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第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧熟料煅烧是硅酸盐水泥生产工艺过程的第二阶段。是指将生料制备过程中制得的生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生一系列物理的、化学的和物理化学变化后形成熟料的工艺过程。虽然生产方法和各种煅烧窑各有不同，但熟料煅烧过程大体相同。下面以湿法回转窑为例，来说明熟料的煅烧过程：湿法窑煅烧熟料要经历：水份蒸发→生料预热→生料分解→熟料煅烧→熟料冷却五个阶段。相应湿法回转窑窑体可分为：干燥带、预热带、分解带和放热带、烧成带和冷却带。窑头窑尾生料熟料废气一、干燥带（物料温度150℃）承担生料中水分的蒸发任务。湿法窑物料含32-40%的水分，经干燥后，物料水分减到22-26%，浆料失水变成球状。干法窑由于入窑生料水分小于1%，几乎没有干燥带。半干法窑的干燥过程在加热机上进行，在回转窑内无干燥带。预热器窑、窑外分解窑干燥在预热器内进行，因此回转窑内无干燥带。二、预热带（物料温度150-750℃）承担粘土质等原料中化学水的分解脱水任务。当温度升到400-550℃时，粘土开始脱水分解出活性SiO2和Al2O3，当温度升到600-700℃时，MgCO3继续分解。带悬浮预热器和加热机的窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带很短或者没有。三、分解带（物料温度750-1000℃）主要承担MgCO3和CaCO3的分解任务。在预热带未分解完的MgCO3在该带继续分解，但主要是CaCO3的分解。这一带末端，分解产物之间产生固相反应，生成碱性的CA、CF、C2S。带悬浮预热器和加热机的窑，分解反应有一部分在预热器和加热机内进行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。四、放热反应带（物料温度1000-1300℃）在分解带分解出的大量Ca0、Si02、Al203等氧化物在该带进行固相反应，生成大量C3A、C4AF和C2S。这些反应是放热反应，故称“放热反应带”。由于固相反应放热，物料温度迅速上升，使该带在窑内占的比例较小。五、烧成带（物料温度1300－1450℃-1300℃）该带又称烧结带，是回转窑内温度最高的一带，物料进入这带就出现液相，在液相中C2S和游离氧化钙作用形成C3S即：Ca0＋C2S→C3S，因此，此带也叫“石灰吸收带”。为使C3S的生成反应完全，物料在此要有一定的停留时间，也就是烧成带应有一定长度，因此，要求回转窑内燃料燃烧的火焰应有一定的长度和温度。六、冷却带（物料温度1300—1000℃）在烧成带形成的C3S、C2S、C3A、C4AF四种主要矿物的晶体继续向前运动与温度较低的二次空气相遇，熟料温度下降，这一区域称为冷却带。在该带快速冷却后，形成含C3S、C2S、C3A、C4AF圆形颗粒和玻璃体落入冷却机内。各类窑型比较：1、立波尔窑：干燥、预热、部分CaCO3的分解在加热机中进行。2、立窑:各个阶段均在竖式筒体中进行。3、预热器窑：预热在预热器中进行。4、预分解窑：预热在预热器中、CaCO3的分解在分解炉中进行。5、湿法回转窑：各带均在回转窑内进行。1、2为半干法或半湿法；3、4为干法；5为湿法回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分的大致情况图第一节生料在煅烧过程中的物理与化学变化一、干燥与脱水1、干燥自由水的蒸发；各类窑生料的水分：立窑12-15%；湿法窑30-40%；立波尔窑18-22%；预热器、预分解窑＜1%2、脱水主要指粘土类矿物释放结合水，包括100℃释放吸附水、400℃-600℃释放结构水。脱水时，可以提高矿物的活性。二、碳酸盐分解主要包括碳酸钙和碳酸镁的分解MgCO3在590℃开始分解；CaCO3在890℃开始分解。MgCO3在生料中含量少，分解温度低，在640℃-660℃之间就分解完，所需的热量不多，对熟料的烧成影响不大。