P·ⅠP·Ⅱ1不溶物（%）≤0.75≤1.5GB/T176—19962烧失量（%）≤3.0≤3.5GB/T176—19963细度（比表面积）（m2/kg）≥300GB80744凝结时间（min）初凝≥45终凝≤390GB13465安定性沸煮法检验合格GB1346雷氏夹膨胀（mm）≤56氧化镁（%）≤5.0；水泥压蒸安定性检验合格可放宽到6.0GB176或GB7507三氧化硫（%）≤3.5GB1768碱（Na2O+0.658Na2O）（%）≤0.6或协商指标GB1762.1.4.2强度与强度等级(1)水泥强度水泥强度是水泥试体净浆在单位面积上所能承受的外力。通常以各龄期的抗压强度、抗折强度来表示水泥的质量。一般3d或7d以前的强度为早期强度，28d及其后的强度称为后期强度，也有将3个月以后的强用度称为后期强度。通常用28d的强度作为水泥质量划分的强度等级。(2)强度等级与水泥标号强度等级是按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分各强度等级水泥的各龄期强度值不得低于表数值。强度等级习惯称之水泥标号。俗称商品标号。压力机抗折机压力测量实验硅酸盐水泥的强度指标（GB175—99）强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.022.022.022.052.542.542.542.542.552.5R4.04.04.04.062.56.56.56.56.562.5R23.023.023.023.0(2)强度等级与水泥标号强度等级是按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，各强度等级水泥的各龄期强度值不得低于表数值。强度等级习惯称之水泥标号。俗称商品标号。2.1.4.3废品与不合格品（1）废品凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合标准规定时，均为废品。（2）不合格品凡细度、终凝时间、不溶物、烧失量中的任一项不符合标准规定，或混合材料掺加量超过最大限量、强度低于商品强度等级的指标时，该水泥称为不合格品。水泥包装标志中的水泥品种、强度等级、生产者名称、出厂编号不全的，也属于不合格品。习惯称之水泥标号。俗称商品标号。2．2硅酸盐水泥的生产工艺2．2．1生产过程硅酸盐水泥的生产过程通常可分为三个阶段：◇生料制备◇熟料煅烧◇水泥制成。◇生料制备•熟料煅烧◇水泥制成2．2．2生产方法按生料制备的方法分为：湿法、干法；按煅烧熟料窑的结构分为：回转窑；立窑。湿法新型干法回转窑立窑(1)湿法生料浆水分占32%~40%左右。生料浆脱水烘干后破碎，入窑煅烧，称之为半湿法。(2)干法生料粉调配均匀并加入适量水，制成料球喂入立窑或立波尔窑内煅烧称为半干法，料球含水12%～15%。2.2.2.1湿法回转窑生产工艺流程与特点A.熟料质量较好且均匀B.粉尘飞扬少c.熟料单位热耗高2.2.2.2现代立窑水泥生产的基本特征现代立窑水泥应有的八项指标是：ａ.企业规模：年产水泥30万吨以上。ｂ.技术装备:自动化控制及计算机管理。ｃ.产品质量:42.5等级水泥。ｄ.均匀稳定：水泥质量均匀性不大于1.1R。ｅ.环境保护：达到国家标准。ｆ.能耗指标：热耗3762kj/kg以下，综合电耗80（kw.h）/t以下。ｇ.全员实物劳动生产率：1000t/(人.年)以上。ｈ.企业管理：通过ISO9001质量管理体系认证。2.3新型干法水泥生产技术特征新型干法水泥生产的特点（1）优质（2）低耗：热耗3000kJ/kg以下，水泥单位电耗90～110kWh/t以下。（3）高效：单位容积产量达110～270kg/m2，劳动生产率达1000～4000t/年·人。(4)环保(5）装备大型化：单机生产能力达10000t/d(6)生产控制自动化(7)管理科学化(8）投资大建设周期较长2.4硅酸盐水泥熟料是一种由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当比例配合磨成细粉（生料）烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝物质。2.4.1熟料的化学组成◆主要化学成分与含量主要氧化物：CaOSiO2Al2O3Fe2O3其总和通常占熟料总量的95%以上。其它氧化物：如MgOSO3Na2OK2OTiO2P2O5等，其总量通常占熟料的5%以下。2.4.1熟料的化学组成◆主要化学成分要求实际生产中，硅酸盐水泥中个主要氧化物含量的波动范围一般为：CaO62%～67%SiO220%～24%Al2O34%～7%Fe2O32.5%～6%2.4.2熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的、结晶细小的人造石。通常为30～60μm。