对于普通老百姓来说，水泥是熟悉又陌生的东西。说熟悉是因为几乎每个人都见过水泥、家家都用过水泥；说陌生是因为很多人不知道水泥是怎么生产出来的。今天，泥人君就简单跟大家介绍一下水泥及其生产原理。
1、什么是水泥
水泥简单地讲，就是加水拌和成塑性浆体，能胶结砂、石等材料既能在空气中硬化又能在水中硬化的粉末状水硬性胶凝材料。根据用途，水泥通常分为以下几大类：
（1）通用水泥：即硅酸盐水泥、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。
（2）专用水泥：如G级油井水泥，道路硅酸盐水泥。
（3）特性水泥：如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥和磷酸盐水泥。
2、水泥生产技术发展历程
水泥诞生于年，生产技术历经了多次变革，水泥的生产最初始于土立窑，年出现了煅烧水泥熟料的回转窑，年德国伯力鸠斯研制出了立波尔窑，年德国洪堡公司研制出了悬浮预热器窑，年日本石川岛和秩父公司联合在悬浮预热器窑的基础上研制出了预分解窑煅烧技术，以预分解技术为代表的水泥生产技术就是现在所说的新型干法水泥生产技术（在水泥生产历程中还有湿法煅烧水泥熟料技术），新型干法水泥生产技术彻底改变了水泥生产技术的格局和发展历程，它采用现代最新的水泥生产工艺和装备，逐步取代了立窑生产技术、湿法窑生产技术、干法中空窑生产技术，以及半干法生产技术，从而把水泥工业生产推向了一个新的阶段。
新型干法水泥生产技术是指以悬浮预热器和窑外分解技术为核心，采用新型原料、燃料均化和节能粉磨技术及装备，全线采用计算机集散控制，实现水泥生产过程自动化、使得水泥生产达到高效、优质、低耗、环保的一种先进技术。
3、生产水泥的原材料及燃料
生产水泥的主要原材料是以碳酸钙为主要成分的石灰石，每生产1吨水泥熟料大约需要消耗1.4~1.5吨的石灰石原材料；另外就是以二氧化硅为主要成分的粘土质原料，常用的粘土质原料有黄土、粘土、页岩等，每生产1吨水泥熟料，大约需要消耗0.3~0.4吨的粘土质原材料；还有就是校正原料，用以补充生料中某些不足的成分含量，有铁质校正原材料、硅质校正原材料和铝质校正原材料等。除了石灰石、粘土和校正原材料，生产水泥还需要缓凝剂，常用的缓凝剂有石膏，可以采用的石膏有天然石膏、磷石膏，还可以用燃煤电厂排放的脱硫石膏等。此外，为了节约水泥生产成本和充分利用工业固体废弃物，生产水泥还掺入一定量的工业废渣，常用的有粉煤灰、煤矸石、电石渣、钢渣、矿渣等。
目前，生产水泥熟料采用的燃料主要是煤，包括烟煤、无烟煤、褐煤等。一般情况下，新型干法窑要求煤的水分2%，灰分30%，挥发分18%~30%，干燥基低热值kJ/kg，细度0.mm方孔筛筛余约10%。
4、水泥生产过程
水泥的生产，一般可分生料制备、熟料煅烧和水泥制成等三个工序，整个生产过程可概括为"两磨一烧"。具体来讲，水泥生产包括以下主要过程：
——原料和燃料的破碎：生产水泥的原料和燃料大部分都需要进行破碎处理，减小原料和燃料的粒度，满足生产要求。
——原料和燃料的预均化:破碎后的原料和燃料，颗粒和成分大都不均匀，需要通过科学的均化技术和设施进行均化处理，减少原料和燃料质量的波动，为后续的生产工序提供稳定的原料和燃料成分条件，同时，搭配优质和劣质原料和燃料的成分，扩大原料和燃料的利用率，减少废料的排放。
——生料粉磨：生料粉磨是通过粉磨设备,对破碎和均化后的原料进行冲击、挤压、研磨等方式，使块状物料变成细粉的过程。生料粉磨采用的主机设备目前使用较多的有立式磨、辊压机两类，生产工艺有终粉磨、半终粉磨。粉磨后的生料粒度达到下一工序要求的细度，原料水分也控制在相应要求标准内，为水泥熟料煅烧提供基础条件。
——生料均化：新型干法水泥生产过程中，稳定入窑生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窑生料成分的最后一道把关作用。目前，生料均化技术和设备都比较成熟，常用生料均化库对生料进行均化处理，
——煤粉制备：煤粉是为水泥熟料煅烧提供热源。目前国内生产水泥使用的煤种有烟煤、无烟煤、褐煤等，通过对煤的破碎、均化处理后，需要将块状煤粉磨后变成煤粉，细度一般控制在80μm筛筛余10%~15%，粉磨后的水分控制在≤0.8%。目前生产设备及工艺主要有球磨机和立磨两种，其中立磨工艺更加简单，新建的水泥生产线大多采用立磨进行煤粉的生产制备。
