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水泥生料经过连续升温，达到相应的温度时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF） 等矿物所组成。 硅酸盐水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脱石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。 硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热，发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等 矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。 一、煅烧过程物理化学变化 水泥生料在加热煅烧过程中所发生的 主要变化有以下六点： （一）自由水的蒸发 （二）黏土质原料脱水和分解 （三）石灰石的分解 （四）固相反应 （五）熟料烧成 （六）熟料的冷却 （一）自由水的蒸发 无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。 （二）黏土质原料脱水和分解 黏土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例波动于2：1~4：1之间。当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，黏土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。 高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅，其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900-950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。 （三）石灰石的分解 脱水后的物料，温度继续升至600℃以上时，生料中的碳酸盐开始分解，主要是石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁进行分解，并放出二氧化碳，其反应式如下： 实验表明：碳酸钙和碳酸镁的分解速度随温度升高而加快，在600~700 ℃时碳酸镁已开始分解，加热到750 ℃分解剧烈进行。碳酸钙分解温度较高，在900 ℃时才快速分解。 碳酸钙（CaCO3）是生料中的主要成分，分解时需要吸收大量的热，其分解过程中消耗的热量约占干法窑热耗的一半以上，其分解时间和分解率都将影响熟料的烧成。因此，碳酸钙的分解是水泥熟料生产中重要的一环。 碳酸钙的分解具有可逆的性质，如果反应在密闭容器中一定的温度下进行，则随着碳酸钙的分解，气体CO2的总量的增加，其分解速度就要逐渐减慢甚至为零。因此，在煅烧窑内或分解炉内加强通风，及时将CO2气体排出则是有利于碳酸钙的分解，窑系统内CO2来自碳酸盐的分解和燃料的燃烧，废气中CO2含量每减少2%，约可使分解时间缩短10%。当窑系统内通风不畅时，CO2不能及时被排出，废气中CO2含量的增加，会影响燃料燃烧，使窑温降低，废气中CO2含量的增加和温度降低都要延长碳酸钙的分解时间。由此可见，窑内通风对碳酸钙的分解起着重要的作用。 （四）固相反应 黏土和石灰石分解以后分别形成了CaO、MgO、SiO2、Al2O3等氧化物，这时物料中便出现了性质活泼的游离氧化钙，它与生料中的二氧化硅、三氧化二铁和三氧化二铝等氧化物进行固相反应，其反应速度随温度升高而加快。 水泥熟料中各种矿物并不是经过一级固相反应就形成的，而是经过多级固相反应的结果，反应过程比较复杂，其形成过程大致如下： 应该指出，影响上述化学反应的因素很多，它与原料的性质、粉磨的细度及加热条件等因素有关。如生料磨得愈细，混合得愈均匀，就增加了各组分之间的接触面积，有利于固相反应的进行。如从原料的物理化学性质来看，黏土中的二氧化硅若是以结晶状态的石英砂存在，就很难与氧化钙反应，若是由高岭土脱水分解而来的无定形二氧化硅，没有一定晶格或晶格有缺陷，则易与氧化钙进行反应。 从以上化学反应的温度不难发现，这些反应温度都小于反应物和生成物的熔点（如CaO、SiO2与2CaO·SiO2的熔点分别为2570℃、1713℃与2130℃），就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现，反应是在固体状态下进行的。因此叫固相反应，又由于以上反应在进行时放出一定的热量，因此，这些反应又统称为“放热反应”。 （五）熟料烧成 由于固相反应，生成了水泥熟料中C4AF、C3A、C2S等矿物，但是水泥熟料的主要矿物C3S要在液相中才能大量形成。当物料温度升高到近1300℃时，会出现液相，形成液相的主要矿物为C3A、C4AF、R2O等熔剂矿物，但此时，大部分C2S和CaO仍为固相，但它们易被高温的熔融液相所溶解，这种溶解于液相中的C2S和CaO很容易起反应，而生成硅酸三钙： 2CaO·SiO2+CaO → 3CaO·SiO2（C3S） 这个过程也称石灰吸收过程。 当然，C3S也可以通过固相反应来形成，但是煅烧过程需要更高的温度和更长的时间，这种办法在工业上至少在目前还没有什么实用价值。大量C3S的生成是在液相出现之后，普通硅酸盐水泥熟料组成一般在1300 ℃左右时就开始出现液相，而C3S形成最低温度约在1350 ℃ ，在1450 ℃下C3S绝大部分生成，所以熟料烧成温度可写成1350~1450 ℃ ，它是决定熟料质量好坏的关键，若此温度有保证则生成的C3S较多，熟料质量较好；反之，生成C3S较少，熟料质量较差。不仅如此，此温度还影响着C3S的生成速度，随着温度的长高，C3S生成的速度也就加快，在1450 ℃时，反应进行非常迅速，此温度称为熟料烧成的最高温度，所以水泥熟料煅烧设备，必须能够使物料达到如此高的温度。否则，烧成的熟料质量将受影响。 任何反应过程都需要有一定的时间，C3S的形成也一样，它的形成不仅需要有温度的保证，而且需要在该温度下停留一定的时间，使之能反应充分。煅烧较均匀的回转窑所需时间可短些，时间过长易使C3S生成粗而圆的晶体，使其强度发挥慢而低，一般需要在高温下煅烧20-30min。 C3S是水泥熟料的主要矿物，影响C3S的生成因素如下： 1、生料的组分数对液相生成的影响 组分数增加，最低共熔点降低，尤其是组分中增加熔点低的物质时，液相出现的温度更要降低。硅酸盐水泥熟料中一般都有少量镁、碱、硫等其他组分，其最低共熔温度约为1250-1280 ℃ ，虽然这些次要组分能使液相提早生成，但它们是有害组分，对其含量都有一定的限制。 2、化学成分的影响 一般铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）在1300 ℃左右时，都能熔成液相，所以称C3A和C4AF为熔剂性矿物。液相量是随着Al2O3和Fe2O3的增加而增加，熟料中MgO、R2O等成分也能增加液相量。 一般硅酸盐水泥熟料成分生成的液相量可近似用下式进行计算： C3A和C4AF都是熔剂性矿物，但它们生成液相的黏度是不同的，C3A形成的液相黏度大，C4AF形成的液相黏度小。