2010年12月 水泥工藝學 目錄 緒論第一章水泥基礎知識第一節基本概念第二節硅酸鹽水泥的技術指標第二章硅酸鹽水泥熟料的組成第三節硅酸鹽水泥熟料的化學成分第四節熟料的礦物組成第五節熟料的率值第三章硅酸鹽水泥的生產方法及工藝第六節生產方法分類第四章硅酸鹽水泥熟料的主要原料第七節原料的種類第八節原料的開采和運輸 第九節原料的預均化第十節生料的制備 調整和均化第五章硅酸鹽水泥熟料的制備第十一節硅酸鹽水泥熟料的煅燒第六章水泥制成和包裝第十二節水泥制成工藝第十三節水泥的包裝和貯運第七章新型干法旋窯生產主要設備第十四節懸浮預熱器第十五節分解爐第十六節回轉窯第十七節熟料冷卻機第十八節水泥熟料煅燒過程第八章硅酸鹽水泥水化第十九節硅酸鹽水泥水化硬化第二十節硅酸鹽水泥性能第九章水泥基材料的耐久性第十章水泥混合材與輔助膠凝材料 緒言 水泥是建筑工業三大基本材料之一 使用廣 用量大 素有 建筑工業的糧食 之稱 生產水泥雖需要較多的能源 但水泥與砂 石等材料的混泥土是一種低能耗新型建筑材料 例如 在相同荷載的條件下 混泥土柱的耗能量僅為鋼柱的1 5 1 6 磚柱的1 4 根據預測 在未來的幾十年內 水泥依舊是主要建筑材料 水泥具有較好的可塑性 與砂 石等膠合后的混和物具有較好的和易性 可澆注成多種形狀及尺寸的構件 以滿足設計上的不同要求 水泥的適應性較強 適用于海上 地下 深水 嚴寒 干熱 腐蝕 輻射等多種條件下 水泥還可與多種有機 無機材料制成多種用途的水泥復合材料 水泥耐久性較好 維修工作量小 不易生銹 耐腐朽 目前 水泥已廣泛用于建筑 水利 道路 國防等工程中 近年來 宇航 信息及其它新興工業中對各種具有特種性能的水泥復合材料的需求也越來越大 因此 水泥工業在整個國民經濟中起著十分重要的作用 在目前甚至未來相當長的時期內 水泥仍將是人類社會的主要的建筑材料 原始水泥可追溯到5000年前 埃及的金字塔 古希臘和古羅馬時代用石灰摻砂制成的混和沙漿 曾被用于砌筑石塊和磚塊 這種用來做砌筑用的膠凝材料被稱為原始水泥 它為現代水泥的發明奠定了基礎 1824年 英國泥水工J 阿斯普丁發明了一種把石灰石和粘土混和后加以煅燒來制造水泥的方法 并獲得了專利權 這種水泥同英國附近波特蘭小城盛產的石材顏色相近 故稱為波特蘭水泥 人類最早是利用間歇式土窯 后發展成土立窯 煅燒水泥熟料 1877年回轉窯燒制水泥熟料獲得了專利權 繼而出現了單筒冷卻機 立式磨及單倉鋼球磨等 從而有效地提高了水泥的產量和質量 1905年濕法回轉窯出現 1910年土立窯得到了改進 實現了立窯機械化連續生產 1928年德國的立列波博士和波利休斯公司對立窯 回轉窯綜合分析研究后 創造了帶回轉爐箅子的回轉窯 為了紀念發明者與創造公司 取名為 立波爾窯 1950年 懸浮預熱器由德國發明成功并開始應用 大幅度降低了熟料生產的熱耗 極大地提高了生產規模 20世紀60年代初 日本將德國的懸浮預熱器回轉窯技術引進后 于1971年開發了水泥窯外分解技術 從而揭開了現代水泥工業的新篇章 并且很快在世界范圍內出現了各具特點的預分解窯 形成了新型干法生產技術 隨著原料與均化 生料均化 高功能破碎和粉磨 環境保護技術和X射線熒光分析等在線檢測方法的配套發展 加上電子計算機和自動化控制儀表等技術的廣泛應用 使新型干法水泥生產的熟料質量明顯提高 能耗明顯下降 生產規模不斷擴大 我國從上世紀70年代初研制新型干法水泥技術裝備開始 在國家有關部門的支持和推動下 水泥行業科研創新與技術開發能力不斷提高 技術裝備已達到世界先進水平 目前日產2000噸新型干法水泥生產技術裝備已全部國產化 日產4000噸 5000噸新型干法水泥生產技術裝備國產化率達到90 以上 日產8000噸水泥熟料生產線和日產10000噸水泥熟料生產線已經投產 日產10000噸水泥熟料生產線全球只有7條 我國就擁有4條 新型干法水泥生產工藝正在逐步取代濕法 老式干法和立窯等生產工藝 改革開放以來 在州委 州人民政府正確領導和高度重視下 我州水泥工業得到了快速發展 特別是進入 九五 以來 發展更加迅速 不論從生產規模 工藝技術 產品質量 節約降耗和社會貢獻等方面 都取得了令人矚目的成績 到2005年末 全州共有水泥生產企業25戶 其中 旋窯5戶 立窯13戶 粉磨站7戶 全行業擁有熟料生產線24條 