一种磷石膏制硫铝酸盐水泥的方法技术领域
本发明属于水泥材料的技术领域，涉及以磷化工工业废弃物磷石膏为原料制备硫
铝酸盐水泥的方法。
背景技术
随着工程技术的现代化，对特种水泥的技术要求也越来越高。其中包括特殊工程
施工时对快速凝结与硬化的速度和各期硬度均有了特别的要求，如水泥管路的连接施工，
大型装备的基础现场的施工等。然而虽然应用与销售市场的不断扩大，但因产品的成本较
高而受到限制，使更多的用户可望而不可及。另一方面，作为世界上的三大磷肥生产国之
一，受磷石膏杂质指标及应用技术的制约，难以实现大宗利用，庞大的磷肥产业留下了3亿
吨工业副产磷石膏，每年的排放量约7000万吨，利用量约为1700万吨，利用率不到30％，已
成为磷复肥行业可持续发展的瓶颈。如何利用副产磷石膏来制备硫铝酸盐水泥，已经成为
国内外研究者研究的重点之一。
中国专利文件CN1401604A公开了一种快硬硫铝酸盐水泥的制作工艺，此工艺以生
料配比为脱水磷石膏17-20％，石灰石45-52％，矾土31-35％，此工艺成功的利用废料磷石
膏取代了生料配比中的天然石膏，可以部分降低硫铝酸盐水泥的成本，但工艺中磷石膏的
使用量仅仅占到生料配比的17-20％,还需要45-52％的石灰石，达不到有效利用磷石膏的
目的，另外工艺中磷石膏的分解会释放二氧化硫，不妥善处理会造成环境污染。
中国专利文件CN103304170A公开了一种生产硫铝酸盐水泥的方法，将石灰石、磷
石膏、低品位矾土以及焦炭按一定比例配制成水泥生料，经过粉磨混匀后在高温下煅烧，煅
烧过程中通过促进磷石膏尽可能多的分解，分解生成的氧化钙代替部分石灰石，二氧化硫
气体可以收集制备硫酸，此工艺配比为石灰石30-60份、磷石膏25-55份、低品位矾土15-45
份，可以成功利用废料磷石膏取代了天然石膏，适当降低了水泥的成本。但磷石膏未完全取
代石灰石，生料配比中仍然有高达30-60份的石灰石，石灰石分解生成的二氧化碳会大大稀
释二氧化硫的浓度，使得二氧化硫制备硫酸的成本和难度增加。
中国专利文件CN101481222A公开了一种磷石膏部分转化制硫铝酸盐水泥副产硫
酸铵的方法，主要步骤包括磷石膏转化、转化物过滤分离、转化液的中和、硫酸铵溶液的浓
缩结晶干燥、滤饼及铝钒土的干燥、生料配料和均化、熟料煅烧和冷却、熟料调质、研磨及均
化、煅烧尾气处理等。通过对不需预处理的磷石膏部分转化得到满足硫铝酸盐水泥生产所
需配料要求的混合料，不需再外加石灰石，拓展了磷石膏的应用范围。但此工艺需先将磷石
膏转化为碳酸钙然后再进行生料配比和煅烧，所需设备和工艺流程都较为复杂，生产成本
高。
发明内容
针对目前硫铝酸盐水泥制备中存在的问题，本发明提供一种可完全利用磷石膏取
代天然石膏和石灰石，并可通过回收尾气联产硫酸的硫铝酸盐生产方法。本发明工艺路线
简单，生产成本低，具有良好的的经济和环境效益。
发明概述
本发明以磷石膏、铝矾土、钢渣、无烟煤为原料，经配料、粉磨、均化后高温煅烧制
成熟料，所得熟料可添加天然石膏或石灰石制备不同类型的硫铝酸盐水泥，也可不外加天
然石膏，直接获得硫铝酸盐水泥。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种磷石膏制硫铝酸盐水泥的方法，包括步骤如下：
a.水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：磷石膏为65-80份，铝矾土18-28份，钢渣2-4份，无烟煤
3-5份；将各组分混匀，粉磨均化后得水泥生料；
b.水泥熟料的制备：
将步骤a制备的水泥生料于1250～1300℃，煅烧30-40分钟，得到水泥熟料；
c.硫铝酸盐水泥的制备：
