高含量MgO原料对水泥熟料的不良影响及应对措施

韦爱玲，陈远胜，梁乾

1 前言

普通硅酸盐水泥的应用十分广泛，优质的水泥熟料是生产耐久性、适应性以及稳定性良好的硅酸盐水泥的基础。普通硅酸盐水泥熟料的质量受原燃材料品质的影响，若要获得优质的普通硅酸盐水泥熟料，不仅要有合适的配料方案、良好的煅烧矿物结晶体，还需要水泥熟料中的MgO、SO3、碱性物质等的含量稳定且相互匹配。本文主要谈谈水泥熟料中的MgO含量对普通硅酸盐水泥熟料质量的影响。

2 石灰石原料中MgO的形态及分布情况

我公司有两条4 500t/d水泥熟料生产线，于2007年12月正式投产，另有可自行开采50年的石灰石矿山。随着石灰石矿山开采平台高度的逐渐下降，高镁带矿层逐渐显露，表现为白云石外观，颜色明显区别于正常的石灰石。2017年后开采的石灰石矿中，MgO含量逐渐升高，对水泥熟料生产带来了明显的影响。在2020年的石灰石勘探钻孔样中，MgO含量平均为0.70%，最高15.2%，最低0.10%；MgO≥2.0%的石灰石占比5.0%，占比虽少但难以搭配均匀，导致熟料质量波动大，给生产稳定运行带来不利影响。

3 MgO含量对熟料质量的影响分析

3.1 通过数理统计分析MgO含量对熟料强度的影响规律

（1）我公司石灰石矿山整体品位较好，CaO年平均能达到53.5%，水泥生料采用石灰石、砂岩、粘土及铜渣四组分配料，具体化学成分见表1。

表1 原材料化学分析，%

（2）我公司2014～2019年水泥熟料化学成分分析见表2，水泥熟料率值、矿物组成、强度见表3。

从表2、表3可以看出，我公司水泥熟料采用了中饱和比、低硅率、中低铝率的配料方案，硅率较低。在水泥熟料3d强度控制在31±1MPa的情况下，2014年28d强度年均最高达67MPa，2017年28d强度年均最低仅63.7MPa，水泥熟料28d强度波动较大。

表2 熟料化学成分分析，%

表3 熟料率值、矿物组成、强度

（3）在相同条件下，一般认为，水泥熟料强度与率值关系较大。现用趋势图和回归分析方法找出水泥熟料28d强度与三率值以及MgO含量的关系（根据2014～2019年的月平均数据，共73组数据）。各趋势图见图1～4。

图1 熟料28d抗压强度与KH的关系（R=0.008）

图2 熟料28d抗压强度与SM关系（R=0.100）

图3 熟料28d抗压强度与AM关系（R=-0.215）

图4 熟料28d强度与MgO含量关系（R=-0.695）

由图1～4可知，水泥熟料28d强度与三率值的相关系数分别为R=0.008、R=0.100、R=-0.215，而与MgO的相关系数R=-0.695，相关性最明显，具有强负相关性。根据《水泥化验室手册》，∣R∣越接近1，则公式中的变量x与y线性相关关系越好；∣R∣值越趋近于0，公式中的变量x与y的线性相关性越差，甚至没有相关性。由此推断，MgO含量对熟料28d强度的影响程度最大，MgO含量越高，熟料28d强度越低。

3.2 通过物理化学性能指标数据进一步分析熟料中MgO含量对熟料28d强度的影响

水泥厂一线2019年1～7月水泥熟料化学分析与物理性能分析统计数据见表4。根据表4的数据，将抽检水泥熟料试样中的MgO含量进行分级统计，并取各级的MgO含量平均值进行对比（2019年全部用山西同煤，煤质较稳定，数据分析更具代表性），作出如图5、图6所示的熟料强度与MgO含量的相关性关系图。

由表4可以看出，熟料中MgO的含量越高，熟料28d强度越低。水泥厂一线2019年1～7月水泥熟料的28d强度，因MgO含量的变化，由66.6MPa下降到61.5MPa。

由图5、图6可知，水泥熟料3d强度与MgO含量的关系呈强负相关性，且R=-0.883；水泥熟料28d强度与MgO含量呈强负相关性，且R=-0.990。显然，水泥熟料中MgO的含量对水泥熟料强度的影响很大，特别是对28d强度的影响很大。

图5 熟料3d强度与MgO含量关系（R=-0.883）

图6 熟料28d强度与MgO含量关系（R=-0.990）

从表4还可以看出，水泥熟料MgO的含量在1.29%和1.84%时，水泥熟料强度下降幅度比较明显，28d强度分别下降了1MPa以上。在实际生产中，在相同配料和煅烧条件下，由于水泥熟料中MgO含量的波动，月生产熟料28d强度最高67MPa，最低59MPa，变异系数高达3.0%，极大影响了水泥熟料的质量稳定。从表4中的强度增进率亦可看出，水泥熟料中MgO含量越高，1d→3d和3d→28d强度的增进率越低，水泥熟料28d强度的增进率由35.1MPa下降为30.9MPa，影响了由1d早期强度判断后期强度的规律。