其中 新型干法旋窯7條 機立窯17條 熟料設計生產能力354萬噸 其中 旋窯204萬噸 立窯150萬噸 各占58 和42 水泥設計生產能力550萬噸 其中 旋窯水泥290萬噸 立窯水泥190萬噸 粉磨站水泥70萬噸 大小熟料結構比例調整為58 42 大小水泥結構比例調整為53 47 大小水泥 熟料結構優于全省和全國 企業的技術結構 組織結構和所有制結構得到顯著提升和優化 行業的整體實力和競爭力明顯增強 水泥支柱產業的地位不斷加強 相信到 十一五 末 我州水泥產業一定能夠邁上更快更高的發展臺階 第二節水泥基礎知識 第一節基本概念一 膠凝材料在物理化學作用下 能從漿體變成堅固的石狀體 并能膠結其它物料而有一定機械強度的物質 統稱為膠凝材料 它分為無機和有機兩大類 無機膠凝材料又按照硬化條件 又可分為水硬性和非水硬性兩種 水硬性膠凝材料指在拌水后既能在空氣中又能在水中硬化的材料 如水泥 非水硬性膠凝材料不能在水中硬化 而只能在空氣中硬化 故稱為氣硬性膠凝材料 如石灰 石膏等 二 水泥廣義上說 水泥泛指一切能夠硬化的無機膠凝材料 而狹義的水泥則專指現代水泥 即具有水硬性的膠凝材料 三 水泥的品種和分類對水泥的分類通常有兩種方法 一是按用途及性能分類 二是按其主要水硬性物質名稱分類 1 按水泥用途分為 通用水泥 專用水泥 特性水泥三大類 通用水泥 是指適用于大多數工業 民用建筑工程的硅酸鹽系列品種水泥 主要有硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥 礦渣硅酸鹽水泥 火山灰質硅酸鹽水泥 粉煤灰硅酸鹽水泥以及復合硅酸鹽水泥 專用水泥 是指有專門用途的水泥 如油井水泥 中熱硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥等 特性水泥 是指某種性能較突出的一類水泥 如快硬水泥系列 膨脹水泥系列 抗硫酸鹽硅酸鹽水泥等 專用特種水泥包括 快硬高強水泥 膨脹水泥 自應力水泥 水工水泥 油井水泥 裝飾水泥 砌筑水泥 低堿水泥 道路水泥等種類 2 按其主要水硬性物質名稱分為 硅酸鹽水泥系列 硫鋁酸鹽水泥系列 鋁酸鹽水泥系列 鐵鋁酸鹽水泥系列 氟鋁酸鹽水泥系列 其他系列六大類 四 硅酸鹽水泥 一 通用硅酸鹽水泥1 硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 0 5 石灰石或粒化高爐礦渣 適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為硅酸鹽水泥 分P I和P II 即國外通稱的波特蘭水泥 2 普通硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 6 15 混合材料 適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為普通硅酸鹽水泥 簡稱普通水泥 代號 P O 3 礦渣硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 粒化高爐礦渣和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為礦渣硅酸鹽水泥 代號 P S 4 粉煤灰硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 粉煤灰和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為粉煤灰硅酸鹽水泥 代號 P F 5 火山灰質硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 火山灰質混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為火山灰質硅酸鹽水泥 代號 P P 6 復合硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 兩種或兩種以上規定的混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為復合硅酸鹽水泥 