因此，当熟料中C3A和Al2O3含量增加，C4AF或Fe2O3含量减少时，即熟料的铝率增加时，生成液相黏度增加，反之则液相黏度减小。因此，液相量的多少和黏度的大小，对C3S的生成会有很大影响，如果液相量多、黏度小，有利于C3S的生成，因为液相量多时，CaO和C2S在其中的溶解量也多；黏度小时，液相中CaO和C2S分子扩散速度大，相互接触的机会多，故反应进行得充分。但应注意，如果液相量过多，黏度过小，则会给煅烧操作带来困难，如易结圈、烧流等；同时，因为硅酸盐矿物的减少将会影响熟料质量。 3、煅烧温度的影响 提高煅烧温度可降低液相黏度，由式（1-1）、式（1-2）可看出，煅烧温度的提高也使液相的百分含量增多。但煅烧温度不宜过高，煅烧温度过高了在窑内易结大块、结圈等弊病；而且煅烧温度过高还易使C3S生成大而圆的晶体，这个大而圆的晶体很致密，与水作用速度很慢，使强度发挥慢，故最高烧成温度应控制在1450℃。 （六）熟料的冷却 当熟料烧成后，温度开始下降，同时C3S的生成速度也不断减慢，温度降到1300 ℃以下时，液相开始凝固，C3S的生成反应完结。此时凝固体中含有少量的未化合的CaO，则称为游离氧化钙，温度继续下降便进入熟料的冷却阶段。 熟料烧成后要进行冷却，其目的在于改进熟料质量，提高熟料的易磨性；回收熟料余热，降低热耗，提高热的效率；降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨。 熟料冷却的好坏及冷却速度，对熟料质量影响较大，因为部分熔融的熟料，其液相在冷却时，往往还和固相进行反应。 熟料中矿物的结构取决于冷却速度、固液相中的质点扩散速度、固液相的反应速度等。如果冷却很慢，使固液相中的离子扩散足以保证固液相间的反应充分进行，就称为平衡冷却。如果冷却速度中等，使液相能够析出结晶，由于固相中质点扩散很慢，不能保证固液相间反应充分进行，就称为独立结晶。如果冷却很快，使液相不能析出晶体成为玻璃体，就称为淬冷。现以C3S-C2S-C3A组成的系统为例来看冷却速度不同，最后所得矿物组成是不同的。 表1 C3S-C2S-C3A系统熟料矿物组成 在熟料的冷却过程中，将有一部分熔剂矿物（C3A和C4AF）形成结晶析出，另一部分熔剂矿物则因冷却速度较快来不及析晶而呈玻璃态存在。C3S在高温下是一种不稳定的化合物，在1250 ℃时，容易分解，所以要求熟悉产自1300℃以下要进行快冷，使C3S来不及分解，越过1250℃以后C3S就比较稳定了。 对于1000 ℃以下的冷却，也是以快速冷却为好，这是因为熟料中C2S有α’αβγ四种结晶形态，温度及冷却速度对C2S的晶型转化有很 大影响，这可以从C2S的多晶转化式中看出来。 将高温下α-C2S缓慢冷却时： 由上式看出：在高温熟料中，只存在a-C2S；若冷却速度缓慢，则发生一系列的晶型转化，最后变为γ-C2S，在这一转化过程中由于密度的减小，使体积增大10%左右，从而导致熟料块的体积膨胀，变成粉未状，在生产中叫做“粉化”现象。 γ-C2S与水不起水化作用，几乎没有水硬性，因而会使水泥熟料的强度大为降低。为了防止这种有害的晶型转化，要求熟料快速冷却。
二、熟料形成热 由熟料的形成过程可以看出，水泥生料加热过程中发生的一系列物理化学变化有些是吸热反应，有些是放热反应。表中所列为水泥煅烧过程中各反应温度和热效应。 表2 水泥熟料的反应温度和热效应 各水泥熟料矿物凡是固体状态生成的均为放热反应，只有C3S是在液相中形成，一般认为是微吸热反应。各反应生成物及热效应数值如下： 表3 反应生成物及热效应数值 由以上讨论，可得到这样的结论：熟料煅烧的全过程，在1000℃以下主要是吸热反应，而在1000℃以上主要是放热反应。那么什么叫熟料形成热呢？所谓熟料形成热是指在一定生产条件下，制成1kg同温度的熟料所需要的热量。因而根据物料在反应过程中的化学反应热和物理热，可计算出生成1kg普通硅酸盐水泥熟料的理论热耗：
