水泥原料及生产工艺

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水泥原料及生产工艺,过程？,主要原料：,石灰质原料（主要是,CaCO,3,）、粘土质原料（粘土矿物，它们是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，如高岭石,Al,4,Si,4,O,10,(OH),8,、伊利石,K,0.75,(Al,1.75,R)Si,3.5,Al,0.5,O,10,(OH),2,、,蒙脱石等,）和校正原料。,水泥熟料：,硅酸三钙：,3,CaO,. SiO,2,；硅酸二钙：,2,CaO,. SiO,2,；铝酸三钙：,3CaO.Al,2,O,3,；铁铝酸四钙：,4 CaO.Al,2,O,3,. Fe,2,O,3,。,所需的过程,：,粉碎；干燥、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结、熟料冷却结晶。,第一部分 硅酸盐水泥的生产方法与过程,分为三个阶段,“,两磨一烧”：,生料制备：,石灰质原料、粘土质原料和少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并配合为成分合适、质量均匀的生料；,熟料煅烧：,生料在水泥窑内煅烧至部分熔融所得以,硅酸钙（,C,3,S,、,C,2,S,）,为主要成分的硅酸盐水泥熟料；,水泥制成（,包括水泥的粉磨与装运）：熟料加适量石膏、适量混合材料或外加剂共同磨细制成水泥，称为水泥制成。,生料制备：,干法,是指按指定的化学成分确定的各种原料干燥、粉碎、混合、磨细得到混合均匀的生料粉。,湿法,则先将石灰石破碎至大小为,8,25mm,的颗粒，同时将粘土压碎并将其加入到淘泥池中淘洗。然后，将破碎后的石灰石与粘土泥浆，按配料要求，共同在生料磨中湿磨，制成生料浆泵送到料浆池。,硅酸盐水泥的煅烧：,可以采用立窑和回转窑。立窑适用于规模较小的工厂，而大中型厂则采用回转窑。回转窑是一个长的钢质圆筒，可围绕轴线以一定速度转动。,新型干法水泥生产工艺流程,第二部分 原材料及生料制备,主要原料：,石灰质原料（主要提供氧化钙）、粘土质原料（主要提供氧化硅与氧化铝，也提供部分氧化铁）和校正材料。,矿化剂,：为改善易烧性，有时加入少量的,矿化剂,，如萤石、石膏。矿化剂的加入可降低液相出现的温度，或降低液相粘度，增加物料在烧成带的停留时间，使石灰的吸收过程更充分，有利于提高产量。,一、石灰质原料,常用的天然石灰质原料,：有石灰石、泥灰岩、白垩、贝壳等。,水泥生产对石灰质原料的质量要求：,1,、,CaO48.0%,；,2,、,MgO3.0%,；,3,、,SO,3,1.0%,；,4,、,R,2,O0.6%,；,5,、,f-SiO,2,4.0%,。,二、粘土质原料,天然粘土质原料：,黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。其中黄土与粘土应用最多最广泛。其中主要矿物为高岭土（石）、蒙脱石、伊利石等。,水泥生产对粘土质原料的质量要求：,一等品：,n=2.7-3.5,；,p=1.5-3.5,；（,n,硅率，,p,铝率）,MgO3.0%,；,R,2,O4.0%,；,SO,3,3.0%,；,二等品：,n=2.0-2.7,或,3.5-4.0,；,p,值不限；,MgO3.0%,；,R,2,O4.0%,；,SO,3,3.0%,； 注：,R,2,O,是一价氧化物，如,Na,2,O, k,2,O,三、校正原料,定义：,在生产中当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时，必须根据所缺少的组分掺加相应的原料，以补充某些不足的成分，这种原料称为校正原料。主要为铁质、硅质、铝质校正原料三种。,1,、铁质校正原料,质量要求：,Fe,2,O,3,40%,不含有害杂质。,常用的铁质校正原料有硫酸渣、铁矿石、铅矿渣、铜矿渣等。,2,、硅质校正原料,质量要求：,n4.0,或,SiO,2,=70-90%,；,R,2,O4.0%,。