硅酸盐水泥熟料的工艺矿物学研究

张 韩刘 磊赵 飒

（1 3 嘉兴南洋职业技术学院船建分院 浙江嘉兴 314003 2 华北理工大学矿业工程学院 河北唐山 063009）

硅酸盐水泥熟料的工艺矿物学研究

张 韩1刘 磊2赵 飒3

（1 3 嘉兴南洋职业技术学院船建分院 浙江嘉兴 314003 2 华北理工大学矿业工程学院 河北唐山 063009）

为了给河北省某水泥厂生产的水泥熟料性能的改进提供基础依据，通过工艺矿物学研究查明了水泥熟料中的矿物种类、含量及矿物特征。发现一线熟料中A矿多呈受溶蚀的棱角状，少量B矿具有短而粗的交叉双晶纹；二线熟料中A矿局部呈受溶蚀的棱角状，部分含有B矿，少量B矿呈边毛状且黑色中间体呈他形粒状或片状；三线熟料有轻微的黄心现象，A矿粒径差异较大并含有方镁石包裹体，黑色中间体呈他形片状。根据研究结果，指出了要改进水泥熟料生产工艺主要应从做好控制冷却速度、煅烧温度及掺合料拌和均匀程度三方面入手。

水泥熟料 矿物特征 冷却速度 煅烧温度

一、引言

近年来，随着我国经济飞速发展，全国范围内的基础建设、城镇化建设、新农村改造等如火如荼，对于建筑业和建筑材料的需求与日俱增，需要更高的水泥产量与之相应[1]。但水泥的生产是一个高能耗的过程，同时又排出许多污染物及工业废弃物[2]。如果生产的水泥性能不合格，必然引发资源的过渡浪费。硅酸盐水泥的生产工艺是“两磨一烧”[3]，这其中作为水泥的重要组成部分，水泥熟料的性能对水泥的影响至关重要。

河北省某水泥厂三个生产线上的水泥熟料在试运行阶段，需要对其性能进行测试，以进行大批量的生产使用。故对从生产线上取得的水泥熟料样品进行矿物工艺学研究，旨在为提高和改进水泥熟料生产工艺提供基础依据。

二、水泥熟料的物质组成

（一）、水泥熟料的化学成分

水泥熟料的化学成分由水泥厂测试，其测试结果列于表1

表1 不同生产线水泥熟料的化学成分

从表中可以看出，二线石灰饱和系数（KH）均大于0.9，推测该水泥熟料A矿（C3S）中既包裹有C2S，又有游离的氧化钙；1、三线的KH值均大于0.91，推测A矿中常见的包裹体为游离氧化钙。硅酸率均大于2，说明中间体少于20%[4]。下面对水泥熟料进行显微结构分析，验证其包裹体的特征，判断对水泥熟料性能的影响，进而反映生产工艺。
（二）、水泥熟料的矿物成分
对所取样品分别制成光片，在德国蔡司Axioskop 40偏/反两用研究型显微镜下进行分析。首先滴加蒸馏水侵蚀光片观察游离CaO的形态、分布及百分含量，再滴加1%氯化铵溶液侵蚀后观察A矿、B矿等矿物的镜下特征[5]。水泥熟料的矿物组成及体积百分含量列于表2。

表2 物相组成及体积百分含量/%

从表中可以看出，三个生产线上的水泥熟料的矿物组成主要包括C3S、C2S、C4AF、C3A，还有少量的方镁石、金属硫化物和游离氧化钙。经与《硅酸盐岩相学》中一级熟料矿物组成含量比较，差别不大，中间体含量也同上述化学分析的硅酸率值对应，初步分析，水泥熟料性能较为复合标准，但仍需对另一重要反映指标—矿物特征进行分析研究。

三、矿物特征

（一）一线水泥熟料矿物特征分析

从外观角度，熟料呈灰色至灰黑色，沿切面将球团样品截开，无黄心现象，内部坚硬致密，外部较疏松。对做好的光片在显微镜下观察，发现熟料整体结构较均匀，呈均齐结构，块状构造。熔蚀现象比较明显。气孔分布较均匀，形态不规则，小气孔较多。气孔率约为15-20%。

