巖相分析對(duì)水泥熟料生產(chǎn)的指導(dǎo)作用

  摘要：硅酸鹽水泥熟料其礦物組成及其物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)決定了其物理性能，同時(shí)關(guān)系到對(duì)原料、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個(gè)工藝過(guò)程的合理性判斷。因此對(duì)水泥熟料進(jìn)行礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)的巖相分析，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)作用，不僅能科學(xué)準(zhǔn)確地判斷熟料質(zhì)量好壞，還可以通過(guò)巖相分析來(lái)判斷問(wèn)題的所在。

  0 前 言

  水泥熟料生產(chǎn)的復(fù)雜性在于：熟料強(qiáng)度不僅與熟料的化學(xué)成分有關(guān)，而且與生料的化學(xué)成分及煤質(zhì)的化學(xué)組成有關(guān)；原料的化學(xué)成分相同，結(jié)晶程度不同，熟料強(qiáng)度可能會(huì)完全不同；燒成制度相同，熟料的冷卻制度不同，熟料強(qiáng)度也會(huì)千差萬(wàn)別。如何利用現(xiàn)有條件，在不改變?cè)系那闆r下，發(fā)現(xiàn)影響因素，得到更高的熟料強(qiáng)度，是我們需要關(guān)注的問(wèn)題。

  硅酸鹽水泥熟料是多礦物組成的集合體，主要由C3S、C2S、C3A、C4AF四種礦物組成，各組成的顯微結(jié)構(gòu)特征是在生產(chǎn)過(guò)程中形成的。其礦物組成及其物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)決定了其物理性能，同時(shí)關(guān)系到對(duì)原料、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個(gè)工藝過(guò)程的合理性判斷。因此對(duì)水泥熟料進(jìn)行礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)的巖相分析，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)作用，不僅能科學(xué)準(zhǔn)確地判斷熟料質(zhì)量好壞，還可以通過(guò)巖相分析來(lái)判斷問(wèn)題的所在。

  1 巖相分析的作用

  通過(guò)巖相分析可以從微觀上評(píng)價(jià)熟料質(zhì)量的優(yōu)劣，判斷工藝中可能存在的問(wèn)題，并提出改進(jìn)措施，即通過(guò)觀察熟料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：晶體的種類(lèi)、數(shù)量、分布和大小的組成變化，這些變化將直接影響熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)消耗，這樣就可以直觀地檢驗(yàn)和分析研究工藝過(guò)程的合理性，若與常規(guī)過(guò)程控制與檢驗(yàn)所采用的物理檢驗(yàn)和化學(xué)分析密切配合就很容易達(dá)到目的。

  如利用常規(guī)的化學(xué)檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)游離鈣的多少，但無(wú)法判定游離鈣產(chǎn)生的原因，而通過(guò)巖相分析則可以看出游離鈣是由于欠燒、或KH高、或冷卻引起的，即游離鈣是一次游離鈣，還是二次游離鈣。一次游離鈣是殘存的，呈圓粒狀；二次游離鈣是因慢冷，熟料在1250℃階段停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，A礦(C3S)分解成B礦(C2S)和f?CaO，呈點(diǎn)滴狀。根據(jù)成因不同，采取的對(duì)應(yīng)工藝措施也不同，只有這樣才能有效地提高水泥熟料質(zhì)量，降低生產(chǎn)消耗。

  反光顯微鏡由于制片簡(jiǎn)單，光片浸蝕后晶體的輪廓清楚，便于結(jié)構(gòu)的觀察和定性定量的測(cè)定，被廣泛應(yīng)用于水泥熟料的常規(guī)巖相分析。在反光顯微鏡下鑒別水泥熟料礦物主要根據(jù)水泥熟料的特殊晶型和借助特殊的浸蝕手段讓其浸蝕著色來(lái)加以鑒別。

  利用巖相顯微可以研究：A礦和B礦含量及其特性、大小、分布的均勻性，中間相(主要是C3A和C4AF)的含量和分布、狀態(tài)，游離鈣的含量與分布狀態(tài)，黑色中間相和白色中間相的形態(tài)及相對(duì)含量。

  利用巖相顯微的觀察結(jié)果可以判斷熟料燒成制度和原料組分的影響：不同冷卻速度的熟料、煅燒溫度低的熟料、短焰急燒的熟料、生料細(xì)度粗和生料混合不均勻的熟料、游離鈣高的熟料、液相組分不同的熟料、還原氣氛的熟料、含堿和含結(jié)晶二氧化硅(燧石)及方鎂石高的熟料。

  燒成帶長(zhǎng)度、窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度決定了熟料晶體尺寸的大小，在煅燒過(guò)程中，從長(zhǎng)焰煅燒、正常煅燒、比正常較高熱力煅燒到逼火煅燒，隨燒成帶長(zhǎng)度及窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度的逐漸減小，燒成帶熱力強(qiáng)度逐漸增加，造成晶體尺寸逐漸減小，且晶體形貌向有利于熟料質(zhì)量的方向發(fā)展，但當(dāng)燒成帶過(guò)短時(shí)，物料在燒成帶停留時(shí)間短而不能充分反應(yīng)，晶體得不到正常形成和發(fā)育，造成熟料質(zhì)量急劇下降(如竄生現(xiàn)象) ，A礦晶體尺寸普遍小于30um且整體形貌較差。延長(zhǎng)燒成帶長(zhǎng)度后，熟料晶體形貌得到改善，A礦晶體尺寸增大到30~40um左右，且表面包裹基本消失，熟料質(zhì)量得以提高。

