本发明涉及水泥生产技术领域，更具体地说，涉及一种节能型水泥及其制备方法。
背景技术：
水泥作为三大建筑材料之一，在城市化建设过程中发挥着越来越重要的作用，促进了经济发展的进程。但是，水泥的大量使用也带来了不可避免的环境污染及能耗问题。
传统硅酸盐水泥是以石灰石等为主要原料，在1450℃下煅烧，形成硅酸三钙、铝酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸四钙等成分。由于烧结温度较高，能耗较大，一度被视为落后产能行业。
随着产业政策的不断调整，2019年末的产业结构调整指导目录中，将硫(铁)铝酸盐水泥的干法生产列为鼓励类产业，这主要是基于硫(铁)铝酸盐水泥生产时较低的能耗考虑。与硅酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥具有生产能耗低、早期强度高、抗冻性及耐久性好等特点，因而在冬季施工工程中得到广泛应用。其中，硅酸二钙(c2s)的形成温度稍低，使得硫铝酸盐水泥水泥熟料的烧成温度比硅酸盐水泥有较大程度的降低，节约了能源。
在水泥生产过程中，工业废渣的利用也是近年来的绿色生产的一个方向。如申请公布号为cn101863629a的中国发明专利中公开了一种用固体工业废渣生产硫铝酸盐水泥熟料的方法，其采用脱硫石膏、粉煤灰、电石渣、劣质煤、铝矾土为原料在1350℃下烧结制得硫铝酸盐水泥熟料，该水泥熟料烧结温度低，还具有早期强度高的特点。但是，由于其中采用较多的石膏原料，在烧结过程中消耗了较多的能量，导致其烧结温度仍然较高。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种节能型水泥，该水泥在生产时烧结温度低、能耗较低。
本发明的第二个目的在于提供一种节能型水泥的制备方法，该制备方法工艺简单、节约能源。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种节能型水泥，包括水泥熟料和混合材，所述水泥熟料主要由如下重量份数的原料制成：电厂粉煤灰42-45份、铝矾土8-9.5份、石灰石80-98份、石膏0.3-2份、铁矿石1.5-2.5份。
通过采用上述技术方案，本发明的水泥中的水泥熟料的制备原料包括了电厂粉煤灰，电厂粉煤灰中含有较多的硅和铝，除了含有结晶物质外，还含有非结晶成分，因而具有较好的粘聚力，在水泥熟料制备过程中，能够与其他原料很好地结合，提高了其与水泥熟料石灰石等原料之间的反应充分程度，降低了水泥烧结过程中矿化剂的使用量，也降低了水泥熟料烧结时的温度。电厂粉煤灰的使用还降低了铝矾土的使用量，减少了铝矾土中有害成分如氧化钾、氧化钠等对水泥熟料的凝结时间的影响，保证了水泥具有较高的早期强度。另外，电厂粉煤灰中含有的硫元素也比较多，为水泥熟料中提供了更丰富的硫的来源，还降低了石膏的使用量。
铁矿石中铁元素的含量较高，在水泥熟料烧结过程中能够促进铁铝酸四钙的生成，有利于降低烧结时液相粘度，促进各原料之间更容易发生反应，降低烧结温度。本发明的铁矿石的使用量较少，以避免烧结时窑内出现结块，影响烧结的连续性。
本发明进一步设置为：所述水泥熟料主要由如下重量份数的原料制成：电厂粉煤灰43.1-44.8份、铝矾土8.8-9.2份、石灰石85.3-96.6份、石膏0.3-1.8份、铁矿石1.7-2.2份。
通过采用上述技术方案，进一步优选了水泥熟料各原料的用量，优化了各原料之间的比例，提高了原料间的反应充分程度，提高了原料的利用率，也有利于降低成本。
本发明进一步设置为：所述原料还包括3-8重量份的黏土和8-15重量份的偏高岭土。
通过采用上述技术方案，加入的黏土能够进一步增加各原料之间的粘聚力，加大了原料间反应的充分程度。由于石灰石在1000℃以下即可分解生成氧化钙，这种新生成的氧化钙具有较高的活性，但是，在水泥熟料烧结过程中，粉煤灰、铝矾土及铁矿石中的铝相和铁相会早于二氧化硅相先生成液相，进而先与氧化钙结合，本发明加入黏土后，能够提供游离态的二氧化硅，增加了与氧化钙接触的几率，提高了生成c2s相和c3s相的反应效率，进而提高了原料的易烧性。偏高岭土的主要成分为硅酸铝，具有较低的结晶度，处于热力学介稳态，在烧结过程中，容易被激发而具有较好的胶凝性，进一步提高了各原料之间的粘聚结合力。
本发明进一步设置为：所述原料还包括2.8-3.5重量份的氧化锌。
通过采用上述技术方案，氧化锌的加入能够提高cao的反应速率，降低烧结过程中f-cao的量，还能够降低铝相和硅相的熔融温度，有利于形成低共熔体，进一步降低水泥熟料的烧结温度。
本发明进一步设置为：所述原料还包括1.2-1.8重量份的矿化剂，所述矿化剂包括萤石、甲酸钙、钡渣中的至少一种。
通过采用上述技术方案，本发明加入了极少量的矿化剂，其中萤石的主要成分为caf2，能够与氧化锌协同促进低共熔体的生成，进一步降低烧结温度。甲酸钙与铝矾土等具有多孔结构的原料的结合力强，有利于提高生料的分散均匀程度并降低熔融温度。钡渣也具有良好的粘聚作用，而且，由于钡渣中的碱性物质的作用，在烧结过程中，能够对硅相和铝相起到一定的激发活化作用，进一步提高了反应效率。
