硅酸鹽水泥熟料的工藝礦物學(xué)研究

張 韓劉 磊趙 颯

（1 3 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院船建分院 浙江嘉興 314003 2 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 河北唐山 063009）

硅酸鹽水泥熟料的工藝礦物學(xué)研究

張 韓1劉 磊2趙 颯3

（1 3 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院船建分院 浙江嘉興 314003 2 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 河北唐山 063009）

為了給河北省某水泥廠生產(chǎn)的水泥熟料性能的改進(jìn)提供基礎(chǔ)依據(jù)，通過(guò)工藝礦物學(xué)研究查明了水泥熟料中的礦物種類、含量及礦物特征。發(fā)現(xiàn)一線熟料中A礦多呈受溶蝕的棱角狀，少量B礦具有短而粗的交叉雙晶紋；二線熟料中A礦局部呈受溶蝕的棱角狀，部分含有B礦，少量B礦呈邊毛狀且黑色中間體呈他形粒狀或片狀；三線熟料有輕微的黃心現(xiàn)象，A礦粒徑差異較大并含有方鎂石包裹體，黑色中間體呈他形片狀。根據(jù)研究結(jié)果，指出了要改進(jìn)水泥熟料生產(chǎn)工藝主要應(yīng)從做好控制冷卻速度、煅燒溫度及摻合料拌和均勻程度三方面入手。

水泥熟料 礦物特征 冷卻速度 煅燒溫度

一、引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)、新農(nóng)村改造等如火如荼，對(duì)于建筑業(yè)和建筑材料的需求與日俱增，需要更高的水泥產(chǎn)量與之相應(yīng)[1]。但水泥的生產(chǎn)是一個(gè)高能耗的過(guò)程，同時(shí)又排出許多污染物及工業(yè)廢棄物[2]。如果生產(chǎn)的水泥性能不合格，必然引發(fā)資源的過(guò)渡浪費(fèi)。硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝是“兩磨一燒”[3]，這其中作為水泥的重要組成部分，水泥熟料的性能對(duì)水泥的影響至關(guān)重要。

河北省某水泥廠三個(gè)生產(chǎn)線上的水泥熟料在試運(yùn)行階段，需要對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)使用。故對(duì)從生產(chǎn)線上取得的水泥熟料樣品進(jìn)行礦物工藝學(xué)研究，旨在為提高和改進(jìn)水泥熟料生產(chǎn)工藝提供基礎(chǔ)依據(jù)。

二、水泥熟料的物質(zhì)組成

（一）、水泥熟料的化學(xué)成分

水泥熟料的化學(xué)成分由水泥廠測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果列于表1

表1 不同生產(chǎn)線水泥熟料的化學(xué)成分

從表中可以看出，二線石灰飽和系數(shù)（KH）均大于0.9，推測(cè)該水泥熟料A礦（C3S）中既包裹有C2S，又有游離的氧化鈣；1、三線的KH值均大于0.91，推測(cè)A礦中常見(jiàn)的包裹體為游離氧化鈣。硅酸率均大于2，說(shuō)明中間體少于20%[4]。下面對(duì)水泥熟料進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證其包裹體的特征，判斷對(duì)水泥熟料性能的影響，進(jìn)而反映生產(chǎn)工藝。
（二）、水泥熟料的礦物成分
對(duì)所取樣品分別制成光片，在德國(guó)蔡司Axioskop 40偏/反兩用研究型顯微鏡下進(jìn)行分析。首先滴加蒸餾水侵蝕光片觀察游離CaO的形態(tài)、分布及百分含量，再滴加1%氯化銨溶液侵蝕后觀察A礦、B礦等礦物的鏡下特征[5]。水泥熟料的礦物組成及體積百分含量列于表2。

表2 物相組成及體積百分含量/%

從表中可以看出，三個(gè)生產(chǎn)線上的水泥熟料的礦物組成主要包括C3S、C2S、C4AF、C3A，還有少量的方鎂石、金屬硫化物和游離氧化鈣。經(jīng)與《硅酸鹽巖相學(xué)》中一級(jí)熟料礦物組成含量比較，差別不大，中間體含量也同上述化學(xué)分析的硅酸率值對(duì)應(yīng)，初步分析，水泥熟料性能較為復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)，但仍需對(duì)另一重要反映指標(biāo)—礦物特征進(jìn)行分析研究。

三、礦物特征

（一）一線水泥熟料礦物特征分析

從外觀角度，熟料呈灰色至灰黑色，沿切面將球團(tuán)樣品截開(kāi)，無(wú)黃心現(xiàn)象，內(nèi)部堅(jiān)硬致密，外部較疏松。對(duì)做好的光片在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)熟料整體結(jié)構(gòu)較均勻，呈均齊結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。熔蝕現(xiàn)象比較明顯。氣孔分布較均勻，形態(tài)不規(guī)則，小氣孔較多。氣孔率約為15-20%。