  2 幾種熟料的巖相特征描述

  由于水泥熟料燒成過(guò)程受影響的因素很多，熟料的顯微結(jié)構(gòu)隨著生產(chǎn)條件的變化而顯示出不同的特征：

  2.1 正常熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征（見(jiàn)圖1）

  A礦呈完整形的柱狀或板狀（見(jiàn)圖2），邊緣整齊，無(wú)圓形或不規(guī)則的晶體，礦物顆粒大小均齊，包裹體少，含量約在50％~60％，晶體平均尺寸30um左右。

  B礦多數(shù)呈圓形，又有銳角交叉或平行雙晶紋（見(jiàn)圖3、圖4），礦物顆粒均齊，晶型完整，含量約在10％~20％。

  中間相含量在20％~30％；白色中間相較亮，黑色中間相相對(duì)顏色較淡，多呈樹(shù)枝狀或點(diǎn)滴狀。它們均勻充填在A、B礦之間，見(jiàn)圖5、圖6。

  A礦和B礦各自呈單晶體顆?；ハ嘟惶婢鶆蚍植加谡麄€(gè)視域；包裹和溶蝕現(xiàn)象少；f?CaO和方鎂石少；孔洞少而小。

  2.2 急燒熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征

  急燒熟料在窯內(nèi)結(jié)粒大小不均勻，受熱不均勻，在窯內(nèi)停留時(shí)間不一致。巖相結(jié)構(gòu)上也是一種不均勻的結(jié)構(gòu)，分層構(gòu)造，外層正常巖相結(jié)構(gòu)，里層為欠燒巖相結(jié)構(gòu)。A礦和B礦大小不均，特別是A礦大小懸殊，大晶體可達(dá)100um以上，小晶體僅4um左右，分布不均，各自聚集成堆，液相分布不均。熟料強(qiáng)度低。

  2.3 低溫熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征

  低溫熟料疏松多孔易碎，巖相顯微可以看到晶體發(fā)育不良，尺寸細(xì)小，A礦少且形態(tài)較差，B礦多且不定形，A、B礦分布不均，存在條帶分布現(xiàn)象，其間分布游離鈣；f?CaO多，液相少，孔洞多且大并不規(guī)則。熟料強(qiáng)度低，升重輕，燒失量高，安定性不良。欠燒熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖7。

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  2.4 還原熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征

  A礦邊緣不整齊，棱角圓鈍，且出現(xiàn)溶蝕凹缺現(xiàn)象；B礦呈手指狀、樹(shù)枝狀，尺寸較大，約60~90um；中間相多，黑、白中間相較難區(qū)分；fCaO多，一次游離鈣成堆分布，二次游離鈣與B礦共生。熟料強(qiáng)度低，凝結(jié)時(shí)間不正常，燒失量有出現(xiàn)負(fù)值的可能。還原熟料的巖相結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

  2.5 慢冷熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征

  A礦易分解成二次B礦和二次游離鈣，呈長(zhǎng)環(huán)狀分布在A礦周?chē)?，B礦發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變， β?C2S轉(zhuǎn)化為γ?C2S，體積增大10﹪，雙晶紋不明顯，甚至有不規(guī)則裂紋，中間相多呈片狀或柱狀。慢冷熟料易出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，強(qiáng)度低，安定性不良。慢冷熟料的顯微結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

  2.6 均化不良熟料的巖相結(jié)構(gòu)特征

  生料均化不好或煤灰分較高，且煤灰在窯內(nèi)沉落集中時(shí)，巖相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為：礦物分布不均，A礦、B礦、fCaO等礦物顆粒各自聚集成堆，形成礦巢，有分層現(xiàn)象，見(jiàn)圖10。

  3 生產(chǎn)實(shí)例分析

  （1）實(shí)例1

  A礦：晶體大小不均勻，晶體普遍偏小，形狀不規(guī)則，晶體多以板狀為主，部分晶體呈柱狀，部分晶體發(fā)育不完全，晶體不完整。晶體邊緣多花環(huán)構(gòu)造，A礦含量偏高，估計(jì)含量55%-60%左右。

  B礦：含量較少，呈中堆分布，晶體多呈圓粒狀，估計(jì)含量15%-17%。

  中間相：含量均勻，黑色中間相呈點(diǎn)狀和小片狀分布。

  游離鈣：含量較少，估計(jì)含量1.0%以下，多呈小堆或分散分布。

  孔洞：孔洞含量正常。

  判斷：該熟料飽和比較高，游離鈣含量低；該熟料冷卻較慢；該熟料燒成過(guò)程中有還原氣氛。

  應(yīng)對(duì)措施：調(diào)整配料方案，降低KH值；加強(qiáng)篦冷機(jī)操作，加快冷卻；找出還原氣氛產(chǎn)生的原因，加以改進(jìn)。