图1 被熔蚀的A矿 反射光（—）×200

图2 具有双晶纹的B矿 反射光（—）×500

其中 A 矿分布较均匀，晶形多被熔蚀，呈棱角圆钝状。结晶粒度较均匀，一般为15μm-40μm。期间被白色中间体粘结，局部中间体很少，连接成片，其间包裹有少量游离氧化钙。 B矿多呈圆粒状，结晶粒径一般约为20μm-40μm。多集中分布，少量分散于A矿之间，部分分布于气孔周围，该B矿粒径略大于分散于A矿中的。部分B矿可见短而粗的交叉双晶纹，如图1、2。 C4AF分布较均匀，多呈不定形分布于A矿或B矿晶粒间。镜下反射力强，反射色为白色。C3A含量较少，多呈点滴状分布于白色中间体中。方镁石（MgO）多呈浑圆状或他形晶，分布不均匀，多存在于A矿中。金属硫化物呈白亮色，圆粒状，分散分布。

从矿物组成及显微结构特征可以看出，A矿多呈受溶蚀的棱角状，说明可能是熟料在窑内停留时间长、冷却慢，A矿受液相熔蚀而成；A矿中包裹有少量B矿，可能因急烧，使A矿快速生成包围B矿。部分B矿具有短而粗的交叉双晶纹，也说明是烧成温度较高，缓慢冷却所致。含有细小的金属硫化物颗粒，说明还原气氛较强。无黄心现象说明通风和燃烧程度较好。整体而言，可推测该熟料的煅烧温度偏高，冷却速度较慢。建议降低煅烧温度，放慢冷却速度。

（二）、二线水泥熟料特征分析

熟料外观整体呈灰黑色，沿切面将球团状样品截开，样品熟料的核部无黄心现象。镜下特征同一线熟料相似，结构较均匀，呈均齐结构。硅酸盐矿物晶体整体发育较完整，大小较均齐，边棱较光洁，局部晶体有轻微的熔蚀现象。气孔分布较均匀，气孔率高于一线，约30-35%。

图3 形态呈板柱状的A矿 反射光（—）×500

图4 边毛状B矿 反射光（—）×500

其中A矿多呈粒状、长柱状，粒径大小较均齐，一般为10μm -35μm，边棱较为光洁，局部有熔蚀现象。分布较均匀，少量中含有B矿和游离氧化钙。B矿比一线集中分布程度高，多呈圆粒状，粒径一般为25μm-50μm。气孔处发现有少量粒径较大B矿，部分存在于A矿中，含有少量的边毛状B矿，如图3、4。C4AF分布较均匀，多呈他形或不定形分布于A矿或B矿晶粒间，呈乳白色。C3A呈他形粒状或片状分布于白色中间体中。方镁石（MgO）比一线较多，多呈浑圆粒状或他形晶，主要分布于A、B矿中。

从显微结构上看A矿局部呈受溶蚀的棱角状，说明可能是熟料在窑内停留时间长、冷却速度慢。A矿中含有少量B矿说明可能冷却速度较慢导致A矿分解包围B矿。B矿含量较一线多，且集中分布程度高，可能是由于物料掺入局部不均匀所致；部分B矿呈边毛状也说明冷却速度缓慢。黑色中间体呈他形粒状或片状也说明冷却缓慢所致。总体来看，可推测该熟料的冷却速度较慢，混料局部不均。建议冷却速度加快，以及将掺合料拌和均匀。

（三）、三线水泥熟料特征分析

熟料外观呈灰黑色或灰色，沿切面将球团状样品截开，部分样品熟料的核部有轻微的黄心现象。镜下结构均匀，主要呈均齐结构，A矿和B矿轮廓清晰，边界规整，局部结晶大小差异较大。气孔大小不一，小气孔较多，气孔率约为30-35%。

