巖相分析在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用實踐

朱兵兵，鄒興芳，梁進

硅酸鹽水泥是目前用量最大的水泥品種，其水泥熟料主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣組成。水泥熟料的礦物組成、含量、晶體大小、分布等受原材料成分、配料方案、煅燒溫度、冷卻速度、煅燒氣氛等多種因素影響。

目前大部分水泥生產(chǎn)企業(yè)主要利用物理檢測和化學(xué)分析的方法，分析水泥生料與熟料的化學(xué)成分和物理性能，進而調(diào)整生料成分，調(diào)節(jié)熟料燒成系統(tǒng)溫度及壓力，達到控制熟料質(zhì)量的目的。然而化學(xué)成分分析方法還需結(jié)合理論計算才能得到熟料礦物大致含量。僅依靠化學(xué)成分分析方法，無法直接觀察熟料礦物的微觀結(jié)構(gòu)，不能準確判斷出熟料質(zhì)量波動的原因是生料成分波動還是工藝操作失誤造成，也不能快速分析及解決熟料質(zhì)量問題，易影響正常生產(chǎn)操作。若與巖相分析相結(jié)合，則能夠彌補這些不足。巖相分析能夠顯示礦物的結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)礦物結(jié)構(gòu)特征判斷熟料質(zhì)量波動的原因，為穩(wěn)定和提高熟料質(zhì)量提供依據(jù)。

1 熟料質(zhì)量影響因素

1.1 生料配料與粒度

水泥生產(chǎn)中生料配料方案不同，會使生料的化學(xué)成分發(fā)生變化，進而影響水泥熟料的礦物組成及含量。水泥生產(chǎn)過程中，應(yīng)依據(jù)原燃材料種類與質(zhì)量，結(jié)合熟料煅燒工藝，選擇合適的三率值控制區(qū)間。同時，水泥生料的粒度與均勻程度也會影響水泥熟料的質(zhì)量。當水泥生料中的粗顆粒數(shù)量較多時，生料煅燒反應(yīng)不充分，通常會在熟料中形成礦巢結(jié)構(gòu)（礦物晶體作不規(guī)則聚集），礦物晶體之間存在明顯的分界線，礦巢邊緣大多保留著粗顆粒生料的原有形態(tài)。其主要原因是，在生料煅燒過程中，粗顆粒的石灰石、石英、白云石等未被礦物晶體完全吸收，導(dǎo)致礦巢的形成。若生料配料波動，煤灰成分不穩(wěn)定，生料均化效果差，也會影響熟料質(zhì)量。

1.2 煅燒溫度

熟料煅燒是水泥生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煅燒工藝參數(shù)控制直接影響熟料的煅燒質(zhì)量。煅燒溫度過高或熟料在燒成區(qū)域煅燒時間過長，熟料可能出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。過燒熟料中阿利特礦物發(fā)育充分，晶體尺寸完整粗大，游離氧化鈣含量極少，孔洞較少[1]。發(fā)育完整的阿利特礦物水化反應(yīng)能力差、活性低，雖然阿利特礦物含量較高，但這種熟料的力學(xué)強度仍然較低。

窯內(nèi)煅燒溫度過低或熟料在燒成區(qū)域反應(yīng)時間過短，熟料可能出現(xiàn)欠燒現(xiàn)象。此時液相含量較少，因熟料中多數(shù)礦物主要通過固相反應(yīng)產(chǎn)生，礦物晶體發(fā)育較差，晶體尺寸偏小。欠燒熟料中的阿利特礦物含量較少，邊棱模糊；貝利特礦物形態(tài)不規(guī)則，表面光滑沒有明顯交叉雙晶，不易與阿利特區(qū)別；游離氧化鈣含量較多，分布密集，且熟料中存在較多孔洞。這種欠燒熟料一般升重偏低，熟料的力學(xué)強度不高。

1.3 冷卻速度

實際生產(chǎn)中，硅酸鹽水泥熟料通常采用快速冷卻的方式進行冷卻，主要是避免熟料中的硅酸二鈣由β型向γ型轉(zhuǎn)變，有助于提高熟料的水化反應(yīng)活性。熟料的冷卻速率對熟料質(zhì)量有一定影響，一般可以依據(jù)熟料礦物巖相結(jié)構(gòu)特征來判斷熟料的冷卻效果?？焖倮鋮s的熟料微觀結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為阿利特礦物較小，晶體邊棱平直，貝利特礦物呈圓形并伴有明顯的交叉雙晶，中間相礦物含較多的玻璃體。冷卻效果較差的熟料，通常阿利特礦物形態(tài)較大且不規(guī)則，邊棱比較模糊。

