硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算.docx

1、硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算第三章 硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算第一节硅酸盐水泥熟料矿物组成如前所述，硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧到部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。因此，在硅酸盐水泥熟料中 ， 不是以单独的氧化物存在，而是以两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。其结晶细小，一般为 。因此可见，水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人工岩石。它主要有以下四种矿物：硅酸三钙一 ，可简写为 ；硅酸二钙 ，可简写为 ；铝酸三钙 ，可简写为 ；铁相固溶体通常以铁铝酸四钙 . . 作为代表式，可简写成 ，此外，还有少量游离氧化钙 ( ) 、方镁石（结晶氧化

2、镁）、含碱矿物及玻璃体。通常熟料中 和 含量约占 左右，称为硅酸盐矿物。 和 ， 的理论含量约占 左右。在水泥熟料锻烧过程中 ， 和 ， 以及氧化镁、碱等在 会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物。一、硅酸三钙 是硅酸盐水泥熟料的主要矿物。其含量通常为 左右，有时甚至高达 以上。纯 只有在 温度范围内才稳定。在 以上不一致熔融为 和液相；在 以下分解为 和 ，但反应很慢，故纯 ， 在室温可呈介稳状态存在。 ， 有三种晶系七种变型： 型为三方晶系， 型为单斜晶系， 型为三斜晶系，这些变型的晶体结构相近。但有人认为 ， 型和 ，型的强度比 型的高。在硅酸盐水泥熟料中 ， 并不以纯的形

3、式存在，总含有少量氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固溶液，称为阿利特 ( ）或 矿。纯 在常温下，通常只能为三斜晶系 ( 型），如含有少量 ， ， ， ， 等氧化物形成固溶体则为 型或 型。由于熟料中 总含 ， 以及其他氧化物，故阿利特通常为 型或 型。据认为锻烧温度的提高或锻烧时间的延长也有利于形成 型或 型。纯 为白色，密度为 . ， 其晶体截面为六角形或棱柱形。单斜晶系的阿利特单晶为假六方片状或板状。在阿利特中常以 和 的包裹体存在。 凝结时间正常，水化较快，粒径 的颗粒 可水化 左右。放热较多，早期强度高且后期强度增进率较大， 强度可达一年强度的 ，其 强度和一年强度在四种矿物中均最高。阿

4、利特的晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力，当烧成温度高时，阿利特晶形完整，晶体尺寸适中，几何轴比大（晶体长度与宽度之比 ) ，矿物分布均匀，界面清晰，熟料的强度较高。当加矿化剂或用急剧升温等锻烧方法时，虽然含较多阿利特，而且晶体比较细小，但因发育完整、分布均匀，熟料强度也较高。因此，适当提高熟料中的硅酸三钙含量，并且当其岩相结构良好时，可以获得优质熟料。但硅酸三钙的水化热较高，抗水性较差，如要求水泥的水化热低、抗水性较高时，则熟料中的硅酸三钙含量要适当低一些。二、硅酸二钙 在熟料中含量一般为 左右，是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一，熟料中硅酸二钙并不是以纯的形式存在，而是与少量 ， 等氧化物形成

5、固溶体，通常称为贝利特 ( ) 或 矿。纯 在 以下有下列多晶转变。 ( 一高温型， 一低温型）在室温下 ， ， ， ， 等变形都是不稳定的，有转变成 型的趋势。在熟料中 ， 型一般较少存在，在烧成温度较高、冷却较快的熟料中，由于固溶有少量 ， ， ， 等氧化物，可以 型存在。通常所指的硅酸二钙或 矿即为 型硅酸二钙。， 型 强度较高，而 型 几乎无水硬性。在立窑生产中，若通风不良、还原气氛严重、烧成温度低、液相量不足、冷却较慢，则硅酸二钙在低于 下易由密度为 . 的 型转变为密度 . 的 型，体积膨胀 而导致熟料粉化。但若液相量多，可使溶剂矿物形成玻璃体将刀型硅酸二钙晶体包围住，并采用迅速冷

