显微结构分析在水泥熟料煅烧中的应用

显微结构分析在水泥熟料煅烧中的应用

0微观结构分析在生产过程中，水泥原料的质量和性能的控制通常通过分析和计算来进行。根据分析结果计算固产率值，考察固产率值与预测值之间的关系，评估固产材料的质量，达到生产控制的目的。但是,实际生产过程往往和这些基于热力学平衡方程的理论假设是不同的,基于理论计算的矿物组成和熟料矿物的真实形成情况会有很大差别。借助于反光显微镜的微观结构分析,对熟料矿物的形成状况能够有直观的了解,进而对熟料的烧结情况进行合理的判断。本文主要根据德国水泥工业研究所在这些方面的研究成果,对显微结构分析在水泥熟料煅烧中的一些应用实例进行介绍,希望能够对水泥生产中的熟料质量控制有所帮助。1显微结构分析熟料的显微结构通常由于采用的分析仪器不同而有较大的差别,用于水泥熟料显微结构分析的仪器主要有反光显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。在本文中仅限于利用反光显微镜的分析结果。采用反光显微镜对熟料显微结构进行分析最主要应用于以下两个方面:1)评价工艺技术及操作参数,比如火焰控制、煅烧气氛、物料细度和料量控制等对熟料煅烧的影响;2)研究采用新的原料和燃料对熟料煅烧的影响。2水泥生产工艺参数分析及改进建议在熟料的煅烧过程中,工艺技术参数的控制对熟料煅烧状况以及熟料性能的影响至关重要,预设的矿物组成能否顺利实现,取决于所采取的工艺技术参数是否可靠和准确。实际上,由于水泥生产中不可控制的因素很多,往往造成熟料的煅烧不能够实现预设的矿物组成,熟料矿物的形成存在一定的缺陷,质量不能够得到保证,通过熟料显微结构分析,就可以找到这些问题存在的原因,并提出熟料煅烧和质量改进的建议。从以下所列举的一些具体实例中,可以对熟料显微结构分析在工艺技术及操作参数控制方面的实际应用有进一步的了解,进而得到新的启发。2.1贝利特矿巢的形成生料粉磨的细度不够和均匀性不好,通常是降低熟料质量的主要原因。一般情况下,在熟料煅烧过程中,生料的化学成分不可能完全转化为按照配料计算所得到的熟料矿物,会受到生料细度和均匀性的影响。在尺寸较大的石英颗粒周围往往会形成贝利特富集的矿巢,因为没有足够多的氧化钙和这些贝利特进行反应而转化为阿利特。在粗的石灰石颗粒周围则会形成游离氧化钙矿巢,因为在烧结条件下,氧化钙移动速度很慢,在有限的煅烧时间内,大量的游离氧化钙来不及扩散,聚集在一起形成游离氧化钙矿巢。大的煤灰颗粒也能够造成类似非均相物质的产生,当燃料特别难磨的时候这种情况会更加明显。和大的石英颗粒一样,高硅含量的煤灰颗粒周围也容易形成贝利特矿巢。如果贝利特矿巢形成于熟料颗粒的中心部位,其形成原因主要就是生料中的粗大石英颗粒造成的。如果贝利特矿巢在熟料上呈现同心圆环的条纹状结构,或者在熟料颗粒的边缘存在,其形成原因则主要是煤灰颗粒沉落产生的(见图1)。2.2熟料的形成原因当窑内的煅烧条件不允许物料有充足的烧成时间时,就会使阿利特形成的数量大幅度减少。这种“欠烧”的熟料是由于煅烧制度不够合理产生的,主要是烧结温度偏低或者烧成带偏短,并伴随着高的窑产量,造成物料在窑内烧成带的停留时间过短而不能烧成,生料没有反应完全。这种“欠烧”熟料的显微结构特征是具有较多的孔隙,含有多个贝利特矿巢和大量游离氧化钙富集区,二者相互交错分布(见图2)。2.3原秩序下的煅烧熟料还原气氛条件,主要是指窑内氧含量不足或者窑内煤粉产生焖烧的情况,在这种条件下煅烧的熟料,在冷却过程中阿利特会发生一定程度的分解,从而产生大量游离氧化钙并使水泥熟料强度明显下降。在还原气氛下煅烧的熟料,其特征在反光显微镜下也是非常明显的。即使是很弱的还原气氛,也可以观察到这种熟料的主要特征,即在阿利特晶体上面有细粒的贝利特和游离氧化钙析出(见图3),这些析出物往往产生在阿利特晶体发生择优取向的条纹上。水泥熟料强度明显降低,一方面是因为还原气氛导致阿利特分解,数量减少;另一方面是因为阿利特分解析出的贝利特主要以γ型为主,这种γ型贝利特没有任何水化活性。如果这种γ型贝利特含量较多,还会造成水泥熟料的粉化,因此在熟料煅烧中,一定要避免出现还原气氛。