高含量MgO原料對水泥熟料的不良影響及應對措施

韋愛玲，陳遠勝，梁乾

1 前言

普通硅酸鹽水泥的應用十分廣泛，優質的水泥熟料是生產耐久性、適應性以及穩定性良好的硅酸鹽水泥的基礎。普通硅酸鹽水泥熟料的質量受原燃材料品質的影響，若要獲得優質的普通硅酸鹽水泥熟料，不僅要有合適的配料方案、良好的煅燒礦物結晶體，還需要水泥熟料中的MgO、SO3、堿性物質等的含量穩定且相互匹配。本文主要談談水泥熟料中的MgO含量對普通硅酸鹽水泥熟料質量的影響。

2 石灰石原料中MgO的形態及分布情況

我公司有兩條4 500t/d水泥熟料生產線，于2007年12月正式投產，另有可自行開采50年的石灰石礦山。隨著石灰石礦山開采平臺高度的逐漸下降，高鎂帶礦層逐漸顯露，表現為白云石外觀，顏色明顯區別于正常的石灰石。2017年后開采的石灰石礦中，MgO含量逐漸升高，對水泥熟料生產帶來了明顯的影響。在2020年的石灰石勘探鉆孔樣中，MgO含量平均為0.70%，最高15.2%，最低0.10%；MgO≥2.0%的石灰石占比5.0%，占比雖少但難以搭配均勻，導致熟料質量波動大，給生產穩定運行帶來不利影響。

3 MgO含量對熟料質量的影響分析

3.1 通過數理統計分析MgO含量對熟料強度的影響規律

（1）我公司石灰石礦山整體品位較好，CaO年平均能達到53.5%，水泥生料采用石灰石、砂巖、粘土及銅渣四組分配料，具體化學成分見表1。

表1 原材料化學分析，%

（2）我公司2014～2019年水泥熟料化學成分分析見表2，水泥熟料率值、礦物組成、強度見表3。

從表2、表3可以看出，我公司水泥熟料采用了中飽和比、低硅率、中低鋁率的配料方案，硅率較低。在水泥熟料3d強度控制在31±1MPa的情況下，2014年28d強度年均最高達67MPa，2017年28d強度年均最低僅63.7MPa，水泥熟料28d強度波動較大。

表2 熟料化學成分分析，%

表3 熟料率值、礦物組成、強度

（3）在相同條件下，一般認為，水泥熟料強度與率值關系較大。現用趨勢圖和回歸分析方法找出水泥熟料28d強度與三率值以及MgO含量的關系（根據2014～2019年的月平均數據，共73組數據）。各趨勢圖見圖1～4。

圖1 熟料28d抗壓強度與KH的關系（R=0.008）

圖2 熟料28d抗壓強度與SM關系（R=0.100）

圖3 熟料28d抗壓強度與AM關系（R=-0.215）

圖4 熟料28d強度與MgO含量關系（R=-0.695）

由圖1～4可知，水泥熟料28d強度與三率值的相關系數分別為R=0.008、R=0.100、R=-0.215，而與MgO的相關系數R=-0.695，相關性最明顯，具有強負相關性。根據《水泥化驗室手冊》，∣R∣越接近1，則公式中的變量x與y線性相關關系越好；∣R∣值越趨近于0，公式中的變量x與y的線性相關性越差，甚至沒有相關性。由此推斷，MgO含量對熟料28d強度的影響程度最大，MgO含量越高，熟料28d強度越低。

3.2 通過物理化學性能指標數據進一步分析熟料中MgO含量對熟料28d強度的影響

水泥廠一線2019年1～7月水泥熟料化學分析與物理性能分析統計數據見表4。根據表4的數據，將抽檢水泥熟料試樣中的MgO含量進行分級統計，并取各級的MgO含量平均值進行對比（2019年全部用山西同煤，煤質較穩定，數據分析更具代表性），作出如圖5、圖6所示的熟料強度與MgO含量的相關性關系圖。

