水泥熟料率值对其烧结线收缩率的影响

2020-02-08朱金阳曹德光柏秀奎方盛楠陈春燕

四川建材 2020年1期

朱金阳，曹德光，2，柏秀奎，林华，方盛楠，陈春燕

(1.广西大学资源环境与材料学院，广西南宁 530002；2.广西生态型铝产业协同创新中心，广西南宁 530002；3.广西理工职业技术学校，广西南宁 532200)

0 前言

水泥熟料的煅烧中，液相发挥三个重要作用：①中温下起到团粒的作用；②在过渡带吸附游离的SiO2和CaO生成C3S；③在烧结温度范围下，C2S逐渐熔于液相与f-CaO发生固相反应、生成C3S。随着温度的升高和时间的延长，C3S晶核不断形成并长大，最终形成阿利特晶体[1]。同时，晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑、结构致密的熟料、并伴随着体积收缩[2-3]。熟料收缩率虽不是质量评价指标之一，但其实质为烧结的致密程度。高品位原料、适宜的率值及细度，煅烧后生成矿物形态完整、分布均匀、排列紧密，孔洞少、小，则熟料线收缩率增大并逐步接近收缩极限值[4]。反之则易使熟料疏松，收缩小。一般收缩大的熟料立升重也会较大，游离氧化钙会相对较少，不容易产生飞砂。因此，熟料的线收缩值不仅反映了熟料的立升重等质量指标，而且是评价原料飞砂特性的煅烧工艺参数指标。王善拔[5]、李涛等[6]认为：若是配料液相量少、液相黏度太大、表面张力太小，熟料结粒小，在还原气氛中煅烧，火焰太长，锻烧温度不够高等都容易起飞砂现象。

总的来说，率值对液相含量、液相量黏度大、表面张力有显著影响[7]。以上的液相性质会致使烧结线收缩率有差异，在生产上表现为熟料立升重、飞砂料现象。为了能从定量的角度了解配料率值对熟料线收缩影响，本试验从改变原料率值入手，探究熟料率值和熟料烧结线收缩率的关系，为解决熟料煅烧产生飞砂现象、优化熟料立升重等问题提供试验数据参考。

1 实验方案和数据

本实验采用单因素变量法研究单3个熟料率值变化对熟料烧结线收缩率的影响[8]。实验原料取自某熟料生产线，其化学组成如表1所示。

表1 原料化学组成 %

3个熟料率值以KH = 0.90、SM = 2.72、IM = 1.20为基准，原料经球磨机粉磨相同时长后按表2的梯度率值配料。采用混料机将生料混合均匀。烧制前用直径40 mm(以下记为D1)的圆筒模具在压片机下以20 MPa压力加压10 s将生料成型得到生料圆片。将所有的生料圆片统一放入高温炉煅烧至1 400℃保温30 min后取出急冷至室温。用游标卡尺(测量精度为0.001 mm)测量熟料圆片直径D2。熟料线收缩率Y按照以下公式进行计算：

Y=(D1-D2)/D1×100%

(1)

1 400℃的液相量公式为：

L=2.95Al2O3+2.2Fe2O3+MgO+R2O[2]

(2)

将各配方的Al2O3含量、氧硅比值(O/Si)、扣除C2S、C3S后的氧铝比值(下文简称为O/Al)、黏土矿的含量、液相量以及实验测得的线收缩率结果列入表2。

表2 各配方的实验数据

烧结得到的熟料样品在5倍物镜下观察熟料孔洞尺寸及分布特征；在50倍物镜下观察熟料矿物的种类、含量和尺寸，以此对熟料线收缩率结果进行分析佐证。

2 实验结果分析

通过实验的结果发现，三率值的变化对熟料线收缩率的影响都有一定规律，见图1。

图1 三率值变化对应的线收缩率、液相量和O/Al

2.1 KH值对熟料线收缩率的影响分析

由表2、图1可知，KH值增大液相量从25.36%降到21.03%，线收缩率从15.45%上升到18.77%。图2为 K1、K4、K6的岩相，可以看到：5倍显微镜下低KH值时的熟料孔洞密集且孔径较大；KH值增大时，孔洞数量减少，但仍有大孔径孔洞。岩相结构证明了低饱和比样品的液相相对较多，但烧结收缩较小的现象。可见，液相量越高并不一定使熟料烧结收缩增大。50倍显微镜下K1岩相结构紧密，几乎都是B矿；K4样品生成较多板状的C3S，尺寸不均；K6的样品，A矿的尺寸更大但不均匀，应是受到液相量、表面张力降低的影响。

