水泥工艺学之引言_1绪论水泥工艺学

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第一章 引 言

一、胶凝材料的定义和分类

在物理、化学的作用下，能从浆体变成坚硬的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。它可以分为无机和有机两大类。沥青和各种树脂属有机胶凝材料。无机胶凝材料按照其硬化条件，又可分为水硬性和非水硬性两类，水硬性胶凝材料在拌水后既能在空气中硬化，又能在水中硬化，通常称为水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。非水硬性胶凝材料只能在空气中硬化而不能在水中硬化，故又称气硬性胶凝材料，如石灰、石膏、耐酸胶结料等。

二、胶凝材料发展简史

胶凝材料的发展与社会生产力的发展紧密相关。远在古代，人们就用粘土来抹砌简易的建筑物，有时还掺入稻草、壳皮等植物纤维作加筋增强，形成初期的混凝土，但未经缎烧的粘土不耐水且强度很低。随着火的发明，大约在公元前 2000 ^-3000 年，中国、埃及、罗马等国就开始利用锻烧所得的石膏和石灰来调制砌筑砂浆。古埃及的金字塔就是用经过锻烧的石膏胶泥所筑成，而我国的万里长城则是用石灰胶凝材料砌筑而成。

随着生产的发展，人们在实践中发现在石灰中掺加某些火山灰，不仅能提高强度而且能抵御淡水或含盐水的侵蚀，因而用于各类市政建筑。古罗马的“庞贝”城以及罗马圣庙等建筑物所用的都是石灰-火山灰材料。

社会的不断进步，对胶凝材料提出了更高的要求，因而于 18 世纪后半期先后制成了水硬性石灰和罗马水泥。在此基础上又用含适量粘土(200o-25 ％）的石灰石经锻烧磨细制得早期水泥。

19世纪初期（1810~1825 年）人们已经将石灰石或白圣加粘土的细粉按一定比例配合，在石灰窑内经高温锻烧成烧结块（熟料）再磨制成水硬性胶凝材料，因与英国波特兰城建筑岩石的颜色相似，故称波特兰水泥(Portland Cement，我国称硅酸盐水泥）。英国的阿斯普丁(J.Aspain)是第一个获得生产波特兰水泥专利的人，获得专利的时间为 1824 年。这种水泥含有硅酸钙，不但能在水中硬化，而且能长期抗水，强度甚高。其首批大规模使用的实例是 1825-1843 年修建的泰晤士河隧道。

硅酸盐水泥出现后，应用日益广泛，对于工程建设起了重大的促进作用。但随着现代工业的发展，仅仅硅酸盐水泥、石膏、石灰等几种胶凝材料已满足不了工业建设和军事工程的需要。因而到 20 世纪初就逐渐发明出各种不同用途的硅酸盐水泥，如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、中低热水泥和油井水泥等。在 1907-1909 年又发明了以低碱性铝酸盐为主要成分的具有快硬性的高铝水泥（现称铝酸盐水泥）。近 20 多年，又陆续发明了硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等品种，从而使水硬性胶凝材料的发展进入多品种多用途的时期。

三、水泥的定义和分类

加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料，通称为水泥。水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通用水泥为大量土木工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。而特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。

按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。

四、水泥工业在国民经济中的地位和作用

水泥是建筑工业三大基本材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程。虽然制造水泥能耗较多，但它与砂、石等集料制成的混凝土却是一种低能耗的建筑材料。例如，在相同荷载的条件下，混凝土柱的能耗仅为钢柱的七分之一，砖柱的四分之一。据预测，到公元 2000 年乃至更长的时期内，水泥仍然是主要的建筑材料。水泥有许多优点：水泥浆有很好的可塑性，可制成各种形状和尺寸的混凝土构件；适应性强，可用于海上、地下或干热、严寒地区以及耐侵蚀、防辐射等特殊要求的工程，耐久性好，水泥混凝土既没有钢材的生锈问题，也没有木材的腐朽等缺点，更没有塑料制品的老化、污染等问题。因此，水泥不但大量应用于工业与民用建筑，还广泛应用于交通、水利、农林以及海港等工程，宇航工业、核工业以及其他新型工业的建设，也濡要各种无机非金属材料，其中最为基本的都是以水泥基为主的新型复合材料，因此，水泥工业具有极其广阔的前景．

