硅酸盐水泥的生产工艺与发展进展

目录水泥生产原料及配料石灰石原料黏土质原料校正原料硅酸盐水泥生产工艺流程破碎及预均化生料均化预热分解水泥粉磨今后的发展趋势提高早期强度不再主要依靠提高C3S含量水泥无需磨得更细生产高活性贝利特水泥微粉改性与开发高效减水剂硅酸盐水泥•定义：根据《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》规定，凡有硅酸盐水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性凝胶材料，称为硅酸盐水泥。•组成材料：•硅酸盐水泥熟料：主要由含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿质成分的水硬性凝胶物质。•石膏：天然石膏（符合相关规定和要求石膏或混合石膏）；工业副产石膏（以硫酸钙为主要成分的工业副产物，使用前应通过实验证明对水泥性能无害）。•活性混合材料：符合国标要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料。•非活性材料：活性指标低于相关国标要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料；石灰石和沙岩，其中石灰石中的三氧化二铝含量应不大于2.5%。•窑灰，助磨剂，其中助磨剂的添加量不大于水泥质量的0.5%，且要符合规定。黏土质原料•黏土质原料黏土质原料主要提供水泥熟料中的、、及少量的。天然黏土质原料有黄土、黏土、页岩、粉砂岩及河泥等。其中黄土和黏土用得最多。此外，还有粉煤灰、煤矸石等工业废渣。黏土质为细分散的沉积岩，由不同矿物组成，如高岭土、蒙脱石、水云母及其它水化铝硅酸盐。石灰石原料•石灰质原料是指以碳酸钙为主要成分的石灰石、泥灰岩、白垩和贝壳等。石灰石是水泥生产的主要原料，每生产一吨熟料大约需要1.3吨石灰石，生料中80%以上是石灰石。校正原料•当石灰质原料和黏土质原料配合所得生料成分不能满足配料方案要求时（有的含量不足，有的和含量不足）必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料（1）硅质校正原料含80%以上（2）铝质校正原料含30%以上（3）铁质校正原料含50%以上水泥是几种熟料矿物的混合物，他们的组成决定了水泥的性质。改变熟料矿物成分间的比例时，水泥的性质及发生相应的变化。如：减少水泥中硅酸三钙和铝酸三钙的含量，提高硅酸二钙的含量，可治的水泥水化热较低的大坝水泥，适当提高熟料中硅酸三钙的含量，可以制得高强快硬水泥。在水泥的各种矿质成分中，铝酸三钙的水化速度最快，水化热最大，产生的热量大而集中，且主要在早期放出，其水化反应对水泥的凝结起主导作用；铁铝酸四钙的水化速度也较快，次于铝酸三钙，水化热中等；硅酸三钙的水化速度较快，水化热较大且主要在早期放出，能促进水泥早期凝结硬化，其早期后期强度均较高，同时含量最高；硅酸二钙的水化速度最慢，水化热也最低且主要在后期放出，因此它不影响水泥的凝结，但对水泥后期的凝结硬化其主要作用。•石膏掺量水泥粉磨时掺入适量石膏，可调节水泥的凝结硬化速度。若不掺石膏或掺量不足时，水泥会发生凝结现象。这是由于铝酸三钙在溶液中电离出铝离子，它与硅酸钙凝胶的电荷相反，促使胶体凝聚。加入石膏后，石膏与水化铝酸钙作用生成钙矾石，钙矾石难溶于水，沉淀在水泥颗粒表面形成保护膜，降低了溶液中铝离子浓度，并阻碍了铝酸三钙的水化，延缓了水泥的凝结。如果石膏掺量过多，会在后期引起水泥石的膨胀而开裂破坏。因此石膏的掺量过多过少对水泥的凝结都不利。“两磨一烧”硅酸盐水泥生产时首先将几种原料粉碎后，按配合比混合在磨机中磨细成具有适当化学成分的生料，再将生料在水泥窖(回转窖或立窖）中经过1450摄氏度的高温煅烧至部分熔融，冷却后得到灰黑色圆粒状物为硅酸盐水泥熟料，熟料与适量石膏共同磨细至一定细度，即为P.I型硅酸盐水泥。具体过程•破碎及预匀化•余匀原料化•生料匀化•预热匀化•水泥粉磨破碎及预均化•破碎水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰石、黏土、铁矿石及煤等。石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石的破碎在水泥厂的物料破碎中占有比较重要的地位。•破碎过程要比粉磨过程经济而方便，合理选用破碎设备和和粉磨设备非常重要。在物料进入粉磨设备之前，尽可能将大块物料破碎至细小、均匀的粒度，以减轻粉磨设备的负荷，提高黂机的产量。