白色硅酸鹽水泥白度的影響因素

萬凌輝，魯雪芹

1.江西省華昌建筑質(zhì)量檢測有限公司，江西 南昌 330001;2.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

1 前言

由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料、適量石膏及符合GB/T 2015-2005《白色硅酸鹽水泥》規(guī)定的混合材料，磨細(xì)制成水硬性膠凝材料稱為白色硅酸鹽水泥，簡稱“白水泥”［1］。白水泥的典型特征是擁有較高的白度，色澤明亮，主要用于建筑內(nèi)外的裝飾，如地面、樓面、臺(tái)階，以及建筑立面的線條、裝飾圖案、雕塑等。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要實(shí)現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各項(xiàng)產(chǎn)品性能要求是不容易的，這些產(chǎn)品性能的影響因素是多方面的。因此，深入分析各類影響因素，改進(jìn)相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，對(duì)提高白水泥產(chǎn)品的綜合質(zhì)量具有十分重要的意義。

2 白色硅酸鹽水泥白度的影響因素

2.1 原料的影響

普通硅酸鹽水泥呈灰或灰褐色，這是由水泥熟料中的一系列過渡金屬的氧化物所引起的。按照對(duì)顏色的影響程度由大到小，這些過渡金屬依次是:鉻、錳、鐵、鈷、釩、鎳、鈦。這些元素在白水泥熟料中的含量要盡可能地少。從白水泥生產(chǎn)的實(shí)踐表明，白水泥熟料中，當(dāng)Fe203質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.45%～0.70%時(shí)，熟料呈淡綠色;而當(dāng)Fe203質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.35%～0.40%時(shí)，即呈白色(略帶淡青色)，所以對(duì)于白水泥而言，一般Fe203含量應(yīng)低于水泥質(zhì)量的0.5%［2］。在等量的情況下，氧化錳、氧化鉻對(duì)白水泥白度的影響更加顯著。世界各國對(duì)白水泥染色元素的氧化物的控制有一定的區(qū)別。國內(nèi)白水泥熟料中Fe203＜0.5%，MnO ＜0.015%，Cr2O3＜0.0305%［3］;法國，熟料中氧化錳的含量控制在0.0066%以下，氧化鉻含量控制在0.0035%以下;瑞士白水泥熟料中氧化錳的含量控制在0.01%～0.03% 以下，氧化鉻含量控制在0.01%～0.03%以下。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須十分注重白水泥原料的精選，盡可能地選擇上述過渡金屬含量低的原料。保證達(dá)到白水泥的品質(zhì)指標(biāo)，石灰質(zhì)原料通常是純度較高的石灰石或者白堊，w(CaO)＞55%，w(Fe2O3)＜0.5%;硅鋁質(zhì)原料一般采用白粘土、瓷土、硅石、葉臘石和高嶺土等，并要求其w(Fe2O3)＜1.0%［4］。

但是，這些過渡金屬對(duì)白水泥白度的影響規(guī)律和機(jī)理是復(fù)雜的，并不是說，有這些金屬氧化物的熟料白度就一定低。產(chǎn)生這種變化的原因在于過渡金屬之間的相互作用，相互干擾;此外，過渡金屬在熟料的形成過程中，也有充當(dāng)?shù)V化劑的作用，從而改變了礦物的形成，改變了各礦物間的比例與結(jié)構(gòu)。

2.2 燃料

熟料的形成需要在較高的溫度下煅燒而成，需要消耗大量的能量。由于白水泥生料配料的高飽和比、高硅率、高鋁率，典型“三高”的特點(diǎn)，導(dǎo)致白水泥生料難燒，通常比普通硅酸鹽水泥煅燒溫度高100～150℃。因而一方面，要求燃料熱值高(發(fā)熱量＞27200kJ/kg)，燃燒速度快且能完全燃燒(揮發(fā)分25%～32%)，從而保證足夠的燒成溫度;另一方面，從提高白度的角度考慮，除了原材料中帶入的Fe2O3之外，燃料中的Fe2O3也是熟料中Fe2O3的一個(gè)重要來源，因此要求燃料帶入的Fe2O3的總量盡可能的少。燃料的灰分含量及其中的Fe2O3都低，即灰分＜12%，且灰分中的w(Fe2O3)＜0.8%。

