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        巖相分析在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用實踐

        2021-10-27 08:28:00朱兵兵鄒興芳梁進
        水泥技術(shù) 2021年5期

        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(zhǔn)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(dāng)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。快速冷卻的熟料微觀結(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(dāng)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(dāng)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。

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