岩相分析对水泥熟料生产的指导作用

  摘要：硅酸盐水泥熟料其矿物组成及其物质的微观结构决定了其物理性能，同时关系到对原料、粉磨、均化、烧成、冷却等整个工艺过程的合理性判断。因此对水泥熟料进行矿物组成及显微结构的岩相分析，对生产过程具有重要的指导作用，不仅能科学准确地判断熟料质量好坏，还可以通过岩相分析来判断问题的所在。

  0 前 言

  水泥熟料生产的复杂性在于：熟料强度不仅与熟料的化学成分有关，而且与生料的化学成分及煤质的化学组成有关；原料的化学成分相同，结晶程度不同，熟料强度可能会完全不同；烧成制度相同，熟料的冷却制度不同，熟料强度也会千差万别。如何利用现有条件，在不改变原料的情况下，发现影响因素，得到更高的熟料强度，是我们需要关注的问题。

  硅酸盐水泥熟料是多矿物组成的集合体，主要由C3S、C2S、C3A、C4AF四种矿物组成，各组成的显微结构特征是在生产过程中形成的。其矿物组成及其物质的微观结构决定了其物理性能，同时关系到对原料、粉磨、均化、烧成、冷却等整个工艺过程的合理性判断。因此对水泥熟料进行矿物组成及显微结构的岩相分析，对生产过程具有重要的指导作用，不仅能科学准确地判断熟料质量好坏，还可以通过岩相分析来判断问题的所在。

  1 岩相分析的作用

  通过岩相分析可以从微观上评价熟料质量的优劣，判断工艺中可能存在的问题，并提出改进措施，即通过观察熟料的内部结构：晶体的种类、数量、分布和大小的组成变化，这些变化将直接影响熟料的产量、质量和生产消耗，这样就可以直观地检验和分析研究工艺过程的合理性，若与常规过程控制与检验所采用的物理检验和化学分析密切配合就很容易达到目的。

  如利用常规的化学检验可以发现游离钙的多少，但无法判定游离钙产生的原因，而通过岩相分析则可以看出游离钙是由于欠烧、或KH高、或冷却引起的，即游离钙是一次游离钙，还是二次游离钙。一次游离钙是残存的，呈圆粒状；二次游离钙是因慢冷，熟料在1250℃阶段停留时间过长，A矿(C3S)分解成B矿(C2S)和f?CaO，呈点滴状。根据成因不同，采取的对应工艺措施也不同，只有这样才能有效地提高水泥熟料质量，降低生产消耗。

  反光显微镜由于制片简单，光片浸蚀后晶体的轮廓清楚，便于结构的观察和定性定量的测定，被广泛应用于水泥熟料的常规岩相分析。在反光显微镜下鉴别水泥熟料矿物主要根据水泥熟料的特殊晶型和借助特殊的浸蚀手段让其浸蚀着色来加以鉴别。

  利用岩相显微可以研究：A矿和B矿含量及其特性、大小、分布的均匀性，中间相(主要是C3A和C4AF)的含量和分布、状态，游离钙的含量与分布状态，黑色中间相和白色中间相的形态及相对含量。

  利用岩相显微的观察结果可以判断熟料烧成制度和原料组分的影响：不同冷却速度的熟料、煅烧温度低的熟料、短焰急烧的熟料、生料细度粗和生料混合不均匀的熟料、游离钙高的熟料、液相组分不同的熟料、还原气氛的熟料、含碱和含结晶二氧化硅(燧石)及方镁石高的熟料。

  烧成带长度、窑内冷却带长度决定了熟料晶体尺寸的大小，在煅烧过程中，从长焰煅烧、正常煅烧、比正常较高热力煅烧到逼火煅烧，随烧成带长度及窑内冷却带长度的逐渐减小，烧成带热力强度逐渐增加，造成晶体尺寸逐渐减小，且晶体形貌向有利于熟料质量的方向发展，但当烧成带过短时，物料在烧成带停留时间短而不能充分反应，晶体得不到正常形成和发育，造成熟料质量急剧下降(如窜生现象) ，A矿晶体尺寸普遍小于30um且整体形貌较差。延长烧成带长度后，熟料晶体形貌得到改善，A矿晶体尺寸增大到30~40um左右，且表面包裹基本消失，熟料质量得以提高。