簡稱復合水泥 代號P C 二 六大類硅酸鹽水泥中主要混合材摻量如下 1 硅酸鹽水泥類 石灰石或粒化高爐礦渣 適量石膏 摻量為 0 5 2 普通硅酸鹽水泥類 混合材料摻量為 6 15 3 礦渣硅酸鹽水泥類 粒化高爐礦渣摻量為 20 70 4 粉煤灰硅酸鹽水泥類 粉煤灰摻量為 20 40 5 火山灰質硅酸鹽水泥類 火山灰質混合材料摻量為 20 50 6 復合硅酸鹽水泥類 混合材料摻量為 15 50 三 專用和特種硅酸鹽水泥 1 低熱礦渣硅酸鹽水泥 以適當成分的硅酸鹽水泥熟料 加入適量石膏磨細制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料 2 快硬硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏 磨細制成早強度高的以3天抗壓強度表示標號的水泥 3 抗硫酸鹽硅酸鹽水泥 由硅酸鹽水泥熟料 加入適量石膏磨細制成的抗硫酸鹽腐蝕性能良好的水泥 4 白色硅酸鹽水泥 由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏 磨細制成的白色水泥 5 道路硅酸鹽水泥 由道路硅酸鹽水泥熟料 0 10 活性混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為道路硅酸鹽水泥 簡稱道路水泥 6 砌筑水泥 由活性混合材料 加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏 磨細制成主要用于砌筑砂漿的低標號水泥 7 油井水泥 由適當礦物組成的硅酸鹽水泥熟料 適量石膏和混合材料等磨細制成的適用于一定井溫條件下油 氣井固井工程用的水泥 8 石膏礦渣水泥 以粒化高爐礦渣為主要組分材料 加入適量石膏 硅酸鹽水泥熟料或石灰磨細制成的水泥 第二節硅酸鹽水泥的技術指標 一 制造水泥的組分材料1 硅酸鹽水泥熟料 凡適當成分的生料燒至部分熔融 所得以硅酸鈣為主要成分的產物稱為硅酸鹽水泥熟料 簡稱熟料 2 石膏 包括天然石膏和工業副產石膏 質量必須符合標準 3 活性混合材 系指具有火山灰性或潛在水硬性的混合材料 如高爐礦渣 火山灰和粉煤灰 制造水泥的組分材料4 非活性混合材 系指活性指標不符合標準要求的潛在水硬性或火山灰的水泥混合材料 以及砂巖和石灰石 5 窯灰 從水泥回轉窯窯尾廢氣中收集下的粉塵 6 助磨劑 水泥粉磨時允許加入起助磨作用而不損害水泥性能的助磨劑 其加入量不得超過水泥質量的1 二 硅酸鹽水泥的標號 國家標準中把硅酸鹽水泥的標號設置為325 325R 425 425R 525 525R 625 625R 725 725R幾等 標號是根據水泥28D抗壓強值確定的 三 硅酸鹽水泥的技術指標 品質指標 1 化學指標 是保證水泥質量和性能的重要依據 1 氧化鎂含量 在水泥熟料中 常含有少量與其他礦物結合的游離氧化鎂 它是高溫時形成的方鎂石 它水化為氫氧化鎂的速度很慢 常在水泥硬化以后才開始水化 在水化時產生體積膨脹 可導致水泥石結構產生裂縫甚至破壞 因此 它是引起水泥安定性不良的原因之一 因此 國家標準 GB175 1999 規定 水泥中氧化鎂的含量不得超過5 如果水泥經壓蒸安定性試驗合格 則水泥中氧化鎂的含量允許放寬到6 2 三氧化硫含量 水泥中的SO3主要是在生產時為調節凝結時間加入石膏而帶來的 也可能是煅燒熟料時加入石膏礦化劑而帶入熟料的 適量石膏雖能改善水泥性能 如提高水泥強度 降低收縮性 改善抗凍耐蝕和抗滲性等 但石膏超過一定含量后 水泥性能會變差 甚至引起硬化水泥石膨脹 導致結構破壞 因此水泥中SO3的含量必須加以限制 現行國家標準規定 水泥中SO3的含量不得超過3 5 3 燒失量 水泥煅燒不佳或受潮后 均會導致燒失量增加 燒失量測定是以水泥試樣在950 1000 下灼燒15 20min 冷至室溫稱量 如此反復灼燒直至恒重 按下式計算燒失量 X mo m1 mo 100式中 X 燒失量 mo 灼燒前試樣質量gm1 灼燒后試樣質量g普通水泥 礦渣水泥中的燒失量 回轉窯廠不得大于5 立窯大不得大于7 硅酸鹽水泥的技術指標 品質指標 2 物理指標 1 細度 水泥細度是表示水泥磨細后的程度或水泥分散度的指標 