6、却方法使之越过尹 型转变温度而保留下来。贝利特为单斜晶系，在硅酸盐水泥熟料中常呈圆粒状，这是因为贝利特的棱角已溶进液相而其余部分未溶进液相之故。已全部溶进液相而在冷却过程中结晶出来的贝利特则可以自行出现而呈其他形状。在反射光下，正常温度烧成的熟料中，贝利特有交叉双晶条纹，而烧成温度低冷却慢者，则呈现平行双晶条纹。纯硅酸二钙色洁白，当含有 ， 时呈棕黄色。贝利特水化反应较慢 ， 仅水化 : 右，凝结硬化缓慢，早期强度较低但后期强度增长率较高，在一年后可赶上阿利特。贝利特的水化热较小，抗水性较好。在中低热水泥和抗硫酸盐水泥中，适当提高贝利特含量而降低阿利特含量是有利的。中间相填充在阿利特、贝利特之

7、间的物质通称中间相，它可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和方镁石。但以包裹体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和方镁石除外。中间相在熟料缎烧过程中，熔融成为液相，冷却时，部分液相结晶，部分液相来不及结晶而凝固成玻璃体。（一）铝酸钙熟料中铝酸钙主要是铝酸三钙，有时还可能有七铝酸十二钙。在掺氟化钙作矿化剂的熟料中可能存在 ，而在同时掺氟化钙和硫酸钙作矿化剂低温烧成的熟料中可以是 和 而无 。纯 为等轴晶系，无多晶转化。 也可固溶部分氧化物，如 ， ， ， 等，随固溶的碱含量的增加，立方晶体的 ， 向斜方晶体 ， 转变。结晶完善的 常呈立方、八面体或十二面体。但在水

8、泥熟料中其形状随冷却速率而异。氧化铝含量高而慢冷的熟料，才可能结晶出完整的大晶体，一般则溶入玻璃相或呈不规则微晶析出。 在熟料中的潜在含量为 。纯 为无色晶体，密度为 . ，熔融温度为 ， 反光镜下，快冷呈点滴状，慢冷呈矩形或柱形。因反光能力差，呈暗灰色，故称黑色中间相。 水化迅速，放热多，凝结很快，若不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝；硬化快，强度 内就发挥出来，但绝对值不高，以后几乎不增长，甚至倒缩。干缩变形大，抗硫酸盐性能差。（二）铁相固溶体铁相固溶体在熟料中的潜在含量为 。熟料中含铁相较复杂，有人认为是 连续固溶体中的一个成分，也有人认为是 连续固溶体的一部分。在一般硅酸盐水泥熟料中，其成

9、分接近 ， ，故多用 ， 代表熟料中铁相的组成。也有人认为，当熟料中 含量较高或含有 等降低液相粘度的组分时，铁相固溶体的组成为 。若熟料中 . 的熟料。若 . ，则熟料组成为 ， 和 同理将 ， 改写成 ? ，令 ， 与 相加，根据矿物组成 ， 和 “ ”可得：（ ）考虑到熟料中还有游离 、游离 ：和石膏，故式 ， 将写成：（ ） （ ）（ ） （ ）硅酸盐水泥熟料 值在 . . 之间，我国湿法回转窑 值一般控制在 . 士. 左右。石灰饱和系数与矿物组成的关系可用下面数学式表示：（ ）从上可见，当 时 . ， 即当 . 时，熟料中只有 和， 而无 . 当 时 ， ，即当 时，熟料中无 而只有

10、 和， 故实际上 值介于 . . 之间。 实际上表示了熟料中 与 百分含量的比例。 越大，则硅酸盐矿物中的 的比例越高，熟料质量（主要为强度）越好，故提高 有利于提高水泥质量。但 过高，熟料锻烧困难，保温时间长，否则会出现游离 ，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工作条件恶化。我国目前采用的是石灰饱和系数 ， 硅率 和铝率 三个率值。为使熟料既顺利烧成，又保证质量，保持矿物组成稳定，应根据各厂的原料、燃料和设备等。具体条件来选择三个率值，使之互相配合适当，不能单独强调其某一率值。一般说来，不能三个率值都同时高，或同时都低。一、石灰饱和系数法为了计算方便，先列出有关相对分之质量的比值。 （ ） ()