從上述兩個(gè)要求來考慮，白水泥生產(chǎn)最為合適的燃料應(yīng)該是沒有灰分的燃料，即油氣類資源，如重油和天然氣資源，石油焦，阿爾博安慶白水泥生產(chǎn)線采用的燃料即是石油焦［5］。

2.3 設(shè)計(jì)率值

因?yàn)楣杷猁}水泥是由兩種以上的氧化物化合而成的，在水泥生產(chǎn)中用各氧化物之間的比例，即率值，作為生產(chǎn)控制的指標(biāo)，從而反應(yīng)出對(duì)熟料礦物組成和性能的影響。我國采用的是石灰飽和系數(shù)KH、硅率SM 和鋁率IM。

首先，石灰飽和系數(shù)反應(yīng)的是C3S、C2S 二者之間的比例關(guān)系［6］。當(dāng)熟料的硅率和鋁率相同時(shí)，提高了KH，相同于提高了C3S 的相對(duì)含量。過渡金屬在C2S 中染色能力要強(qiáng)于C3S［7］。所以，提高石灰飽和系數(shù)，熟料的白度和強(qiáng)度都能提高，這從國內(nèi)外的生產(chǎn)實(shí)踐來看也是符合的。但是，高飽和系數(shù)的配料難以燒透，這也會(huì)導(dǎo)致游離氧化鈣的量增加，使熟料質(zhì)量下降。正常生產(chǎn)中，將KH 控制在0.90～0.95 比較合適。

白水泥的硅率也較高，硅率SM 還表示熟料中硅酸鹽礦物與熔劑礦物的比例關(guān)系，相應(yīng)反應(yīng)了熟料的質(zhì)量和易燒性。

白水泥熟料要控制Fe2O3的含量，希望Fe2O3越少越好，則反應(yīng)到鋁率則是鋁率越高越好。但是實(shí)際生產(chǎn)中，鋁率作為控制指標(biāo)的意義不大，只是用來確定配料方案。國內(nèi)外幾家白水泥生產(chǎn)設(shè)計(jì)率值如下表1 所示［8］［9］:

表1 國內(nèi)外幾家白水泥廠率值的設(shè)定

2.4 漂白方式

冷卻制度對(duì)于白水泥白度影響較大，熟料冷卻是白水泥生產(chǎn)中最特別的一道工藝。高溫白水泥熟料不能像普通硅酸鹽熟料一樣，簡單采用篦冷機(jī)空氣冷卻，否則低價(jià)態(tài)的過渡金屬氧化物將被氧化為高價(jià)態(tài)，從而對(duì)白度造成比較大的不利。而采取特殊的工藝，不但不會(huì)使熟料的白度下降，更能夠被“漂白”。按漂白介質(zhì)分，有水急冷漂白、中性介質(zhì)漂白、還原介質(zhì)漂白。采用水冷漂白，冷卻熟料中可以形成較多的白色鋁酸鹽結(jié)晶，使熟料對(duì)光的反射能力大大提高，礦物結(jié)晶細(xì)小，也增加了對(duì)光的反射能力，從而提高白度。中性介質(zhì)漂白主要采用的是氮?dú)?，還原介質(zhì)采用的主要是焦?fàn)t煤氣、丙烷等，雖然還原性介質(zhì)漂白效果好，但是成本高，更重要的是，它的控制工藝比較復(fù)雜。

2.5 生料粉磨與白水泥粉磨

生料的粉磨與水泥的粉磨是水泥生產(chǎn)工藝中的“兩磨一燒”中的“兩磨”，白水泥的生產(chǎn)也是一致的，但由于白水泥產(chǎn)品高的要求，必須保證在這兩次粉磨過程中，盡可能地減少Fe2O3 等染色元素的污染，使用磨耗比較小的研磨體。比如，采用石質(zhì)的襯板和研磨體。我國數(shù)家廠家采用小型的開路管磨，鑲花崗巖襯板，以海卵石作為研磨體。這是這種磨機(jī)的產(chǎn)量過低，研磨體的磨耗比較大。目前而言，國內(nèi)外主要采用的是高鉻鑄鐵材料，研磨體采用剛玉球或者硅石球。為適應(yīng)白水泥的生產(chǎn)，各國都相繼開發(fā)了新型高效的磨機(jī)，各種新型的立磨發(fā)展迅速，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了比較好的效果。