——熟料烧成：水泥熟料烧成分为预热、分解和煅烧三部分，预热部分通过预热器来完成，分解通过分解炉完成，煅烧采用回转窑完成，三个部分共同组成水泥熟料的煅烧系统。预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，使得生料在预热器中进行余热和部分碳酸盐的分解，使生料在预热器管道中充分的进行废气余热和生料之间的热交换，并且进行固体粉料和热气之间的“固气分离”，预热器在水泥熟料烧成过程中起到“预热、部分碳酸盐分解、固气分离”的作用。通过预热器对生料进行预热、分解、固气分离后，进入到分解炉进行进一步的对碳酸盐分解，预分解技术是水泥生产发展过程中的一次技术飞跃，它是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道，设置煤粉喷入装置，使煤粉燃烧放热和生料碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉内以悬浮状态或流化状态下迅速进行，使得入回转窑的生料碳酸盐分解率达到90%以上，将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务，移到分解炉内进行，煤粉大部分从分解炉内加入，少部分由窑头加入（一般分解炉和窑头煤粉比例为60%：40%），减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了窑衬料的寿命，有利于生产的大型化。预分解技术使得水泥熟料煅烧具有优质、高效、低耗等一系列优良的性能和特点。经分解炉预分解后的生料进入到回转窑内进行煅烧，在回转窑内碳酸盐进一步迅速的分解并发生一系列的固相反应，生成水泥熟料中的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和（铁铝酸四钙（C4AF）和等主要矿物，随着物料温度升高近℃左右，上述四种矿物就会变成液相，大部分的硅酸二钙（C2S）和氧化钙（CaO）很快被高温熔融的液相所溶解，发生化学反应生成硅酸三钙（C3S）。这是物料在回转窑内发生的主要化学反应过程。
——熟料冷却：当物料在回转窑内发生的化学反应结束，也就是硅酸三钙（C3S）生成反应结束，物料和窑内温度逐渐向窑头端开始下降，温度降到℃以下时，液相开始凝固，熟料就通过窑头端进入了熟料冷却机内进行冷却处理。因为在熟料冷却过程中，有一部分熔剂矿物（C3A和C4AF）形成晶体析出，另一部分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℃时，容易分解，所以要求熟料自℃以下要进行快速冷却，使得C3S来不及分解，越过℃以后，C3S就比较稳定了。对于℃以下的熟料，也是以快速冷却为好，这是因为熟料中的C2S有α、α`、β、γ四种结晶型态，温度及冷却速度对C2S的晶型转化有很大影响，在由β-C2S转化为γ-C2S时，由于密度减小使得体积增大10%左右，从而导致熟料块的体积膨胀，变成粉末状，在生产中成这种为“粉化”现象。粉化后的γ-C2S与水进行水化反应时，几乎没有水硬性，因而会使得水泥熟料的强度降低，为了防止这种有害晶体转化，要求熟料快速冷却，使其来不及转化，保证水泥熟料的质量。
经过冷却后的熟料通过输送机输送到熟料库进行存储，一部分熟料可以出售给水泥粉磨站使用，大部分的熟料通过输送设备进入到水泥生产的下一道工序，即水泥粉磨。
——水泥粉磨：水泥厂根据市场需求，生产不同品种和强度的水泥，在水泥粉磨之前，需要根据生产的水泥品种要求进行配料计算。将水泥熟料、石膏、混合材（一般有矿渣、炉渣、粉煤灰等工业废渣）存储在配料库中，按计算的配比通过计量装置对物料进行计量配比，然后经输送设备输送到水泥粉磨车间进行粉磨。目前水泥粉磨采用的主要设备有球磨机、立磨、辊压机等，应用最多的是球磨机粉磨系统和辊压机粉磨系统，立磨系统目前使用的还较少，使用最多的是辊压机联合粉磨系统。
——水泥存储：经粉磨后的水泥通过输送设备输送到水泥库进行存储，其中有的水泥库设计安装了散装水泥设备，水泥通过散装车运输到搅拌站使用，另外经输送设备输送到水泥袋装车间进行包装。根据有关规定，目前推广使用水泥散装，一方面可以节约包装水泥的纸袋，同时在水泥运输过程中减少水泥粉尘对环境的影响。因此，水泥厂出售水泥时，逐渐以散装水泥为主。
——水泥包装：水泥包装是水泥生产过程中最后一道工序，根据不同的水泥品种和强度等级，定制各种合格的水泥包装袋，水泥通过包装机自动包装后，一部分直接经汽车运输到搅拌站使用，剩余部分堆放在水泥袋装库内存储，但不能超过水泥的有效保质期。
——质量检测：水泥产品是我国非常重要的建筑原材料，能够直接决定各种建筑工程的建设质量和使用性能，所以，在水泥生产的整个过程中，必须严格对整个生产过程的各个环节进行质量检测和控制。
1、原燃料的质量检测和控制：水泥厂化验室负责对购买进厂的原燃料分批次进行质量把关，以保证质量符合生产要求。
2、生料的质量检测和控制：生料的质量检测和控制包括对原料入磨的粒度、化学成分、三率值、水分等指标进行检测和控制，以保证生料的成分和水分稳定。
3、煤粉的质量检测和控制：煤粉的质量检测和控制包括对原煤入磨的粒度、热值、水分等指标进行检测和控制，以保证煤粉的成分和水分稳定。
4、熟料的质量检测和控制：熟料的质量检测和控制主要包括各项控制指标、有害成分、物理性能等是否符合国家标准要求。
5、水泥的质量检测和控制：水泥的质量检测和控制主要是对出磨水泥的细度、安定性、强度、凝结时间等指标进行检测和控制。
5、结束语
上述简单地介绍了水泥的概念和基本分类，水泥生产技术的发展历程，生产水泥采用的原燃料，生产水泥的简单工艺流程以及水泥生产过程中的质量检测和控制等内容，对水泥及生产过程做一个简单的科普，供非专业人员学习参考。
泥人君