熟料形成热与所采用的原料有很大的关系，熟料形成热的波动范围一般在1650~1800kJ/kg-cl之间，水泥熟料形成各阶段中，以碳酸钙分解吸收热量最多，约占总吸收热量的一半左右，该阶段是水泥熟料生产热耗量最大的环节。 煅烧1kg熟料，在理论上要消耗1650~1800kJ/kg的热量，这就需要有专门的设备供给这些热量，才能生产熟料。但在实际生产中形成的熟料和废气不可能冷却到0℃，因而必然带走一部分热量；生产过程不可能没有物料损失及物料循环的存在，其煅烧设备还要向外散失热量，因此，实际生产每1kg熟料消耗的热量，必然比熟料形成热要大得多，根据生产方法和使用的设备不同，一般在3400~7500kJ/kg范围内，这就是熟料的单位热耗。熟料的单位热耗越接近熟料形成热，煅烧设备的热效率越高。熟料单位热耗的高低，与所采用的生产方法和所使用的煅烧设备有关，水泥熟料的煅烧设备目前常用的有立窑和回转窑。 三、熟料在回转窑内煅烧 （一）回转窑的作用 回转窑生产水泥熟料，可分为湿法、半干法、干法、新型干法等几种回转窑类型，本书重点介绍新型干法中预分解窑水泥熟料的煅烧。虽然水泥熟料生产的窑有两大类，很多种类型，但是水泥熟料煅烧的基本过程是一样的，就是说水泥熟料形成物理、化学反应所需的条件是相同的，只不过所采用的生产方式不同。 回转窑煅烧水泥熟料，是利用一个倾斜的回转圆筒（斜度一般在3%-5%），生料由圆筒的高端加入（即窑尾），由于圆筒具有一定的斜度且不断回转运动，物料就会从高端向低端（即窑头）逐渐运动，因此，回转窑首先是一个物料输送设备。 回转窑又是燃烧设备，可使用固体（粉状）、液体、气体三种不同类型的燃料，我国水泥厂主要以煤粉作燃料，先将煤破碎、烘干，再经细磨制成粉状，用鼓风机由窑头向窑内喷入。燃烧用的空气由两部分组成，一部分预先和煤粉混合并起输送作用，完成煤粉向窑内喷射的过程，该空气载体叫做“一次空气”，一般占总入窑空气量的8%-30%左右；大部分入窑空气经过熟料冷却时被加热到一定温度（一般600℃以上）进入窑内的，该部分空气叫做“二次空气”。 煤粉在窑内燃烧后，形成高温火焰（一般可达1600-1700℃），放出大量热，高温气体在高温风机的抽引下，沿着回转筒体向窑尾方向流动，它和煅烧熟料产生的废气一起经过预分解系统，再经过降温、收尘净化后排至大气中。可见，高温气体和高温火焰传给的热量，物料经过不同的温度区域或温度场，发生一系列的物理化学变化后，而被煅烧成熟料，其后进入冷却机，与冷空气进行热交换，本身被冷却，冷空气预热后作为二、三次空气进入窑内和分解系统内，因此，回转窑又是一个传热设备。 （二）煤粉在回转窑内的燃烧过程 1、着火与着火温度 任何燃料的燃烧过程都有着火及燃烧两个阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度，在大气压下各燃料在空气中的着火温度大致范围列入表中。 表4 在大气压下燃料在空气中着火温度范围
