熟料巖相分析在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

班龍，任兵建，陶從喜，鐘煜，徐順偉

某公司有兩條水泥熟料生產(chǎn)線，1號(hào)2 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線于1997年5月建成投產(chǎn)，該生產(chǎn)線全套引進(jìn)德國(guó)KHD公司設(shè)備與技術(shù)；2號(hào)2 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線于2004年12月建成投產(chǎn)，2015年進(jìn)行改造，目前產(chǎn)量可達(dá)3 000t/d左右。該公司2020年前7個(gè)月生產(chǎn)的水泥熟料強(qiáng)度不理想，熟料28d抗壓強(qiáng)度＜54MPa，混合材摻量偏低。為了提高水泥熟料強(qiáng)度，2020年5月，筆者對(duì)該公司水泥熟料進(jìn)行了巖相觀察，結(jié)合化學(xué)成分、礦物組成的分析及孔隙率等進(jìn)行了綜合性評(píng)判，查找了熟料煅燒中的問(wèn)題和強(qiáng)度低的原因，提出了改進(jìn)生產(chǎn)、提高熟料強(qiáng)度和質(zhì)量的方法。

1 硅酸鹽水泥熟料礦物組成

硅酸鹽水泥熟料是多礦物組分的集合體，主要由C3S、C2S、C3A、C4AF四種礦物組成，各礦物組分的顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)特征受水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程的影響而不同。而硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及其微觀結(jié)構(gòu)決定了其物理性能，同時(shí)關(guān)系到對(duì)水泥熟料原料組成、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個(gè)工藝過(guò)程合理性的判斷[1]。

2 熟料的化學(xué)成分

選取質(zhì)量差異大的熟料樣品進(jìn)行分析，觀察熟料外觀發(fā)現(xiàn)，熟料結(jié)構(gòu)不甚致密，結(jié)粒明顯不均勻，小顆粒偏多，部分大顆粒外表呈黑色，內(nèi)部呈棕黃色，熟料有少量黃心料。熟料物理檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 熟料物理檢測(cè)數(shù)據(jù)

熟料化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，從表中數(shù)據(jù)來(lái)看，該公司熟料硅率還有上調(diào)的空間。一般而言，影響水泥熟料強(qiáng)度的主要因素是硅酸鹽的C3S礦物含量，C3S含量不僅對(duì)熟料的早期強(qiáng)度有影響，而且對(duì)熟料的28d強(qiáng)度也有影響。從表3熟料的XRD分析結(jié)果來(lái)看，該公司熟料中C3S含量波動(dòng)較大，相應(yīng)會(huì)帶來(lái)熟料強(qiáng)度的波動(dòng)。

表2 熟料化學(xué)成分分析結(jié)果，%

表3 熟料XRD分析結(jié)果，%

3 熟料巖相分析

對(duì)熟料的表觀與剖面、內(nèi)部孔隙率、游離氧化鈣與方鎂石等礦物的分布、A礦B礦尺寸分布和形狀邊界及中間相進(jìn)行了巖相分析，因熟料巖相分析是對(duì)其本身的微觀細(xì)節(jié)的觀察，觀察到的范圍會(huì)很小，為了保證樣品本身的代表性，選取了當(dāng)日熟料混合樣品進(jìn)行破碎篩分，隨機(jī)選取部分顆粒進(jìn)行鑲嵌打磨，同時(shí)對(duì)未破碎的樣品特征進(jìn)行記錄以驗(yàn)證熟料巖相分析結(jié)果。

3.1 孔隙率

采集熟料巖相50倍圖片，用大津（OTSU）法將圖片按灰度特性分為兩類像素，計(jì)算兩類像素的“最大類間方差”，得到二值圖后再進(jìn)行巖相孔隙率的計(jì)算（見(jiàn)圖1）。

