广西华宏水泥股份有限公司 广西 530200
摘要：随着水泥行业多年开采与消耗，高品质石灰石资源已日趋紧缺，采用高镁石灰石煅烧熟料已成为必然的趋势。本文借助化学分析、岩相分析、胶砂试验研究、光学显微镜，XＲD、SEM 等检测方法，探讨了 XDL 系统与NSP系统煅烧高镁石灰石原料生产熟料的适应性情况。对采用 XDL 系统煅烧高镁石灰石原料与 NSP 系统煅烧高镁石灰石原料的对比研究结果表明：XDL 系统煅烧的熟料强度增幅快，方镁石含量低，尺寸小，熟料中生成了更多的 A 矿和 B 矿，且 A 矿晶粒形状规则，平均尺寸达 30μm；采用 NSP 系统煅烧的熟料中 A 矿以 M3 型为主，XDL 系统煅烧高镁石灰石原料能够将熟料中 A 矿稳定为 M1 型。
关键词：高镁石灰石原料；方镁石；A 矿； XDL 系统； NSP 系统
1 前言
采用高镁石灰石原料煅烧熟料通常会因熟料中方镁石含量多而造成水泥安定性不良，这严重制约了水泥行业的发展。目前，水泥熟料煅烧以采用普通新型干法工艺为主( 以下简称 NSP 系统) ，对采用 NSP 系统煅烧高镁石灰石原料存在的问题，众多学者进行了详细的研究并提出多种解决方案，主要有配料调整，适当降低分解炉温度，适当提高煅烧温度，加强熟料急冷等，然而，高镁石灰石利用的最突出问题在于石灰石中的 MgCO3含量高，在煅烧熟料的过程中引入大量的 MgO，这些 MgO 一部分会进入 C3S，C2S，C3A 等熟料矿物相中形成固溶体，一部分 MgO 会分布于冷却过程中形成的过冷玻璃体中，其余的 MgO 则以结晶态的方镁石形式存在，其中决定水泥长期安定性的主要因素是方镁石含量，因方镁石具有后期水化性质，且水化后体积膨胀148% ，这严重影响了水泥后期的安定性，因此，如何实现煅烧后熟料中方镁石膨胀性能的自身调控或减少熟料中方镁石含量，成为了当前高镁原料应用的瓶颈。
高固气比悬浮预热预分解技术( 以下简称 XDL 系统) 是在中国工程院副院长徐德龙教授及其领导的团队潜心钻研近三十年开发出的具有我国自主知识产权的水泥熟料煅烧绿色生态高新技术，研究表明，相比传统水泥煅烧工艺，XDL 系统在煅烧熟料过程中固气比≥2，接触次数≥2 倍，具有对原料适应性强，节能效果显著，减排作用突出等优点。调研发现，某 A 厂( 采用 XDL 系统) 和某 B 厂( 采用 NSP 系统) 原料均为高镁石灰石原料，生料中各物质含量基本一致，故设定同一取料方案分别取得 A 厂 XDL 系统煅烧的熟料和
B 厂 NSP 系统煅烧的熟料，用以研究 XDL 系统和 NSP 系统煅烧高镁石灰石对熟料性能及熟料中方镁石形成的影响，主要实验手段有化学分析，物理性能检测，岩相分析，XＲD，SEM 等。
2 实 验
2．1 实验原材料
实验所用熟料分别来自某 A 厂和某 B 厂，其生料化学成分见表 1。
表 1 生料化学成分
2．2 实验主要使用仪器
SYMΦ500 × 500 球磨机，YAW-300 全自动压力试验机，YH-40B 标准恒温恒湿养护箱，S4-PIONEEＲ X 射线荧光仪，D/MAX 2200 X 射线衍射仪，Quanta 200 扫描电镜，BX-61 型偏光显微镜等。
2．3 实验方法