它對水泥的水化硬化速度 水泥需水量 和易性 放熱速率及強度都有影響 水泥細度可用篩析法和比表面積法表示 現行標準規定 普通水泥 礦渣水泥 火山灰水泥和粉煤灰水泥 在0 08mm方孔篩上篩余量不得超過10 硅酸鹽水泥細度不少于300 2 g 2 凝結時間 是指水泥從加水開始 到水泥漿失去可塑性所需的時間 凝結時間分為初凝時間和終凝時間 初凝時間是從水泥加水開始到水泥漿失去可塑性所需的時間 終凝時間是從水泥加水開始到水泥漿完全失去塑性的時間 我國標準規定 采用凝結時間測定儀來測定 標準規定 硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45分鐘 終凝時間不得遲于390分鐘 6 5小時 普通硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45分鐘 終凝時間不得遲于10小時 3 安定性 安定性是指水泥在凝結硬化過程中體積變化的均勻性 水泥與水拌制成的水泥漿體 在凝結硬化過程中 一般都會發生體積變化 如果這種體積變化是在凝結硬化過程中 則對建筑的質量并沒有什么影響 但是如果混凝土硬化后 由于水泥中某些有害成分的作用 在水泥石內部產了劇烈的 不均勻的體積變化時 在建筑物內部產生破壞應力 導致建設物強度降低 甚至會引起建筑物開裂 崩塌等嚴重事故 水泥體積安定性不良的原因在于 水泥熟料中游離Cao MgO含量過多或摻入的石膏含量過多 熟料中的游離CaO MgO經過高溫煅燒后均呈 過燒 狀態 水化十分緩慢 在水泥已經硬化后才進行水化 體積膨脹 引起不均勻的體積變化 使水泥石開裂 石膏含量過多時 在水泥硬化后 它還會與固體的水化鋁酸鈣反應 生成高硫型水化硫鋁酸鈣 體積約增大1 5倍 引起水泥石開裂 安定性的檢驗方法 沸煮法 不常用 主要用來檢驗由游離CaO引起的體積變化 試餅法 雷氏法 用雷氏夾測定 試件兩指針尖端距離增加的平均值 5mm時 安定性合格 壓蒸法 主要用來檢驗由游離MgO引起的體積變化 4 強度 強度是水泥技術中最基本的指標 它直接反映了水泥的質量水平和使用價值 國際上都采用砂漿法作為水泥強度的標準檢驗方法 我國亦采用水泥膠砂來評定水泥強度 我國現行標準 GB177 1999 規定 以1 3的水泥和ISO標準砂 按規定的水灰比0 50 用標準制作方法制成4cm 4cm 16cm的標準試件 在標準養護條件下 達到規定齡期 3d 28d 時 測定其抗折和抗壓強度 按國家標準規定的最低強度值來評定其所屬的強度等級 為提高水泥的早期強度 我國現行標準將水泥分為普通型和早強型 R 早強型水泥的3d抗壓強度較同強度等級的普通型強度提高10 24 可達28d抗壓強度的50 道路水泥多用早強水泥 需要強調的是 我國現行國家標準規定 凡是氧化鎂 三氧化硫 初凝時間 安定性中的任何一項指標不符合標準規定的 均為廢品 凡細度 終凝時間 不溶物和燒失量中的任何一項不符合標準規定的 或混合材摻加量超過最大限量 或強度低于等級規定的指標時稱為不合格產品 廢品水泥在工程中嚴禁使用 第二章硅酸鹽水泥熟料的組成 第三節硅酸鹽水泥熟料的化學成分水泥的質量主要決定熟料的質量 優質的熟料應該具有合適的礦物組成和巖相結構 因此控制熟料的化學成分 是水泥生產的中心環節之一 一 熟料的化學組成硅酸鹽水泥熟料的主要化學組成為氧化鈣 CaO 一般范圍為62 67 二氧化硅 SiO2 一般范圍為20 24 三氧化二鋁 Al2O3 一般范圍為4 7 三氧化二鐵 Fe2O3 一般范圍為2 5 6 這四種氧化物組成通常在熟料中占95 以上 同時含有5 以下的少數氧化物 如氧化鎂 MgO 硫酐 SO3 氧化鈦 TiO2 氧化磷 P2O5 以及堿 K2O Na2O 等 這四種氧化物構成水泥熟料的最主要的化學成分 它們在水泥熟料生產中是按一定含量和一定比例進行配比生產的 配比不恰當 都會直接影響到熟料的質量進而影響到水泥的質量 如熟料中若CaO含量過高 則CaO不能充分與硅酸性氧化物化合 部分呈現游離狀態存在于熟料中 成 死燒狀態 這種 死燒狀態 的氧化鈣 其水化作用非常緩慢 常發生在水泥凝結硬化過程之后的水泥石中 致使水泥石膨脹變形 破裂 如氧化鋁和氧化鐵 它們是熟料燒成過程中產生液相的主要氧化物 