水泥熟料的微細結構

水泥熟料的微細結構

1 水泥熟料晶體結構

水泥熟料主要成分為C3S、C2S、C3A和C4AF等四種晶體，其中C3S、C2S是固體，C3A和C4AF在燒成帶呈熔融狀，冷卻后呈固體。

使用顯微鏡觀測熟料內晶體結構、晶體尺寸、形態、顏色等圖像信息控制熟料質量已進行多年。熟料內晶體主要由占總量50%～90%的硅酸三鈣（C3S）組成，當煅燒溫度＞1 250℃時，通過C2S和CaO相互反應生成。其特點是帶邊角的晶體，通常快速加熱反應的二邊間距為15～20μm、慢速加熱為40～60μm，常規速度加熱為30～40μm。另一個晶體由占總量10%～40%的C2S組成，在煅燒溫度為900℃～1 200℃時，由CaO和SiO2反應生成。當燒成帶熟料溫度＞1 400℃時，C2S長時期在此溫度下呈圓形，晶格間距為25～40μm，而短時間反應則為10μm，常規反應為15～20μm。

另外，在工業生產的熟料中鋁酸三鈣（C3A）呈立方、四方體等多晶形態，在反光鏡下，通常快冷呈點滴狀，慢冷呈矩形和塊狀，暗灰色，一般稱黑色中間相。鐵鋁酸四鈣（C4AF）常呈棱柱狀和圓柱狀晶體，在反光鏡下呈亮白色。除上述四種晶體外，還存在少量方鎂石（MgO）和游離氧化鈣（fCaO），方鎂石（MgO）的集合體呈粒狀，在反光鏡下呈多角形，一般為粉紅色，晶格尺寸隨冷卻速率變化，快冷結晶細小。游離氧化鈣（fCaO）在偏光鏡下為無色圓形顆粒，有明顯解理，在反光鏡下呈彩虹色。

上述各種成分的巖相結構見圖1。

2 熟料巖相在水泥生產中的作用

熟料的微細結構和水泥性能有關，更與熟料的成分和煅燒工況存在著密切的關系。客觀上與熟料在煅燒過程中生料的化學成分、顆粒細度及高溫窯料、熟料和火焰長短，煙氣氣氛和煅燒過程的溫度以及窯料形成熟料的時間和高溫熟料的冷卻速度等均有關。此外，熟料中各個相的水化反應也是不一致的，只有通過熟料巖相的微細結構檢測才能揭示熟料煅燒工況及水泥性能的情況，這是水泥廠物化性能測試的一個十分有價值的工具，萁主要作用有以下幾方面。

圖1 水泥熟料主要成分微細結構圖

2.1 質量控制

水泥廠應定期檢測熟料巖相。當操作人員發現所測得的巖相微細結構與工廠的“標準試樣”的微細結構相比發生變化時（如晶體種類、數量、晶體尺寸、晶體形態、分布及晶體內多態內含物的變化等），可根據巖相變化情況做出改進，改變煅燒過程的有關參數，如生料化學成分、生料細度、熟料率值及窯內熟料煅燒溫度、煅燒時間及煅燒和冷卻速率等，從而改善熟料的質量。

常規的物理檢測的水泥強度和細度及化學測試的fCaO含量等有關參數，對質量控制確有指導價值，但有一定的滯后性，對全面控制質量有局限性。而巖相檢測的時間短，檢測的結果能夠全面地反映出有關生料及熟料煅燒過程的情況，有利于質量的全面控制。

圖2 C3S晶體內的藍色C2S晶體

圖3 C3S晶體內的熔融物

圖4 孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶體包圍

圖5 C3S晶體內含有C2S和熔融體

圖7 慢冷窯皮內C2S和多態內含物

2.2 排除生產問題

當熟料生產和水泥性能出現問題時，熟料的微細結構檢測結果能夠提供熟料性能存在的問題，有關人員可針對問題進行分析，找出產生的原因并提出解決的辦法。

2.3 監控生產變化

熟料生產過程中，當生產狀況改變時（如原燃料性能變化、燃燒器位置及火焰形狀改變、窯內煙氣氣氛改變等），改變前后的巖相檢測十分重要，有關技術、操作人員需根據熟料微細結構變化的情況及變化過程，采取相應措施，及時進行調節，從而達到改變效果。

3 巖相技術的進展

近些年來，歐洲的一些水泥企業，限于生產費用和環保條令的限制，開始逐年增大使用低品位原料和工業廢燃料的力度，再加上粉塵排放回收量的提高，最終使堿、氯、硫等有害化合物以及微量元素化合物在窯內的循環增加，給生產帶來了復雜性。上述元素化合物進入熟料內，使熟料晶體結構產生了變化，主要是C3S和C2S晶體從單一形態轉為晶體內多態內含物的變化。此外，堿、硫化合物的揮發循環更增加了系統的控制難度，及時檢測熟料的巖相結構，有利于分析窯內工況，并及時進行調節，有利于生產和保證熟料質量。

International Cement Review雜志2016年8月刊登了Arthur Harrison的文章，對大量使用低品位原料和工業廢燃料所產生的水泥熟料晶體內多態內含物的成因進行了解釋，其內容較為復雜。本文僅對有關晶體圖片作一介紹，希望引起有關人士重視。圖片主要有：C3S晶體內藍色C2S晶體（圖2），C3S晶體內熔融物（圖3），孔洞被C2S包圍，C2S又被含粗顆粒SiO2的C3S晶格包圍（圖4），C3S內含有C2S和熔融體（圖5），C3S外部邊角清晰可見的C3S內不同部位含有大量的多態內含物（圖6），慢冷窯皮內的C2S及多態內含物（圖7）。

陳友德編譯自

No.8/2016

International Cement Review