本发明进一步设置为：所述电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46-51％的sio2、27-28％的al2o3、5-7％的fe2o3、2-4％的cao、4.5-5.3％的so3、0.6-0.9％的mgo、1-1.3％的k2o。
通过采用上述技术方案，限定了粉煤灰中各成分的比例，该电厂粉煤灰中含有较多的硅相和铝相，进而降低了铝矾土的使用量，进一步避免铝矾土中的有害成分对水泥熟料的影响。
本发明进一步设置为：所述水泥熟料与混合材的重量比为77-93:7-23，所述混合材包括石灰石、粉煤灰、石膏、转炉渣中的至少一种。
通过采用上述技术方案，混合材中除了石灰石、粉煤灰、石膏外，还包括转炉渣，转炉渣是冶炼生铁时排出的废渣，其中含有丰富的ca，最重要的是其中含有硅酸三钙和硅酸二钙，在与水泥熟料混合后，能够提高水泥的水化效率。
本发明进一步设置为：所述转炉渣包括如下重量百分比的成分：41.14-49.30％的cao、13.99-15.38％的sio2、2.88-3.73％的al2o3、8.32-12.57％的fe2o3、1.12-1.35％的mgo、0.50-1.17％的p2o5、0.80-1.21％的f-cao。
通过采用上述技术方案，限定了转炉渣中的具体成分的含量，其中硅和铝的含量略低，氧化钙的含量较高，有利于进一步提高水泥的水化效率。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种上述的节能型水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)将水泥熟料的原料混合粉磨，制得生料，然后将生料进行预热、分解，然后在1050-1250℃下烧结20-30min，冷却，制得水泥熟料；
2)将步骤1)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
通过采用上述技术方案，本发明将水泥熟料的原料混合制成生料后，进行了预热、分解，使生料中的部分成分预分解，进而缩短了烧结的时间，减少了能源消耗。本发明的制备方法中，生料的烧结温度较低，节约了能源。
本发明进一步设置为：所述分解的温度为700-800℃。
通过采用上述技术方案，分解的温度既不太高，避免无法充分利用回转窑出料后冷却时产生的换热气体进行预热分解；分解的温度也不太低，以保证生料中的大部分原料都能够进行预分解，最大程度地缩短后续烧结的时间，进一步降低能源消耗。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、本发明的节能型水泥所采用的水泥熟料的制备原料中加入了电厂粉煤灰，能够提高原料之间的粘聚性，提高水泥熟料烧结时各原料之间的反应充分程度，降低了水泥熟料的烧结温度，减少了烧结能源消耗。铁矿石的加入有利于降低烧结时液相的粘度，进一步降低了烧结温度。
第二、本发明的节能型水泥的水泥熟料制备时还加入了黏土和偏高岭土，增加了二氧化硅与新生氧化钙接触的几率，提高了原料的易烧性，还增加了原料之间的粘聚结合力，提高了反应效率。
第三、本发明的节能型水泥的水泥熟料在制备时还加入了氧化锌，能够降低游离氧化钙的量，提高反应效率。钡渣的加入能够对相应的原料进行激发活化，进一步提高反应效率。
第四、本发明的节能型水泥的制备方法中，先将生料进行预热分解，在烧结时各原料相互协同，使得在1050-1250℃的温度下即可烧制得到水泥熟料，与现有技术相比，烧结温度有一定程度的降低，节约了能源，在大规模生产时具有非常可观的经济效益。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的节能型水泥为硫铝酸盐水泥。进一步的，该硫铝酸盐水泥为高铁硫铝酸盐水泥。进一步的，该硫铝酸盐水泥为高铁高钡硫铝酸盐水泥。
本发明所采用的电厂粉煤灰为燃煤热电厂产生的粉煤灰。该粉煤灰粉料的中值粒径为10-20μm，密度为2-2.5g/cm3。比表面积为3000cm2/g。粉煤灰的含水率控制为1-5％。
本发明所采用的黏土为巩义黏土，黏土中al2o3的重量百分比为35.75-37.27％，sio2的重量百分比为47.52-48.89％，烧失量为13.16-16.55％。偏高岭土为河南巩义市欧尚耐材有限公司生产的pglt01型偏高岭土，其中二氧化硅重量含量约为44％。萤石为栾川县鑫旺选矿有限公司生产的fc-97型萤石。
本发明所采用的钡渣包括如下重量百分比的成分：bao41.36％、so312.52％、sio216.78％、al2o33.66％、cao5.58％、mgo2.12％、fe2o31.05％。烧失量为9.86％。
实施例1
