水泥熟料的微細(xì)結(jié)構(gòu)

水泥熟料的微細(xì)結(jié)構(gòu)

1 水泥熟料晶體結(jié)構(gòu)

水泥熟料主要成分為C3S、C2S、C3A和C4AF等四種晶體，其中C3S、C2S是固體，C3A和C4AF在燒成帶呈熔融狀，冷卻后呈固體。

使用顯微鏡觀測(cè)熟料內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)、晶體尺寸、形態(tài)、顏色等圖像信息控制熟料質(zhì)量已進(jìn)行多年。熟料內(nèi)晶體主要由占總量50%～90%的硅酸三鈣（C3S）組成，當(dāng)煅燒溫度＞1 250℃時(shí)，通過(guò)C2S和CaO相互反應(yīng)生成。其特點(diǎn)是帶邊角的晶體，通?？焖偌訜岱磻?yīng)的二邊間距為15～20μm、慢速加熱為40～60μm，常規(guī)速度加熱為30～40μm。另一個(gè)晶體由占總量10%～40%的C2S組成，在煅燒溫度為900℃～1 200℃時(shí)，由CaO和SiO2反應(yīng)生成。當(dāng)燒成帶熟料溫度＞1 400℃時(shí)，C2S長(zhǎng)時(shí)期在此溫度下呈圓形，晶格間距為25～40μm，而短時(shí)間反應(yīng)則為10μm，常規(guī)反應(yīng)為15～20μm。

另外，在工業(yè)生產(chǎn)的熟料中鋁酸三鈣（C3A）呈立方、四方體等多晶形態(tài)，在反光鏡下，通?？炖涑庶c(diǎn)滴狀，慢冷呈矩形和塊狀，暗灰色，一般稱黑色中間相。鐵鋁酸四鈣（C4AF）常呈棱柱狀和圓柱狀晶體，在反光鏡下呈亮白色。除上述四種晶體外，還存在少量方鎂石（MgO）和游離氧化鈣（fCaO），方鎂石（MgO）的集合體呈粒狀，在反光鏡下呈多角形，一般為粉紅色，晶格尺寸隨冷卻速率變化，快冷結(jié)晶細(xì)小。游離氧化鈣（fCaO）在偏光鏡下為無(wú)色圓形顆粒，有明顯解理，在反光鏡下呈彩虹色。

上述各種成分的巖相結(jié)構(gòu)見圖1。

2 熟料巖相在水泥生產(chǎn)中的作用

熟料的微細(xì)結(jié)構(gòu)和水泥性能有關(guān)，更與熟料的成分和煅燒工況存在著密切的關(guān)系?？陀^上與熟料在煅燒過(guò)程中生料的化學(xué)成分、顆粒細(xì)度及高溫窯料、熟料和火焰長(zhǎng)短，煙氣氣氛和煅燒過(guò)程的溫度以及窯料形成熟料的時(shí)間和高溫熟料的冷卻速度等均有關(guān)。此外，熟料中各個(gè)相的水化反應(yīng)也是不一致的，只有通過(guò)熟料巖相的微細(xì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)才能揭示熟料煅燒工況及水泥性能的情況，這是水泥廠物化性能測(cè)試的一個(gè)十分有價(jià)值的工具，萁主要作用有以下幾方面。

圖1 水泥熟料主要成分微細(xì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 質(zhì)量控制

水泥廠應(yīng)定期檢測(cè)熟料巖相。當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)所測(cè)得的巖相微細(xì)結(jié)構(gòu)與工廠的“標(biāo)準(zhǔn)試樣”的微細(xì)結(jié)構(gòu)相比發(fā)生變化時(shí)（如晶體種類、數(shù)量、晶體尺寸、晶體形態(tài)、分布及晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的變化等），可根據(jù)巖相變化情況做出改進(jìn)，改變煅燒過(guò)程的有關(guān)參數(shù)，如生料化學(xué)成分、生料細(xì)度、熟料率值及窯內(nèi)熟料煅燒溫度、煅燒時(shí)間及煅燒和冷卻速率等，從而改善熟料的質(zhì)量。

常規(guī)的物理檢測(cè)的水泥強(qiáng)度和細(xì)度及化學(xué)測(cè)試的fCaO含量等有關(guān)參數(shù)，對(duì)質(zhì)量控制確有指導(dǎo)價(jià)值，但有一定的滯后性，對(duì)全面控制質(zhì)量有局限性。而巖相檢測(cè)的時(shí)間短，檢測(cè)的結(jié)果能夠全面地反映出有關(guān)生料及熟料煅燒過(guò)程的情況，有利于質(zhì)量的全面控制。

圖2 C3S晶體內(nèi)的藍(lán)色C2S晶體

圖3 C3S晶體內(nèi)的熔融物

圖4 孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶體包圍

圖5 C3S晶體內(nèi)含有C2S和熔融體

圖7 慢冷窯皮內(nèi)C2S和多態(tài)內(nèi)含物

2.2 排除生產(chǎn)問題

當(dāng)熟料生產(chǎn)和水泥性能出現(xiàn)問題時(shí)，熟料的微細(xì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果能夠提供熟料性能存在的問題，有關(guān)人員可針對(duì)問題進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生的原因并提出解決的辦法。

2.3 監(jiān)控生產(chǎn)變化

熟料生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)生產(chǎn)狀況改變時(shí)（如原燃料性能變化、燃燒器位置及火焰形狀改變、窯內(nèi)煙氣氣氛改變等），改變前后的巖相檢測(cè)十分重要，有關(guān)技術(shù)、操作人員需根據(jù)熟料微細(xì)結(jié)構(gòu)變化的情況及變化過(guò)程，采取相應(yīng)措施，及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改變效果。

3 巖相技術(shù)的進(jìn)展

近些年來(lái)，歐洲的一些水泥企業(yè)，限于生產(chǎn)費(fèi)用和環(huán)保條令的限制，開始逐年增大使用低品位原料和工業(yè)廢燃料的力度，再加上粉塵排放回收量的提高，最終使堿、氯、硫等有害化合物以及微量元素化合物在窯內(nèi)的循環(huán)增加，給生產(chǎn)帶來(lái)了復(fù)雜性。上述元素化合物進(jìn)入熟料內(nèi)，使熟料晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，主要是C3S和C2S晶體從單一形態(tài)轉(zhuǎn)為晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的變化。此外，堿、硫化合物的揮發(fā)循環(huán)更增加了系統(tǒng)的控制難度，及時(shí)檢測(cè)熟料的巖相結(jié)構(gòu)，有利于分析窯內(nèi)工況，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于生產(chǎn)和保證熟料質(zhì)量。

International Cement Review雜志2016年8月刊登了Arthur Harrison的文章，對(duì)大量使用低品位原料和工業(yè)廢燃料所產(chǎn)生的水泥熟料晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的成因進(jìn)行了解釋，其內(nèi)容較為復(fù)雜。本文僅對(duì)有關(guān)晶體圖片作一介紹，希望引起有關(guān)人士重視。圖片主要有：C3S晶體內(nèi)藍(lán)色C2S晶體（圖2），C3S晶體內(nèi)熔融物（圖3），孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶格包圍（圖4），C3S內(nèi)含有C2S和熔融體（圖5），C3S外部邊角清晰可見的C3S內(nèi)不同部位含有大量的多態(tài)內(nèi)含物（圖6），慢冷窯皮內(nèi)的C2S及多態(tài)內(nèi)含物（圖7）。

陳友德編譯自

No.8/2016

International Cement Review