2、燃烧过程 煤粉在回转窑内的燃烧的比较复杂，煤粉在燃烧的同时还要向窑尾 方向运动，并且在燃烧过程中还要进行传热，这几方面又相互影响着，现分述如下： 回转窑内的煤粉是以分解状态喷入高温带处，正常生产时高温带温 度很高，煤粉易着火燃烧；当开窑点火时，窑内无热源，必须在距窑口 3-5m处放置木柴、废油、棉纱等，将易燃物点燃烧，使该处温度上升到煤粉的着火温度，然后再喷进煤粉进行燃烧。 煤粉受热后先是被干燥，将煤中所含1%-2%的水分排出，温度升到450-500℃时，煤粉里的挥发分开始逸出，在700-800℃时将全部逸出（煤粉中水发和挥发分逸出后剩下的是固定炭粒和灰分），当挥发分遇到炽热的空气时便着火燃烧，生成气态的CO2和H2O，它们包围在剩下的固定炭粒周围，固定炭粒的燃烧，除了要有足够的温度外，还必须待空气中的氧通过扩散透过包围在固定炭粒周围的气膜，与固定炭粒接触后才能进行燃烧，显然固定炭粒的燃烧是很缓慢的，它的燃烧速度与气体扩散速度（包括燃烧产物扩散离开炭粒表面和氧气扩散到固定炭粒子表面）有很大关系。 所以，加强气流扰动，以增加气体扩散速度，将大大加速固定炭粒的燃烧。煤粉喷出有一定距离，喷煤管喷出的煤粉首先是预热干燥，不可能立即燃烧，随着煤粉喷出距离的增加，温度的长高，挥发分逐步逸出并燃烧，发出热量，随即固定炭粒开始燃烧。煤粉由喷嘴喷出，经过一段距离后才能燃烧，煤粉自喷嘴喷出至开始燃烧的这段距离称为黑火头。煤粉燃烧后形成的焰面，产生热量，使温度升高，热量从高温向低温传递，由于焰面后面未燃烧的煤粉比焰面温度低，因此焰面不断向焰面后未燃烧的煤粉传热，使其达到着火温度而燃烧，形成新的焰面，这种焰面不断向未燃物方向移动的现象叫火焰的传播（或扩散），传播的速度称为火焰传播速度。但要注意的是整个煤粉是以一定速度喷入窑内的，所以火焰既有一个向窑尾方向运动的速度，又有向后传播的速度，当喷出速度过大，火焰来不及向后传播时，燃烧将中断，火焰熄灭；当喷出速度过小，火焰不断向后传播，直至传入喷煤管内，这称为“回火”，若发生“回火”将会引起爆炸的危险，所以喷出速度与火焰传播速度要配合好。火焰传播速度与煤粉的挥发分、水分、细度、风煤混合程度等因素有关，当煤粉挥发分大、水分少、细度细，风煤混合均匀，火焰传播速度就快，否则相反。 3、一次风的作用 煤粉借助一次风的风力自窑喷煤管喷入窑内，一次风不但对煤粉起输送作用，同时还供给煤的挥发分燃烧所需的氧气。一次风量占总空气量的比例不宜过多，因为一次风量的增加相应地就会使二次风比例降低（总用风不变的情况），二次风的减少会影响到熟料冷却，使熟料带走的热损失增加。另外，一次风温度比二次风温度要低（为使煤粉不致爆炸，一次风温度不能高于120℃），这样燃烧温度也要降低。 4、二次风的作用 二次风先经过冷却机与熟料进行换热，熟料被冷却的同时，二次风被预热到400-800℃（目前国内只能达600℃左右），再入窑供燃料燃烧。由于二次风比一次风能预热到较高的温度，因此可得到较高的燃烧温度。由于一、二次风分别入窑，二次风对气流能产生强烈的扰动作用，有利于固定炭的燃烧，但另一方面，也要注意到二次风与煤粉颗粒的接触，总是从火焰表面开始的，逐渐深入到火焰的中心，在同一截面上，火焰外围与中心燃烧程度有关别，有可能在火焰中心容易引起不完全燃烧，因此，有人建议采用三次风的设想。 （三）窑外分解技术 水泥熟料煅烧窑外分解技术，是20世纪70年代发展起来的新技术，它是带悬浮预热器回转窑的进一步发展，即在悬浮预热器和回转窑之间增设一个分解炉，生料经预热器后进入分解炉中进行碳酸盐分解反应，使入窑生料碳酸钙分解率达到85%-95%，由此大大减轻了回转窑的热负荷，窑的产量可比悬浮预热器窑提高1-2倍，同时延长了耐火材料的使用寿命，提高了窑的运转率。当今的水泥熟料生产多数采用窑外分解技术，其发展趋势是大型化、高产量，单位热耗大幅下降。 由水泥熟料的形成过程可知，在干法窑中，熟料的煅烧过程大致可分为预热、分解和烧成三个主要过程。这三个过程各有不同的特点，预热与分解过程，温度不需要很高（900℃以下），但所需的热量却很多，尤其是分解过程更为突出，所需的热量大约占总热耗50%左右，而烧成过程则需要较高的温度（1450℃左右）和足够的反应时间，而需要的热量很少。