由表4可以看出，熟料中MgO的含量越高，熟料28d強度越低。水泥廠一線2019年1～7月水泥熟料的28d強度，因MgO含量的變化，由66.6MPa下降到61.5MPa。

由圖5、圖6可知，水泥熟料3d強度與MgO含量的關系呈強負相關性，且R=-0.883；水泥熟料28d強度與MgO含量呈強負相關性，且R=-0.990。顯然，水泥熟料中MgO的含量對水泥熟料強度的影響很大，特別是對28d強度的影響很大。

圖5 熟料3d強度與MgO含量關系（R=-0.883）

圖6 熟料28d強度與MgO含量關系（R=-0.990）

從表4還可以看出，水泥熟料MgO的含量在1.29%和1.84%時，水泥熟料強度下降幅度比較明顯，28d強度分別下降了1MPa以上。在實際生產中，在相同配料和煅燒條件下，由于水泥熟料中MgO含量的波動，月生產熟料28d強度最高67MPa，最低59MPa，變異系數高達3.0%，極大影響了水泥熟料的質量穩定。從表4中的強度增進率亦可看出，水泥熟料中MgO含量越高，1d→3d和3d→28d強度的增進率越低，水泥熟料28d強度的增進率由35.1MPa下降為30.9MPa，影響了由1d早期強度判斷后期強度的規律。

表4 2019年1～7月熟料化學分析與物理性能統計數據

3.3 水泥熟料中MgO含量對水泥其他性能的影響

水泥熟料中高含量的MgO，不僅對水泥熟料的強度有影響，而且對水泥熟料的粉磨時間、流動度、水泥熟料顏色等其他性能有影響。

（1）相同的水泥熟料配料方案，若MgO含量升高，則C3S含量將下降，粉磨時間將變長，對水泥磨的生產極為不利。

（2）熟料中的MgO含量不同，水泥熟料的顏色差異很大。在圖7中，水泥熟料中的MgO含量較低時，熟料顏色較淺，隨著MgO含量的升高，熟料的顏色逐漸變深。熟料MgO含量的波動，導致水泥和熟料外觀顏色發生較大變化，直接影響用戶的需求和使用。由圖8可見，在施工現場，特別是對于大面積施工的工程和清水混凝土工程，不同批次、不同MgO含量的水泥，顏色色差明顯，影響工程外觀，易導致用戶投訴。

圖7 不同MgO含量的熟料顏色對比

圖8 不同MgO含量水泥施工現場

3.4 水泥熟料中MgO含量對窯況和煅燒的影響

白云石中MgCO3的分解溫度為800℃，而石灰石中CaCO3分解溫度接近900℃。在水泥熟料煅燒過程中，MgO比CaO生成早，生料中MgO的含量升高時，若不能及時調整配料方案，熟料液相會提前出現，容易導致窯結圈，熟料結大塊，嚴重時將會影響正常生產，甚至造成止料停窯。

4 微觀分析MgO含量對熟料質量的影響

（1）熟料XRD檢驗分析

水泥熟料中最重要的礦物C3S在結晶過程中，會形成M1和M2兩種晶型。熟料中M1晶型的C3S的含量對熟料強度貢獻最大。M1晶型C3S含量越高，熟料強度越高。將不同MgO含量的熟料送至第三方檢驗機構進行XRD檢驗，分析其微晶結構，以了解其內在因素對熟料質量的影響。公司自檢熟料質量數據見表5，XRD檢驗數據見表6。根據表6數據，制作M1晶型的C3S含量和MgO含量的關系圖，見圖9；制作熟料28d強度與M1晶型的C3S含量的關系圖，見圖10。

表5 公司自檢熟料質量數據

表6 熟料XRD檢驗數據，%

從圖9可以看出，熟料中MgO含量越高，所生成的A礦M1晶型C3S含量越低，二者成反比關系，相關系數R=-0.727。從圖10可以看出，水泥熟料28d強度與M1晶型的C3S含量成正相關關系，相關系數R=0.859。