物料破碎后，可减少在运输和贮存过程中不同粒度物料的分离现象，有得于制得成分均匀的生料，提高配料的准确性。预均原料化预均化技术就是在原料的存、取过程中，运用科学的堆取料技术，实现原料的初步均化，使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏），据统计，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。因此，合理选择粉磨设备和工艺流程，优化工艺参数，正确操作，控制作业制度，对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。生料均化•新型干法水泥生产过程中，稳定入窖生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窖生料成分的最后一道把关作用。预热分解•把生料的预热和部分分解由预热器来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回窑长度，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，移到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。水泥粉磨•水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥熟料（及胶凝剂、性能调节材料等）粉磨至适宜的粒度（以细度、比表面积等表示），形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。硅酸盐水泥的特点•如何改善硅酸盐水泥耐腐蚀差、耐热性差的缺点呢？凝结硬化快，强度高抗冻性好耐磨性好碱度高，抗碳化能力强水化热大耐腐蚀差耐热性差耐腐蚀性差原因：硅酸盐水泥石的氢氧化钙及水化铝酸钙较多，结构上含较多的空隙，耐软水及耐化学腐蚀能力差改善方法：合理选择水泥品种；提高混凝土的密实度；在其表面做保护层。耐热性差原因：硅酸盐水泥石的氢氧化钙及水化产物在250~300.时会产生脱水，强度开始下降，当温度达到700~1000时，水化产物分解，水泥石结构几乎破坏。改善方法：加入矿渣掺和料，因为矿渣及掺和料中的活性SIO2和AL2O3与CAO反应生成具有较强耐热性的无水硅酸钙和无水铝酸钙，使混凝土具有一定的耐热性。今后的发展趋势硅酸盐水泥总的发展趋势自然是向高强度和多掺加混合材的方向发展提高早期强度不再主要依靠提高C3S含量•烧高C3S含量的熟料势必增大能耗，因此有学者提出，熟料中C3S和C3A在现有高含量的基础上可以适当降低，今后提高早期强度不必主要依靠提高C3S，可以通过其它措施达到目的。生产高活性贝利特水泥•国外自80年代初就有人研究通过离子活化、提高升温和冷却速度等方法生产高活性贝利特水泥。这种水泥煅烧温度低，有利节能和环保，水泥中铝酸盐和铁酸盐矿物含量都在正常范围内，不影响提高混凝土耐久性。但由于技术和设备条件所限没有大规模工业化生产。近几年日本等国生产一些高C2S含量的水泥，今后有望在提高贝利特水泥活性方面取得更大进展，成为一种通用的大宗胶凝材料。水泥无需磨得更细•现在国外的水泥已经够细了，再提高细度又会加大能耗、钢耗，多使用助磨剂和减水剂，对混凝土耐久性不利。今后提高水泥早期强度不一定要走细磨道路，可以通过调整水泥颗粒分布达到最佳堆积密度，适当加入高效分散剂降低水胶比，使浆体中水泥颗粒靠得更紧密，同样可以配制出高早期强度和高密实性的混凝土。微粉改性与开发高效减水剂•微粉改性在配制高性能混凝土方面取得很大成功，在水泥改性方面将发挥作用，用少量高度磨细的活性或惰性混合材不仅可以提高水泥强度，还可以改善和易性、凝结硬化特性、抗蚀性等物理性能，这方面的研究与开发还处于起步阶段。微粉改性要与高效减水剂相配合。加入细粉会加剧结团，降低砂浆和易性，减水剂多加对混凝土耐久性不利，所以必须开发高效的与水泥相容性要求不严的外加剂与微粉改性相配合，这方面还大有潜力可挖，将能获得许多具有独特性能的水泥。微粉改性与开发高效减水剂•另外还有一些新的成果和观点也值得一提，如日本开发出的圆粒水泥，因颗粒圆形度好，大小均齐，水泥砂浆用水量低，流动性好，强度也高。但这种水泥目前都是经两次粉磨工艺生产的，在对混凝土工艺与性能的影响和市场竞争力方面还有一段路要走。加拿大一学者还提出，今后也可以用矿化剂降低熟料煅烧温度至1250～1300℃，以降低能耗和CO2排放量，与此有关的各种试验还在进行中，尚未达到完全可靠、可以大规模工业生产和推广的程度。谢谢欣赏