熟料巖相分析在水泥生產中的應用

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線，1號2 000t/d水泥熟料生產線于1997年5月建成投產，該生產線全套引進德國KHD公司設備與技術；2號2 500t/d水泥熟料生產線于2004年12月建成投產，2015年進行改造，目前產量可達3 000t/d左右。該公司2020年前7個月生產的水泥熟料強度不理想，熟料28d抗壓強度＜54MPa，混合材摻量偏低。為了提高水泥熟料強度，2020年5月，筆者對該公司水泥熟料進行了巖相觀察，結合化學成分、礦物組成的分析及孔隙率等進行了綜合性評判，查找了熟料煅燒中的問題和強度低的原因，提出了改進生產、提高熟料強度和質量的方法。

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構形態特征受水泥熟料生產過程的影響而不同。而硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及其微觀結構決定了其物理性能，同時關系到對水泥熟料原料組成、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個工藝過程合理性的判斷[1]。

2 熟料的化學成分

選取質量差異大的熟料樣品進行分析，觀察熟料外觀發現，熟料結構不甚致密，結粒明顯不均勻，小顆粒偏多，部分大顆粒外表呈黑色，內部呈棕黃色，熟料有少量黃心料。熟料物理檢測數據見表1。

表1 熟料物理檢測數據

熟料化學成分分析結果見表2，從表中數據來看，該公司熟料硅率還有上調的空間。一般而言，影響水泥熟料強度的主要因素是硅酸鹽的C3S礦物含量，C3S含量不僅對熟料的早期強度有影響，而且對熟料的28d強度也有影響。從表3熟料的XRD分析結果來看，該公司熟料中C3S含量波動較大，相應會帶來熟料強度的波動。

表2 熟料化學成分分析結果，%

表3 熟料XRD分析結果，%

3 熟料巖相分析

對熟料的表觀與剖面、內部孔隙率、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行了巖相分析，因熟料巖相分析是對其本身的微觀細節的觀察，觀察到的范圍會很小，為了保證樣品本身的代表性，選取了當日熟料混合樣品進行破碎篩分，隨機選取部分顆粒進行鑲嵌打磨，同時對未破碎的樣品特征進行記錄以驗證熟料巖相分析結果。

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，計算兩類像素的“最大類間方差”，得到二值圖后再進行巖相孔隙率的計算（見圖1）。

圖1 巖相孔隙率計算示意圖

計算結果顯示，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之內[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的礦巢分布見圖2。

圖2 熟料200714和200721的礦巢分布（200μm）

生料的細度與均勻度對熟料的燒成質量影響顯著。當生料中含有較多的粗顆粒時，反應不完全，熟料在顯微結構上常呈現出所謂礦群結構，即一種礦物的不規則聚集，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礦發育較好，邊界部分毛邊分解，部分內有孔洞與包裹物。

熟料200721：A礦形態較好，發育一般，較多熔蝕連接，＜15μm小尺寸A礦較多，部分內有孔洞與包裹物。熟料200714和200721的A礦形貌見圖3。

圖3 熟料200714和200721的A礦形貌（20μm）

熟料200714和200721的A礦尺寸分布見圖4。根據圖4統計，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礦尺寸相對偏小，主要集中在10～25μm，占比66%。當熟料中A礦晶體形狀規則，尺寸在25～30μm之間時，熟料強度為最好[4]。對比數據說明，熟料200714樣品的煅燒溫度與時間，比熟料200721樣品好。從兩個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。

兩個熟料樣品中，C2S占比較低，對熟料強度影響較小，但兩個樣品的B礦形態均有手指、破布狀，并且熟料部分為黃芯，說明窯內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，主要呈點片狀，點線狀。

熟料200721：C3A析晶少，主要呈點片狀，部分線狀。

觀察發現，強度高的樣品C3A析晶少，主要呈點線狀，少部分呈片狀；強度低的樣品C3A呈點滴狀，說明窯系統篦冷機冷卻效率偏低。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

綜合分析兩個熟料樣品發現：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，說明篦冷機冷卻物料效率稍低。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晶粗大的B礦巢，說明生料存在較多粗顆粒石英；熟料煅燒溫度偏低，A礦整體尺寸偏小；高溫煅燒完成后在1 300～1 000℃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；篦冷機冷卻情況與熟料200714樣品相差不大。

4 改進方案及效果

通過巖相分析發現，該熟料生產線存在以下問題：

（1）生料含有較多粗顆粒石英且均勻性偏差；

（2）窯內局部存在還原氣氛；

（3）窯內煅燒溫度控制不合理；

（4）窯冷卻效果偏差。

針對該生產線存在的問題，提出了以下改進方案：

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

（2）將生產線生料細度（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，改善窯內局部還原氣氛。

（4）穩定喂煤系統，減少喂煤量波動。

（5）調整窯頭燃燒器內、外用風壓力，減少還原料。

按上述改進方案優化調整后，再次取樣檢測發現：熟料孔隙率下降至35%；游離氧化鈣受控，粗顆粒石英很少見到，B礦礦巢形狀變小，分布較調整前均勻；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，說明篦冷機冷卻效率變化不大。調整后的熟料巖相見圖7。

圖7 調整后熟料巖相

優化調整后，兩條生產線熟料28d抗壓強度穩定在57MPa左右，強度提升明顯，P·O42.5水泥混合材摻量由13%升至15%。圖8為熟料28d抗壓強度平均值統計（7月份為調整后）。

圖8 2020年熟料28d抗壓強度平均值統計（7～10月為優化調整后的數據）

5 結語

通過巖相分析，可以分析熟料的性能，計算熟料的孔隙率，觀察熟料的顯微結構，判斷窯內的煅燒狀況及熟料的冷卻狀況和原料狀況，進而提出優化改進措施，指導實際生產。巖相分析在水泥生產中有著獨特的作用。