一旦通过显微结构分析发现熟料具有还原气氛特征,就应该马上采取相应的纠正措施。2.4口周围富集,入窑料粒相互封闭造成熟料性能的下降窑尾烟室是物料进入窑内的瓶颈部位,这一部位是原料中所含的氯和硫富集并沉落的主要区域,当原料中含有的氯和硫较高时,大量的氯离子和三氧化硫就会在窑入口周围富集,使入窑物料的黏度大幅度增加,形成大量的粗大料粒。这些粗大的料粒,即使在窑内煅烧条件非常充分的情况下,其中心部位也会存在欠烧的区域(黄心料)。这些粗大的料粒很难烧,往往在其表面形成一种致密的外壳,将硫和氯封闭在料粒的中心部位。在熟料冷却的时候,料粒的中心部位也很难得到快速冷却的条件,造成熟料性能的下降。这种条件下形成的熟料颗粒,具有一种明显的带状结构,利用熟料显微技术可以准确地研究它的形成特点,从而想办法解决问题。3合成熟料的煅烧性能每一种原料和燃料都能够对熟料的烧成工艺和熟料性能产生明显的影响,特别是在使用新的原料或者燃料时,熟料的煅烧状况会产生明显的变化,进而对熟料的性能和质量产生很大的影响。以下仍然以德国水泥工业研究所的一些具体研究为例,说明显微结构分析在采用新的原料和燃料方面的一些应用。3.1还原气氛的显微结构德国水泥研究所研究了一种既可用作钙质替代原料又可用作燃料,即一种带可燃物原料对熟料显微结构的影响情况。利用带可燃物原料煅烧的熟料中,明显含有贝利特和游离氧化钙的共生晶体群,这种共生晶体群生长在已经开始分解的阿利特晶体上面。这是一种明显的还原气氛标志(见图4)。这种显微结构特征通常都是发生在游离氧化钙晶簇附近。还原气氛发生在存在粗大原料粒子的地方,因为在这些粗大原料粒子上含有一些有机氧化物,这些有机氧化物是这种材料具有燃烧特性的根源,它们在燃烧过程中很容易产生局部还原气氛。这种特殊的由被分解阿利特和游离氧化钙晶簇组成的显微结构特征,是带可燃物原料的特性决定的。能够有效解决这一问题的主要措施就是加快熟料的冷却速度。快速冷却能够显著地降低还原气氛所带来的不利影响。图4所示的熟料样品是经过缓慢冷却得到的,在快速冷却的熟料颗粒上,没有发现还原气氛的显微结构特征。快速冷却条件能够及时地阻止阿利特的分解,阻止还原气氛其他诱导因素的产生。3.2氧化钙/双碱质盐晶体采用含磷酸盐的燃料时,在熟料中会发现包含着粒度细小游离氧化钙的贝利特矿巢(见图5)。因为这些贝利特固溶了磷酸盐,使得晶体结构变得特别稳定,即使在正常的煅烧条件下,它们也不会吸收氧化钙而转化为阿利特。采用含磷酸盐的燃料煅烧熟料时,有时由于受到粗颗粒的磷酸盐的阻挡,氧化钙不能够和二氧化硅反应形成硅酸盐而形成磷酸钙矿巢,这种情况即使当熟料中总的磷酸盐含量小于1%时也会发生。3.3煤灰颗粒的煤灰性质德国水泥研究所针对高铝含量的煤灰专门进行了一项研究工作,分析了它对实验室煅烧的熟料的显微结构的影响。为了和实际情况更为接近,研究人员模拟了这些具有高铝含量煤灰的不均匀沉降问题,不均匀沉降现象的产生,一种可能是由于出现了粗大的煤灰颗粒,另一种可能是在熟料颗粒表面覆盖并富集大量的煤灰粒子。这种高铝含量的煤灰主要是在使用一种替代燃料煅烧时产生的。模拟高铝含量煤灰粗大颗粒的方法主要是将粗大的Al(OH)显微结构分析表明,由三种不同类型生料煅烧的熟料,其C这些贝利特晶环或者贝利特矿巢形成的主要原因是,在物料的煅烧过程中,局部富裕的Al(OH)利用X射线衍射分析方法,对这些含有贝利特晶环或者矿巢的非均质熟料的研究表明,其矿物组成和利用均匀原料制备的熟料并没有差别,因为总的铝酸钙数量是相同的,氧化铝的数量也是恒定的。这个试验的研究结果表明,贝利特矿巢并不完全是形成在二氧化硅富集的地方,高铝含量煤灰颗粒的不均匀沉落,也会造成局部氧化钙的过量消耗,形成贝利特矿巢这种非均质相结构。4显微结构分析对熟料煅烧的重要作用因为水泥的性能在很大程度上是由熟料的性能决定的,所以,在水泥生产企业,持续不断地改进熟料的煅烧,促进熟料性能的改善,是水泥生产最核心的技术。尽管利用光学显微镜分析熟料的微观结构在一般情况下需要花费很长的时间,但是确实能够为水泥生产企业提供大量的有用信息。在熟料显微结构的分析和