将步骤b得到的水泥熟料再次研磨，即得硫铝酸盐水泥。
根据本发明，优选的，步骤a中各组分粉磨后细度为120-180目；
优选的，所述的铝矾土中Al2O3质量分数为55-68％，进一步优选62％；
优选的，所述的磷石膏为半水磷石膏。
根据本发明，优选的，步骤a中按照如下质量份进行配料：磷石膏为70-75份，铝矾
土18-25份，钢渣2-3份，无烟煤3-4份。
根据本发明，优选的，步骤b中所述的煅烧在回转窑、立窑或隧道窑中进行，进一步
优选回转窑中进行。
根据本发明，优选的，步骤b煅烧过程中产生的二氧化硫尾气收集后送入硫酸制备
系统，制备硫酸。将二氧化硫尾气收集制备硫酸的过程，按现有技术即可。
根据本发明，优选的，步骤c中水泥熟料研磨至比表面积为300～400m2/kg，进一步
优选350m2/kg。
根据本发明，步骤b得到的水泥熟料可按照要求添加天然石膏，制成不同种类的硫
铝酸盐水泥。
天然石膏的配入量按以下公式计算：
CG＝0.13*M*AC/S
CG——天然石膏掺入的质量分数(天然石膏与水泥熟料的比值)，设水泥熟料为1；
AC——水泥熟料中C4A3_S_的质量分数；
S——天然石膏中SO3的质量分数；
M——天然石膏系数，不同硫铝酸盐水泥中天然石膏配量不同，M取值不同，M取值
范围在0-4之间。
不同硫铝酸盐水泥中M取值如下：
早强、高强型硫铝酸盐水泥M取值：0-1；膨胀型硫铝酸盐水泥M取值：1-2；自应力型
硫铝酸盐水泥M取值：2-4；低碱度型硫铝酸盐水泥M取值：2.5-3.0。
本发明中通过调整水泥生料配料方式，以磷石膏完全替代天然石膏和石灰石，通
过无烟煤将磷石膏中的硫酸钙还原生成二氧化硫和氧化钙，二氧化硫经氧化吸收制成硫酸
产品，生成的氧化钙、铝矾土及未还原的硫酸钙经高温烧结制成硫铝酸盐水泥。
本发明水泥生料在高温煅烧过程中，大部分磷石膏在无烟煤作用下发生分解，分
解率为70-85％，其中钢渣可提供三氧化二铁，可与氧化钙和三氧化二铝一同形成铁铝酸四
钙，补强水泥前期强度，其中参与分解反应的硫酸钙分解生成氧化钙可全部代替石灰石，分
解产生的二氧化硫气体浓度为7-9％，可用于生产硫酸；剩余未分解的磷石膏经高温煅烧
后，转化为高温石膏，可替代熟料产品所需外掺加的天然石膏。
本发明主要化学反应如下：
常温—300℃ 原料脱水，包括物理水和结晶水；
300℃—450℃ 磷石膏转变为无水石膏；
450℃—600℃ 铝矾土分解形成α-Al2O3，物料中出现α-SiO2和Fe2O3；
600℃—900℃ α-Al2O3、α-SiO2和Fe2O3继续增加；
900℃—1150℃ 磷石膏还原生成CaO和SO2，3CaO·3Al2O3·CaSO4和2CaO·Al2O3·
SiO2形成并逐步积累；游离氧化钙的吸收率达1/2，α-Al2O3、α-SiO2和CaSO4的含量迅速减小；
1150℃—1250℃ 3CaO·3Al2O3·CaSO4持续增加，游离CaO和2CaO·Al2O3·SiO2消
失，在1250℃出现4CaO·2SiO·CaSO4矿物，此时试样的矿物组成主要为3CaO·3Al2O3·
CaSO4、4CaO·2SiO·CaSO4、β-2CaO·SiO2、游离CaSO4和少量铁相；
1250℃—1300℃ 4CaO·2SiO·CaSO4消失，分解成α-2CaO·SiO2和游离CaSO4，此
时熟料主要矿物3CaO·3Al2O3·CaSO4，2CaO·SiO2和硫酸钙，还有少量铁相，普通硫铝酸盐
水泥熟料完全形成；
1300℃—1400℃ 水泥熟料无明显变化。
本发明中所述的磷石膏指在磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣，不同
工艺得到的磷石膏均可用于本发明。