11、( ) ， 二、鲍格 (. . ) 法鲍格法也称代数法。根据四种主要矿物以及 ； 的化学组成可计算出各氧化物的百分含量，见表 表 主要矿物中各主要级化物的百分含量 ( ）氧化物矿 物 根据上表数值可列出下列方程式：. . . . ， ，: . . . . 解上述联立方程，可得各矿物百分含量计算式 . ）：. . . 一 . . . 一 . . . . . （ )同理，当 时，熟料矿物组成计算式如下： . . . . . . . . 一 . . . ，. . (. ） ； . ：三、熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异硅酸盐水泥洲料矿物组成的计算是假设熟料是平衡冷却并生成 ， 和四种纯矿物，其计

12、算结果与熟料真实矿物组成并不完全一致，有时甚至相差很大。其原因是：. 固溶体的影响计算矿物为纯 ， 和 ， ， 但实际矿物为固溶有少量其他氧化物的固溶体，即阿利特、贝利特、铁相固溶体等。例如，若阿利特组成按 考虑，则计算 的公式中 前面的系数就不是 而是 ， 这样实际含量就要提高 ，而 则因有一部分 固溶进阿利特而使它的含量减少。又如，铁相固溶体并非固定组成的 ， ， 而在高温或有 ， 等条件下有可能是 ， 其结果使实际矿物中铁相固溶液含量增加使 含量减少。. 冷却条件的影响硅酸盐水泥熟料冷却过程，若缓慢冷却而平衡结晶，则液相几乎全部结晶出 ，等矿物。但在工业生产条件下，冷却速度较快，因而液相

13、可部分或几乎全部变成玻璃体，此时，实际 ， 含量均比计算值低，而 含量可能增加使 减少。. 碱和其他微组分的影响碱的存在可能与硅酸盐矿物形成 ，与铝酸三钙形成 ，而析出 ，从而使 减少而出现 ， 碱也可能影响 含量。其他次要氧化物如 ， ， ， 也会影响熟料的矿物组成。尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异，但它能基本说明对熟料锻烧和性能的影响，也是设计某一矿物组成的水泥熟料时，计算生料组成的唯一可能的方法，因此在水泥工业中仍得到广泛应用。第三节 熟料矿物组成的计算熟料的矿物组成可用岩相分析 ， 射线定量分析等方法测定，也可根据化学成分进行计算。岩相分析基于显微镜下测量出单位面积各矿物所占的面积

14、的百分率再乘以相应的矿物的相对密度而得各矿物含量。这种方法较符合实际情况，但要求操作者要有熟练的技巧，且劳动，强度大。此外，晶体较小，也可重迭而产生误差 射线定量分析基于熟料矿物特征峰强度与基准单矿物特征峰强度之比求其含量。这种方法方便且准确，国外现代化水泥厂都普遍采用。但限于设备条件，我国水泥厂使用的还不多，另外，此方法对含量太低的矿物不适用。我国常用化学方法进行计算。此方法计算出来的仅是理论上可能生成的矿物，称之为“潜在矿物”组成。在生产条件稳定的情况下，熟料真实矿物组成与计算矿物组成有一定的相关性，已能说明矿物组成对熟料及水泥性能的影响，因此在我国仍普遍使用。常用的从化学成分计算熟料矿物

15、组成的方法有两种，即石灰饱和系数法和鲍格法。 石灰饱和系数法为了计算方便，先列出有关相对分之质量的比值。 （ ） () ( ) ， 鲍格 (. . ) 法鲍格法也称代数法。根据四种主要矿物以及 ； 的化学组成可计算出各氧化物的百分含量，见表 表 主要矿物中各主要级化物的百分含量 ( ）氧化物矿 物 根据上表数值可列出下列方程式：. . . . ， ，: . . . . 解上述联立方程，可得各矿物百分含量计算式 . ）：. . . 一 . . . 一 . . . . . （ )同理，当 时，熟料矿物组成计算式如下： . . . . . . . . 一 . . . ，. . (. ） ； . ：

16、熟料真实矿物组成与计算矿物组成的差异硅酸盐水泥洲料矿物组成的计算是假设熟料是平衡冷却并生成 ， 和 ， 四种纯矿物，其计算结果与熟料真实矿物组成并不完全一致，有时甚至相差很大。其原因是：. 固溶体的影响计算矿物为纯 ， 和 ， ， 但实际矿物为固溶有少量其他氧化物的固溶体，即阿利特、贝利特、铁相固溶体等。例如，若阿利特组成按 考虑，则计算 的公式中 前面的系数就不是 而是 ， 这样实际含量就要提高 ，而 则因有一部分 固溶进阿利特而使它的含量减少。又如，铁相固溶体并非固定组成的 ， ， 而在高温或有 ， 等条件下有可能是 ， 其结果使实际矿物中铁相固溶液含量增加使 含量减少。. 冷却条件的影响