若用普通回转窑生产水泥熟料，这三个过程都在回转窑内完成或进行，通过生产实践证明，回转窑作为烧成设备尚能满足要求，能达到足够的烧成温度和保证物料在高温下的停留时间，但作为传热设备则不够理想，对需要热量较大的两个过程就不太适合。为了增加传热能力，只得把回转窑筒体做的又大又长，但预热、分解过程就占去了窑容积的一大半，且产量低、热耗又大，同时由于设备尺寸增大给加工、运输、安装等都带来很大的困难。 20世纪30年代出现的立波尔窑和50年代出现的带悬浮预热的回转窑，不但提高了预热带的传热效果，同时还使部分碳酸盐在窑外进行分解。理论与实践证明，随着入窑碳酸钙分解率的提高，生料在回转窑内需要的热量会进一步减少，这样在窑规格相同的条件下可以提高产量，在相同的产量情况下可以缩小窑筒体尺寸。 那么，在悬浮预热器内能不能再进一步提高碳酸钙分解率呢？经过计算证明，由于CaCO3分解消耗热量很多，窑尾烟气所含热量不足，不可能再进一步提高分解率，如果通过提高废气温度来满足热量需要，则废气温度要提高到1600-1700℃，而回转窑燃料燃烧热负荷和出窑废气温度的提高均受到限制。所以悬浮预热器（废气温度在1000℃左右时）碳酸钙的分解率最大不超过40%，这样悬浮传热的作用就没有优越性。 为了解决这一问题，在悬浮预热和回转窑之间增加一个新的热源——分解炉，把煅烧熟料的三个主要工艺过程，分别在三个机组内进行，称为窑外分解技术。使入窑生料的分解率达85%-95%，进一步地减少生料在回转窑内需要的热量，回转窑主要承担烧成任务。回转窑几种工艺方法的比较如图所示。 窑外分解系统是由预热器系统（简称SP）、分解炉和回转窑所组民。其生产流程，按物料流向顺序，生料由提升设备运至预热器，经过四级旋风筒后，进入分解炉，在分解炉内经过加热分解后，再进入第五级旋风筒预热器，继续进行分解并收集下来，进入回转窑内，分解炉处于四、五级预热器之间；窑外分解系统气体流动过程比较复杂，燃料由窑头和分解炉两处喷入，分解炉的二次空气是来自冷却机的热风，两路烟气在分解炉会合后向预热器的上部运动与料流换热。
（四）回转窑内的熟料烧成 这里介绍的是窑外分解窑窑内的熟料烧成，由于水泥熟料生产的预热、分解均在预热器、分解炉完成了85%~95%的碳酸盐的分解过程，所以窑外分解窑与其他类型的回转窑所承担的任务是不同的。 窑外分解窑在回转窑内完成的熟料烧成过程是：部分碳酸盐分解（约占5%左右）、固相反应、烧结反应等过程。熟料的烧成在窑内可分为三个工艺带：过渡带、烧成带、冷却带。 从窑尾起至物料温度1280℃止（也有以1300℃）为过渡带，主要任务是物料升温及5%左右碳酸钙分解和固相反应（放热反应）；物料在1280~1450~1300℃区间则为烧成带；窑头端为冷却带。 1、分解反应 物料进入预热器系统经分解炉后入窑时，其碳酸盐的分解率为85%-95%，温度为820-850℃，细颗粒料粉喂入窑内时，还在继续着分解过程，由于重力作用，沉积（或者堆积）在窑的尾部，随着窑的转动料粉又开始新的运动方式，此时窑尾气流温度可达1000 ℃ ，料层内部的料温却低于900 ℃ ，碳酸盐分解反应停止。因料层内部颗粒周围被CO2气膜所包裹，气膜又受上部料层的压力，因而使颗粒周围CO2的压力可达到1个大气压，料温在其平衡分解温度以下是难收进行分解的，但处于料层表面的料粉仍继续分解。 随着窑体的转动，物料向窑头方向运动，随着热量的传递，温度从820 ℃上升到900 ℃ ，料层内部或料颗粒内部的分解反应继续，直到分解反应基本完成，由于窑内总的物料分解量大大减少，回转窑内分解区域长度比其他类型的回转窑分解区域缩短了。 