如果它們的含量過高 則產生的液相量過多 使物料易結大塊而影響操作 如果含量過低 則產生液相量過少 使燒成困難 熟料易于 粉化 所以在熟料生產中化驗人員要對原料進行認真分析計算 作出科學合理的配料方案 指導熟料生產 第四節熟料的礦物組成 一 熟料中的主要礦物原料中CaO SiO2 Al2O3和Fe2O3 這四種氧化物 經過高溫煅燒后發生化合反應 硅酸鹽礦物 CaO SiO2 生成 硅酸二鈣 2CaO SiO2 簡寫為C2S和硅酸三鈣 3CaO SiO2 可簡寫為C3S 合計占75 左右 熔劑礦物 Al2O3和Fe2O3 生成 鋁酸三鈣 3CaO Al2O3 可簡寫為C3A 鐵鋁酸四鈣 4CaO Al2O3 Fe2O3 簡寫為C4AF 合計占22 左右 從以上熟料的礦物組成中可以看出 在水泥熟料中 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3這四種氧化物 不是以單獨的氧物形式存在 而是經過高溫煅燒后 兩種或兩種以上的氧化物反應生成的多種礦物集合體 其結晶細小 通常為30 60 m 因此水泥熟料是一種多礦物組成的結晶細小人造巖石 第五節熟料的率值 硅酸鹽水泥熟料中各氧化物不是以單獨狀態存在 而是由兩種或兩種以上的氧化物合成的多礦物集合體 因此 在水泥生產中不僅要控制各氧化物的含量 還要控制多氧化物之間的比例 即率值 這樣更能表示出水泥的性質及對煅燒的影響 率值就是用來表示水泥熟料中多氧化物之間相對含量的系數 它是生產控制的一種指標 一 水硬率表示水泥熟料中氧化鈣與酸性氧化物 SiO2 Al2O3 Fe2O3 之和的質量百分數的比值 用HM或m表示 計算公式如下 HM m CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3通常波動值在1 8 2 4之間 二 硅率 硅硅率 和鋁率 或稱鐵率 1 硅率表示熟料中氧化硅含量與氧化鋁 氧化鐵之和的質量比 也表示熟料中硅酸鹽礦物與溶劑礦物的比例 用SM或n表示 計算公式如下 SM n SiO2 Al2O3 Fe2O3通常硅酸鹽水泥熟料的硅率在1 7 2 7之間 2 鋁率鋁率又稱鐵率或鋁氧率 表示熟料中氧化鋁和氧化鐵含量的質量比 液表示熟料溶劑礦物中鋁酸三鈣與鐵鋁四鈣的比例 用IM或者p表示 計算公式如下 IM p Al2O3 Fe2O3通常硅酸鹽水泥熟料的鋁率在0 9 1 7之間 三 石灰飽和系數KH值為熟料中全部氧化硅生成硅酸鈣 C2S和C3S 所需的氧化鈣含量與全部氧化硅生成硅酸三鈣所需氧化鈣含量的比值 也即表示熟料中氧化硅被氧化鈣飽和形成硅酸三鈣的程度 計算公式為 KH CaO 1 65Al2O3 0 35Fe2O3 2 8SiO2為使熟料順利形成 不出現過量游離石灰 通常KH值控制在0 82 0 96之間 第三章硅酸鹽水泥的生產方法及工藝 第六節生產方法分類由于各地條件 原料資源和采用的主機設備情況的不同 水泥生產方法也有所不同 大致有以下幾類 一 按生料的制備方法分為濕法和干法1 濕法 將原料加水粉磨成生料漿 含水33 40 后喂入濕法回轉窯煅燒成熟料 則稱為濕法 將濕法制備的生料漿脫水后 制成生料塊入窯煅燒 稱為半濕法 亦歸入濕法 2 干法 將原料同時烘干與粉磨或先烘干后粉磨成生料粉 而后喂入干法窯內煅燒成熟料 則稱為干法生產 將生料粉加入適量水分制成生料球 而后喂入立窯或立波爾窯內煅燒成熟料的方法叫半干法 亦歸入干法 二 按煅燒熟料窯的結構分類1 立窯 有普通立窯和機械化立窯 2 回轉窯 中空式窯濕法回轉窯帶熱交換裝置的窯帶余熱鍋爐的窯回轉窯干法回轉窯帶預熱器的窯帶分解爐的窯半干法回轉窯立波爾窯 三 各種生產方法的特點 一 立窯生產的特點1 優點 1 基本建設投資小 投入生產快 2 立窯內填充系數高 因而單位體積產量高 3 可以就地取材 充分利用地方資源 4 窯內傳熱效率高 散熱損失小 約為總熱值的3 回轉窯為15 可節約燒成用燃料 5 需要設備和動力容量少 故可節約鋼材和動力 立窯生產的特點 2 缺點 1 生產規模小 2 熟料質量較差 3 勞動生產率低 勞動強度大 單機產量低 4 環保達標難 二 回轉窯的特點 濕法回轉窯生產熱耗高 但電耗較低 生料易于均化 成分均勻 熟料質量較高且輸送方便 