五、水泥工业发展概况

水泥作为工业性产品的实际应用，至今已有 160 多年，水泥工业的生产规模不断扩大，工艺和设备不断改进，品种和质量也有很大的发展。1826 年出现第一台烧水泥用的自然通风的普通立窑.1910 年实现立窑机械化连续生产。1881)年出现第一台回转窑，有效地提高了产量和质量，使水泥工业进入了回转窑阶段。1923 年立波尔窑的出现，使水泥工业出现较大的变革，窑的产量明显提高，热耗显著降低 o50 年代初悬浮预热器的出现，使热耗大幅度降低 0 60 年代，电子计算机开始应用于水泥工业． 1971 年日本人开发了预分解窑技术，从而使水泥工业生产技术有重大突破。立磨、辊压机、原料预均化、生料均化以及 X 射线萤光分析等技术的发展和应用使干法水泥生产的熟料质量明显提高，能耗进一步降低。由于应用了电子计算机和自动控制技术，许多先进的水泥厂都已采用全厂集中控制，巡回检查的方式，在矿山开采、生料和烧成车间、以及包装和发运等工序都实现了自动控制。

另外，水泥科学研究中，各种精密测试仪器的应用，使水泥有关基础理论和应用技术的研究有了长足的进展。一些新的烧成和粉磨技术不断研究开发：正在开发应用的挤压机终粉磨系统，可使粉磨电耗降低 40 ％左右；流化床锻烧熟料的研究以及回转窑废气中低温发电的研究也已取得一定进展。可望在不久的将来，水泥生产技术将会有更大的突破。

非水硬性胶凝材料的发展在我国已有几千年历史，而水泥工业则始于 1876 年在河北唐山建立的启新洋灰公司，以后又相继在湖北以及广州、上海、南京等地建立水泥厂。但在解放前，水泥工业发展非常缓慢，历史最高水平年产量（1942 年）仅有 229 万吨。按人均消费水泥量计算，约为当时美国、比利时等国的 1/150, 且水泥品种只有普通硅酸盐水泥和白色硅酸盐水泥等几个品种。解放后我国水泥工业发展迅速，从 1949 年的“万吨提高到 1994 年的 4 亿吨，约占世界水泥总产量的 1/3，连续十年产量居世界第一。水泥品种也从解放初期的 2-3 种增加到目前的 60 多种．除了满足一般建筑工程需要外，还能生产石油、水电、冶金、化工等许多部门需要的专用水泥和特性水泥。利用工业废渣生产水泥，也取得很好的效果。同时，不断引进消化并发展新技术、新工艺和新设备，在 1976 年建立第一条烧油预分解窑生产线之后，已自行研究设计了上海川沙、江苏郑县、新疆等日产 700 吨熟料的预分解窑生产线和江西、鲁南、双阳、耀县的日产 2000 吨熟料的预分解窑生产线，并在冀东、宁国、柳州、珠江等厂引进了国外大型现代化干法生产线。我国在水泥熟料缎烧、粉磨、熟料形成、水泥新矿物系列、水化硬化、混合材、节能技术等有关基础理论以及测试方法的研究和应用等方面，也取得了喜人的进展。但是，也应看到，与世界先进水平相比，我国水泥工业还存在不少问题，主要是生产效率低、能耗高、经济效益差和技术力量不足，人均产量低。另外，机械化和自动化水平较低，设备制造能力差，环境污染严重。

当前，世界水泥工业的中心课题仍然是能源、资源和环境保护。为此，要发展以预分解窑为中心的新工艺及其他先进技术，在我国的特定条件下，要逐步淘汰普通立窑，改造和提高机立窑。从而形成一个具有中国特色的水泥工业体系，以优质、低耗、多品种的水泥来保证各类建设工程和人民生活的需要。