硅酸盐水泥的原料及生产

一、硅酸盐水泥的原料及生产

生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和黏土质两类原料。石灰质的原料有石灰岩、白垩、石灰质凝灰岩等，它主要提供CaO，每生产1t熟料，需用石灰岩1．1～1．3t；用作黏土质的原料有各类黏土、黄土等，它主要提供SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，每吨熟料用量为0．3～0．4t。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。

生产水泥的基本工序是：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨成生料，然后入窑进行煅烧，最后将烧好的水泥熟料配以适量的石膏（加或不加石灰石、矿渣），在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥成品。所以生产水泥的基本工序可以概括为“两磨一烧”，如图3－1所示。

图2－1　硅酸盐水泥生产工序

按生料制备方法可分为湿法和干法。湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水为35％～40％的生料浆，经校正成分、搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分均匀、控制准确、产品质量高，缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配料后研磨成生料粉入窑煅烧。由于干法比湿法产量高，且节省能源，是目前水泥生产的常用方法。

按煅烧水泥所用窑的类型可分为回转窑（旋窑）和立窑。回转窑多用于现代化的大中型水泥厂；立窑则用于地方水泥工业的小厂。回转窑的产量高，产品质量好；立窑设备简单，投资少，但煅烧不易均匀，产品质量不如回转窑。

生料在煅烧过程中，经历干燥、预热、分解、烧成、冷却阶段，发生了一系列物理化学变化；

100～200℃，生料被加热，水分被蒸发而干燥；

300～500℃，生料被预热；

500～800℃，黏土质矿物中的高岭石脱水分解为无定形的SiO₂、Al₂O₃等，有机物燃尽；

800～1300℃，碳酸钙分解出CaO，并开始与黏土分解出的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃发生固相反应。随着温度的继续升高，固相反应加速进行，并逐步形成硅酸二钙2CaO·SiO₂、铝酸三钙3CaO·Al₂O₃及铁铝酸四钙4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃，当温度达到1300℃时，固相反应完成，物料中仅剩一部分CaO未与其他氧化物化合。

当温度从1300℃升到1450℃再降至1300℃，即烧成阶段，这时3CaO·SiO₂及4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃烧至部分熔融状态，出现液相，将所剩CaO和2CaO·SiO₂溶解，2CaO·SiO₂在液相中吸收CaO形成硅酸盐水泥的最重要矿物硅酸三钙3CaO·SiO₂。这一过程是煅烧水泥的关键，必须达到足够的温度并停留适当长的时间，使充分形成3CaO·SiO₂。否则，熟料中将残存较多的游离态CaO而影响水泥的质量。

烧成的水泥熟料经迅速冷却即可堆存备用。

随着科学技术的发展，水泥的生产工艺产生了重大改变，20世纪50年代出现的悬浮预热窑、20世纪70年代开发的窑外分解技术均是传统回转窑生产工艺的重大革新。因为物料在回转窑内呈堆积态分布于窑的底部，热气流从料层表面流过，与物料的换热面积小，传热效率低，预热效果差。同时，从料层内部分解出的二氧化碳向外扩散的面积小，阻力大、速度慢，从而增加了碳酸盐分解的困难，降低了分解速度。在回转窑窑尾，竖向装设悬浮预热器及分解炉，使固体物料逐级上升和热气流悬浮换热，从根本上改变了物料预热、分解过程的传热状态，变堆积态传热为悬浮态传热，使物料与热气流的接触面积大幅度增加，传热效率可提高若干倍，加之燃料与预热后的粉料均匀混合，瞬间燃烧，直接传热，使碳酸盐分解速度极大提高。如此，不仅可使回转窑长度大为缩短，而且可使产量成倍增加。因而，悬浮预热、窑外分解技术是世界各国竞相发展的新的水泥生产工艺技术。