,常用的硅质校正原料有粉砂岩、砂岩和河砂等。,3,、铝质校正原料,质量要求：,Al,2,O,3,30%,且不含有害杂质。,常用铝质校正原料有铝钒土、煤渣、煤矸石、粉煤灰等。,四、燃料,新型干法回转窑一般采用烟煤煅烧水泥，近几年来，由于产煤地区资源及价格的差异，经过大量研究与实践，我国已经成功开发出预分解窑利用无烟煤煅烧技术。,一般为提高无烟煤在窑系统的燃烧速度，要求入窑炉煤粉细度达到,0.08mm,方孔筛余小于,3-5%,。,对预分解窑来说，为防止结皮，还要求煤中含硫量小于,1.5%,。,第三部分 硅酸盐水泥熟料的形成过程,生料在加热过程中，依次发生干燥、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结、熟料冷却结晶等重要物理化学反应。,一、干燥与脱水,1,、干燥,主要是指排除生料中自由水分的工艺过程。生料中的自由水分随物料温度而逐渐蒸发，当温度升高至,100,150,时，生料中自由水分全部被排除。,特点：,在预热器中蒸发生料中少量的水分，使生料迅速升温。,2,、脱水,指在预热器中热烟气作用下，粘土矿物（一般是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物）分解放出化合水。,脱水分两种：一种是脱去配位水，一般在,400-600,以上才能脱去；一种是吸附水，一般在,100,左右即可脱去。粘土矿物脱水是一个吸热过程，吸热量较少，升温速度快。,在,900,950,时，无定形物质又转变为晶体，同时放出热量。（分解炉温度控制范围）,二、碳酸盐分解,定义：,生料中碳酸盐主要是碳酸钙和碳酸镁，它们在煅烧过程中分解并放出,CO,2,的过程称为碳酸盐的分解过程。,一般碳酸镁在,600,开始分解，到,750,分解剧烈进行，并吸收大量热；碳酸钙在,750,开始分解，到,897,时分解剧烈进行，同时也吸收大量热。由于碳酸钙在水泥生料中占,80%,左右，其分解过程需要吸收大量的热，这是熟料煅烧过程中消耗热量最多的一个环节，也是水泥熟料煅烧的一个最重要的环节。,MgCO,3,=MgO+CO,2,-,（,1047,1214,）,J/g,CaCO,3,=CaO+CO,2,-1645J/g,注：实际上还有粘土分解：一般在,600-900,，粘土开始分解，并形成一些初级矿物，如,CA, C,2,F, C,2,S,和,C,12,A,7,。 粘土分解位于碳酸盐的分解过程中。,（,1,）碳酸钙分解反应的特点,这是一个可逆的、强吸热、烧失量大的反应，其分解温度与,CO,2,的分压和矿物结晶程度有关。,（,2,）碳酸钙的分解过程,热气流从周围环境向碳酸钙颗粒表面传热；,热量从颗粒表面向内部传递；,在一定温度下碳酸钙吸热分解并放出,CO,2,；,CO,2,气体从颗粒内部向表面扩散；,CO,2,气体从颗粒表面向四周扩散。,外加剂,掺加少量外加剂如,OH-,等物质可以提高碳酸钙的分解速度。,下图为正在分解的碳酸钙颗粒,三、固相反应,当窑内温度升高到一定程度时，生料中各种氧化物之间就会产生相互反应即固相反应，其固相反应过程如下：,800,：形成,CA,、,CF,、,C,2,S,；,800-900,：开始形成,C,12,A,7,；,900-1100,：形成,C,2,AS,后又分解。开始形成,C,3,A,和,C,4,AF,。所有碳酸钙均分解，游离氧化钙达到最大值。,1100-1200,：大量形成,C,3,A,和,C,4,AF,，,C,2,S,含量达最大值。,固相反应是放热反应。普通原料放热量约为,420-500J/g,。,影响固相反应的因素：,（,1,）生料的细度及其均匀程度,生料越细，生料的均匀性越好，其固相反应接触面积越大，反应越快。,（,2,）原料的性质,原料中结晶,SiO,2,越多，结晶越大，其易烧性越差，固相反应速度就越慢。,注：自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。 结晶二氧化硅因晶体结构不同,分为石英、鳞石英和方石英。,（,3,）温度,反应温度越高，质点能量越高，扩散速度越快，可加快固相反应的速度。