2、固相反应 料粉在窑内运动中吸热，分解反应基本完成以后，料温逐步升高，进一步发生固相反应。一般初级固相反应于800 ℃时就开始了，由于在分解炉内料粉呈悬浮态，各组分间接触不紧密，所以，主要的固相反应是在进入回转窑并使料温升高后才大量进行，最后生成C2S、C3A及C4AF。预分解窑中的固相反应与预热器窑相比，任务相对增大了，对促使固相反应比较快地进行，除选择活性较大的原料外，保持或提高料粉的细度及均匀性是很重要的。 固相反应的另一个特点是放热，它放出的热量直接用来提高物料温度，使窑内料温较快地升高到烧结温度。 3、烧结反应 预分解窑的烧结任务与预热器相比增大了一倍，其烧结任务的完成，主要依靠延长烧成带长度及提高窑内平均温度来实现，这是由于窑内物料分解吸热少，气流向窑内传热慢的缘故。分解窑内的烧成反应，仍是整个熟料生产过程的关键所在，它的主要化学反应是生成了水泥熟料的主要矿物——C3S。其反应式如下： 2CaO·SiO2+CaO=3CaO·SiO2 这个反应是微吸热反应，其反应机理是物料温度升高到1300 ℃以上时，部分C3A和C4AF熔融为液相，这时C2S和游离CaO开始溶解于液相中并相互扩散，C2S吸收CaO生成C3S，再结晶析出，随着温度的连续升高，物料中的液相量增多，液相黏度降低，上述反应（石灰吸收过程）将会加速进行。 为了正确处理生产过程中产量、质量及消耗之间的矛盾，一般控制上述反应条件为：温度在1300-1450-1300 ℃之间，液相量控制范围在20-30%，反应时间则比一般回转窑缩短，从一般的15-20min缩短为10-15min左右。物料在烧成带停留时间的缩短，是因为预分解窑窑速加快的结果，虽然烧结时间缩短，熟料质量仍能保持优良。 四、回转窑热经济分析 （一）热耗与热效率 煅烧1kg水泥熟料，理论上只需要消耗1755.6-1797.4kJ的热量，但是各种水泥熟料的生产方法、煅烧设备的不一样，实际需要消耗3135-7524kJ的热量。这种理论上需要的热量与实际消耗的热量之比，称之为回转窑的热效率。各种类型窑由于热耗不同，其热效率也不同，国外新型干法预热器窑的熟料热耗一般为3135-3344kJ/kg，热效率高达52%-53%，而湿法窑或老式干法窑熟料的热耗一般为5436-6688kJ/kg，热效率为25%-35%，两者相差近一倍。国内外不同窑型的热耗、热效率列于表中。 表5 国内外不同窑型的热耗、热效率
表6 国内外不同窑型的热耗、热效率
从以上两张表中可以看出，湿法长窑和干法中空窑热效率相仿，主要是由于湿法长窑的水分蒸发消耗1/3的热量，干法中空窑则是窑内低温部分传热面积小，窑尾废气温高，带走热损失大，约占总热耗一半左右。因此，提高窑的热效率，在窑外分解窑中要是增加物料与热气流的接触面积，从而增加热效率。 （二）热损失原因分析 通过国内外同类型窑的热耗分析，可以发现国内各类型窑的热耗均比国外高，原因主要有以下几方面： 1、机体散热多 20世纪50年代末期，德国水泥生产窑体散热就已降至359kJ/kg-cl，而我国进入20世纪80年代，湿法窑窑体散热仍高达669-1054kJ/kg-cl，多耗热334-669kJ/kg，多筒冷却机散热167-209kJ/kg-cl，篦式冷却机虽然散热较少，但余风带走热达146-350kJ/kg-cl。 2、不完全燃烧热损失高 由于冷却熟料受到所采用设备的影响，二次风温较低，增大了不完全燃烧的热损失。由于窑外分解窑系统采用较先进的水平推动篦式冷却机，现已发展为空气梁冷却机，二次、三次风温均有大幅度提高，二次风温均可达1000℃以上，三次风温800℃以上，这样给煤粉的燃烧提供了很好保证，降低了因设备原因造成的不完全燃烧热损失。 