熟料岩相分析在水泥生产中的应用

2021-08-15班龙任兵建陶从喜钟煜徐顺伟

水泥技术 2021年4期

班龙，任兵建，陶从喜，钟煜，徐顺伟

某公司有两条水泥熟料生产线，1号2 000t/d水泥熟料生产线于1997年5月建成投产，该生产线全套引进德国KHD公司设备与技术；2号2 500t/d水泥熟料生产线于2004年12月建成投产，2015年进行改造，目前产量可达3 000t/d左右。该公司2020年前7个月生产的水泥熟料强度不理想，熟料28d抗压强度＜54MPa，混合材掺量偏低。为了提高水泥熟料强度，2020年5月，笔者对该公司水泥熟料进行了岩相观察，结合化学成分、矿物组成的分析及孔隙率等进行了综合性评判，查找了熟料煅烧中的问题和强度低的原因，提出了改进生产、提高熟料强度和质量的方法。

1 硅酸盐水泥熟料矿物组成

硅酸盐水泥熟料是多矿物组分的集合体，主要由C3S、C2S、C3A、C4AF四种矿物组成，各矿物组分的显微结构形态特征受水泥熟料生产过程的影响而不同。而硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其微观结构决定了其物理性能，同时关系到对水泥熟料原料组成、粉磨、均化、烧成、冷却等整个工艺过程合理性的判断[1]。

2 熟料的化学成分

选取质量差异大的熟料样品进行分析，观察熟料外观发现，熟料结构不甚致密，结粒明显不均匀，小颗粒偏多，部分大颗粒外表呈黑色，内部呈棕黄色，熟料有少量黄心料。熟料物理检测数据见表1。

表1 熟料物理检测数据

熟料化学成分分析结果见表2，从表中数据来看，该公司熟料硅率还有上调的空间。一般而言，影响水泥熟料强度的主要因素是硅酸盐的C3S矿物含量，C3S含量不仅对熟料的早期强度有影响，而且对熟料的28d强度也有影响。从表3熟料的XRD分析结果来看，该公司熟料中C3S含量波动较大，相应会带来熟料强度的波动。

表2 熟料化学成分分析结果，%

表3 熟料XRD分析结果，%

3 熟料岩相分析

对熟料的表观与剖面、内部孔隙率、游离氧化钙与方镁石等矿物的分布、A矿B矿尺寸分布和形状边界及中间相进行了岩相分析，因熟料岩相分析是对其本身的微观细节的观察，观察到的范围会很小，为了保证样品本身的代表性，选取了当日熟料混合样品进行破碎筛分，随机选取部分颗粒进行镶嵌打磨，同时对未破碎的样品特征进行记录以验证熟料岩相分析结果。

3.1 孔隙率

采集熟料岩相50倍图片，用大津（OTSU）法将图片按灰度特性分为两类像素，计算两类像素的“最大类间方差”，得到二值图后再进行岩相孔隙率的计算（见图1）。

图1 岩相孔隙率计算示意图

计算结果显示，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 游离氧化钙

观察两个样品游离氧化钙分布，较多的主要是一次游离氧化钙，游离氧化钙分布均匀，有的呈小堆分布，为正常煅烧的熟料，游离氧化钙含量在控制指标之内[2]。

3.3 矿物分布分析

熟料200714：A矿分布较均匀；B矿主要以矿巢聚集，矿巢尺寸较小，由少部分粗石英颗粒相形成。

熟料200721：A矿分布不均匀，大尺寸A矿较多聚集；B矿主要以矿巢聚集，矿巢尺寸较大，粗石英颗粒相形成的矿巢大且多，有少部分矿巢呈带状。熟料200714和200721的矿巢分布见图2。

图2 熟料200714和200721的矿巢分布（200μm）

生料的细度与均匀度对熟料的烧成质量影响显著。当生料中含有较多的粗颗粒时，反应不完全，熟料在显微结构上常呈现出所谓矿群结构，即一种矿物的不规则聚集，但矿物颗粒之间仍有明显的界线，且矿巢边缘大多保持着生料粗颗粒的外形[3]。