主要矿物：硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写成C3S）硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写成C2S）铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写成C3A）铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写成C4AF）熟料的矿物组成及岩相结构2.4.2熟料的矿物组成其次矿物：游离氧化钙（f-CaO）方镁石（结晶MgO）玻璃体硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸盐矿物，约占75%左右。铝酸三钙和铁铝酸四钙合称熔剂矿物，约占22%左右。硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占95%左右。2.4.2熟料的矿物组成熟料矿物含量范围（%）熟料类别C3SC2SC3AC4AF回转窑熟料立窑熟料新型干法窑熟料国内重点企业熟料国外水泥企业熟料45～6538～6053545715～3220～332420204～114～787810～1813～201014102.4.3熟料的物理性能要求◇凝结时间◇安定性◇强度硅酸盐水泥熟料物理性能的检验，是通过将水泥熟料在Φ500ｍｍ×500ｍｍ标准小磨中与二水石膏一起磨细至表面积350m2/kg，80m方孔筛筛余≤4%制成P.Ⅰ型硅酸盐水泥后来进行的。2．4．4化学成分与矿物组成间的关系熟料中的主要矿物均由各主要氧化物经高温煅烧化合而成，熟料矿物组成取决于化学组成，控制合适的熟料化学成分是获得优质水泥水泥熟料的中心环节，根据熟料化学成分也可以推测出熟料中各矿物的相对含量高低。（1）CaO（2）SiO2（3）Al2O3（4）Fe2O3（5）其他少量氧化物和微量元素2．4．5熟料矿物的特性◆硅酸三钙◇存在形式：纯C3S只在2065℃~1250℃温度范围内稳定，在2065℃以上不一致熔融为CaO与液相；在1250℃以下分解为C2S和CaO。调整纯C3S具有同质多晶现象,熟料中C3S不纯，总是与少量的其他氧化物如Al2O3、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体。在反光显微镜下为黑色多角形颗粒，又称阿利特（Alite），简称A矿。◆硅酸三钙◇矿物水化特性：水化较快，水化反应主要在28d以内进行，约经一年后水化过程基本结束。早期强度高，强度的绝对值和增进率较大。其28d强度可达到一年强度的70%～80%。水化热较高；抗水性较差。2．4．5熟料矿物的特性2．4．5熟料矿物的特性◆硅酸二钙◇多晶转变纯C2S在1450℃以下有同质多晶现象。其中：γ-C2S的密度为2.97g/cm3，β-C2S的密度为3.28g/cm3，故发生β→γ转变时，伴随着体积膨胀10%，结果是熟料崩溃，生产中称之为粉化。而γ-C2S几乎无水硬性。2．4．5熟料矿物的特性◆硅酸二钙◇矿物特性熟料中硅酸二钙通常固溶有少量氧化物如Al2O3、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体，称贝利特（Belite），简称B矿。在反光显微镜下呈圆粒状，常具有黑白交叉双晶条纹。2．4．5熟料矿物的特性◆硅酸二钙◇水化特性水化反应比C3S慢的多，28d只水化20%左右，凝结硬化慢；早期强度低，但28d后强度仍能较快增长，一年后其强度可赶超阿利特；水化热小；抗水性好。2．4．5熟料矿物的特性◆铝酸三钙◇矿物特性C3A可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿与B矿中间，又称黑色中间相。2．4．5熟料矿物的特性◆铝酸三钙◇水化特性水化迅速，凝结较快，如不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝；早期强度较高，但绝对值不高，其强度3d之内大部分发挥出来，以后几乎不增长，甚至倒缩；水化热高；干缩变形、脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。2．4．5熟料矿物的特性◆铁铝酸四钙◇矿物特性铁铝酸四钙代表的是一系列连续的铁相固溶体。通常固溶有少量的MgO、SiO2等氧化物，又称才利特（Celite）或C矿。在反光镜下其反射能力强，呈亮白色，并填充在A矿与B矿之间，也称白色中间相。2．4．5熟料矿物的特性◆铁铝酸四钙◇水化特性水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙之间，但随后的发展不如硅酸三钙；早期强度类似于铝酸三钙，而后期还能不断增长，类似于硅酸二钙；水化热较铝酸三钙低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。2．4．5熟料矿物的特性◆玻璃体◇形成部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体◇主要成分Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、R2O◇含量取决于液相量及冷却条件◇性能不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟料性能与易磨性。2．4．5熟料矿物的特性◆游离氧化钙（f-CaO）◇定义是指熟料中没有以化合状态存在而是以游离状态存在的氧化