17、硅酸盐水泥熟料冷却过程，若缓慢冷却而平衡结晶，则液相几乎全部结晶出 ，等矿物。但在工业生产条件下，冷却速度较快，因而液相可部分或几乎全部变成玻璃体，此时，实际 ， 含量均比计算值低，而 含量可能增加使 减少。. 碱和其他微组分的影响碱的存在可能与硅酸盐矿物形成 ，与铝酸三钙形成 ，而析出 ，从而使 减少而出现 ， 碱也可能影响 含量。其他次要氧化物如 ， ， ， 也会影响熟料的矿物组成。尽管计算的矿物组成与实测值有一定差异，但它能基本说明对熟料锻烧和性能的影响，也是设计某一矿物组成的水泥熟料时，计算生料组成的唯一可能的方法，因此在水泥工业中仍得到广泛应用。第四节 熟料矿物组成的选择熟料矿物组成

18、的选择，一般应根据水泥的品种和标号、原料和燃料的品质、生料制备和熟料锻烧工艺综合考虑，以达到优质高产低消耗和设备长期安全运转的目的。 水泥品种和标号若要求生产普通硅酸盐水泥，则在保证水泥标号以及凝结时间正常和安定性良好的条件下，其化学成分可在一定范围内变动。可以采用高铁、低铁、低硅、高硅、高饱和系数等多种配料方案。但要注意三个率值配合适当，不能过份强调某一率值。例如，同样生产 号硅酸盐水泥，华新水泥厂采取的配料方案为 . ，. . . . ，而峨眉水泥厂限于原料、燃料的条件则采取高铁高饱和系数配料方案， . . ， . 士 . 材 . . ，也可生产出 号硅酸盐水泥。生产专用水泥或特性水泥应根

19、据其特殊要求，选择合适的矿物组成。若生产快硬硅酸盐水泥，则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高，因此应提高 和 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量，即降低 和 率。 原料品质原料的化学成分和工艺性能对熟料矿物组成的选择有很大影响，在一般情况下，应尽量采用两种或三种原料的配料方案。除非其配料方案不能保证正常生产，才考虑更换原料或掺加另一种校正原料。若石灰石品位低而粘土氧化硅含量又不高，则无法提高石灰饱和系数和硅率，熟料强度难以提高，只有采用品位高的石灰石和氧化硅含量高的粘土才能提高饱和系数和硅率，烧出标号较高的水泥。若石灰石的隧石含量较高而粘土的粗砂含量高，则因为原料难磨

20、，熟料难烧，其熟料的饱和系数也不能高。原料含碱量太高， 宜降低。 燃料品质燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来，发热量高的优质燃料，其火焰温度高，熟料的 值可高些。若燃料质量差，除了火焰温度低外，还会因煤灰的沉落不均匀，降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见泥，则要求硅酸三钙和铝酸三钙含量高，因此应提高 和 。而生产中热硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥则应减少铝酸兰钙和硅酸三钙含量，即降低 和 率。燃料品质既影响缎烧过程又影响熟料质量。一般说来，发热量高的优质燃料，其火焰温度高，熟料的 值可高些。若燃料质量差，除了火焰温度低外，还会因煤灰的沉落不均匀，降低熟料质量。水泥窑用煤的质量要求见表 。表 水泥烧成用煤的质要求窑型灰分（）挥发分（）干燥基低热值 )湿法窑、预热窑、分解窑立波尔窑立窑煤灰掺入熟料中，除全黑生料的立窑外，往往分布不均匀，对熟料质量影响极大。据统计，由于煤灰不均匀掺入，将使熟料 值降低 . . ；硅率下降 . . ; 铝率提高。 . 。当煤灰掺入量增加时，熟料强度下降此时除了采用提高煤粉细度和用矿化剂等措施外，还应适当降低熟料 值，以利生产正常进行。当煤质变化时，熟料组成也应相应调整。对回转窑来说，采用的煤的发热量高，挥发分低，则因挥发分低，火焰黑火头长，燃烧部