CaCO3是生料中的主要成分，分解吸收的热量约为窑热耗的一半以上，它的分解时间、速度、分解的完全程度都会影响熟料的煅烧。CaCO3的分解1、反应特点可逆、吸热过程、烧失量大。2、反应过程（1)气流向颗粒表面的传热过程；（2）热量由表面以传导方式向分解面传递的过程；（3)碳酸钙在一定温度下吸收热量，进行分解并放出CO2的化学过程；（4）分解放出CO2，并穿过CaO层向表面扩散的传质过程；（5）表面的CO2向周围介质气流扩散的过程；各个过程阻力不同，碳酸钙的分解速度取决于其中最慢的过程。3、CaCO3的分解速度CaCO3的分解速度取决于分解的五个过程，而这五个过程与生料的粒度、性质状态和煅烧熟料的窑型有关；d≤0.03mm：传质、传热过程阻力较小，分解速度和时间取决于化学反应所需要的时间。d≈2mm:传质、传热过程与分解反应化学过程具有同样重要的地低位。d≈10mm:传质、传热过程占主要地位，化学过程为次要低位。立波尔窑：d≈10mm,传质、传热预热、预分解窑:d≤0.03mm,化学反应半干法回转窑：粒度虽细，但呈堆积状态，传质、传热过程与分解反应化学湿法：取决于粒度大小。粒度窑型4、影响碳酸钙分解速度的因素（1）温度（2）CO2分压（3）反应颗粒粗细与分布状态（4）石灰石的结构与性质（5）粘土性质（6）生料悬浮分散程度三、固相反应1、反应过程800℃生成CA、CF,开始形成C2S800℃-900℃C12A7开始形成900℃-1100℃C2AS形成后又分解，C3AC4AF开始形成。所有CaCO3分解，f-CaO达到最大值。1100℃-1200℃C3AC4AF大量形成，C2S达到最大值1250℃-1280℃出现液相。2、特点有固相参加、反应在表面进行、受扩散的影响，反应速度慢。3、影响因素物质状态、晶体缺陷和杂质、生料的细度和均匀程度、加入矿化剂情况、温度和升温速度、原料性质等。四、熟料的烧结此阶段生料部分熔融出现液相，C2S和CaO在液相中反应生成C3S。随的熟料的烧结后，物料随着温度的降低，液相凝固，固体部分粘结成灰黑、结构致密的固体物料。熟料烧结过程中，液相生成的温度、液相量及液相性质对C3S的形成有很大影响1、最低共熔温度物料在加热过程中，两种或两种以上组分开始出现液相的温度。受组分的性质、数量以及矿化剂、微量元素的影响。2、液相量受组分的性质、烧结温度、最低共熔温度的影响。液相量的多少直接影响熟料的烧结范围。所谓烧结范围是指生料加热至出现烧结所必需的、最少的液相量时的温度（开始烧结温度）与开始出现结大块（超过正常液相量)时温度的差值。生料中的液相随温度升高而缓慢增加，其烧结范围就较宽，反之则窄。3、液相粘度、表面张力、CaO溶于液相的速度五、熟料的冷却冷却目的：（1）回收热量，提高窑炉热效率。（2）提高熟料易磨性和熟料质量。（3）降低熟料温度，有利于熟料后续工序的进行。熟料冷却速度对熟料质量以及性能的影响：（1）防止或减少C3S的分解。（2）避免β-C2S转变成γ-C2S。（3）改善水泥安定性。（4）使熟料C3A晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能。（5）改善熟料易磨性。（6）可克服水泥瞬凝或快凝。六、熟料形成的热化学生料在煅烧过程中的一系列物理化学变化中，有的吸收热量属吸热反应，也有的放出热量为放热反应。游离水蒸发、粘土结合水逸出、分解、液相形成、C3S形成为吸热过程；粘土无定形物结晶、固相反应、熟料冷却为放热反应过程.第二节微量元素和矿化剂对熟料煅烧和质量的影响一、矿化剂在熟料煅烧过程中，为降低液相出现温度，加速熟料矿物的形成，提高熟料质量，降低能耗，所加入的少量外加物质称矿化剂。1、种类含氟化合物：CaF2、MgF2、NaF及相应的氟硅酸盐等硫化物：石膏、氟石膏、磷石膏、MnSO4等氯化物：CaCl2复合矿化剂：指两种或两种以上的矿化剂一起使用2、作用（1）加速CaCO3分解，促进固相反应（2）降低液相出现的温度和粘度，促进C3S形成（3）提高水泥产量和质量（4）降低能耗、电耗二、微量元素生产水泥熟料时，即使不掺加任何外加剂，原料和燃料也总是或多或少的带入某些微量组分，这些组分虽然数量不多，但对熟料煅烧和质量有不同程度影响。