圖9 XRD檢驗中M1晶型C3S含量與MgO含量的關系（R=-0.727）

圖10 XRD檢驗中28d強度與M1晶型C3S含量的關系（R=0.859）

為了提高M1晶型C3S的總量，需再提高熟料C3S+C2S的總量，也就是當熟料中MgO含量高時，需同時提高KH和SM控制值，同時在熟料煅燒時提高其熱力強度，以利于M1晶型C3S的生成。

（2）熟料巖相分析

熟料巖相分析見圖11、圖12，其中，圖11中熟料MgO=0.80%，圖12中熟料MgO=1.31%，MgO含量高的熟料C3S結晶比較粗大，大小不均勻，從而證明了高含量MgO對水泥熟料強度的影響。

圖11 低鎂熟料巖相分析（MgO=0.80%）

圖12 高鎂熟料巖相分析（MgO=1.31%）

5 改進措施及效果

通過以上分析可知，水泥熟料中MgO的含量對熟料28d強度影響較大，是造成熟料和水泥質量波動的主要因素之一。下面就具體的生產情況提出如下改進措施。

（1）增加石灰石礦山鉆孔樣的采樣點，充分了解石灰石礦MgO的分布情況，根據MgO的分布情況，制定配料搭配使用方案。首先，高鎂區石灰石原料用于骨料生產（我公司骨料項目2017年開始投產，石灰石為自采）；其次，集中時間段搭配使用高鎂石灰石，保證熟料質量的階段性穩定。

（2）根據進廠石灰石含鎂情況，制定不同的熟料配料方案，MgO含量高時，適當提高KH和SM值，提高C3S+C2S總含量，確保熟料強度。通過大量數據收集和回歸分析，得出石灰石、生料、熟料中MgO含量的對應關系以及熟料中的MgO含量與率值和強度的對應關系，分別見表7、表8。針對熟料的不同MgO含量控制要求，通過查閱表7，可以精準地向礦山部下達不同的石灰石MgO指標。針對熟料的不同強度要求，通過查閱表8，可方便地得到對應的不同MgO含量所要控制的熟料三率值。

表7 石灰石、生料、熟料中不同的MgO含量的對應關系

表8 熟料中的MgO含量與率值、強度的對應關系

（3）根據實際生產時石灰石中的MgO含量，對熟料進行配料方案調整以及熟料煅燒的調整，在MgO發生變化時，保證熟料的強度。

（4）使用高發熱量煤種，煅燒時加大拉風，減少還原氣氛，避免結厚窯皮及產生大塊料。

改進后，當石灰石中MgO的含量升高時，通過提高熟料KH和SM控制值，提高C3S含量，同時使用較高發熱量的煤炭，有效保證了熟料3d和28d強度。熟料驗證情況見表9。

表9 措施驗證熟料質量情況（一線熟料）

6 結語

（1）熟料中的MgO主要來自石灰石，MgO含量對熟料28d強度影響很大。熟料中MgO含量越高，熟料28d強度越低，成明顯的負相關關系；微觀分析熟料中MgO含量對強度的影響，主要表現在熟料煅燒時，生成M1晶型的C3S少了。

（2）熟料中MgO的含量對水泥的性能及顏色影響較大，熟料中MgO含量越高，熟料顏色漸深，影響熟料和水泥外觀。

（3）由于我公司石灰石前期開采品位較好，雖然熟料SM很低，C3S+C2S總量也較低，但28d強度依然較高；后期石灰石開采MgO含量漸高，一旦出現MgO含量升高的情況，需要提高熟料KH和SM控制值，提高熟料C3S+C2S的總量，同時使用高熱值的煤炭，才能充分保證窯的正常煅燒和熟料強度的穩定。

（4）實際生產中，需要根據石灰石中MgO含量的分析結果，制訂進廠石灰石原料搭配使用實施方案，使進廠石灰石中的MgO含量控制在可有效保證熟料質量的穩定狀態。