3.4 A矿分析

熟料200714：A矿发育较好，边界部分毛边分解，部分内有孔洞与包裹物。

熟料200721：A矿形态较好，发育一般，较多熔蚀连接，＜15μm小尺寸A矿较多，部分内有孔洞与包裹物。熟料200714和200721的A矿形貌见图3。

图3 熟料200714和200721的A矿形貌（20μm）

熟料200714和200721的A矿尺寸分布见图4。根据图4统计，熟料200714样品A矿尺寸主要集中在15～35μm，占比72%，＞15μm的A矿仅占6%，＜35μm占21%。而熟料200721样品A矿尺寸相对偏小，主要集中在10～25μm，占比66%。当熟料中A矿晶体形状规则，尺寸在25～30μm之间时，熟料强度为最好[4]。对比数据说明，熟料200714样品的煅烧温度与时间，比熟料200721样品好。从两个样品的尺寸中可以观察出，该窑的熟料煅烧情况整体还有提升的空间。

图4 熟料200714和200721的A矿尺寸分布

3.5 B矿分析

熟料200714：B矿主要为手指、破布状，较少部分为类圆形。

熟料200721：B矿主要为毛边状，少部分为类圆形与手指、破布状。

两个熟料样品中，C2S占比较低，对熟料强度影响较小，但两个样品的B矿形态均有手指、破布状，并且熟料部分为黄芯，说明窑内存在慢冷与还原气氛。图5为熟料200714和200721的B矿形貌。

图5 熟料200714和200721的B矿形貌（20μm）

3.6 中间相分析

熟料200714：C3A析晶少，主要呈点片状，点线状。

熟料200721：C3A析晶少，主要呈点片状，部分线状。

观察发现，强度高的样品C3A析晶少，主要呈点线状，少部分呈片状；强度低的样品C3A呈点滴状，说明窑系统篦冷机冷却效率偏低。图6为熟料200714和200721的中间相形貌。

图6 熟料200714和200721的中间相形貌（20μm）

3.7 综合分析

综合分析两个熟料样品发现：熟料200714的生料均匀性较好，粗颗粒石英也较少；生料煅烧后采用高温锻烧，受热不均匀，A矿主要是六方板状，尺寸集中，少部分较大，造成A矿整体尺寸分布范围偏大，尺寸分布不够集中；高温煅烧完成后在1 300℃～1 000℃冷却慢，造成A矿部分边界分解，A矿包裹B矿；B矿呈手指破布状，生料部分黄芯料，局部存在还原气氛；部分C3A晶体析出形成片状，说明篦冷机冷却物料效率稍低。熟料200721生料均匀性偏差，以带状存在的B矿少，存在较多由粗颗粒石英形成的结晶粗大的B矿巢，说明生料存在较多粗颗粒石英；熟料煅烧温度偏低，A矿整体尺寸偏小；高温煅烧完成后在1 300～1 000℃间冷却稍慢，造成A矿包裹B矿；B矿部分手指、破布状，生料部分黄芯料，局部存在还原气氛；篦冷机冷却情况与熟料200714样品相差不大。

4 改进方案及效果

通过岩相分析发现，该熟料生产线存在以下问题：

（1）生料含有较多粗颗粒石英且均匀性偏差；

（2）窑内局部存在还原气氛；

（3）窑内煅烧温度控制不合理；

（4）窑冷却效果偏差。

针对该生产线存在的问题，提出了以下改进方案：

（1）调整配料方案，按优先顺序优化配料，SM由2.20调整到2.40～2.45，KH为0.905，AM为1.4～1.6。

（2）将生产线生料细度（0.2mm筛）控制在（1.0±0.5）%。

（3）提高烧成带温度，控制窑头喂煤量，改善窑内局部还原气氛。

（4）稳定喂煤系统，减少喂煤量波动。

（5）调整窑头燃烧器内、外用风压力，减少还原料。

按上述改进方案优化调整后，再次取样检测发现：熟料孔隙率下降至35%；游离氧化钙受控，粗颗粒石英很少见到，B矿矿巢形状变小，分布较调整前均匀；A矿尺寸形状呈六方板状且分布较合理；部分A矿包裹B矿，高温冷却依然偏慢；B矿呈类圆形，主要为小矿巢分布，部分分布较好；C3A晶体析出呈片状，说明篦冷机冷却效率变化不大。调整后的熟料岩相见图7。