  2 几种熟料的岩相特征描述

  由于水泥熟料烧成过程受影响的因素很多，熟料的显微结构随着生产条件的变化而显示出不同的特征：

  2.1 正常熟料的岩相结构特征（见图1）

  A矿呈完整形的柱状或板状（见图2），边缘整齐，无圆形或不规则的晶体，矿物颗粒大小均齐，包裹体少，含量约在50％~60％，晶体平均尺寸30um左右。

  B矿多数呈圆形，又有锐角交叉或平行双晶纹（见图3、图4），矿物颗粒均齐，晶型完整，含量约在10％~20％。

  中间相含量在20％~30％；白色中间相较亮，黑色中间相相对颜色较淡，多呈树枝状或点滴状。它们均匀充填在A、B矿之间，见图5、图6。

  A矿和B矿各自呈单晶体颗粒互相交替均匀分布于整个视域；包裹和溶蚀现象少；f?CaO和方镁石少；孔洞少而小。

  2.2 急烧熟料的岩相结构特征

  急烧熟料在窑内结粒大小不均匀，受热不均匀，在窑内停留时间不一致。岩相结构上也是一种不均匀的结构，分层构造，外层正常岩相结构，里层为欠烧岩相结构。A矿和B矿大小不均，特别是A矿大小悬殊，大晶体可达100um以上，小晶体仅4um左右，分布不均，各自聚集成堆，液相分布不均。熟料强度低。

  2.3 低温熟料的岩相结构特征

  低温熟料疏松多孔易碎，岩相显微可以看到晶体发育不良，尺寸细小，A矿少且形态较差，B矿多且不定形，A、B矿分布不均，存在条带分布现象，其间分布游离钙；f?CaO多，液相少，孔洞多且大并不规则。熟料强度低，升重轻，烧失量高，安定性不良。欠烧熟料的岩相结构特征见图7。

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  2.4 还原熟料的岩相结构特征

  A矿边缘不整齐，棱角圆钝，且出现溶蚀凹缺现象；B矿呈手指状、树枝状，尺寸较大，约60~90um；中间相多，黑、白中间相较难区分；fCaO多，一次游离钙成堆分布，二次游离钙与B矿共生。熟料强度低，凝结时间不正常，烧失量有出现负值的可能。还原熟料的岩相结构见图8。

  2.5 慢冷熟料的岩相结构特征

  A矿易分解成二次B矿和二次游离钙，呈长环状分布在A矿周围，B矿发生晶型转变， β?C2S转化为γ?C2S，体积增大10﹪，双晶纹不明显，甚至有不规则裂纹，中间相多呈片状或柱状。慢冷熟料易出现粉化现象，强度低，安定性不良。慢冷熟料的显微结构见图9。

  2.6 均化不良熟料的岩相结构特征

  生料均化不好或煤灰分较高，且煤灰在窑内沉落集中时，岩相结构表现为：矿物分布不均，A矿、B矿、fCaO等矿物颗粒各自聚集成堆，形成矿巢，有分层现象，见图10。

  3 生产实例分析

  （1）实例1

  A矿：晶体大小不均匀，晶体普遍偏小，形状不规则，晶体多以板状为主，部分晶体呈柱状，部分晶体发育不完全，晶体不完整。晶体边缘多花环构造，A矿含量偏高，估计含量55%-60%左右。

