《矿物材料基础》课程授课教案（讲稿）第十三讲 第十节 耐火材料的应用 第六章 胶凝材料 第一节 硅酸盐水泥

课程名称：《矿物材料学基础》第_13_讲次第十节耐火材料的应用本讲课程内容第六章胶凝材料（或教材章节题目）第一节硅酸盐水泥【目的要求】使同学们了解碳质耐火材料、含锆质耐火材料各自的性能，掌握胶凝材料的定义、分类，硅酸盐水泥本讲课程目的的生产工艺，熟料的矿物组成及水化性能要求及重点、难点：[重点】熟料的矿物组成及水化性能[难点】熟料的矿物组成及水化性能教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了碳质耐火材料、含锆质耐火材料的生产及性能。这节课我们讲一下耐火材料的应用。并且我们开始新的一章一一胶凝材料。第十节耐火材料的应用一、耐火材料选用的一般原则1、掌握炉窑特点根据炉窑的构造、各部位工作特性及运行条件，选用耐火材料。2、熟悉耐火材料的特性熟悉各种耐火材料的化学矿物组成，物理性能和工作性能，做到充分发挥耐火材料的优良特性，尽量避开其缺点。3、保证炉窑的整体寿命避免不同耐火材料之间发生化学反应而熔融损毁，同时保证各部位的均衡损耗，保证炉子整体使用寿命。4、实现综合经济效益合理

1 课程名称：《矿物材料学基础》 第 13 讲次 本讲课程内容 （或教材章节题目） 第十节 耐火材料的应用 第六章 胶凝材料 第一节 硅酸盐水泥 本讲课程目的 要求及重点、难点： 【目的要求】使同学们了解碳质耐火材料、含锆质耐火材 料各自的性能，掌握胶凝材料的定义、分类，硅酸盐水泥 的生产工艺，熟料的矿物组成及水化性能。 【重 点】熟料的矿物组成及水化性能 【难 点】熟料的矿物组成及水化性能 教 学 内 容 【本讲课程的引入】上节课我们讲了碳质耐火材料、含锆质耐火材料的生产及性能。这节课我们讲一下 耐火材料的应用。并且我们开始新的一章——胶凝材料。 第十节 耐火材料的应用 一、耐火材料选用的一般原则 1、掌握炉窑特点 根据炉窑的构造、各部位工作特性及运行条件，选用耐火材料。 2、熟悉耐火材料的特性 熟悉各种耐火材料的化学矿物组成，物理性能和工作性能，做到充分发挥耐火材料的优良特 性，尽量避开其缺点。 3、保证炉窑的整体寿命 避免不同耐火材料之间发生化学反应而熔融损毁，同时保证各部位的均衡损耗，保证炉子整 体使用寿命。 4、实现综合经济效益合理

在满足工艺条件和技术要求的前提下，将材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗及对产品质量的影响，综合分析，力求做到综合经济效益合理。二、高炉用耐火材料1、炉喉：一般采用高铝砖砌筑，但不耐久。常用耐磨铸钢护板保护。护身10护牌Y炉斑炉高炉示意图1—料钟，2炉衬；3--炉壳，4—热风围管：5一渣口，6一炉基：7一9底，8一铁口，9—风口，10一冷却，11一煤气出口2、炉身上中部：损毁较轻一般用高铝砖、专用粘土砖、致密粘土砖。炉身下部：与炉渣接触致密粘土或高铝砖大型高炉主要用高铝砖、刚玉砖、SiC砖、碳砖。3、炉腰：中小高炉可采用优质致密粘土砖、高铝砖、刚玉砖。2

2 在满足工艺条件和技术要求的前提下，将材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗及对产 品质量的影响，综合分析，力求做到综合经济效益合理。 二、高炉用耐火材料 1、炉喉： 一般采用高铝砖砌筑，但不耐久。常用耐磨铸钢护板保护。 2、炉身 上中部：损毁较轻 一般用高铝砖、专用粘土砖、致密粘土砖。 炉身下部： 与炉渣接触 致密粘土或高铝砖 大型高炉主要用高铝砖、刚玉砖、SiC砖、碳砖。 3、炉腰： 中小高炉可采用优质致密粘土砖、高铝砖、刚玉砖

大型高炉用高铝砖、刚玉砖、SiC砖。4、炉腹：高铝砖、刚玉砖。现代化大型高炉用碳砖、石墨-石油焦、石墨-无烟煤等半石墨砖。5、炉缸和炉底：碳砖三、高炉出铁口、出铁沟用耐火材料1、高炉出铁口中小型高炉出铁口用的泡浆：主要是粘土熟料颗粒、焦粉和沥青混练而成。大中型：一般用高铝质材料，并添加SiC和碳粒等附加物质，以便稳定出铁口的深度。2、高炉出铁沟A、耐铁水及熔渣侵蚀和冲刷能力强B、热震稳定性好，重烧体积变化小；C、抗氧化能力强；D、易施工，不粘结铁渣，便于修理和拆除；E、不产生有害气体，有利于保护环境。最常用的：碳砖衬里+保护层。四、炼钢转炉用耐火材料氧气转炉炉衬损毁的主要原因A、高温下炉渣和钢水化学侵蚀和机械冲刷：B、频繁装料、出钢操作；C、废钢和铁水的冲击及机械磨损；D、粉尘和烟气的侵蚀。转炉用耐火材料m