圖1 被熔蝕的A礦 反射光（—）×200

圖2 具有雙晶紋的B礦 反射光（—）×500

其中 A 礦分布較均勻，晶形多被熔蝕，呈棱角圓鈍狀。結(jié)晶粒度較均勻，一般為15μm-40μm。期間被白色中間體粘結(jié)，局部中間體很少，連接成片，其間包裹有少量游離氧化鈣。 B礦多呈圓粒狀，結(jié)晶粒徑一般約為20μm-40μm。多集中分布，少量分散于A礦之間，部分分布于氣孔周圍，該B礦粒徑略大于分散于A礦中的。部分B礦可見(jiàn)短而粗的交叉雙晶紋，如圖1、2。 C4AF分布較均勻，多呈不定形分布于A礦或B礦晶粒間。鏡下反射力強(qiáng)，反射色為白色。C3A含量較少，多呈點(diǎn)滴狀分布于白色中間體中。方鎂石（MgO）多呈渾圓狀或他形晶，分布不均勻，多存在于A礦中。金屬硫化物呈白亮色，圓粒狀，分散分布。

從礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)特征可以看出，A礦多呈受溶蝕的棱角狀，說(shuō)明可能是熟料在窯內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)、冷卻慢，A礦受液相熔蝕而成；A礦中包裹有少量B礦，可能因急燒，使A礦快速生成包圍B礦。部分B礦具有短而粗的交叉雙晶紋，也說(shuō)明是燒成溫度較高，緩慢冷卻所致。含有細(xì)小的金屬硫化物顆粒，說(shuō)明還原氣氛較強(qiáng)。無(wú)黃心現(xiàn)象說(shuō)明通風(fēng)和燃燒程度較好。整體而言，可推測(cè)該熟料的煅燒溫度偏高，冷卻速度較慢。建議降低煅燒溫度，放慢冷卻速度。

（二）、二線水泥熟料特征分析

熟料外觀整體呈灰黑色，沿切面將球團(tuán)狀樣品截開(kāi)，樣品熟料的核部無(wú)黃心現(xiàn)象。鏡下特征同一線熟料相似，結(jié)構(gòu)較均勻，呈均齊結(jié)構(gòu)。硅酸鹽礦物晶體整體發(fā)育較完整，大小較均齊，邊棱較光潔，局部晶體有輕微的熔蝕現(xiàn)象。氣孔分布較均勻，氣孔率高于一線，約30-35%。

圖3 形態(tài)呈板柱狀的A礦 反射光（—）×500

圖4 邊毛狀B礦 反射光（—）×500

其中A礦多呈粒狀、長(zhǎng)柱狀，粒徑大小較均齊，一般為10μm -35μm，邊棱較為光潔，局部有熔蝕現(xiàn)象。分布較均勻，少量中含有B礦和游離氧化鈣。B礦比一線集中分布程度高，多呈圓粒狀，粒徑一般為25μm-50μm。氣孔處發(fā)現(xiàn)有少量粒徑較大B礦，部分存在于A礦中，含有少量的邊毛狀B礦，如圖3、4。C4AF分布較均勻，多呈他形或不定形分布于A礦或B礦晶粒間，呈乳白色。C3A呈他形粒狀或片狀分布于白色中間體中。方鎂石（MgO）比一線較多，多呈渾圓粒狀或他形晶，主要分布于A、B礦中。

從顯微結(jié)構(gòu)上看A礦局部呈受溶蝕的棱角狀，說(shuō)明可能是熟料在窯內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢。A礦中含有少量B礦說(shuō)明可能冷卻速度較慢導(dǎo)致A礦分解包圍B礦。B礦含量較一線多，且集中分布程度高，可能是由于物料摻入局部不均勻所致；部分B礦呈邊毛狀也說(shuō)明冷卻速度緩慢。黑色中間體呈他形粒狀或片狀也說(shuō)明冷卻緩慢所致?？傮w來(lái)看，可推測(cè)該熟料的冷卻速度較慢，混料局部不均。建議冷卻速度加快，以及將摻合料拌和均勻。

（三）、三線水泥熟料特征分析

熟料外觀呈灰黑色或灰色，沿切面將球團(tuán)狀樣品截開(kāi)，部分樣品熟料的核部有輕微的黃心現(xiàn)象。鏡下結(jié)構(gòu)均勻，主要呈均齊結(jié)構(gòu)，A礦和B礦輪廓清晰，邊界規(guī)整，局部結(jié)晶大小差異較大。氣孔大小不一，小氣孔較多，氣孔率約為30-35%。