  （2）實(shí)例2

  A礦：棱角圓鈍，溶蝕重，大小約19~32um，最大50um，包裹物多，花環(huán)不明顯。

  B礦：礦巢多，圓度不好，形狀不規(guī)則，大小16~31um，最大38um，有較粗雙晶紋。

  中間相：呈點(diǎn)線狀，液相少。

  孔洞：多且不規(guī)則。

  游離鈣：多。

  判斷：該熟料燒成溫度稍低，冷卻速度慢，生料中含有粗粒砂巖。

  應(yīng)對(duì)措施：提高燒成溫度及二次風(fēng)溫，以加快煤粉燃燒速度，縮短窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度，同時(shí)加強(qiáng)篦冷機(jī)的操作，尤其是高溫段的淬冷操作，做好急冷，改善熟料品質(zhì)；加強(qiáng)生料工序的質(zhì)量控制，減少粗粒砂巖入窯；降低分解率，以使液相集中出現(xiàn)，減少不規(guī)則孔洞。

  （3）實(shí)例3

  A礦：尺寸偏大，最大130um ，均在20 ~75um左右，存在晶體連生現(xiàn)象，數(shù)量一般。

  B礦：尺寸偏大，最大72um ，均在16 ~49um左右，圓度不好，存在腰狀、不定形狀B礦，數(shù)量多，分布不均，有B礦礦巢存在，雙晶紋不明顯。

  中間相：呈點(diǎn)線條帶狀。

  孔洞：多且不規(guī)則。

  判斷：該熟料KH偏低，升重低，急冷差，存在溶蝕現(xiàn)象，液相提前出現(xiàn)。

  應(yīng)對(duì)措施：減少用煤量；提高二次風(fēng)溫，加快煤粉的燃燒速度，縮短火焰，減少液相提前出現(xiàn)；適當(dāng)加快窯速或降低分解率，以加快來(lái)料速度，縮短過(guò)渡帶長(zhǎng)度，以防B礦長(zhǎng)大；縮短窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度，加大篦冷機(jī)的急冷作用，減少晶體連生，提高熟料品質(zhì)；加強(qiáng)生料工序的質(zhì)量控制， 減少粗粒砂巖入窯并做好均化工作，減少B礦礦巢生成。

  不同操作方法下的熟料晶體其結(jié)構(gòu)特征不同，有時(shí)可能存在幾種特征熟料的巖相共存現(xiàn)象，導(dǎo)致熟料強(qiáng)度存在較大的差距，所以要分清主次，找出其主要巖相特征，進(jìn)行判斷。通過(guò)巖相分析可以從微觀上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，指導(dǎo)生產(chǎn)從宏觀上解決問(wèn)題，即可以通過(guò)從宏觀上控制燒成帶和窯內(nèi)冷卻帶長(zhǎng)度的方法來(lái)控制晶體尺寸大小，或控制燒成帶長(zhǎng)度與窯內(nèi)熱力強(qiáng)度之間的合理匹配，輔以冷卻速度的配合來(lái)控制熟料的微觀形貌，從而達(dá)到改善熟料性能的目的。

  4 通過(guò)巖相分析指導(dǎo)水泥熟料生產(chǎn)實(shí)踐的體會(huì)

  （1）經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐，筆者認(rèn)為通過(guò)對(duì)熟料進(jìn)行巖相檢驗(yàn)，所觀察到熟料的顯微結(jié)構(gòu)能夠反應(yīng)出窯內(nèi)的煅燒狀況及熟料的冷卻狀態(tài)、原料狀況，對(duì)指導(dǎo)、改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程起到了很大作用。

  （2）由于原燃料和生產(chǎn)工藝條件不盡相同，各水泥廠的熟料顯微結(jié)構(gòu)也不盡相同，即使同一廠，也隨生產(chǎn)過(guò)程的變化而在不斷的變化之中。

  （3）熟料顯微結(jié)構(gòu)A礦含量、晶體大小對(duì)強(qiáng)度值起主要作用，而煅燒溫度和時(shí)間是決定因素，詳盡的巖相分析報(bào)告對(duì)生產(chǎn)具有重大作用。

  （4）雖然巖相分析可以直接觀察熟料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但存在巖相分析樣品本身是否具有代表性的缺陷和樣片制作及浸蝕的影響，易出現(xiàn)偏差，但只要加強(qiáng)取樣工作和制片、浸蝕操作，有針對(duì)性的取樣，存在的不足是可以得到改善的，還是可以發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題的。

  （5）在巖相分析中所反映出來(lái)的種種有利或不利的工藝因素，在水泥生產(chǎn)過(guò)程中是客觀存在的，所以巖相檢驗(yàn)在水泥生產(chǎn)過(guò)程中有著它獨(dú)特的作用，具有普遍的指導(dǎo)意義。