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比93:7混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰42.3t、铝矾土8.3t、石灰石84.5t、石膏0.4t、铁矿石1.6t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1.03％k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。
本实施例的节能型水泥的制备工艺包括如下步骤：
1)将石灰石预均化，然后过皮带秤称量出所需重量的石灰石，然后与电厂粉煤灰、铝矾土、石膏、铁矿石混合加入辊压机中，进行粉磨，然后筛分得到生料，对生料进行均化；
2)将步骤1)均化后的生料加入窑尾预热器中预热后进入分解炉，分解炉炉顶温度为725℃，然后送入回转窑中，在1250℃下煅烧25min，经篦冷机急冷，出料，得水泥熟料；篦冷机的冷却换热气送入窑尾预热器中对生料进行预热；
3)将步骤2)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
实施例2
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比88:12混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰44.1t、铝矾土8.8t、石灰石86.2t、石膏0.6t、铁矿石1.8t、黏土3.5t、偏高岭土12.5t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺包括如下步骤：
1)将石灰石预均化，然后过皮带秤称量出所需重量的石灰石，然后与电厂粉煤灰、铝矾土、石膏、铁矿石混合加入辊压机中，进行粉磨，然后筛分得到生料，对生料进行均化；
2)将步骤1)均化后的生料加入窑尾预热器中预热后进入分解炉，分解炉炉顶温度为766℃，然后送入回转窑中，在1180℃下煅烧30min，经篦冷机急冷，出料，得水泥熟料；篦冷机的冷却换热气送入窑尾预热器中对生料进行预热；
3)将步骤2)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
实施例3
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比85:15混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰43.5t、铝矾土9.2t、石灰石91.7t、石膏0.8t、铁矿石2.2t、黏土4.5t、偏高岭土11.0t、氧化锌2.8t、萤石0.5t、钡渣1.2t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。萤石中caf2的重量百分比为97％。钡渣包括如下重量百分比的成分：41.36％的bao、12.52％的so3、16.78％的sio2、3.66％的al2o3、5.58％的cao、2.12％的mgo、1.05％的fe2o3。钡渣的烧失量为9.86％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺包括如下步骤：
1)将石灰石预均化，然后过皮带秤称量出所需重量的石灰石，然后与电厂粉煤灰、铝矾土、石膏、铁矿石混合加入辊压机中，进行粉磨，然后筛分得到生料，对生料进行均化；
2)将步骤1)均化后的生料加入窑尾预热器中预热后进入分解炉，分解炉炉顶温度为705℃，然后送入回转窑中，在1080℃下煅烧30min，经篦冷机急冷，出料，得水泥熟料；篦冷机的冷却换热气送入窑尾预热器中对生料进行预热；
3)将步骤2)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
实施例4
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比77:23混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰44.8t、铝矾土8.8t、石灰石96.6t、石膏1.8t、铁矿石1.7t、黏土7.2t、偏高岭土8.0t、氧化锌3.0t、萤石0.5t、钡渣1.3t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。萤石中caf2的重量百分比为97％。钡渣包括如下重量百分比的成分：41.36％的bao、12.52％的so3、16.78％的sio2、3.66％的al2o3、5.58％的cao、2.12％的mgo、1.05％的fe2o3。钡渣的烧失量为9.86％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺包括如下步骤：
1)将石灰石预均化，然后过皮带秤称量出所需重量的石灰石，然后与电厂粉煤灰、铝矾土、石膏、铁矿石混合加入辊压机中，进行粉磨，然后筛分得到生料，对生料进行均化；