熟料中的微量元素主要是：碱、MgO、B2O3和TiO2等。少量的微量元素有利于熟料煅烧和质量，起到矿化剂作用，但是过高将对熟料煅烧和质量带来影响，因此要合理利用微量组分有利的一面。作业7、熟料煅烧过程、影响碳酸钙分解速度的因素及矿化剂在熟料煅烧过程中的作用第三节回转窑内的煅烧煅烧熟料的热工设备有立窑和回转窑，立窑因煅烧的熟料质量不稳定且不能大型化而逐渐被回转窑取代。回转窑经过了湿法窑、干法窑、立波尔窑、悬浮预热器窑到目前的预分解窑，几经改革，将物料的干燥、预热、分解等加工过程移到窑外设备中进行，而回转窑仍然承担熟料煅烧这个重要环节。回转窑是一个长的钢质圆筒，内砌耐火砖衬里，与水平略呈倾斜，可围绕窑轴线以一定的速度转动。现代窑的直径可达6m，长度可超过180m，熟料生产能力日产量可达万吨以上。回转窑常见的窑体有直筒型、热端扩大型、冷端扩大型和哑铃型。直筒型热（冷）端扩大型哑铃型回转窑的功能和特征（1）作为燃料燃烧装置，它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气，装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。（2）作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求。（3）作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。（4）作为输送设备，它具有更大的潜力。到目前为止，熟料煅烧的最后烧制过程，仍采用回转窑来完成，尚无可以替代的设备。回转窑的工作原理水泥熟料的形成过程，实际上是将石灰质、粘土质、和校正原料中的CaO、SiO2、Al2O3、和Fe2O3等四种主要组成，通过粉磨成细粉，在高温状态下煅烧，使之发生化学反应，形成C3S、C2S、C3A、C4AF等四种硅酸盐水泥熟料主要矿物的过程。这个过程新型干法回转窑可分为3个带，即过渡带、烧成带和冷却带。熟料在各带的停留时间大约分别为15min、12min和2min；（生料在预热带和分解带的时间约为1min和2min。）这里回转窑主要起到熟料烧结的功能。一、回转窑内物料流速和窑的煅烧特点1、流速在回转窑的斜度和转速不变的情况下，烧成带最慢、碳酸钙分解带最快。2、煅烧特点（1）保持烧成带一定的温度和足够的停留时间。（2）CaCO3的分解效率是回转窑熟料煅烧过程的重要指标。（3）降低理论热耗，提高窑的热效率是回转窑煅烧中要解决的主要问题。（4）回转窑的发热能力与传热之间存在矛盾。（5）存在热工上的经济范围。（见图1）产量与单位熟料热耗熟料形成理论热耗表面散热损失熟料带走热损失废气带走热损失产量热耗图1回转窑产量和热耗之间的关系二、影响回转窑产量、质量和消耗的主要因素（一）烧成制度1、正常火焰煅烧2、短焰急烧3、高温长带煅烧4、低温长带煅烧（二）窑的传热能力提高回转窑传热能力的措施和方法：1、链条装置：垂链、花链2、热交换器：料浆过滤预热器、格子式热交换器、扬料器等3、窑后装设炉箅子加热机、各种预热器以及窑外分解炉。垂挂链幕布花环链幕陶瓷扬料器三、降低热耗、提高热效率的措施1、降低熟料的理论热耗2、降低蒸发水分的热耗3、减少废气带走的热耗4、减少表面散热损失5、减少熟料和冷却机废气带走的热损失6、其它第四节立波尔窑、预热器窑、和窑外分解窑内的煅烧一、立波尔窑立波尔窑是19世纪初发明的，它是基于提高窑的传热能力，使烧结能力与预热能力相适应，提高热利用率的煅烧设备的一个重要发展。1、设备配置特征一台较短的回转窑与一台回转式炉箅子加热机2、工作原理把制备好的生料球或料块均匀地铺在炉箅子加热机上（厚度150-200mm），通过炉箅子的回转运动，把生料从给料端送到窑尾的入窑口，生料在随炉箅子的运动过程中，通过与窑尾给入的热烟气进行热交换，完成干燥和预热的作业，然后进入回转窑完成分解、固相反应及烧结。立波尔窑示意图如下：气体二次通过立波尔窑煅烧系统3、特点（1）入窑生料为球状或块状。（2）生料的干燥、预热、及部分分解在炉箅子加热机上完成。（3）料球的质量、分布的均匀性对熟料的质量有很大影响。