本发明具有如下优点：
1、相比其他利用磷石膏制备硫铝酸盐水泥的方法，本发明中磷石膏可完全替代石
灰石和天然石膏进行熟料烧结，极大提高了磷石膏的利用率，实现了磷石膏资源化利用，并
有效降低了硫铝酸盐水泥的成本。
2、在生料中加入无烟煤促进磷石膏中大部分硫酸钙的分解反应，未分解的磷石膏
一部分作为水泥熟料矿物中硫铝酸钙形成的硫酸盐组分，另一部分可用来代替水泥熟料外
掺的天然二水石膏组分，可直接生产硫铝酸盐水泥。
3.由于配料中没有用到石灰石，所以磷石膏分解产生的二氧化硫气体浓度高，可
满足制酸系统对二氧化硫浓度的要求，避免了二氧化硫的污染问题。
4.本发明中利用工业固废钢渣，提供适量的三氧化二铁，在水泥中形成铁铝酸四
钙，补强水泥前期的力学性能。
5.本发明可广泛应用于生产快硬、高强、膨胀、低碱度等不同种类的硫铝酸盐水
泥。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不限于此。
以下各实施例中磷石膏均取自金正大诺泰尔化学有限公司二水半水法新型湿法
磷酸副产的半水石膏，其主要成分见表1，钢渣的主要成分如下表2，铝矾土为河北石家庄生
产，其主要成分见表3。
表1：磷石膏的主要成分及含量
组分
CaO
SO3
Fe2O3
Al2O3
SiO2
含量％
36.96
52.63
0.15
0.57
1.97
表2：钢渣的主要成分及含量
组分
CaO
Fe2O3
SiO2
Al2O3
SO3
含量％
47.45
18.75
16.43
5.31
/
表3：铝矾土的主要组成和含量
组分
CaO
Fe2O3
SiO2
Al2O3
SO3
含量％
1.03
4.86
27.28
62.00
/
实施例1：
按照如下质量份数进行配料：磷石膏为65份，铝矾土28份，钢渣4份，无烟煤3份；再
将各组分粉磨混匀至细度为120目，得到水泥生料；将制备好的水泥生料置于回转窑内在
1250℃下煅烧30分钟，得到水泥熟料，煅烧后含二氧化硫的尾气送硫酸制备系统制备硫酸；
烧成的水泥熟料再次研磨至350m2/kg后，即可得到硫铝酸盐水泥产品，所得硫铝酸盐水泥
的力学性能见表4。
实施例2：
按照如下质量份数进行配料：磷石膏为70份，铝矾土24份，钢渣3份，无烟煤4份；再
将各组分粉磨混匀至细度为150目，得到水泥生料；将制备好的水泥生料置于回转窑内在
1300℃下煅烧30分钟，得到水泥熟料，煅烧后含二氧化硫的尾气送硫酸制备系统制备硫酸；
烧成的水泥熟料再次研磨至350m2/kg后，即可得到硫铝酸盐水泥产品，所得硫铝酸盐水泥
的力学性能见表4。
实施例3：
按照如下质量份数进行配料：磷石膏为75份，铝矾土18份，钢渣2份，无烟煤4份；再
将各组分粉磨混匀至细度为180目，得到水泥生料；将制备好的水泥生料置于回转窑内在
1300℃下煅烧30分钟，得到水泥熟料，煅烧后含二氧化硫的尾气送硫酸制备系统制备硫酸，
烧成的水泥熟料再次研磨至350m2/kg后，即可得到硫铝酸盐水泥产品，所得硫铝酸盐水泥
的力学性能见表4。
实施例4：
按照如下质量份数进行配料：磷石膏80份，铝矾土18份，钢渣2份，无烟煤5份；再将
各组分粉磨混匀至细度为180目，得到水泥生料；将制备好的水泥生料置于回转窑内在1300
℃下煅烧30分钟，得到水泥熟料，煅烧后含二氧化硫的尾气送硫酸制备系统制备硫酸，烧成
的水泥熟料再次研磨至350m2/kg后，即可得到硫铝酸盐水泥产品，所得硫铝酸盐水泥的力
学性能见表4。
实施例结果：
本发明实施例1-4中硫铝酸盐水泥的力学性能见表4。
表4：硫铝酸盐水泥胶砂力学性能
从表4中数据可知，本发明烧结的硫铝酸盐水泥的力学性能符合GB20472-2006中
硫铝酸盐水泥的标准。