中国铝酸盐水泥的生产与发展

1　铝酸盐水泥的诞生

　　铝酸盐水泥是耐火材料行业中不可缺少的一种水硬性粘结剂。该产品最早是1865年后期在法国出现，由氧化铝和石灰经熔融后破碎制成的铝酸钙水泥(calcium aluminate cement—CAC)。19世纪末期英国首先发布了“石灰石-矾土(limestone bauxite cement)”水泥的专利。而首次进行这种水泥商业性生产则是在1913年法国的拉法基公司(Lafarge)，生产方法为熔融法。铝酸盐水泥早期强度高，耐火性能优良，具有抗硫酸盐和弱酸侵蚀的能力，广泛应用于耐火材料行业。

2　中国铝酸盐水泥工业的建立

　　解放前落后的中国建材工业没有多品种水泥，更没有铝酸盐水泥。建国以后，中国建材科学研究院水泥品种室于50年代中期组成铝酸盐水泥专家组，积极开发中国多品种水泥，并派出专家组到当时的苏联学习特种铝酸盐水泥的生产。
　　

河南巩县铝土矿是我国解放后最早发现的矿区之一。1953年重工业部钢铁工业管理局华北地质勘探公司地质队首次对河南巩县小关矿区进行勘探，次年地质部中南地质局417队再行勘探。先后经地质部矿产储量委员会确认巩县—偃师、陕县—渑池—新安、密县—禺县及临汝—宝丰四大铝矾土成矿带，总储量在2.3亿t以上。国家在制定第二个五年发展计划时，决定开发河南巩县铝土矿资源。依据建设河南铝业公司(中国长城铝业公司原名)的有利条件，1958年2月，建材部决定在郑州建设高铝水泥厂(中国长城铝业公司水泥厂的原名，郑州水泥厂)。
　　

高铝水泥厂的建设最初曾请苏联帮助设计，苏方要求采用电炉生产法(熔融法)。1957年北京建材研究院的科学家们利用回转窑生产高铝水泥工业试验获得成功后，建材部报经国家计委批准，改由建材部水泥设计院设计，设备也改由国内供应。1958年7月，水泥设计院完成《荥阳高铝水泥厂初步设计》，采用烧结法生产工艺，年产高铝水泥2.9万t，无水石膏高铝水泥0.5万t，石膏矾土膨胀水泥1.2万t，不透水不收缩水泥0.6万t。1958年9月建材部批准《荥阳高铝水泥厂初步设计》，12月份破土动工。建设中随着国民经济的不断调整，直至1965年5月我国第一条Φ2.5m×78m烧高铝水泥熟料的回转窑进行投料试车。

3　中国铝酸盐水泥技术的发展

　　
3.1　生产技术的发展与完善
　　

世界上以法国为代表的铝酸盐水泥大多采用熔融法生产。在我国含铝量50%以上的水泥采用半干法回转窑煅烧工艺尚属首创。由于缺乏生产技术和生产经验，烧结中回转窑结圈的问题曾一度严重地影响生产。为解决这一技术难题，1970年将原Φ2.5m×78m回转窑改造成为Φ3.3m/2.5m×78m，经过改造缓和了煅烧过程中的结圈结块问题，提高了产量，台时产量由改造前的6t/h提高到8.2t/h，提高了36.7%。1989年预加水成球技术在高铝水泥回转窑上首先得到应用，进一步减少了熟料烧结的结圈结块现象，而且台时产量又有了一定程度的提高，熟料质量也有较大的改善。
　　

随着我国对外经济的开放，在与国外同行进行的生产技术交流中，获悉烧结法铝酸盐水泥料球窑外加热技术。通过消化吸收和改进国外技术，于2001年6月成功完成了“微晶种、预成球、窑外加热新工艺”技术改造项目，并将窑型改造为Φ3.3m/2.5m/3.3m×57m。至此已完全形成了具有中国特色的烧结法铝酸盐水泥生产技术。
　　

回转窑烧结法铝酸盐水泥新工艺技术的开发应用，对于产品质量的提高和性能的改善有了较大的突破。主要体现在以下几个方面:
　　

1)采用微晶种和预热技术使生料成球率高、机械冲击破碎和高温爆球率较低，为料球充分预热和回转窑内的烧结提供了良好的条件。
　　

2)微晶种的诱导结晶作用，促进了熟料矿物晶体的成核和晶形发育。
　　

3)改造前由于生料成球后直接入窑烧结，料球受热不均，生料预热不良，窑内煅烧反应不充分，不但熟料中C₁₂A₇等过渡矿物含量偏高，而且造成熟料矿物发育不好，大小悬殊且晶体形态极不规则，使水泥强度偏低且凝结时间偏短；通过采用窑外加热新技术并辅以微晶种、预成球技术，使生料球预烧充分、受热均匀，在窑内煅烧反应较为完全，促使铝酸盐熟料的主要矿物CA晶体发育良好，晶体形态规则、大小均齐，且分布较为均匀，从而提高了水泥的强度，改善了水泥凝结时间偏短的问题。