1.4 窯內(nèi)氣氛

熟料一般是在微氧化氣氛的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒形成，顏色呈灰黑色。窯內(nèi)通風(fēng)量不足或煤粉顆粒較粗等可能導(dǎo)致煤粉燃燒不充分，形成還原性氣氛，此時熟料中部分三價鐵會被還原成二價鐵，并隨著還原氣氛的不同，熟料內(nèi)芯會出現(xiàn)其他異常顏色，可能生成黃心料和白心料。熟料夾芯料外層部分的微觀結(jié)構(gòu)與正常熟料相同，但是內(nèi)部異色部分的微觀結(jié)構(gòu)與正常熟料差異明顯。內(nèi)部異色熟料中，阿利特礦物含量急劇減少，貝利特礦物含量反而增加；阿利特晶體邊棱模糊，存在熔蝕和花環(huán)狀，貝利特晶體形狀也不規(guī)則。

2 熟料典型巖相特征

2.1 正常熟料

（1）熟料中的A礦（阿利特礦物）多數(shù)為完整的柱狀或六角板狀，礦物邊緣整齊規(guī)則，礦物晶體大小均齊，礦物中包裹體較少，A礦含量約在50%～60%，晶體平均尺寸在20～40μm。

（2）熟料中的B礦（貝利特礦物）大多數(shù)為圓形，有銳角交叉或者平行雙晶紋，礦物晶體大小均勻，晶體形態(tài)完整，B礦含量約在10%～20%。

（3）熟料中的白色中間相比較明亮，黑色中間相顏色較淺，多數(shù)為樹枝狀或點滴狀。中間相均勻分布在A、B礦之間，含量約在20%～30%。

（4）熟料中的游離氧化鈣和方鎂石含量較少，孔洞小而少。

2.2 急燒熟料

急燒熟料在窯內(nèi)的停留時間不一致，煅燒受熱程度不均勻，熟料結(jié)粒大小不均勻。急燒熟料巖相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為一種不均勻的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，外層部分為正常熟料的巖相結(jié)構(gòu)，內(nèi)部熟料為欠燒熟料的巖相結(jié)構(gòu)[2]。A礦和B礦大小不均，A礦尺寸大小懸殊，大晶體可達100μm以上，小晶體僅4μm左右。礦物分布不均，各自成堆聚集，液相分布不均。

2.3 欠燒熟料

欠燒熟料是在較低溫度下煅燒而成的，熟料顆粒疏松、多孔、易碎，熟料中的礦物晶體發(fā)育不完全，礦物晶體尺寸較小。A礦含量較少且形狀不規(guī)則，B礦含量較多且無定形，A礦和B礦分布不均勻，存在條帶分布現(xiàn)象。熟料中游離氧化鈣含量較多，液相量較少。熟料孔洞較多且大，分布不均勻。熟料升重偏低，燒失量高，安定性不良。

2.4 還原熟料

還原氣氛下生成的熟料中的A礦邊緣不整齊，棱角圓鈍，存在熔蝕凹缺現(xiàn)象。熟料中B礦多呈手指狀或樹枝狀，晶體尺寸較大，約60～90μm。熟料的中間相數(shù)量多，黑色和白色中間相較難區(qū)別，游離氧化鈣含量較多，一次游離氧化鈣成堆分布，二次游離氧化鈣與B礦共生[3]。

2.5 慢冷熟料

慢冷熟料中的A礦易分解成二次B礦和二次游離氧化鈣，B礦呈長環(huán)狀分布在A礦周圍。B礦產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變，β-C2S轉(zhuǎn)化為γ-C2S，體積增大10%，晶體雙晶紋不明顯，可能出現(xiàn)不規(guī)則裂紋。熟料中間相多數(shù)為片狀或柱狀。慢冷熟料易出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，熟料強度低，安定性不良。

3 熟料巖相的成因

3.1 熟料孔洞的成因

熟料中的孔洞一般可分成兩種類型，一種是由碳酸鈣分解釋放出二氧化碳形成的，另一種是由煤粉燃燒后揮發(fā)分溢出形成的。一般煅燒較好的水泥熟料，孔洞大多為圓形且分布較均勻；而過燒和黃心熟料，孔洞數(shù)量偏少；欠燒和輕燒熟料，孔洞數(shù)量偏多。熟料中孔洞偏多的原因主要是：生料均化程度較差，導(dǎo)致入窯生料化學(xué)成分波動較大；入窯生料顆粒較粗；入窯煤粉燃燒不充分，煅燒溫度低。