3、系统漏风严重 窑外分解窑的系统漏风比湿法、干法、中空等窑型的漏风相对要少，因为窑外分解窑的系统漏风的点和量都远少于其他窑型。如我国立波尔窑，多年来由于产量不断提高，风量也随之不断的增加，因而导致废气量增多（4.25-7.73Nm3/kg-cl），亦造成热损失增加。如：邯鄣水泥厂窑的单位废气量为5.01Nm3/kg-cl，如能降到2.5Nm3/kg-cl 的水平，可节能418kJ/kg-cl以上。 （三）减少回转窑热损失的途径 1、减少筒体热损失 我国回转窑筒体热损失平均为739kJ/kg-cl，约占熟料热耗的12%，国外由于采用隔热材料，热耗比我国低167-502kJ/kg-cl。据统计，筒体温度每降低1约减少热耗kJ/kg-cl。近年来国内推广隔热砖，琉璃河水泥厂筒体和窑衬之间铺设硅酸铝隔热毡，筒体温度下降50-70℃，有的企业采用了中国建材研究院耐火材料所研制的新型隔热材料，窑体温度下降100℃左右。 2、减少不完全燃烧热损失 根据热工测定统计，我国回转窑的不完全燃烧热损失平均为251kJ/kg-cl，约占熟料热耗的4%左右，其中化学不完全燃烧热损失为142-155kJ/kg-cl，机械不完全燃烧热损失为71-130kJ/kg-cl。减少不完全燃烧热损失的途径可采取以下措施： （1）过剩空气系数的控制 在预分解窑的操作过程中，首先要有足够的空气量，为了有足够空气量需保持一定的过剩空气系数。我国水泥工艺管理规程规定，过剩空气系数控制在1.05-1.15之间。但过剩空气系数具体应控制在多少才合适，主要是在保证燃料完全燃烧的情况下，尽量保持较小的过剩空气系数，即减少废气带走热。 （2）控制好煤粉质量 影响燃烧速度的因素同时也影响燃料的完全程度，为减少不完全燃烧所造成的热损失，煤的水分和细度应符合工艺要求。 （3）准确的喂煤量 造成喂煤量不准确，主要原因是因喂煤系统设备调节不灵活，不能根据窑内温度变化，适量地增减喂煤量，从而产生不完全燃烧热损失。下煤不均引起跑煤和断煤现象较多，如：煤粉仓锥体部分煤粉流动差，双管绞刀或其他给煤装置锁风不严，煤粉计量设备性能差等均可导致煤流的不稳定、不准确。 （4）加强密闭堵漏 窑头、窑尾的漏风，严重影响窑内通风和燃料燃烧，预热器系统的漏风比前两者的影响还要大，此外，篦式冷却机的各室串风、漏风现象，对煤粉的燃烧都有影响，窑头、窑尾冷却机漏风与部件材质、管理不善等因素有关，应加强管理，把漏风控制在最低水平。 3、减少冷却机熟料热损失 我国回转窑熟料带走的热损失一般约占熟料热耗的8%，其中干法窑为292kJ/kg-cl左右，湿法窑为523kJ/kg-cl左右。减少熟料带走热损失，必须从提高冷却机的热效率入手，窑外分解窑采用的推动篦式冷却机或空气梁冷却机，其平均热效率都是很高的。另外，加强管理，充分发挥冷却机的效率，亦能减少熟料热损失。 4、减少废气带走热损失 废气带走热损失是熟料热耗中最大的一项，平均为2048kJ/kg-cl，约占热耗35%左右。其中干法窑平均3405kJ/kg-cl，占53%，湿法窑为1116kJ/kg-cl，占17%，半干法窑为1428kJ/kg-cl，占31.12%。这主要是窑尾废气温度高，在生产过程中，窑尾废气经过4-5级预热器系统后，出系统温度降至380以下，虽然温度下降了，但废气量很大，废气带走的热量相当可观。将系统中废气作为烘干热源被广泛利用，可收到很好的效果。 此外，窑灰带走的热损失和蒸发水分带走的热损失也应值得重视。 总之，回转窑热经济分析包括多方面，值得深入研究和探讨，这里既包括原燃材料、设备，也包括管理，是一个系统工程。
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