3.2　铝酸盐水泥的品种与质量
　　

采用熔融法生产铝酸盐水泥的国家，其品种以Al₂O₃含量来区分，通常有Al₂O₃40%、Al₂O₃50%、Al₂O₃60%、Al₂O₃70%、Al₂O₃80%等品种。不过Al₂O₃70%、Al₂O₃80%的水泥，其熟料是用工业氧化铝与石灰石采用回转窑烧结法生产。中国没有熔融法生产铝酸盐水泥，至少到目前还没有形成大批量生产，上海和开封有小批量电融法生产Al₂O₃70%的熟料，加入适量的α-Al₂O₃生产Al₂O₃70%、Al₂O₃80%高品级铝酸盐水泥，形不成规模和市场。中国GB201-2000<铝酸盐水泥>新标准，也是借鉴国外水泥品种的叫法，仍是以Al₂O₃含量来区分产品的品种。不过中国市场大批量是以回转窑生产的CA-50的水泥，有少量CA-60的水泥，CA-70、CA-80的水泥是近年发展较快的品种。Al₂O₃40%的水泥，Fe₂O₃含量8%～16%，我国称为“铁铝酸盐水泥”，这种产品在国外叫“FONDU CEMENT”。不仅可用于耐火材料，而且还可以用于做化学建材及建筑工程。Al₂O₃40%以上、SO₃含量8%～14%的水泥，我国称为“硫铝酸盐水泥”。这种水泥有SO₃的存在，不能应用于耐火材料。法国将Al₂O₃50%以下的品种统称为“低纯度铝酸盐水泥”。中国GB201-2000标准实施之前，Al₂O₃50%以上的水泥一直沿用普通水泥的叫法，也是以强度标号区分水泥的等级。
　　

利用铝酸盐水泥硬化快、早期强度高、在CaSO₄的作用下水化形成钙矾石的特点，可以派生出许多不同品种、不同用途的水泥。如加入适量的石膏，可以生产用作防渗漏的石膏膨胀水泥、铝酸钙膨胀剂、混凝土自应力压力管所用的铝酸盐自应力水泥、用来矿山充填和煤矿巷旁执护的高水速凝固结充填材料、在建筑工程上应用的硫铝酸盐水泥，以及利用该产品Al₂O₃高的特点可用做化工触媒；近年来国家加大对环保的管理力度，利用铝酸盐水泥加入适量的硫酸(H₂SO₄)可用做造纸行业污水治理的铝酸钙净水剂；同时利用该产品熔点温度低、粘度小、流动度好的特点，在大型钢铁企业钢液精炼中，可用于吸附钢液中的夹杂，是一种极好的炼钢脱硫造渣剂。此外，铝酸盐水泥在国外较大量用作房屋内装修的瓷砖粘结剂、瓷砖灰泥、快速施工地板材料、地板平整材料、密封材料、基础砂浆、修补砂浆等。
　　

与熔融法比较，烧结法铝酸盐水泥的强度、凝结时间、标准稠度用水量、流动度等一些物理指标，到目前为止仍然存在着不同程度的差距，原因就在于生产工艺的差别。六七十年代，我国烧结法仅能生产400号水泥。随着生产技术的不断熟练和新工艺新技术的应用，产品的质量水平不断提高。特别是近年来“微晶种、预成球、窑外加热新技术”在回转窑上的应用，水泥的质量水平有了大幅度的提高。目前可以实现6h抗压强度达到20MPa以上、24h抗压强度80MPa、3d抗压强度95MPa的国际先进水平。水泥的凝结时间以及其他一些能够反映施工性能的指标，都有了不同程度的改善。已接近同类产品的国际一般水平。

3.3　铝酸盐水泥的标准与名称
　　

我国的铝酸盐水泥的标准与名称历史上曾进行过3次大的修改。60年代主要以苏联标准为基础，检验方法为硬练，水泥按强度分标号。名称叫“高铝水泥”，也叫“矾土水泥”。80年代随着普通水泥标准改为软练的检验方法的修订而同时修订了此标准，取消了“矾土水泥”的名称。为适应国际经济一体化的要求，2000年水泥行业贯彻执行国际标准(ISO法)，该品种也作了积极的修订。GB 201-2000<铝酸盐水泥>不仅在检验方法上有较大变化，而且对该品种过去的不同名称、品级、生产方法、检验项目等，都做了比较详细的规定。首先在名称上吸收了国际、国内市场对该产品的不同叫法:“氧化铝水泥”、“铝酸钙水泥”、“高铝水泥”、“矾土水泥”、“高铝水泥-65”，“纯铝酸钙水泥-70”、“纯铝酸钙水泥-80”，统称为“铝酸盐水泥”。以氧化铝的含量区分品种，统称CA-50、CA-60、CA-70、CA-80，与国际市场接轨，取消水泥的强度指标。同时取消高铝水泥限定在回转窑生产的规定。硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥不在本标准要求范围之内。