2.6 影響白水泥白度的其它因素

很多的白水泥廠的熟料多呈現(xiàn)綠色的傾向，這是因?yàn)槭炝袭?dāng)中Cr2O3的含量過多。Cr2O3的來源一部分來源于原料，還有一部分可能來源于含Cr 的耐火磚。熟料在水泥窯的高溫條件下，少量的耐火磚損耗熔入了熟料當(dāng)中，而往往耐火磚當(dāng)中含有較豐富的Cr。為解決這一個(gè)問題，可以采用鎂基的耐火磚［10］。

為了改善性能，提高產(chǎn)量，白色硅酸鹽水泥的制成，通常加入適量的混合材。選用白度遠(yuǎn)高于白水泥熟料白度的混合材，一方面可以提高白水泥的白度，另一方面，由于混合材的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)比白水泥熟料的燒成成本要低得多，大量混合材的摻入，可以使白水泥的成本降低。

白水泥的細(xì)度也對(duì)白度產(chǎn)生影響，在一定的細(xì)度范圍內(nèi)，白水泥白度隨著細(xì)度的增加也相應(yīng)地提高，但這完全是由于水泥比表面積增大，增加了對(duì)光的反射能力，從而白度提高，是一種純粹的物理作用［7］。

3 結(jié)語

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有白水泥廠80 多家，白水泥生產(chǎn)線大約160多條，80%以上的是Φ2.5m 及以下的回轉(zhuǎn)窯，年總生產(chǎn)能力約達(dá)到600多萬噸［11］。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的白水泥品質(zhì)普遍較低，低品質(zhì)白水泥市場已出現(xiàn)嚴(yán)重過剩的局面，但高品質(zhì)白水泥卻盡產(chǎn)盡銷。白水泥的質(zhì)量和品質(zhì)差僅僅是一個(gè)方面，高能耗、高污染是最大問題。對(duì)低品質(zhì)、高能耗、高污染的白水泥生產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)能、增白技術(shù)改造，是企業(yè)生存和發(fā)展的必要手段。

(1)由于白水泥生產(chǎn)對(duì)原、燃材料品質(zhì)要求較高，在資源日益緊張的大背景下，將會(huì)嚴(yán)重制約白水泥企業(yè)發(fā)展。開發(fā)使用低品質(zhì)的原、燃料的白水泥生產(chǎn)工藝勢在必行。

(2)國外的白水泥原料選擇上，都比較注意原料中MnO、Cr2O3、TiO2等其它染色元素的控制［12］。而我國白水泥的生產(chǎn)，還基本上還只是對(duì)Fe2O3含量進(jìn)行控制。為了提高國內(nèi)白水泥產(chǎn)品的質(zhì)量，白水泥廠有必要將對(duì)原料中的MnO、Cr2O3、TiO2等進(jìn)行測定，將熟料中的MnO、Cr2O3、TiO2等控制在較低的水平。

(3)為了更好地對(duì)白水泥的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制，應(yīng)該結(jié)合白水泥白度的偏色情況，進(jìn)行生產(chǎn)工藝的調(diào)整，從而生產(chǎn)出顏色鮮艷的白水泥。

［1］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)［Z］.

［2］GB-T2015-2005 白色硅酸鹽水泥之白度測定［J］.

［3］魏仁濤，賈學(xué)軍.提高白水泥白度的措施［J］.水泥技術(shù)，2000(2):48-49.

［4］崔秀琴，付克明.影響白色硅酸鹽水泥白度的因素［J］.湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24(6):100-102.

［5］艾軍，肖全貴，李振興等.阿爾博安慶白水泥生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與回顧［J］.中國水泥，2011(10):41-44.

［6］林宗壽.無機(jī)非金屬材料工學(xué)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2009.

［7］榮傳勛.提高白水泥白度的工藝途徑［J］.福建建材，1994(3):59.

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［9］曾榮.新型干法白水泥熟料生產(chǎn)線生料制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.水泥技術(shù)，2012(04):35-38.

［10］M.T.Blanco-Varela，A.Palomo，F(xiàn).Puertas，and T.Va zquez，“CaF2and CaSO4in White Cement Clinker Production，”Cem.Concr.Res.，9［35］105–13(1997).

［11］劉壽綿.我國白水泥生產(chǎn)現(xiàn)狀與健康發(fā)展芻議［J］.中國水泥，2012(2):66.

［12］Aloui T.C F.Tunisian Neogene Sand Used in Portland White Cement［J］.American Ceramic Society Bulletin［H.W.Wilson-AST］.2007，86(8):39.