将 XDL 系统和 NSP 系统煅烧所得熟料磨细至过 80 μm 筛，采用国标 GB/T 176-2008 中滴定 MgO 总量的乙二醇法和其他学者对水泥中方镁石含量的滴定方法对熟料中 MgO 总量和方镁石含量进行化学滴定，对两种系统磨细熟料在同一参数下做 XＲD 分析其矿物组成，扫描范围 5°～85°，步长 5°/min。将选定好的熟料样品烘干后用环氧树脂-三乙醇胺( 环氧树脂∶三乙醇胺 =9∶1) 的固化剂固定，再经过切割、磨面、抛光、清洗制得试样光片，先将试片置于偏光显微镜下观察方镁石颗粒情况，再将试片化学侵蚀后
分别在偏光显微镜和扫描电镜下观察熟料的主要矿物相形貌及尺寸。
称取一定质量的两种系统熟料磨细后装入盛有乙二醇-乙醇的溶液中连续搅拌并煮沸以萃取掉熟料中方镁石，再过滤去溶液，用无水乙醇反复清洗残渣后，将残渣烘干至恒重，然后采用蔗糖-KOH 溶液在一定条件下萃取得到硅酸盐相，XＲD 分析萃取料中 A 矿的晶型，扫描范围 31° ～53°，步长 1°/min。对两种系统煅烧所得熟料作胶砂强度实验研究，标准稠度和凝结时间测定根据 GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行。
3 结果与讨论
3．1 化学滴定熟料中 MgO 总量和方镁石含量
表 2 熟料中 MgO 总量和方镁石含量
表 2 滴定结果表明，XDL 系统与 NSP 系统煅烧的熟料中 MgO 总量均为 6% 左右，而不同煅烧系统对熟料中方镁石含量有影响，对比表中数据，XDL 系统煅烧的熟料中方镁石含量仅为 NSP 系统煅烧的熟料中方镁石含量的41.3%，固溶量相比 NSP 系统有所增加，这说明 XDL 系统煅烧高镁石灰石可以将更多的 MgO 固溶在熟料中，减少熟料中方镁石含量，从而减少了方镁石对水泥后期安定性的不良影响。
3．2 两种系统熟料的 XＲD 图谱
图1两种系统煅烧高镁石灰石原料所得熟料的XＲD 图谱，对图中各矿物的含量( 即衍射峰强度) 分析结果表明: ( 1) XDL 系统煅烧的熟料中方镁石含量小于 NSP 系统煅烧的熟料中方镁石含量，与化学滴定的结果相呼应。( 2) XDL 系统煅烧的熟料中 A 矿和 B 矿的含量都远大于 NSP 系统煅烧的熟料，对于传统硅酸盐水泥熟料，A 矿是水泥强度的主要来源，熟料中A 矿增多，可提高熟料强度。由此我们得出，较 NSP系统，采用 XDL 系统煅烧高镁原料可减小熟料中方镁石含量并增加熟料中 A 矿和 B 矿的含量。
3．3 两种系统熟料的 SEM 分析
在同一倍数条件下拍摄的两种系统熟料，在 A 矿与 B 矿的晶型尺寸清晰，采用 XDL 系统煅烧的熟料中 A 矿的晶型规则，有六方板状及柱状，边缘菱角清晰，尺寸在 30 μm 左右。NSP 系统煅烧的熟料中 A 矿晶粒细小，形状多为柱状，晶粒边缘不清晰，分布不均匀，与岩相侵蚀后看到的结果一致，这更加说明了 XDL 系统煅烧高镁原料所得熟料的性能好。
3．4 两种系统熟料的胶砂试验结果
两种系统煅烧高镁石灰石原料所得熟料的胶砂强度实验结果，对比发现 XDL 系统煅烧的熟料3 d强度略低于 NSP 系统煅烧的熟料，随着龄期的增长，前者熟料强度增长迅速，后者强度增长较前者缓慢，在28龄期时，前者熟料的强度已超过后者，从强度随龄期的增幅来看，前者熟料3～28 d 的强度增幅度为 25．88MPa，比后者熟料3～28 d 增幅18． 27 MPa 要高出 7.61MPa，这些分析结果表明，采用 XDL 系统煅烧高镁原料所得熟料强度较 NSP 系统煅烧的熟料存在早期强度略低，后期强度增长快，其 3 ～28 d 强度增幅较 NSP 系统要高 7.61 MPa 等特点。由3．3、3． 4 研究内容可知，采用 XDL 系统煅烧的熟料 C3S 形状规则，棱角清晰，尺寸在 30 μm 左右，生长良好，熟料性能应优于 NSP 系统煅烧的熟料，而 3．5 研究结果却发现，XDL 系统煅烧的熟料 3 d 强度略低，结合相关文献发现，这可能是由于 C3S 的晶型差异引起的，故对两种系统熟料进行化学萃取硅酸盐相后做 XＲD 分析。