圖1 巖相孔隙率計(jì)算示意圖

計(jì)算結(jié)果顯示，熟料200714孔隙率39.58%，熟料200721孔隙率47.54%，熟料200714孔隙率比熟料200721好。

3.2 游離氧化鈣

觀察兩個(gè)樣品游離氧化鈣分布，較多的主要是一次游離氧化鈣，游離氧化鈣分布均勻，有的呈小堆分布，為正常煅燒的熟料，游離氧化鈣含量在控制指標(biāo)之內(nèi)[2]。

3.3 礦物分布分析

熟料200714：A礦分布較均勻；B礦主要以礦巢聚集，礦巢尺寸較小，由少部分粗石英顆粒相形成。

熟料200721：A礦分布不均勻，大尺寸A礦較多聚集；B礦主要以礦巢聚集，礦巢尺寸較大，粗石英顆粒相形成的礦巢大且多，有少部分礦巢呈帶狀。熟料200714和200721的礦巢分布見(jiàn)圖2。

圖2 熟料200714和200721的礦巢分布（200μm）

生料的細(xì)度與均勻度對(duì)熟料的燒成質(zhì)量影響顯著。當(dāng)生料中含有較多的粗顆粒時(shí)，反應(yīng)不完全，熟料在顯微結(jié)構(gòu)上常呈現(xiàn)出所謂礦群結(jié)構(gòu)，即一種礦物的不規(guī)則聚集，但礦物顆粒之間仍有明顯的界線，且礦巢邊緣大多保持著生料粗顆粒的外形[3]。

3.4 A礦分析

熟料200714：A礦發(fā)育較好，邊界部分毛邊分解，部分內(nèi)有孔洞與包裹物。

熟料200721：A礦形態(tài)較好，發(fā)育一般，較多熔蝕連接，＜15μm小尺寸A礦較多，部分內(nèi)有孔洞與包裹物。熟料200714和200721的A礦形貌見(jiàn)圖3。

圖3 熟料200714和200721的A礦形貌（20μm）

熟料200714和200721的A礦尺寸分布見(jiàn)圖4。根據(jù)圖4統(tǒng)計(jì)，熟料200714樣品A礦尺寸主要集中在15～35μm，占比72%，＞15μm的A礦僅占6%，＜35μm占21%。而熟料200721樣品A礦尺寸相對(duì)偏小，主要集中在10～25μm，占比66%。當(dāng)熟料中A礦晶體形狀規(guī)則，尺寸在25～30μm之間時(shí)，熟料強(qiáng)度為最好[4]。對(duì)比數(shù)據(jù)說(shuō)明，熟料200714樣品的煅燒溫度與時(shí)間，比熟料200721樣品好。從兩個(gè)樣品的尺寸中可以觀察出，該窯的熟料煅燒情況整體還有提升的空間。

圖4 熟料200714和200721的A礦尺寸分布

3.5 B礦分析

熟料200714：B礦主要為手指、破布狀，較少部分為類圓形。

熟料200721：B礦主要為毛邊狀，少部分為類圓形與手指、破布狀。

兩個(gè)熟料樣品中，C2S占比較低，對(duì)熟料強(qiáng)度影響較小，但兩個(gè)樣品的B礦形態(tài)均有手指、破布狀，并且熟料部分為黃芯，說(shuō)明窯內(nèi)存在慢冷與還原氣氛。圖5為熟料200714和200721的B礦形貌。

圖5 熟料200714和200721的B礦形貌（20μm）

3.6 中間相分析

熟料200714：C3A析晶少，主要呈點(diǎn)片狀，點(diǎn)線狀。

熟料200721：C3A析晶少，主要呈點(diǎn)片狀，部分線狀。

觀察發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度高的樣品C3A析晶少，主要呈點(diǎn)線狀，少部分呈片狀；強(qiáng)度低的樣品C3A呈點(diǎn)滴狀，說(shuō)明窯系統(tǒng)篦冷機(jī)冷卻效率偏低。圖6為熟料200714和200721的中間相形貌。

