水泥熟料的微細結(jié)構(gòu)

1 水泥熟料晶體結(jié)構(gòu)

水泥熟料主要成分為C3S、C2S、C3A和C4AF等四種晶體，其中C3S、C2S是固體，C3A和C4AF在燒成帶呈熔融狀，冷卻后呈固體。

使用顯微鏡觀測熟料內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)、晶體尺寸、形態(tài)、顏色等圖像信息控制熟料質(zhì)量已進行多年。熟料內(nèi)晶體主要由占總量50%～90%的硅酸三鈣（C3S）組成，當(dāng)煅燒溫度＞1 250℃時，通過C2S和CaO相互反應(yīng)生成。其特點是帶邊角的晶體，通常快速加熱反應(yīng)的二邊間距為15～20μm、慢速加熱為40～60μm，常規(guī)速度加熱為30～40μm。另一個晶體由占總量10%～40%的C2S組成，在煅燒溫度為900℃～1 200℃時，由CaO和SiO2反應(yīng)生成。當(dāng)燒成帶熟料溫度＞1 400℃時，C2S長時期在此溫度下呈圓形，晶格間距為25～40μm，而短時間反應(yīng)則為10μm，常規(guī)反應(yīng)為15～20μm。

另外，在工業(yè)生產(chǎn)的熟料中鋁酸三鈣（C3A）呈立方、四方體等多晶形態(tài)，在反光鏡下，通?？炖涑庶c滴狀，慢冷呈矩形和塊狀，暗灰色，一般稱黑色中間相。鐵鋁酸四鈣（C4AF）常呈棱柱狀和圓柱狀晶體，在反光鏡下呈亮白色。除上述四種晶體外，還存在少量方鎂石（MgO）和游離氧化鈣（fCaO），方鎂石（MgO）的集合體呈粒狀，在反光鏡下呈多角形，一般為粉紅色，晶格尺寸隨冷卻速率變化，快冷結(jié)晶細小。游離氧化鈣（fCaO）在偏光鏡下為無色圓形顆粒，有明顯解理，在反光鏡下呈彩虹色。

上述各種成分的巖相結(jié)構(gòu)見圖1。

2 熟料巖相在水泥生產(chǎn)中的作用

熟料的微細結(jié)構(gòu)和水泥性能有關(guān)，更與熟料的成分和煅燒工況存在著密切的關(guān)系?？陀^上與熟料在煅燒過程中生料的化學(xué)成分、顆粒細度及高溫窯料、熟料和火焰長短，煙氣氣氛和煅燒過程的溫度以及窯料形成熟料的時間和高溫熟料的冷卻速度等均有關(guān)。此外，熟料中各個相的水化反應(yīng)也是不一致的，只有通過熟料巖相的微細結(jié)構(gòu)檢測才能揭示熟料煅燒工況及水泥性能的情況，這是水泥廠物化性能測試的一個十分有價值的工具，萁主要作用有以下幾方面。

圖1 水泥熟料主要成分微細結(jié)構(gòu)圖

2.1 質(zhì)量控制

水泥廠應(yīng)定期檢測熟料巖相。當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)所測得的巖相微細結(jié)構(gòu)與工廠的“標準試樣”的微細結(jié)構(gòu)相比發(fā)生變化時（如晶體種類、數(shù)量、晶體尺寸、晶體形態(tài)、分布及晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的變化等），可根據(jù)巖相變化情況做出改進，改變煅燒過程的有關(guān)參數(shù)，如生料化學(xué)成分、生料細度、熟料率值及窯內(nèi)熟料煅燒溫度、煅燒時間及煅燒和冷卻速率等，從而改善熟料的質(zhì)量。

常規(guī)的物理檢測的水泥強度和細度及化學(xué)測試的fCaO含量等有關(guān)參數(shù)，對質(zhì)量控制確有指導(dǎo)價值，但有一定的滯后性，對全面控制質(zhì)量有局限性。而巖相檢測的時間短，檢測的結(jié)果能夠全面地反映出有關(guān)生料及熟料煅燒過程的情況，有利于質(zhì)量的全面控制。

圖2 C3S晶體內(nèi)的藍色C2S晶體

圖3 C3S晶體內(nèi)的熔融物

圖4 孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶體包圍

圖5 C3S晶體內(nèi)含有C2S和熔融體

圖7 慢冷窯皮內(nèi)C2S和多態(tài)內(nèi)含物

2.2 排除生產(chǎn)問題

當(dāng)熟料生產(chǎn)和水泥性能出現(xiàn)問題時，熟料的微細結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果能夠提供熟料性能存在的問題，有關(guān)人員可針對問題進行分析，找出產(chǎn)生的原因并提出解決的辦法。

2.3 監(jiān)控生產(chǎn)變化

熟料生產(chǎn)過程中，當(dāng)生產(chǎn)狀況改變時（如原燃料性能變化、燃燒器位置及火焰形狀改變、窯內(nèi)煙氣氣氛改變等），改變前后的巖相檢測十分重要，有關(guān)技術(shù)、操作人員需根據(jù)熟料微細結(jié)構(gòu)變化的情況及變化過程，采取相應(yīng)措施，及時進行調(diào)節(jié)，從而達到改變效果。

3 巖相技術(shù)的進展

近些年來，歐洲的一些水泥企業(yè)，限于生產(chǎn)費用和環(huán)保條令的限制，開始逐年增大使用低品位原料和工業(yè)廢燃料的力度，再加上粉塵排放回收量的提高，最終使堿、氯、硫等有害化合物以及微量元素化合物在窯內(nèi)的循環(huán)增加，給生產(chǎn)帶來了復(fù)雜性。上述元素化合物進入熟料內(nèi)，使熟料晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，主要是C3S和C2S晶體從單一形態(tài)轉(zhuǎn)為晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的變化。此外，堿、硫化合物的揮發(fā)循環(huán)更增加了系統(tǒng)的控制難度，及時檢測熟料的巖相結(jié)構(gòu)，有利于分析窯內(nèi)工況，并及時進行調(diào)節(jié)，有利于生產(chǎn)和保證熟料質(zhì)量。

International Cement Review雜志2016年8月刊登了Arthur Harrison的文章，對大量使用低品位原料和工業(yè)廢燃料所產(chǎn)生的水泥熟料晶體內(nèi)多態(tài)內(nèi)含物的成因進行了解釋，其內(nèi)容較為復(fù)雜。本文僅對有關(guān)晶體圖片作一介紹，希望引起有關(guān)人士重視。圖片主要有：C3S晶體內(nèi)藍色C2S晶體（圖2），C3S晶體內(nèi)熔融物（圖3），孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶格包圍（圖4），C3S內(nèi)含有C2S和熔融體（圖5），C3S外部邊角清晰可見的C3S內(nèi)不同部位含有大量的多態(tài)內(nèi)含物（圖6），慢冷窯皮內(nèi)的C2S及多態(tài)內(nèi)含物（圖7）。

陳友德編譯自

No.8/2016

International Cement Review