3．5 两种系统熟料硅酸盐相的 XＲD 分析
图2两种系统熟料经化学萃取后得到的硅酸盐相的 XＲD 图，分析发现，采用 XDL 系统煅烧后的萃取料2θ在 32.5°～ 33°和 51°～ 52．5°之间，均出现双峰，与文献报道结果进行对比，鉴定为 M1 型，NSP 系统煅烧后的萃取料2θ 在32.5°～33°和51°～52.5°之间也均出现双峰，在后一角度范围内双峰对称性好，此时峰型和强度与 M3 型特征一致，为 M3 型。Stan 和 Sulovsky 阐述了C3S 晶型与水泥强度之间的关系，它们发现以 M1 晶型为主的水泥比以 M3 为主的水泥强度高10%，Nurse对制得的 M1、M3 型 Alite 作胶砂强度的结果表明，M1型的中后期强度高于 M3 型，而早期强度略低，这些都表明以 M1 型存在的 Alite 强度要优于以 M3 型存在的Alite，再结合本文胶砂强度的分析结果得出，XDL 系统煅烧的熟料能够将 A 矿稳定为 M1 型，熟料强度具有早期略低，随龄期增幅快，后期强度显著增高等特点，其熟料性能较 NSP 系统煅烧的熟料要好。
4 结论
( 1) 较 NSP 系统，采用 XDL 系统煅烧高镁石灰石原料可以将更多的 MgO 固溶在熟料中，减少熟料中方镁石含量，从而减小了膨胀效果，有利于水泥后期的安定性；
( 2) 与 NSP 系统相比，采用 XDL 系统煅烧高镁石灰石原料所得熟料中 A 矿和 B 矿的含量均增多，熟料中方镁石含量少，平均尺寸不足 1.0μm，且熟料中各矿物相与液相量分布均匀，A 矿晶粒形状规则，尺寸平均值为 30 μm；
( 3) 相比 NSP 系统，XDL 系统煅烧高镁石灰石原料所得熟料的早起强度略低，后期强度增长迅速，其3～ 28 d 强度增幅比 NSP 系统煅烧的熟料高出 7．61 MPa；
( 4) NSP 系统煅烧高镁石灰石原料所得熟料中的 A 矿以 M3 型为主，多为细小晶体，XDL 系统煅烧高镁原料所得熟料能够将 A 矿稳定为 M1 型。
参考文献：
[1] 董茂花. 水泥中氧化镁含量测定的关键问题[J]. 山西建筑. 2012(30)
[2] 高固气比水泥悬浮技术列入《国家重点节能技术推广目录》[J]. 广东建材. 2012(01)
[3] 安宝军,刘朝阳,王正臣,陈为胜,孙绪元. 高镁高碱原料的应用体会[J]. 水泥. 2011(04)
[4] 徐惠. 如何提高配位滴定法测定水泥中氧化镁含量的准确性[J]. 内蒙古石油化工. 2007(03)
论文作者:凌飞华
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/4/5
标签：熟料论文; 系统论文; 石灰石论文; 强度论文; 含量论文; 原料论文; 水泥论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;