结合表2可知，KH值增大，CaO增多，所用黏土矿少量降低，Al含量的降低，O/Si和扣除C2S、C3S后的O/Al增高，硅氧四面体、铝氧四面体间的连接聚合度下降，液相粘度降低，一方面促进C2S融进液相吸收CaO生成更多更大的C3S；另一方面，虽然液相量在降低，但仍保有21%以上的含量，较低粘度的液相对析出的结晶相润湿更好，气体的排出更顺利，岩相图(见图2)中小尺寸气孔减少，总气孔量降低，促进了熟料烧结，烧结收缩率变大。因此，液相粘度成为影响烧成收缩率的主因，液相量的减小成为次要因素。

图2 K1、K4、K6样品在5倍和50倍显微镜下的岩相

2.2 IM值对熟料线收缩率的影响分析

由表2、图1可知，IM值从0.89增至1.46时，线收缩呈先减后增的趋势，最大差值为1.54%。I1、I4、I6样品在5倍和50倍显微镜下的岩相见图3。通过图3可以看到：低倍数下，线性收缩率最低的I2的孔洞呈贯穿状，孔隙率明显大于I1和I6。高倍数显微镜观察到I1看到紧密生长在一起的矿巢；I2的A、B矿明显，两者尺寸差别不大，但结构较为疏松；I6样品A矿严重连生,主要呈长径比较大的板柱状和结晶细小的片状,含大量细小包裹物及游离钙[9]。

图3 I1、I4、I6样品在5倍和50倍显微镜下的岩相

IM由小到大代表了熟料中的Al2O3含量不断上升，液相含量略微增加；O/Al、Fe2O3的含量不断降低。Al2O3在高温熔体中作中间体，Al2O3含量较少时，铝离子起到网络形成剂的作用，促使液相粘度升高，难以润湿晶体颗粒，烧结收缩作用降低；随着Al2O3的进一步增加，含碱氧化物最多的黏土矿和液相量持续增大，碱氧化物、多余的Al2O3起到的是网络改变剂的作用，降低了液相粘度，导致熟料烧结作用逐步增大，熟料烧结收缩率逐渐变大。因此，熟料烧结收缩率随Al2O3的增加呈现先降后升的规律。文献[2-3]中观察到在IM值低于1的时候，利于烧结线收缩大的现象；文献[10]认为Al2O3有利于结粒和固相反应，两种看似矛盾的实验结果在本分析中得到了统一。本实验的条件下，IM值为1.1左右是液相粘度的转折点。

2.3 SM值对线收缩率的影响分析

由图1看到，线收缩随SM增大呈现先增后减的趋势，最大差值仅为0.87%，线收缩在SM=2.65达到最大值。由表2知SM值增大，液相量持续减少，总减少了6.68%，这势必导致烧结收缩率的降低，熟料难以被烧结；另一方面，随着SM值的增大，SiO2和CaO含量增加，Al2O3和Fe2O3减少导致液相黏度下降。故SM增加的初期，液相保有量仍然很大，液相粘度的下降成为影响烧结收缩的主因，因此，SM上升初期，收缩率表现为增加，随后，由于黏土使用量、O/Si下降，液相量继续下降，生料易烧性变差[7]，烧结收缩率开始表现为降低。

图4 SM1、SM4、SM6样品的岩相分析

对S1、S4、S6三个样品进行岩相分析。图4中，低倍数下看到收缩率最大的S4比S1、S6样品的孔洞少且孔径相对较小。高倍数显微镜观察到S1样品中尺寸较大的A、B矿，说明烧成液相粘度较低，液相量仍可观，晶体易于长大；烧结线收缩率最高的S4相对S1来说，中间相略少，A矿尺寸相似，矿物更紧密，说明在较低的粘度条件下，液相对硅酸盐矿物的润湿较好。在SM超过2.5之后，液相量持续下降，加上SiO2过多体系中硅氧四面体由岛状变为层状、架状，液相黏度急剧增加，烧结反应率降低[10-11]，使得熟料烧结线收缩急剧降低。所以SM对线收缩的影响为先使其上升再下降。

综上分析可知，当硅酸盐水泥熟料体系在液相量达到20%以上时，生料中的O/Al比是影响烧成收缩率的主要因素：当O/Al比增大时会极大的降低黏度，液相黏度低则烧结线收缩变大。