巖相分析在水泥生產中的應用實踐

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企業主要利用物理檢測和化學分析的方法，分析水泥生料與熟料的化學成分和物理性能，進而調整生料成分，調節熟料燒成系統溫度及壓力，達到控制熟料質量的目的。然而化學成分分析方法還需結合理論計算才能得到熟料礦物大致含量。僅依靠化學成分分析方法，無法直接觀察熟料礦物的微觀結構，不能準確判斷出熟料質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量問題，易影響正常生產操作。若與巖相分析相結合，則能夠彌補這些不足。巖相分析能夠顯示礦物的結構特征，根據礦物結構特征判斷熟料質量波動的原因，為穩定和提高熟料質量提供依據。

1 熟料質量影響因素

1.1 生料配料與粒度

水泥生產中生料配料方案不同，會使生料的化學成分發生變化，進而影響水泥熟料的礦物組成及含量。水泥生產過程中，應依據原燃材料種類與質量，結合熟料煅燒工藝，選擇合適的三率值控制區間。同時，水泥生料的粒度與均勻程度也會影響水泥熟料的質量。當水泥生料中的粗顆粒數量較多時，生料煅燒反應不充分，通常會在熟料中形成礦巢結構（礦物晶體作不規則聚集），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。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，導致礦巢的形成。若生料配料波動，煤灰成分不穩定，生料均化效果差，也會影響熟料質量。

1.2 煅燒溫度

熟料煅燒是水泥生產過程中的關鍵環節，煅燒工藝參數控制直接影響熟料的煅燒質量。煅燒溫度過高或熟料在燒成區域煅燒時間過長，熟料可能出現過燒現象。過燒熟料中阿利特礦物發育充分，晶體尺寸完整粗大，游離氧化鈣含量極少，孔洞較少[1]。發育完整的阿利特礦物水化反應能力差、活性低，雖然阿利特礦物含量較高，但這種熟料的力學強度仍然較低。

窯內煅燒溫度過低或熟料在燒成區域反應時間過短，熟料可能出現欠燒現象。此時液相含量較少，因熟料中多數礦物主要通過固相反應產生，礦物晶體發育較差，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；貝利特礦物形態不規則，表面光滑沒有明顯交叉雙晶，不易與阿利特區別；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，熟料的力學強度不高。

1.3 冷卻速度

實際生產中，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型轉變，有助于提高熟料的水化反應活性。熟料的冷卻速率對熟料質量有一定影響，一般可以依據熟料礦物巖相結構特征來判斷熟料的冷卻效果。快速冷卻的熟料微觀結構通常表現為阿利特礦物較小，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較大且不規則，邊棱比較模糊。

1.4 窯內氣氛

熟料一般是在微氧化氣氛的回轉窯內煅燒形成，顏色呈灰黑色。窯內通風量不足或煤粉顆粒較粗等可能導致煤粉燃燒不充分，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，熟料內芯會出現其他異常顏色，可能生成黃心料和白心料。熟料夾芯料外層部分的微觀結構與正常熟料相同，但是內部異色部分的微觀結構與正常熟料差異明顯。內部異色熟料中，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，存在熔蝕和花環狀，貝利特晶體形狀也不規則。

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）多數為完整的柱狀或六角板狀，礦物邊緣整齊規則，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

急燒熟料在窯內的停留時間不一致，煅燒受熱程度不均勻，熟料結粒大小不均勻。急燒熟料巖相結構表現為一種不均勻的結構，呈現分層現象，外層部分為正常熟料的巖相結構，內部熟料為欠燒熟料的巖相結構[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育不完全，礦物晶體尺寸較小。A礦含量較少且形狀不規則，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。熟料的中間相數量多，黑色和白色中間相較難區別，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礦呈長環狀分布在A礦周圍。B礦產生晶型轉變，β-C2S轉化為γ-C2S，體積增大10%，晶體雙晶紋不明顯，可能出現不規則裂紋。熟料中間相多數為片狀或柱狀。慢冷熟料易出現粉化現象，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，孔洞數量偏少；欠燒和輕燒熟料，孔洞數量偏多。熟料中孔洞偏多的原因主要是：生料均化程度較差，導致入窯生料化學成分波動較大；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℃溫度區間內形成，低溫游離氧化鈣疏松多孔，水化反應速度較快，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，結構致密，不易發生水化反應，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很快，不影響水泥的安定性，但會影響熟料的力學強度。

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，說明熟料發生了急燒或輕燒，這主要是由于生料化學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，導致熟料形成礦巢[4]。

4 生產實例

4.1 黃心熟料

JM水泥廠2019年某段時間取樣時發現，出窯熟料粉狀較多，升重偏低，外觀顏色呈黑色，大多數熟料內部為黃心，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。

巖相分析發現，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：窯系統通風不暢，窯內氧氣不足，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，出現了黃心料。改進措施：調整三次風閥開度，增加窯內通風；適當減少窯頭煤用量，避免窯內長時間出現還原氣氛。改進后，熟料升重恢復正常，熟料礦物晶體發育較好，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現，出窯熟料較致密，升重偏高，敲碎后發現，內部孔洞較少，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。

巖相分析發現，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，降低窯內通風量，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 結語

在水泥生產中，利用巖相分析觀察熟料顯微結構，能夠較好地反映熟料煅燒及冷卻情況，對水泥生產有一定的指導作用，有助于控制和改進水泥熟料生產質量。