其中A礦多粒狀、板狀、六邊形，邊棱光潔整齊，結(jié)晶粒徑大小不一，一般為20μm-50μm，小者10μm左右，部分晶粒中含有游離氧化鈣和方鎂石。B礦呈圓粒狀，結(jié)晶粒度一般為10μm-25μm，分布不均勻，多以礦巢形式集中分布，被少量白色中間體膠結(jié)，如圖5、6。C4AF分布較均勻，多呈他形或不定形分布于晶粒間，呈乳白色。C3A呈他形粒狀或片狀分布于白色中間體中。方鎂石（MgO）多呈渾圓粒狀或他形晶，主要分布于A礦中。金屬硫化物含量較少。

圖5 B礦巢 反射光（—）×200

圖6 六邊形A礦 反射光（—）×500

該熟料有輕微的黃心現(xiàn)象，說(shuō)明窯內(nèi)通風(fēng)不好，還原氣氛強(qiáng)；A礦粒徑差異較大并含有方鎂石包裹體，推測(cè)可能是由于生料成分均化不好或來(lái)料波動(dòng)大，造成局部燒成不完全，即煅燒時(shí)間不足，出現(xiàn)輕燒現(xiàn)象，使熟料中礦物晶體大小懸殊。黑色中間體呈他形片狀說(shuō)明冷卻速度慢。總體來(lái)看，推測(cè)該熟料可能混料不均勻或來(lái)料波動(dòng)大、煅燒時(shí)間不足。建議將摻合料拌和均勻，適當(dāng)延長(zhǎng)煅燒時(shí)間。

四、結(jié)論

（1）通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)一線熟料中A礦多呈受溶蝕的棱角狀，少量B礦具有短而粗的交叉雙晶紋；二線熟料中A礦局部呈受溶蝕的棱角狀，部分含有B礦，少量B礦呈邊毛狀且黑色中間體呈他形粒狀或片狀；三線熟料有輕微的黃心現(xiàn)象，A礦粒徑差異較大并含有方鎂石包裹體，黑色中間體呈他形片狀。

（2）根據(jù)工藝礦物學(xué)研究判斷，一線熟料的煅燒溫度偏高，冷卻速度較慢，建議降低煅燒溫度，放慢冷卻速度。二線熟料的冷卻速度較慢，混料局部不均，建議冷卻速度加快，以及將摻合料拌和均勻。三線熟料可能混料不均勻或來(lái)料波動(dòng)大、煅燒時(shí)間不足，建議將摻合料拌和均勻，適當(dāng)延長(zhǎng)煅燒時(shí)間。

（3）硅酸鹽水泥熟料的顯微結(jié)構(gòu)與原料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝條件（窯型、物料在燒成帶的停留時(shí)間、燒成溫度、冷卻制度）、生料細(xì)度、均勻性等密切相關(guān)，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥熟料的重要條件。

[1]邢智彪. 硅酸三鈣晶體結(jié)構(gòu)及其演化機(jī)理研究[D]. 南京: 南京大學(xué). 2013.

[2]侯貴華, 沈曉冬, 許仲梓. 高硅酸三鈣硅酸鹽水泥熟料組成及性能的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào), 2004, 32（1）：85-89.

[3]梁勇, 錢(qián)繼春, 馬智鵬. 建筑材料[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社, 2014.56-59.

[4]邵國(guó)有. 硅酸鹽巖相學(xué)[M]. 武漢: 武漢理工大學(xué)出版社, 1991.199-237.

[5]王巖, 林倫. 硅酸鹽水泥熟料的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)特征的研究[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 8（2）：104-106.

Study on Processing Mineralogy of Portland Cement Clinker

ZHANG Han1, LIU Lei2

（1 Department of Ship and Building, Nanyang Vocational Technical Institute, Zhejiang Jiaxing 314003, China;2 College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Hebei Tangshan 063009, China）

In order to provide a basic basis for improving the performance of portland cement clinker of the cement plant in Hebei Province, all kinds of cement clinker minerals, content and mineral features were found out by process mineralogy research. The results show that the A mine in the first line of clinker is more angular by dissolution and a small amount of B mine have double crystal grain which is short and thick. The A mine in the second-line clinker present angular by dissolution and a part of them contain B mine. A small amount of B mine show flagelliform and small black intermediates show irregular sheets. The clinker of the third line has a slight yellow heart phenomenon. The A mineral partical size are different and contain periclase inclusions. The black intermediates show irregular sheets too. According to the process mineralogy findings, it is indicated that improving the performance needs to optimize the cooling velocity, calcinations temperature and admixture mixing uniformity.

cement clinker mineral features cooling velocity calcinations temperature

TQ172

B

1007-6344（2015）12-0003-02

張韓（1989-），男，助教，碩士，主要從事建筑材料教學(xué)