3.2 游離氧化鈣的成因

游離氧化鈣是指水泥熟料中以游離態(tài)存在的氧化鈣。水泥熟料中游離氧化鈣有三種類型：一種是由熟料欠燒形成的低溫游離氧化鈣（也稱欠燒游離氧化鈣）。低溫游離氧化鈣一般在1 100～1 200℃溫度區(qū)間內(nèi)形成，低溫游離氧化鈣疏松多孔，水化反應(yīng)速度較快，對水泥安定性的影響不大。一種是在生料飽和度過高、熔劑礦物含量較少，或生料顆粒太粗或均化效果不好，或熟料在燒成帶反應(yīng)時間不夠等情況下生成的高溫游離氧化鈣（一次游離氧化鈣）。一次游離氧化鈣一般在1 400～1 450℃的高溫下生成，被熟料主要礦物包裹其中，結(jié)構(gòu)致密，不易發(fā)生水化反應(yīng)，對水泥安定性的影響很大。還有一種是在熟料冷卻過程中，由于冷卻很慢或有水氣存在，硅酸三鈣會分解形成硅酸二鈣和二次游離氧化鈣。二次游離氧化鈣水化反應(yīng)很快，不影響水泥的安定性，但會影響熟料的力學(xué)強度。

3.3 礦物尺寸不均及礦巢的成因

若熟料中的A礦晶體尺寸不均勻，說明熟料發(fā)生了急燒或輕燒，這主要是由于生料化學(xué)成分不均勻或入窯生料波動大，造成熟料局部煅燒不完全，熟料煅燒時間不足，致使熟料中礦物晶體尺寸大小不一。生料中粗顆粒煤粉形成的B礦巢，一般中間體數(shù)量比較多。若尺寸較大、緊密相連的B礦晶體圍繞孔洞緊密分布，說明生料中的粗顆粒石英較多，導(dǎo)致熟料形成礦巢[4]。

4 生產(chǎn)實例

4.1 黃心熟料

JM水泥廠2019年某段時間取樣時發(fā)現(xiàn)，出窯熟料粉狀較多，升重偏低，外觀顏色呈黑色，大多數(shù)熟料內(nèi)部為黃心，為典型的黃心料。為探明黃心熟料形成的原因，對熟料進行了巖相分析。

巖相分析發(fā)現(xiàn)，熟料中的孔洞較多，且大小分布不均勻。熟料中部分A礦與B礦存在裂紋，B礦含量較多，且成堆分布，B礦有明顯短而粗的交叉雙晶紋（見圖1）。形成原因：窯系統(tǒng)通風(fēng)不暢，窯內(nèi)氧氣不足，燃料燃燒不充分，形成了還原氣氛；還原氣氛將三價鐵還原成二價鐵，出現(xiàn)了黃心料。改進措施：調(diào)整三次風(fēng)閥開度，增加窯內(nèi)通風(fēng)；適當減少窯頭煤用量，避免窯內(nèi)長時間出現(xiàn)還原氣氛。改進后，熟料升重恢復(fù)正常，熟料礦物晶體發(fā)育較好，巖相中礦物裂紋消失（見圖2）。

圖1 黃心熟料巖相

圖2 黃心料改進后的熟料巖相

4.2 過燒熟料

HK水泥廠2020年某段時間取樣時發(fā)現(xiàn)，出窯熟料較致密，升重偏高，敲碎后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部孔洞較少，熟料過燒。為探明過燒熟料形成的原因，對熟料進行了巖相分析。

巖相分析發(fā)現(xiàn)，熟料中的A礦含量較多，且晶體尺寸粗大，B礦含量較少，游離氧化鈣含量很少（見圖3）。形成原因：回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度過高，熟料在高溫度下煅燒或停留時間過長。改進措施：適當減少窯頭煤用量，降低窯內(nèi)通風(fēng)量，降低燒成帶溫度，使熟料在正常溫度下煅燒。改進后，熟料A礦及B礦的含量和晶體尺寸恢復(fù)正常，且分布較均勻（見圖4）。

圖3 過燒熟料巖相

圖4 過燒改進后的熟料巖相

5 結(jié)語

在水泥生產(chǎn)中，利用巖相分析觀察熟料顯微結(jié)構(gòu)，能夠較好地反映熟料煅燒及冷卻情況，對水泥生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用，有助于控制和改進水泥熟料生產(chǎn)質(zhì)量。