3 大型高炉用高铝砖、刚玉砖、SiC砖。 4、炉腹： 高铝砖、刚玉砖。现代化大型高炉用碳砖、石墨-石油焦、石墨-无烟煤等半石墨砖。 5、炉缸和炉底： 碳砖 三、高炉出铁口、出铁沟用耐火材料 1、高炉出铁口 中小型高炉出铁口用的泡浆：主要是粘土熟料颗粒、焦粉和沥青混练而成。 大中型：一般用高铝质材料，并添加SiC和碳粒等附加物质，以便稳定出铁口的深度。 2、高炉出铁沟 A、耐铁水及熔渣侵蚀和冲刷能力强； B、热震稳定性好，重烧体积变化小； C、抗氧化能力强； D、易施工，不粘结铁渣，便于修理和拆除； E、不产生有害气体，有利于保护环境。 最常用的：碳砖衬里+保护层。 四、炼钢转炉用耐火材料 氧气转炉炉衬损毁的主要原因： A、高温下炉渣和钢水化学侵蚀和机械冲刷； B、频繁装料、出钢操作； C、废钢和铁水的冲击及机械磨损； D、粉尘和烟气的侵蚀。 转炉用耐火材料：

A、炉口：高温镁砖：B、炉帽：焦油沥青结合白云石砖和镁砖：C、炉腹:★装料侧：白云石油浸砖★出钢侧：沥青结合白云石砖、镁砖。★渣浅部位：油浸白云石砖。★耳轴两侧：焦油白云石砖。D、炉缸和炉底：焦油沥青结合白云石砖E、出港口：电熔镁砖等。五、其他应用1、水泥回转窑烧成带：直接结合镁铬砖等预热带：粘土砖、高铝砖等冷却带：镁铬砖、高铝砖等2、蒸气锅炉电厂用锅炉水冷壁外侧：普通粘土浇注料旋风筒内侧：SiC浇注料燃烧室：SiC或高铝浇注料普通锅炉键条炉：高铝砖、粘土砖砌筑，水泥等结合沸腾炉：磷酸铝结合SiC等3、玻璃熔窑4

4 A、炉口：高温镁砖； B、炉帽：焦油沥青结合白云石砖和镁砖； C、炉腹： ☆装料侧：白云石油浸砖 ☆出钢侧：沥青结合白云石砖、镁砖。 ☆渣浅部位：油浸白云石砖。 ☆耳轴两侧：焦油白云石砖。 D、炉缸和炉底：焦油沥青结合白云石砖。 E、出港口：电熔镁砖等。 五、其他应用 1、水泥回转窑 烧成带：直接结合镁铬砖等 预热带：粘土砖、高铝砖等 冷却带：镁铬砖、高铝砖等 2、蒸气锅炉 电厂用锅炉 水冷壁外侧：普通粘土浇注料 旋风筒内侧：SiC浇注料 燃烧室：SiC或高铝浇注料 普通锅炉 键条炉：高铝砖、粘土砖砌筑，水泥等结合 沸腾炉：磷酸铝结合SiC等 3、玻璃熔窑

熔窑池壁和池底：电熔锆刚玉砖等池窑上部：硅砖第六章胶凝材料胶凝材料：在一定条件下，经过自身的一系列物理化学作用，将砂、石、砖、石块、砌块或块状材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。胶凝材料按硬化条件分：气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化、发展并保持其强度，在水中不能硬化（石膏、石灰、水玻璃、磷酸及磷酸盐、镁质胶凝材料）快必控化安件水硬性胶凝材料：既能在空气中硬化，又能在水中硬化、发展并保持其强度（各种水泥）第一节硅酸盐水泥水泥是最重要的建筑材料之一，他和钢材、木材是基本建设的三大材料，水泥的品种很多，一般可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐类、磷酸盐类、硫铝酸盐类、铁铝酸盐类、氟铝酸盐类。在建筑工程中应用最多的是硅酸盐类水泥。硅酸盐水泥：以硅酸钙为主要成分的各种水泥的总称。国外通称为波特兰水泥。一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺1、生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料：天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、石灰石石等。粘土质原料：主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al203和少量Fe203。铁矿粉：采用赤铁矿，化学成分为Fe203。石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。混合材料：包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性5