其中A矿多粒状、板状、六边形，边棱光洁整齐，结晶粒径大小不一，一般为20μm-50μm，小者10μm左右，部分晶粒中含有游离氧化钙和方镁石。B矿呈圆粒状，结晶粒度一般为10μm-25μm，分布不均匀，多以矿巢形式集中分布，被少量白色中间体胶结，如图5、6。C4AF分布较均匀，多呈他形或不定形分布于晶粒间，呈乳白色。C3A呈他形粒状或片状分布于白色中间体中。方镁石（MgO）多呈浑圆粒状或他形晶，主要分布于A矿中。金属硫化物含量较少。

图5 B矿巢 反射光（—）×200

图6 六边形A矿 反射光（—）×500

该熟料有轻微的黄心现象，说明窑内通风不好，还原气氛强；A矿粒径差异较大并含有方镁石包裹体，推测可能是由于生料成分均化不好或来料波动大，造成局部烧成不完全，即煅烧时间不足，出现轻烧现象，使熟料中矿物晶体大小悬殊。黑色中间体呈他形片状说明冷却速度慢。总体来看，推测该熟料可能混料不均匀或来料波动大、煅烧时间不足。建议将掺合料拌和均匀，适当延长煅烧时间。

四、结论

（1）通过观察发现一线熟料中A矿多呈受溶蚀的棱角状，少量B矿具有短而粗的交叉双晶纹；二线熟料中A矿局部呈受溶蚀的棱角状，部分含有B矿，少量B矿呈边毛状且黑色中间体呈他形粒状或片状；三线熟料有轻微的黄心现象，A矿粒径差异较大并含有方镁石包裹体，黑色中间体呈他形片状。

（2）根据工艺矿物学研究判断，一线熟料的煅烧温度偏高，冷却速度较慢，建议降低煅烧温度，放慢冷却速度。二线熟料的冷却速度较慢，混料局部不均，建议冷却速度加快，以及将掺合料拌和均匀。三线熟料可能混料不均匀或来料波动大、煅烧时间不足，建议将掺合料拌和均匀，适当延长煅烧时间。

（3）硅酸盐水泥熟料的显微结构与原料性质、生产工艺条件（窑型、物料在烧成带的停留时间、烧成温度、冷却制度）、生料细度、均匀性等密切相关，是生产优质硅酸盐水泥熟料的重要条件。

[1]邢智彪. 硅酸三钙晶体结构及其演化机理研究[D]. 南京: 南京大学. 2013.

[2]侯贵华, 沈晓冬, 许仲梓. 高硅酸三钙硅酸盐水泥熟料组成及性能的研究[J].硅酸盐学报, 2004, 32（1）：85-89.

[3]梁勇, 钱继春, 马智鹏. 建筑材料[M]. 上海：上海交通大学出版社, 2014.56-59.

[4]邵国有. 硅酸盐岩相学[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 1991.199-237.

[5]王岩, 林伦. 硅酸盐水泥熟料的光学显微结构特征的研究[J]. 天津城市建设学院学报, 2002, 8（2）：104-106.

Study on Processing Mineralogy of Portland Cement Clinker

ZHANG Han1, LIU Lei2

（1 Department of Ship and Building, Nanyang Vocational Technical Institute, Zhejiang Jiaxing 314003, China;2 College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Hebei Tangshan 063009, China）

In order to provide a basic basis for improving the performance of portland cement clinker of the cement plant in Hebei Province, all kinds of cement clinker minerals, content and mineral features were found out by process mineralogy research. The results show that the A mine in the first line of clinker is more angular by dissolution and a small amount of B mine have double crystal grain which is short and thick. The A mine in the second-line clinker present angular by dissolution and a part of them contain B mine. A small amount of B mine show flagelliform and small black intermediates show irregular sheets. The clinker of the third line has a slight yellow heart phenomenon. The A mineral partical size are different and contain periclase inclusions. The black intermediates show irregular sheets too. According to the process mineralogy findings, it is indicated that improving the performance needs to optimize the cooling velocity, calcinations temperature and admixture mixing uniformity.

cement clinker mineral features cooling velocity calcinations temperature

TQ172

B

1007-6344（2015）12-0003-02

张韩（1989-），男，助教，硕士，主要从事建筑材料教学