2)将步骤1)均化后的生料加入窑尾预热器中预热后进入分解炉，分解炉炉顶温度为718℃，然后送入回转窑中，在1120℃下煅烧25min，经篦冷机急冷，出料，得水泥熟料；篦冷机的冷却换热气送入窑尾预热器中对生料进行预热；
3)将步骤2)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
实施例5
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比81:19混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰43.1t、铝矾土8.8t、石灰石85.3t、石膏0.6t、铁矿石1.7t、黏土5.8t、偏高岭土12.5t、氧化锌3.2t、萤石0.6t、钡渣1.1t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。萤石中caf2的重量百分比为97％。钡渣包括如下重量百分比的成分：41.36％的bao、12.52％的so3、16.78％的sio2、3.66％的al2o3、5.58％的cao、2.12％的mgo、1.05％的fe2o3。钡渣的烧失量为9.86％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺同实施例4。
实施例6
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比81:19混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰43.9t、铝矾土8.8t、石灰石87.2t、石膏0.3t、铁矿石1.7t、黏土5.8t、偏高岭土12.5t、氧化锌3.5t、萤石0.5t、钡渣0.8t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。萤石中caf2的重量百分比为97％。钡渣包括如下重量百分比的成分：41.36％的bao、12.52％的so3、16.78％的sio2、3.66％的al2o3、5.58％的cao、2.12％的mgo、1.05％的fe2o3。钡渣的烧失量为9.86％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺同实施例4。
实施例7
本实施例的节能型水泥由水泥熟料和混合材按照重量比81:19混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：电厂粉煤灰43.5t、铝矾土8.5t、石灰石88.6t、石膏0.56t、铁矿石1.82t、黏土6.4t、偏高岭土11.8t、氧化锌3.2t、甲酸钙0.6t、钡渣0.8t。混合材由石灰石粉、ⅱ级粉煤灰、石膏粉、转炉渣粉按照10.6:16.8:11.7:7.5的重量比混合而成。其中，电厂粉煤灰包括如下重量百分比的成分：46.67％的sio2、27.31％的al2o3、5.89％的fe2o3、3.27％的cao、4.45％的so3、0.8％的mgo、1-1.3k2o。铝矾土中al2o3的重量百分比为71.7％。铁矿石中以fe2o3计的重量百分比为39.23％。转炉渣包括如下重量百分比的成分：48.32％的cao、14.28％的sio2、2.88％的al2o3、8.99％的fe2o3、8.79％的mgo、0.56％的p2o5、0.87％的f-cao。黏土中al2o3的重量百分比为35.75％，烧失量为13.16％。偏高岭土中二氧化硅含量为44％。钡渣包括如下重量百分比的成分：41.36％的bao、12.52％的so3、16.78％的sio2、3.66％的al2o3、5.58％的cao、2.12％的mgo、1.05％的fe2o3。钡渣的烧失量为9.86％。
本实施例的节能型水泥的制备工艺同实施例4。
对比例
本对比例的水泥由水泥熟料和混合材按照重量比95:5混合而成，水泥熟料由如下重量的原料制得：粉煤灰35t、铝矾土15t、脱硫石膏20t、电石渣20t、劣质煤10t。混合材由石灰石、粉煤灰、脱硫石膏按照10:15:10的重量比混合而成。
本对比例的水泥的制备工艺包括如下步骤：
1)将各原料混合粉磨，筛分得到生料，对生料进行均化；
2)将步骤1)均化后的生料预热后进入分解炉，分解炉炉顶温度为875℃，然后在1450℃下煅烧30min，冷却，出料，得水泥熟料；
3)将步骤2)制得的水泥熟料与混合材混合粉磨，即得。
试验例
取实施例1-7及对比例中制得的水泥，按照gb/t17671-1999《水泥胶砂强度试验》中的方法测试其抗压强度，按照jc/t453-2004《自应力水泥物理检验方法》中的测试方法测试其初凝时间，测试结果如下表所示。
表1实施例1-7及对比例中的水泥性能测试结果
由上表可知，本发明的节能型水泥抗压强度高，3d抗压强度即可达到55.6-64.6mpa，28d抗压强度可达79.1-85.8mpa。本发明的节能型水泥的初凝时间较短，可达到29-35min，具备较好的快硬性能。