  B矿：含量较少，呈中堆分布，晶体多呈圆粒状，估计含量15%-17%。

  中间相：含量均匀，黑色中间相呈点状和小片状分布。

  游离钙：含量较少，估计含量1.0%以下，多呈小堆或分散分布。

  孔洞：孔洞含量正常。

  判断：该熟料饱和比较高，游离钙含量低；该熟料冷却较慢；该熟料烧成过程中有还原气氛。

  应对措施：调整配料方案，降低KH值；加强篦冷机操作，加快冷却；找出还原气氛产生的原因，加以改进。

  （2）实例2

  A矿：棱角圆钝，溶蚀重，大小约19~32um，最大50um，包裹物多，花环不明显。

  B矿：矿巢多，圆度不好，形状不规则，大小16~31um，最大38um，有较粗双晶纹。

  中间相：呈点线状，液相少。

  孔洞：多且不规则。

  游离钙：多。

  判断：该熟料烧成温度稍低，冷却速度慢，生料中含有粗粒砂岩。

  应对措施：提高烧成温度及二次风温，以加快煤粉燃烧速度，缩短窑内冷却带长度，同时加强篦冷机的操作，尤其是高温段的淬冷操作，做好急冷，改善熟料品质；加强生料工序的质量控制，减少粗粒砂岩入窑；降低分解率，以使液相集中出现，减少不规则孔洞。

  （3）实例3

  A矿：尺寸偏大，最大130um ，均在20 ~75um左右，存在晶体连生现象，数量一般。

  B矿：尺寸偏大，最大72um ，均在16 ~49um左右，圆度不好，存在腰状、不定形状B矿，数量多，分布不均，有B矿矿巢存在，双晶纹不明显。

  中间相：呈点线条带状。

  孔洞：多且不规则。

  判断：该熟料KH偏低，升重低，急冷差，存在溶蚀现象，液相提前出现。

  应对措施：减少用煤量；提高二次风温，加快煤粉的燃烧速度，缩短火焰，减少液相提前出现；适当加快窑速或降低分解率，以加快来料速度，缩短过渡带长度，以防B矿长大；缩短窑内冷却带长度，加大篦冷机的急冷作用，减少晶体连生，提高熟料品质；加强生料工序的质量控制， 减少粗粒砂岩入窑并做好均化工作，减少B矿矿巢生成。

  不同操作方法下的熟料晶体其结构特征不同，有时可能存在几种特征熟料的岩相共存现象，导致熟料强度存在较大的差距，所以要分清主次，找出其主要岩相特征，进行判断。通过岩相分析可以从微观上发现问题，指导生产从宏观上解决问题，即可以通过从宏观上控制烧成带和窑内冷却带长度的方法来控制晶体尺寸大小，或控制烧成带长度与窑内热力强度之间的合理匹配，辅以冷却速度的配合来控制熟料的微观形貌，从而达到改善熟料性能的目的。

  4 通过岩相分析指导水泥熟料生产实践的体会

  （1）经过几年的实践，笔者认为通过对熟料进行岩相检验，所观察到熟料的显微结构能够反应出窑内的煅烧状况及熟料的冷却状态、原料状况，对指导、改进生产过程起到了很大作用。

  （2）由于原燃料和生产工艺条件不尽相同，各水泥厂的熟料显微结构也不尽相同，即使同一厂，也随生产过程的变化而在不断的变化之中。

  （3）熟料显微结构A矿含量、晶体大小对强度值起主要作用，而煅烧温度和时间是决定因素，详尽的岩相分析报告对生产具有重大作用。

  （4）虽然岩相分析可以直接观察熟料内部的结构状态，但存在岩相分析样品本身是否具有代表性的缺陷和样片制作及浸蚀的影响，易出现偏差，但只要加强取样工作和制片、浸蚀操作，有针对性的取样，存在的不足是可以得到改善的，还是可以发现存在的问题的。

  （5）在岩相分析中所反映出来的种种有利或不利的工艺因素，在水泥生产过程中是客观存在的，所以岩相检验在水泥生产过程中有着它独特的作用，具有普遍的指导意义。