,（,4,）矿化剂,采用适当的矿化剂，可以促使,SiO,2,晶体活化，加速生料中的结晶,SiO,2,分解，从而加快固相反应。,四、熟料的烧结（固液反应）,（,1,）熟料的烧结过程,熟料的烧结就是在高温液相下，固相硅酸钙和氧化钙都逐步溶解于液相中，硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸盐水泥的主要矿物,硅酸三钙。其反应方程式如下：,C,2,S+CaOC,3,S,熟料的烧成温度一般在,125014501250,，故通常把,125014501250,称为熟料的烧结温度。在此温度范围内大致需要,10-20min,完成熟料的烧结过程。,（,2,）影响熟料烧结过程的因素,最低共熔温度,最低共熔温度越小，液相出现越早，熟料的烧结就会越快。,液相量,适当的液相量可以加速,C,3,S,的形成，一般熟料在烧成过程中液相量为,20-30%,。,液相的粘度,液相的粘度对,C,3,S,的形成有很大的影响。粘度越小，质点扩散速度越快，,C,3,S,也就越易形成。,液相的表面张力,液相的表面张力越小，就越易润湿固相颗粒表面，也就越有利于,C,3,S,的形成。,氧化钙和硅酸二钙溶于液相的速率,氧化钙和硅酸二钙的溶解速度加快，就会加快,C,3,S,的形成速度，熟料就越易烧结。,五、熟料的冷却及粉磨,（,1,）冷却的作用,改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于储存、运输和粉磨；部分回收熟料出窑带走的热量，预热二次空气，从而降低熟料的热耗，提高热效率。,熟料冷却的方式分为三种：,急 冷,冷却速度很快；,平衡冷却,冷却速度适中；,独立结晶,冷却速度很慢。,熟料在冷却过程中，将有部分熔剂矿物形成晶体析出，另一部分来不及析晶而呈玻璃态存在。,熔剂矿物：即,C,3,A,、,C,4,AF,，主要是它们呈液相，在其中熔解,C,3,S,、,C,2,S,。,（,2,）急冷的作用,减少,C,3,S,分解。,因为熟料在冷却时，其中的,C,3,S,在,1250,左右时会分解成,C,2,S,，并产生二次,f-CaO,，降低了熟料的早强。,避免,C,2,S,产生晶型转变。,熟料在冷却时，其中的,C,2,S,在,500-600,左右时，会从,- C,2,S,转变为,- C,2,S,，其密度由,3.24,降低到,2.97,，体积膨胀约,11%,，而导致熟料胀裂崩溃而使熟料粉化。,- C,2,S,几乎没有水硬性，从而大大降低了熟料的强度。,使,MgO,形成固溶体，降低熟料中方镁石的含量。,熟料冷却速度快，可以使其中的,MgO,形成固溶体，不至于形成难以水化的方镁石，保证了熟料的安定性。,使,C,3,A,形成固溶体，提高熟料的抗硫酸盐性，克服水泥快凝。,熟料冷却速度快，可以使其中的,C,3,A,形成固溶体，提高了熟料的抗硫酸盐性。同时由于,C,3,A,形成了固溶体，还可以使其水化速度减慢，防止熟料快凝。,提高熟料的易磨性。,熟料冷却速度快，可以在其内部产生内应力，从而改善了熟料的易磨性，提高水泥粉磨的效率，降低了粉磨成本。,熟料形成过程,硅酸盐水泥熟料是由石灰石组分和粘土组分经高温煅烧相互化合而成的，其主要反应过程如下：,20150C,一烘干原料带入的附着水分，湿法生产在这一段消耗了大量热量。,150600C,一高岭土脱去吸附的水分和结晶水。,600900C,一高岭土分解，同时形成一些初级矿物，如,CA,，,C,2,F,，,C,2,S,和,C,12,A,7,。,8501100,一,CaCO,3,分解率最大，形成的游离石灰量也最大，这期间因,CaCO3,分解为吸热反应，需要热量最多。,C,3,A,和,C,4,AF,也在这时开始形成。,11001200,一,C,3,A,和,C,4,AF,主要在这一温度区内形成，,C,2,S,量达到最大值。,12601310,一形成熟料液相,12501450C,2,S,吸收,f-CaO,形成,C,3,S,，最终烧成熟料，所以一般都要达到,1450,以上，并停留一定时间才能烧出合格熟料。,注：,这张片子有助于对前面过程的理解，从另一个角度介绍水泥的生产，红颜色的是前面没有介绍的。,