粉塵少 所以此生產方法在20世紀30年代左右得以迅速發展 缺點是能耗高 新型干法回轉窯是當前世界各國競相發展的窯型 懸浮預勢器窯和窯外分解窯技術的開發成功 使水泥生產方法開始逐步發生變化 出現了向干法發展及濕法改干法的發展趨勢 新型干法回轉窯的優點是節能 產量高 質量穩定 環保 生產率高 四 硅酸鹽水泥的生產工藝過程 第四章硅酸鹽水泥熟料的主要原料 水泥的質量主要取決于熟料的質量 煅燒優質熟料必須制備適當成分的水泥生料 而生料的化學成分是由原料提供的 只有當原料提供的成分符合要求 加上良好的煅燒與粉磨 才能生產出優質水泥 因此 水泥原料的開采和合理使用 是水泥生產首先需要解決的問題 自然界中很難找到一種單一原料 能完全滿足水泥生產的要求 因此需要采取幾種不同的原料 根據所生產水泥的種類和性能 進行合理搭配 即通過配料 組成配合原料 再把它粉磨成一定細度 才能制得適當成分的生料 因此 生料配料是為了確定各原料各組分的數量比例 以保證得到成分和質量合乎要求的水泥熟料 第七節原料的種類 生產硅酸鹽水泥用的原料 主要是石類質原料 主要提供氧化鈣 和粘土質原料 主要提供氧化硅 氧化鋁和少量氧化鐵 我國粘土質原料及燃料灰分一般氧化鋁較高 含氧化鐵不足 因此 當用這兩種原料配合后 其成分滿足不了水泥熟料成分要求時 需用鐵質校正原料 即采用石灰質原料 粘土質原料和鐵質校正原料進行配料 一 石灰質原料凡是以炭配鈣為主要成分的原料都屬于石灰質原料 常用的天然石灰質原料有石灰巖 泥灰巖 白堊 貝殼等 我國水泥生產中應用最普遍的是石灰巖 我州石灰巖儲量豐富 在省內名列第二 水泥產業具有得天獨厚的發展條件 石灰巖 石灰巖是一種沉積巖 主要礦物是方解石 粘土和石英或燧石等雜質 純凈的石灰石是白色的 由于含不同的雜質而呈灰白 青灰 淡黃 紅褐等顏色 常見的為青灰色 密度2 6 2 8 硬度8 10 一般呈塊狀 有白色條痕 純的方解石含有56 CaO和44 CO2 生產硅酸鹽水泥用石灰巖中氧化鈣含量 應大于等于48 對于氧化鈣低于48 的石灰巖可與氧化鈣含量大于48 的石灰巖搭配使用 搭配后的石灰巖其CaO含量必須在48 以上 石灰石的質量要求如下表 二 粘土質原料我國天然粘土質原料的種類較多 有黃土 粘土 頁巖 泥巖 粉砂巖及河泥等 其中應用最廣泛的是黃土和粘土 粘土是由花崗巖 玄武巖等經風化分解后 再經搬運或殘積形成 黃土主要分布在華北和西北地區 粘土類包括華北 西北地區的紅土 東北地區的粘土 南方地區的紅壤 黃壤等 衡量粘土質量主要看粘土的化學成分 硅率 鋁率 含砂量 堿含量及粘土的可塑性 熱穩定性 正常流動的需水量等工藝性能 如要求硅率2 5 3 5 最好2 7 3 1 鋁率1 5 3 等 粘土質原料的質量要求如下 三 校正材料當石灰質原料和粘土質原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求時 必須根據所缺少的組分 摻加相應的校正原料 以補充某些成分的不足 常用較正原料有低品位鐵礦石 鐵廠尾礦 硫鐵礦渣 硅藻土 硅藻石 砂巖 粉砂巖 鋁礬土 鋁渣等 校正原料的質量要求如下 第八節原料的開采和運輸 水泥廠一般要求都有自己的原料礦山 水泥廠的原料均屬非金屬礦床 非金屬礦床的開采按開采對象和開采方法 可分為露天開采和地下開采 露天開采又可分為機械開采和水力開采 目前使用最多的是機械開采 機械開采是用一定的采掘運輸設備 按一定的生產工藝 從地面將礦體四周的巖體及覆蓋層剝離掉 把礦石采出來并通過露天溝道或運輸設備運到廠區料場的開采方法 礦石運輸 根據采石場距工廠的距離長短來選擇運輸設備 一般采石場距工廠300 500 時 則可采用皮帶輸送機 相距在3Km以內時 采用自動卸料汽車或小型內燃機車運輸 礦山管理要貫徹 采剝并舉 剝離先行 的原則 礦山要實行計劃開采 不同質量的礦石要分別開采和存放 搭配使用 穩定進廠原料成分 達到配料要求 第九節原料的預均化 經破碎的原料的化學成分是很不均齊的 為使原料成分初步趨于均齊 充分發揮原料堆場在儲存和取用原料兩方面的功能 采用一定的堆放和取用方式 使生料得到均齊 叫原料的預均化 原料預均化的基本原理是 平鋪直取 即采取堆料機將料一層一層地鋪起來 用料時 采用取料機垂直切取料層 