2 硅酸盐水泥生产技术

2硅酸盐水泥生产技术本章学习要点：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，称为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）。硅酸盐水泥分为两种类型：不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号为P•I，在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，代号为P•II。2.1.1硅酸盐水泥熟料凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物称为硅酸盐水泥熟料（简称熟料）。水泥熟料是各种硅酸盐水泥的主要组分材料，其质量的好坏直接影响到水泥产品的性能与质量优劣。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、调节水泥强度等级、提高水泥产量的矿物质材料，如粒化高炉矿渣、粉煤灰等。根据混合材料的性质及其在水泥水化过程中所起的作用，混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。2.1.3石膏石膏用作缓凝剂，其作用是调节水泥的凝结时间。适量石膏可以延缓水泥的凝结时间，同时也可提高水泥的强度；石膏一般用天然二水泥石膏，也可用硬石膏（天然无水石膏）或工业副产品石膏。采用工业副产品石膏时，应经过试验证明对水泥性能无害。2.1.4硅酸盐水泥生产技术要求技术要求即品质指标，是衡量水泥品质及保证水泥质量的重要依据。水泥质量可以通过化学指标和物理指标加以控制和评定。水泥的化学指标主要是控制水泥中有害成分不超过一定限量，若超过了最大允许限量，即意味着对水泥性能的质量可能产生有害的或潜在有害的影响。水泥的物理指标主要是保证水泥具有一定的物理软科学性能，满足水泥使用要求，保证工程质量。硅酸盐水泥技术指标主要有不溶物、烧失量、细度、凝结时间、安定性、氧化镁含量、三氧化硫含量、碱含量及强度指标。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。其主要成分是结晶SiO2,其次是R2O3（指Al2O3、Fe2O3），是水泥中的非活性组分之一。I型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%，II型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.5%。烧失量烧失量是指水泥在950～1000℃高温下煅烧失去的质量百分数。I型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.0%。II型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.5%。普通硅酸盐水泥中烧失量不得大于5.0%。细度细度即水泥的粗细程度，通常用比表面积或筛余百分数表示。水泥细度过粗，不利于水泥活性的发挥；而细度过细时需水量增加，粉磨电耗增加。硅酸盐水泥比表面积大于300m2/kg，普通水泥80μm方孔筛筛余不得超过10.0%。凝结时间水泥凝结时间是水泥从加水开始到失去流动性，从可塑状态发展到固体状态所需要的时间，凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间：水泥从加水开始到标准稠度净浆失去流动性并开始失去塑性的时间；终凝时间：水泥从加水开始到标准稠度净浆完全失去塑性，开始产生机械强度的时间。硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝不得迟于6.5h，普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝不得迟于10h。安定性硬化水泥浆体体积变化的均匀性称为水泥体积安定性，简称安定性。安定性一般采用雷氏夹或试饼法、沸煮法检验。若水泥中某些成分的化学反应发生在水泥水化过程中甚至硬化后，产生剧烈而不均匀的体积变化，使建筑物强度明显降低甚至溃裂，这种现象便是水泥安定性不良。引起水泥安定性不良的原因主要是游离氧化钙、氧化镁含量过高或石膏掺量过多。氧化镁含量水泥中氧化镁含量过高时，可能出现游离MgO含量过高和方镁石（结晶MgO）结晶过大，由于其缓慢的水化和体积膨胀将就可能使水泥硬化体结构破坏。游离MgO比游离CaO更难水化，沸煮法不能检定，必须采用压蒸安定性试验进行检验。水泥中氧化镁的含量不得超过5.0%，若经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0%。三氧化硫水泥中的三氧化硫主要是生产水泥时为调节凝结时间加石膏而带入的。硅酸盐水泥中SO3含量超过3.5%后，强度下降，膨胀率上升，可能造成水泥体积安定性不良。因此，水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。碱含量水泥中碱含量过高时，若骨料中含在活性成分，可能发生碱集料反应使混凝土破坏。水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定。强度与强度等级水泥强度是水泥度体单位面积上所能承受的外力。是水泥技术要求中最关键的主要性能指标，又是设计混凝土配合比的重要依据。水泥强度以不同龄期抗压强度、抗折强度表示。由于水泥强度随时间逐渐增大，一般称3d或7d以前的强度为早期强度，28d及其后的强度为后期强度。水泥到28d时强度已大部分发挥出来，以后强度增加缓慢。强度等级是按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分的，硅酸盐水泥划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级，其中R型为早强型水泥，其早期强度较高。各强度等级水泥的各龄期强度值不利低于下表数值。强度等级抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.5507.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0废品与不合格品凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合国家标准规定时，均为废品。凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合国家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。2.2硅酸盐水泥的生产方法水泥生产方法可简单概括为“两磨一烧”，即生料粉磨、熟料煅烧、水泥粉磨。原料经破碎后，按一定比例配合，经粉磨设备磨细，并配合成为成分合适、质量均匀的生料；生料在水泥窑内煅烧至部分熔融，成为熟料；熟料加入适量石膏和混合材料，经粉磨设备磨细，即为水泥。硅酸盐水泥的生产主要经过原料破碎、原料预均化、原料配料、生料的粉磨和均化、熟料的煅烧、水泥的粉磨与贮运等主要工艺过程。干法生料粉磨设备有球磨机和立式磨两大类。立式磨通常采用烘干兼粉磨系统，即系统通入热风，在粉磨生料的同时进行烘干；球磨机也可采用烘干兼粉磨系统，或原料预先烘干后再入磨粉磨。熟料煅烧设备有立窑和回转窑两大类。立窑由于生产规模小，熟料质量不均匀，劳动生产率低和劳动强度大等缺点，将逐步淘汰。但我国在相当长的一段历史时期内，立窑仍将继续存在。回转窑的种类较多，其分类如下：湿法长窑湿法回转窑中空湿法窑湿法短窑干法中空窑回转窑干法回转窑带余热锅炉窑立筒预热器窑悬浮预热器窑预分解窑旋风预热器窑半干法回转窑：立波尔窑水泥的粉磨设备也有球磨机和立式磨两大类。水泥的生产方法按生料制备方法的不同，分为干法，湿法和半干法三大类。将原料先烘干后粉磨或在烘干磨内同时烘干与粉磨成生料粉，喂入干法窑内煅烧成熟料，称为干法生产。如干法中空窑、悬浮预热器窑和预分解窑为干法生产。将生料粉加入适量水分制成生料球，喂入立窑或立波尔窑内煅烧成熟的生产方法为半干法生产。另外，将湿法制备的生料浆脱水后入窑煅烧，称为湿磨干烧，也属半干法生产，亦可将其归入半湿法或湿法。将原料加水粉磨成生料浆后喂入湿法回转窑煅烧成熟料，称为湿法生产。湿法生产由于水分蒸发需要吸收大量气化潜热，因而热耗较高。但湿法粉磨电耗较低，生料易于均化，成分均匀，熟料质量较高，且输送方便，扬尘少，在20世纪30年代得到迅速发展。半干法生产的立波尔窑是回转窑生产史上的重大发展，回转窑热耗降低了50%以上。但由于炉篦子加热机的结构和操作较复杂，物料受热不均匀，熟料的质量较差。随着均化技术的发展、收尘设备的改进和一系列新技术的应用，新型干法生产的熟料质量与湿法相当，由于热耗的大幅度降低和单机生产能力的大幅度提高，以悬浮预热和窑外分解技术为代表的新型干法生产技术逐渐成为水泥生产的主导技术。2.3新型干法水泥生产的技术特征2.3.1新型干法水泥生产技术新型干法水泥生产技术，就是以悬浮预热和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生最新成就，例如：原料矿山计算机控制网络化开采，原料预均化，生料均化，挤压粉磨，新型耐热、耐磨、耐火、隔热材料以及IT技术等广泛应用于水泥干法生产过程，使水泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和大型化、自动化、科学管理特征的现代化水泥生产方法。2.3.2新型干法水泥生产工艺流程2.3.3新型干法水泥生产的特点新型干法水泥生产的特点在于：产品质量高由于生料制备全过程广泛采用现代均化技术，生料成分均匀稳定，熟料质量可与湿法生产相媲美；生产能耗低采用高效多功能挤压粉磨、新型粉体输送设备，大大降低了粉磨和输送电耗；悬浮预热和预分解技术使熟料烧成热耗可降低至3000kJ/kg以下，水泥单位电耗降低至90～100kW.h/t以下；环保有利于低质原燃材料的综合利用，系统NOx生成量少，可广泛利用废渣、废料、再生燃料及降解有害废弃物；生产规模大单机生产能力可达10000t/d，劳动生产率高；自动化程度高各种现代控制手段应用于生产全过程，保证生产的均衡稳定，达到优质、高效、低消耗的目的；管理科学化应用IT技术进行有效管理，信息获取、分析、处理的方法科学、现代化；投资大、建设周期长由于技术含量高，资源、地质、交通运输等条件要求较高，耐火材料消耗大，整体投资大。2.4硅酸盐水泥熟料的组成2.4.1熟料的化学组成硅酸盐水泥熟料主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3四种氧化物组成，含量占95%以上，此外还有少量其它氧化物。四种主要氧化物含量的波动范围为：CaO62～67%SiO220～24%Al2O34～7%Fe2O32.5～6.0%水泥熟料中各氧化物的含量对水泥的性质有极大影响，从氧化物的含量，大致可推断水泥的性质。2.4.2熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料中主要由以下四种矿物组成：硅酸三钙3CaO•SiO2，通常简写为C3S；硅酸二钙2CaO•SiO2，通常简写为C2S；铝酸三钙3CaO•Al2O3，通常简写为C3A；铁铝酸四钙4CaO•Al2O3•Fe2O3，通常简写为C4AF。这四种主要矿物组成决定硅酸盐水泥的主要性质，在硅酸盐水泥熟料中，四种矿物占95%以上，C3S和C2S含量约占75%左右，称为硅酸盐矿物；C3A和C4AF约占22%左右，它们在1250～1280℃会熔融形成液相，促进C3S形成，称为熔剂矿物。通常硅酸盐水泥熟料中，以上四种矿物组成含量波动范围如下：C3S37～60%C2S15～37%C3A7～15%C4AF10～18%另外，还有少量的游离氧化钙（f－CaO）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物和玻璃体等。2.4.3熟料的物理性能要求水泥熟料的性能在很大程度上决定了水泥的性能，熟料是水泥厂的半成品，近年来也越来越多地作为商品出售。JC/853－1999对硅酸盐水泥熟料的物理性能提出了具体要求：初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min；沸煮法检验安定性合格；抗压强度不低于下表所列数值：水泥熟料类型强度等级抗压强度/MPa3d28d通用、中等抗硫酸盐水泥熟料42.52542.552.53052.562.53562.5中等水化热、高抗硫酸盐水泥熟料42.5－42.552.52252.562.52662.5熟料应不带有杂物，运输和储存应不与其他物品相混杂。2.4.4化学成分与矿物组成间的关系熟料中的主要矿物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熟料的中心环节，根据熟料化学成分也可推测出熟料中各矿