4　中国铝酸盐水泥生产规模的发展壮大

　　中国铝酸盐水泥的发展从60年代的1家、1条生产线，产量5万t，到目前的十几家、20多条生产线，年产30多万t。生产方法从回转窑烧结法，到倒烟窑，地蛋窑，电炉熔融法。企业所有制形式从国有到民营、集体、合资、国外独资多种经济形式。产品品种从1个系列几个品种，到3大系列，几十个品种。从产品依靠国外进口，到产品走向世界。
　　

铝酸盐水泥已经过了膨胀发展时期，目前随着市场的竞争和国家宏观经济政策的逐步规范，生产能力低的小型企业逐步退出市场。以国内市场最大量的CA-50的品种为例，生产厂家除郑州外，有河北的石家庄、浙江的萧山、辽宁的营口、四川的宜宾、广州建材厂等，但现在发展的重点又逐步回到郑州。随着市场经济的优胜劣汰，郑州地区也从90年代的十几家，目前已逐步规范到5～8家，还有几家小型企业处于半停产状态。生产CA-70、CA-80的厂家，已形成生产能力有山东的淄博、江苏的东台。Lafarge公司2001年在天津投资2500万美元，建设一条年产2.5万t高纯铝酸盐水泥生产线，这是目前国内最大的该品种项目的国外投入，还有一些国外大公司目前预计进入中国CA-50中纯铝酸盐水泥市场。这些竞争必将促进中国铝酸盐水泥的迅速发展。我国铝酸盐水泥主要生产企业的生产情况见表1。

注：①主要生产硫铝酸盐水泥为主。
　　

巩义、新密、登封还有一些小型回转窑、倒烟窑、地蛋窑的集体或个体小型企业，生产净水剂用的低等级CA-50，总量在3～5万t左右。

5　中国铝酸盐水泥的现状与特点

　　1)生产规模小，企业分布集中。20世纪末期全国有生产许可证的企业有20多家，随着市场经济的发展，河南以外的生产企业大多受资源(铝矾土)和技术的约束而逐渐脱离市场。河南以郑州为中心的铝矾土资源性企业逐步发展壮大。有生产铝酸盐水泥许可证的企业13家(不包括纯铝酸钙水泥)，从表1中看出，前4家具有一定的生产规模(其中后2家是2001年发展起来的集体民营企业)，其余均为4万t以下的小型企业。
　　

2)生产方法简单，工厂装备水平落后。生产该产品大多是两组分配料，认为比生产普通水泥还简单。窑型多是Φ2m左右的小型中空回转窑，生产设施简陋。还有个别小厂以倒烟窑、地蛋窑生产该产品。落后的生产力必然造成产品质量低劣、能源消耗高、环境污染严重、资源得不到合理的应用，影响经济的可持续发展。
　　

3)生产能力过剩，市场竞争优胜劣汰。水泥总量供大于求，随着市场竞争和优胜劣汰，产业集中度进一步提高。
　　

4)高品质铝酸盐水泥CA-70、CA-80的品种，也同样存在以上问题。Lafarge在天津的大规模投入，美国铝业公司在青岛的加工厂和该产品在中国的市场销售网络，国内以中国长城铝业公司水泥厂为代表的大型企业加大该品种的设施投入，以登封、开封为代表的民营企业的参与，这些必然进一步加剧国内市场的竞争。

6　铝酸盐水泥发展趋势的分析和预测

　　铝酸盐水泥广泛用于钢铁、石油、化工、水泥、电力等行业。以钢铁行业为例，我国年产1.5亿t钢以上，按目前的先进水平每吨钢消耗30kg耐火材料计算，年需耐火材料约450万t以上，按5%的铝酸盐水泥做粘结剂，仅钢铁行业大约需20万t铝酸盐水泥。用于冶金、石油、化工、电力、建材等行业工业窑炉作高温耐火材料结合剂的铝酸盐水泥，今后的年需求量将在35～50万t。铝酸盐水泥在我国将会有20年的稳定发展期。在国际市场上，由于许多发达国家受资源和环境的限制，该产品也将有广泛的市场。
　　

随着科技的发展，耐火材料的用量会逐步减少，而对耐火材料质量的要求越来越高。发达国家钢铁行业的吨钢消耗耐火材料已降到10多kg，也就意味着我国耐火材料的质量品级必须提高。高质量、多品种、施工性能好的耐火材料粘结剂必须适应耐火材料耐久性的需求。这是耐火材料行业发展的必然趋势。浇注料是铝酸盐水泥在耐火材料市场中的主要应用领域，同时整体浇注型耐火材料正在逐步替代定型耐火制品。铝酸盐水泥的良好适应性，促使耐火材料技术由简单的传统喷补料和浇注料，发展到按配方生产施工制作，这样能够显著提高整体浇注型耐火材料的性能和使用寿命，比如低水泥、超低水泥、高致密度、自流、泵送和无定形浇注材料。所以，铝酸盐水泥的发展不仅是满足量的需要，更重要的是产品性能的提高。