圖6 熟料200714和200721的中間相形貌（20μm）

3.7 綜合分析

綜合分析兩個(gè)熟料樣品發(fā)現(xiàn)：熟料200714的生料均勻性較好，粗顆粒石英也較少；生料煅燒后采用高溫鍛燒，受熱不均勻，A礦主要是六方板狀，尺寸集中，少部分較大，造成A礦整體尺寸分布范圍偏大，尺寸分布不夠集中；高溫煅燒完成后在1 300℃～1 000℃冷卻慢，造成A礦部分邊界分解，A礦包裹B礦；B礦呈手指破布狀，生料部分黃芯料，局部存在還原氣氛；部分C3A晶體析出形成片狀，說(shuō)明篦冷機(jī)冷卻物料效率稍低。熟料200721生料均勻性偏差，以帶狀存在的B礦少，存在較多由粗顆粒石英形成的結(jié)晶粗大的B礦巢，說(shuō)明生料存在較多粗顆粒石英；熟料煅燒溫度偏低，A礦整體尺寸偏?。桓邷仂褵瓿珊笤? 300～1 000℃間冷卻稍慢，造成A礦包裹B礦；B礦部分手指、破布狀，生料部分黃芯料，局部存在還原氣氛；篦冷機(jī)冷卻情況與熟料200714樣品相差不大。

4 改進(jìn)方案及效果

通過(guò)巖相分析發(fā)現(xiàn)，該熟料生產(chǎn)線存在以下問(wèn)題：

（1）生料含有較多粗顆粒石英且均勻性偏差；

（2）窯內(nèi)局部存在還原氣氛；

（3）窯內(nèi)煅燒溫度控制不合理；

（4）窯冷卻效果偏差。

針對(duì)該生產(chǎn)線存在的問(wèn)題，提出了以下改進(jìn)方案：

（1）調(diào)整配料方案，按優(yōu)先順序優(yōu)化配料，SM由2.20調(diào)整到2.40～2.45，KH為0.905，AM為1.4～1.6。

（2）將生產(chǎn)線生料細(xì)度（0.2mm篩）控制在（1.0±0.5）%。

（3）提高燒成帶溫度，控制窯頭喂煤量，改善窯內(nèi)局部還原氣氛。

（4）穩(wěn)定喂煤系統(tǒng)，減少喂煤量波動(dòng)。

（5）調(diào)整窯頭燃燒器內(nèi)、外用風(fēng)壓力，減少還原料。

按上述改進(jìn)方案優(yōu)化調(diào)整后，再次取樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：熟料孔隙率下降至35%；游離氧化鈣受控，粗顆粒石英很少見(jiàn)到，B礦礦巢形狀變小，分布較調(diào)整前均勻；A礦尺寸形狀呈六方板狀且分布較合理；部分A礦包裹B礦，高溫冷卻依然偏慢；B礦呈類圓形，主要為小礦巢分布，部分分布較好；C3A晶體析出呈片狀，說(shuō)明篦冷機(jī)冷卻效率變化不大。調(diào)整后的熟料巖相見(jiàn)圖7。

圖7 調(diào)整后熟料巖相

優(yōu)化調(diào)整后，兩條生產(chǎn)線熟料28d抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定在57MPa左右，強(qiáng)度提升明顯，P·O42.5水泥混合材摻量由13%升至15%。圖8為熟料28d抗壓強(qiáng)度平均值統(tǒng)計(jì)（7月份為調(diào)整后）。

圖8 2020年熟料28d抗壓強(qiáng)度平均值統(tǒng)計(jì)（7～10月為優(yōu)化調(diào)整后的數(shù)據(jù)）

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)巖相分析，可以分析熟料的性能，計(jì)算熟料的孔隙率，觀察熟料的顯微結(jié)構(gòu)，判斷窯內(nèi)的煅燒狀況及熟料的冷卻狀況和原料狀況，進(jìn)而提出優(yōu)化改進(jìn)措施，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。巖相分析在水泥生產(chǎn)中有著獨(dú)特的作用。