這樣取得的生料就較均齊 接著送入生料磨進行粉磨 第十節生料的制備 調整和均化 一 生料制備生料制備是將原料 石灰質原料 粘土質原料及少量較正原料 立窯煅燒水泥熟料時還加有一定量的燃料 經過一系列的加工過程后 制成具有一定細度 適當化學成分 并且均勻的生料 使其滿足多種窯型的煅燒要求 一 對生料的要求 1 生料成分的均勻性 生料成分均勻穩定對熟料燒成具有重要影響 衡量生料成分穩定性的重要指標是碳酸鈣滴定值 出磨生料碳酸鈣滴定值波動范圍 濕法窯不大于 0 15 干法窯不大于 0 4 立窯不大于 0 5 2 細度 一般生料以0 08mm方孔篩篩余量應控制在8 10 0 2mm方孔篩篩余不大于10 為宜 3 生料的水分 濕法 料漿含水份33 40 干法一般控制在1 2 以內 二 生料制備的過程 1 破碎 是用機械方法縮小物料粒度的過程 破碎物料主要有壓碎 擊碎 磨碎 劈碎四種方式 采用的破碎設備有顎式破碎機 錐式破碎機 輥式破碎機 錘式破碎機 反擊式破碎機等 動畫圖 破碎作業有一級 二級甚至三級破碎的程序 采用幾級破碎 主要取決于破碎機的技術性能 一般級數越少越好 但不論選用幾級或選用什么樣的破碎機 石灰石破碎系統的出料粒度必須滿足生料磨入磨要求 在我國一般為20 25mm 2 烘干在干法粉磨時 入磨物料平均水分應控制在1 2 以內 但天然物料水分一般都遠遠超過這一范圍 因此物料必須烘干 滿足這一要求 水泥廠采用的烘干方法有兩種 一種是粉磨過程中同時進行烘干 即利用烘干兼粉磨的設備 另一種是采用單獨的烘干設備 物料烘干后再進行入磨 主要的烘干設備有 回轉式烘干機 懸浮式烘干機和硫態化烘干機 動畫圖 3 粉磨破碎與烘干后的物料 通過配料過程和配料設備送至生料磨進行粉磨 粉磨系統主要有開路和閉路兩種 在粉磨過程中 當物料一次通過磨機后即為產品時 稱為開路系統 當物料出磨后經過分級設備 選粉機 選出產品 而使粗料返回磨內再磨時稱為閉路系統 動畫圖 生料的細度 一般控制在0 08mm方孔篩篩余10 左右 0 2mm方孔篩篩余小于1 5 以內為宜 三 生料均化出磨的生料粉或生料漿 其化學成分難免有些波動 為保證入窯生料化學成分均齊 合格 生料應在貯存均化庫內進行均化 CF均化庫動畫圖 干法生料的均化可采用多庫搭配 機械倒庫和壓縮空氣攪拌庫 第五章硅酸鹽水泥熟料的制備 第十一節硅酸鹽水泥熟料的煅燒熟料煅燒是硅酸鹽水泥生產工藝過程的第二階段 是指將生料制備過程中制得的生料送入煅燒窯 經高溫煅燒 發生一系列物理的 化學的和物理化學變化后形成熟料的工藝過程 雖然生產方法和各種煅燒窯各有不同 但熟料煅燒過程大體相同 下面以濕法回轉窯為例 來說明熟料的煅燒過程 熟料煅燒物料可分為 水分蒸發 生料預熱 生料分解 熟料煅燒 熟料冷卻五個功能單元 相應分為干燥帶 預勢帶 分解帶和放熱帶 燒成帶和冷卻帶 一 干燥帶 物料溫度150 承擔生料中水分的蒸發任務 濕法窯物料含32 40 的水分 經干燥后 物料水分減到22 26 漿料失水變成球狀 干法窯由于入窯生料水分小于1 幾乎沒有干燥帶 半干法窯的干燥過程在加熱機上進行 在回轉窯內無干燥帶 預熱器窯 窯外分解窯干燥在預熱器內進行 因此回轉窯內無干燥帶 二 預熱帶 物料溫度150 750 承擔粘土質等原料中化學水的分解脫水任務 當溫度升到400 550 時 粘土開始脫水分解出活性SiO2和Al2O3 當溫度升到600 700 時 MgCO3繼續分解 帶懸浮預熱器和加熱機的窯 預熱都在窯外進行 回轉窯內預熱帶很短或者沒有 反應式 2SiO2 Al2O3 2H2O 2SiO2 Al2O3 2H2O 三 分解帶 物料溫度750 1000 主要承擔MgCO3和CaCO3的分解任務 在預熱帶未分解完的MgCO3在該帶繼續分解 但主要是CaCO3的分解 這一帶末端 分解產物之間產生固相反應 生成堿性的CA CF C2S 帶懸浮預熱器和加熱機的窯 分解反應有一部分在預熱器和加勢機內進行 而帶窯外分解爐的窯絕大部分的分解反應是在分解爐內進行 四 放熱反應帶 過渡帶 物料溫度1000 1300 在分解帶分解出的大量CaO SiO2 Al2O3等氧化物在該帶進行固相反應 生成大量C3A C4AF和C2S 這些反應是放熱反應 故稱 固相反應帶 由于固相反應放熱 物料溫度迅速上升 