5 熔窑池壁和池底：电熔锆刚玉砖等 池窑上部：硅砖 第六章 胶凝材料 胶凝材料：在一定条件下，经过自身的一系列物理化学作用，将砂、石、砖、石块、砌块或 块状材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。 胶凝材料按硬化条件分： 第一节 硅酸盐水泥 水泥是最重要的建筑材料之一，他和钢材、木材是基本建设的三大材料，水泥的品种很多， 一般可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐类、磷酸盐类、硫铝酸盐类、铁铝酸盐类、氟 铝酸盐类。在建筑工程中应用最多的是硅酸盐类水泥。 硅酸盐水泥：以硅酸钙为主要成分的各种水泥的总称。 国外通称为波特兰水泥。 一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺 1、生产硅酸盐水泥熟料的原材料 石灰质原料：天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、石灰石石等。 粘土质原料：主要为粘土，其主要化学成分为 SiO2，其次为 Al2O3 和少量 Fe2O3。 铁矿粉：采用赤铁矿，化学成分为 Fe2O3。 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 混合材料 ：包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性 胶凝材料按硬化条件分 气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化、发展并保持其 强度，在水中不能硬化（石膏、石灰、水玻璃、磷酸 及磷酸盐、镁质胶凝材料） 水硬性胶凝材料：既能在空气中硬化，又能在水中硬 化、发展并保持其强度（各种水泥）

混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）2、硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺石灰石石膏按比例混合1350C1450℃生料熟料粘土硅酸盐水泥磨细搬烧混合材料铁矿粉废气铁粉等石膏石灰石、粘土、1生料磨制生料回转窑搬烧一水泥熟料磨细硅酸盐水泥殿烧窑炉立窑、回转窑熳烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带p246表7-1生料缎烧反应密内反应度开始如热生料干燥、预热有机物烧尽，粘土中的高岭石脱水成为无水高岭石500~600℃无水高岭石分解为Al2O，与SiOg.CaCO，分解为CaO和CO2600~800CCaCO)加速分解，分解出的CaO开始和粘十中的SiO?、Al2O3及Fe2O：发生周相反应，生成900~1000℃2CaO·SiO，3CaO·Al2O3及4Ca·Al20):·Fez2()s随着温度升商，加速了固相反应的进行固相反应加速进行，到1300C时全部完成。但物料中仍剩余一部分Ca0未与其它载化物化合1000~1300C烧成阶段。这时3CaO·AlgO及4Ce0·Al2U，·Fe:O烧至熔融状态，出现液相，剩余的CaO1300~1450及2CaO·SiO：溶解于其中，在此液相中2CaO)·SiO)2吸收CaO形成3Ca)·SiO2是殿烧水泥再降到1300℃的关键阶段二、熟料的矿物组成及其特性

6 混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。 2、硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺 煅烧窑炉：立窑、回转窑 煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带 p246 表 7-1 二、熟料的矿物组成及其特性

硅酸三钙3CaO.SiO2,C,S硅酸二钙2CaO.SiO2, C,S铝酸三钙3CaO.Al,O,, C,A水泥熟料矿物铁铝酸四钙4CaO-Al,O,Fe,OCAF游离氧化钙和氧化镁f-CaO和f-Mgo碱类及杂质水泥熟料矿物的主要特性矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙含量范（质37~6715~307 ~ 1510~18量%）慢快最快快水化反应速度早期低，低（含量多时对度强高低后期高抗折强度有利）中水化热较高低最高熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。三、硅酸盐水泥的凝结和硬化■凝结硬化的概念》凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程；>硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。》水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。熟料矿物的水化反应》硅酸三钙2（3Ca0.Si02）+6H20==3Ca0-2Si023H20+3Ca（0H）27

7 水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。 三、硅酸盐水泥的凝结和硬化  凝结硬化的概念 ➢ 凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失 去可塑性而成为水泥石的过程； ➢ 硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。 ➢ 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即 可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。  熟料矿物的水化反应 ➢ 硅酸三钙 2（3CaO·SiO2）＋6H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2

>硅酸二钙2(2Ca0-SiO2)+4H,0==3Ca0-2SiO2-3H20+Ca（0H)2》铝酸三钙3Ca0·Ah03+H20==3Ca0·Al03·6H203Ca0-Ah03:6H20+3（CaS04-2H,0)+19H20==3Ca0-Ah03·3CaS04:31H20>铁铝酸四钙4Ca0.Ah03·Fe203+7H0==3Ca0-Al0g6H,0+Ca0Fe2Og·H20■熟料矿物的水化反应过程》水化初期：熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。》水化中期·以水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙的快速形成为特征。》水化后期·由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。■水泥石的结构》水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。80

8 ➢ 硅酸二钙 2（2CaO·SiO2）＋4H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2 ➢ 铝酸三钙 3CaO·Al2O3＋H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O 3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O == 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O ➢ 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O  熟料矿物的水化反应过程 ➢ 水化初期 • 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集 在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在 1h 左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。 ➢ 水化中期 • 以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。 ➢ 水化后期 • 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进 入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉 连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构 逐渐紧密。  水泥石的结构 ➢ 水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存 在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大

【本讲课程的小结】掌握下列问题1熟料的水化反应？2叙述一下熟料的水化反应过程？【本讲课程的作业】请在课下复习水泥熟料的水化反应。9

9 【本讲课程的小结】 掌握下列问题 1 熟料的水化反应？ 2 叙述一下熟料的水化反应过程？ 【本讲课程的作业】 请在课下复习水泥熟料的水化反应