使該帶在窯內占的比例較小 五 燒成帶 物料溫度1300 1450 1300 該帶又稱燒結帶 是回轉窯內溫度最高的一帶 物料進入這帶就出現液相 在液相中C2S和游離氧化鈣作用形成C3S即 CaO C2S C3S 因此 此帶也叫 石灰吸收帶 為C3S的生成反應完全 物料在此停留的時間 也就是燒成帶應有一定長度 因此 要求回轉窯內燃料燃燒的火焰應有一定的長度和溫度 六 冷卻帶 物料溫度1300 1000 在燒成帶形成的C3S C2S C3A C4AF四種主要礦物的晶體繼續向前運動與溫度較低的二次空氣相遇 熟料溫度下降 這一區域稱為冷卻帶 在該帶快速冷卻后 形成含C3S C2S C3A C4AF圓形顆粒和玻璃體 阿利特晶體 落入冷卻機內 立窯內煅燒大體與回轉窯相同 此不再敘述 附 1 回轉窯內物料溫度和氣體溫度以及各帶劃分的大致情況圖 2 看回轉窯動畫圖 第六章水泥制成和包裝 第十二節水泥制成工藝水泥制成工藝是水泥生產的最后一環 是指把熟料 石膏 混和材共同粉磨制成水泥 再進行包裝或散裝出廠 工藝過程如下 熟料 冷卻 包裝機 成品庫 出廠石膏 水泥磨機 水泥庫均化混合材 散裝車 出廠 水泥制成工藝過程中 粉磨是關鍵工序 在生產中影響粉磨的因素很多 主要有 一 物料的粒度一般要求在25mm以下 最好小于10mm 二 入磨物料的易磨性影響易磨性的因素有C3S含量 熟料制成中的液相量等因素有關 三 物料溫度一般控制在80 以下 四 入磨物料的水分 五 粉磨產品的細度要求太細會產生 過粉碎 現象和 緩沖作用 其它如磨內風速 采用的助磨劑等都影響熟料粉磨 第十三節水泥的包裝和貯運 一 水泥的包裝水泥是一種粉狀物 在運輸和儲存方面須有不同形式的容器 我國一般出廠水泥有袋裝和散裝兩種 國外還有桶裝和集裝袋等 袋裝水泥一般采用紙裝或塑料編織袋包裝 散裝一般有火車散裝及船運散裝等 包裝的設備有固定式和回轉式兩種 固定式包裝機有單咀 2咀 4咀三種規格 生產率低 勞動條件差 回轉式包裝機有6咀 10咀 14咀三種規格 自動化程度高 包裝能力大 勞動條件好 有動畫圖 一 水泥的貯存水泥包裝結束后 有的在廠內存放 有的由使用單位存放 水泥存放的地點總體要求要干燥 密封 一般水泥的存放有效期為3個月 高強度水泥為2個月 第七章新型干法旋窯生產的主要設備第十四節懸浮預熱器一 懸浮預熱器的功能與特征1 功能 懸浮預熱器的主要功能在于充分利用回轉窯及分解爐內排出的熾熱氣流中所具有的熱焓 熱量 加熱生料 使之進行預熱及部分碳酸鹽分解 然后進入分解爐或回轉窯內繼續加熱分解 完成熟料燒成任務 因它具有使氣固兩相能充分分散均布 迅速換熱 高效分離等三大功能 2 特征 各種懸浮預熱器窯的不同特性 主要取決于同它配套的懸浮預熱器的特性 而多種懸浮預熱器的特性 又取決于它的結構及換熱方式 構成多種懸浮預熱的熱交換單元設備有旋風筒 包括聯接管道 及立筒 渦室 兩種 所有懸浮預熱氣窯都是由這兩種熱交換單元設備中的一種單獨組成或混合組成 二 結構和工作原理下面以旋風筒工作示意圖 介紹其工作原理 動畫圖 無論是以旋風筒為主或以立筒為主組成的懸浮預熱器 都是由多級換熱單元組成的 使用多級換熱單元的目的在于提高預熱器的熱效率 三 懸浮預熱器的分類分類方法有三種 1 按制造廠商名分類 早期有洪堡型 史密斯型 多波爾型 維達格型 蓋波爾型 ZAB型等數種 2 按熱交換工作原理分類 有以同流熱交換為主的 以逆流熱交換為主的及混流熱交換的三種 3 按預熱器組成分類 有數級旋風筒組合式 以立筒為主的組合式及旋風筒與立筒 或渦室 混合組合式三種 附1 早期懸浮預熱器綜合分類表 附2 懸浮預熱器工作原理示意動畫圖 第十五節分解爐 預分解窯是當代水泥工業用于煅燒水泥熟料的最為先進的工藝裝備 具有高效 優質 低耗等一系列優良性能 一 分解窯的功能與特征1 功能 承擔預分解系統中繁重的燃燒 換熱和碳酸鹽分解任務 2 特征 一是在結構方面 它是在懸浮預熱窯的懸浮預熱器與回轉窯之間 增設了一個分解爐 承擔了原來在回轉窯內進行的碳酸鹽分解任務 二是在熱工方面 分解爐是預分窯系統的 第二熱源 將傳統上全部由窯頭加入燃料的做法 改變為少部分從窯頭加入 大部分從分解爐內加入 從而改善了窯系統內的熱力分布格局 三是工藝方面 把熟料煅燒工藝過程中