表4 2019年1～7月熟料化学分析与物理性能统计数据

3.3 水泥熟料中MgO含量对水泥其他性能的影响

水泥熟料中高含量的MgO，不仅对水泥熟料的强度有影响，而且对水泥熟料的粉磨时间、流动度、水泥熟料颜色等其他性能有影响。

（1）相同的水泥熟料配料方案，若MgO含量升高，则C3S含量将下降，粉磨时间将变长，对水泥磨的生产极为不利。

（2）熟料中的MgO含量不同，水泥熟料的颜色差异很大。在图7中，水泥熟料中的MgO含量较低时，熟料颜色较浅，随着MgO含量的升高，熟料的颜色逐渐变深。熟料MgO含量的波动，导致水泥和熟料外观颜色发生较大变化，直接影响用户的需求和使用。由图8可见，在施工现场，特别是对于大面积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，颜色色差明显，影响工程外观，易导致用户投诉。

图7 不同MgO含量的熟料颜色对比

图8 不同MgO含量水泥施工现场

3.4 水泥熟料中MgO含量对窑况和煅烧的影响

白云石中MgCO3的分解温度为800℃，而石灰石中CaCO3分解温度接近900℃。在水泥熟料煅烧过程中，MgO比CaO生成早，生料中MgO的含量升高时，若不能及时调整配料方案，熟料液相会提前出现，容易导致窑结圈，熟料结大块，严重时将会影响正常生产，甚至造成止料停窑。

4 微观分析MgO含量对熟料质量的影响

（1）熟料XRD检验分析

水泥熟料中最重要的矿物C3S在结晶过程中，会形成M1和M2两种晶型。熟料中M1晶型的C3S的含量对熟料强度贡献最大。M1晶型C3S含量越高，熟料强度越高。将不同MgO含量的熟料送至第三方检验机构进行XRD检验，分析其微晶结构，以了解其内在因素对熟料质量的影响。公司自检熟料质量数据见表5，XRD检验数据见表6。根据表6数据，制作M1晶型的C3S含量和MgO含量的关系图，见图9；制作熟料28d强度与M1晶型的C3S含量的关系图，见图10。

表5 公司自检熟料质量数据

表6 熟料XRD检验数据，%

从图9可以看出，熟料中MgO含量越高，所生成的A矿M1晶型C3S含量越低，二者成反比关系，相关系数R=-0.727。从图10可以看出，水泥熟料28d强度与M1晶型的C3S含量成正相关关系，相关系数R=0.859。

图9 XRD检验中M1晶型C3S含量与MgO含量的关系（R=-0.727）

图10 XRD检验中28d强度与M1晶型C3S含量的关系（R=0.859）

为了提高M1晶型C3S的总量，需再提高熟料C3S+C2S的总量，也就是当熟料中MgO含量高时，需同时提高KH和SM控制值，同时在熟料煅烧时提高其热力强度，以利于M1晶型C3S的生成。

（2）熟料岩相分析

熟料岩相分析见图11、图12，其中，图11中熟料MgO=0.80%，图12中熟料MgO=1.31%，MgO含量高的熟料C3S结晶比较粗大，大小不均匀，从而证明了高含量MgO对水泥熟料强度的影响。

图11 低镁熟料岩相分析（MgO=0.80%）

图12 高镁熟料岩相分析（MgO=1.31%）

5 改进措施及效果

通过以上分析可知，水泥熟料中MgO的含量对熟料28d强度影响较大，是造成熟料和水泥质量波动的主要因素之一。下面就具体的生产情况提出如下改进措施。

（1）增加石灰石矿山钻孔样的采样点，充分了解石灰石矿MgO的分布情况，根据MgO的分布情况，制定配料搭配使用方案。首先，高镁区石灰石原料用于骨料生产（我公司骨料项目2017年开始投产，石灰石为自采）；其次，集中时间段搭配使用高镁石灰石，保证熟料质量的阶段性稳定。

（2）根据进厂石灰石含镁情况，制定不同的熟料配料方案，MgO含量高时，适当提高KH和SM值，提高C3S+C2S总含量，确保熟料强度。通过大量数据收集和回归分析，得出石灰石、生料、熟料中MgO含量的对应关系以及熟料中的MgO含量与率值和强度的对应关系，分别见表7、表8。针对熟料的不同MgO含量控制要求，通过查阅表7，可以精准地向矿山部下达不同的石灰石MgO指标。针对熟料的不同强度要求，通过查阅表8，可方便地得到对应的不同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含量的对应关系

表8 熟料中的MgO含量与率值、强度的对应关系

（3）根据实际生产时石灰石中的MgO含量，对熟料进行配料方案调整以及熟料煅烧的调整，在MgO发生变化时，保证熟料的强度。

（4）使用高发热量煤种，煅烧时加大拉风，减少还原气氛，避免结厚窑皮及产生大块料。

改进后，当石灰石中MgO的含量升高时，通过提高熟料KH和SM控制值，提高C3S含量，同时使用较高发热量的煤炭，有效保证了熟料3d和28d强度。熟料验证情况见表9。

表9 措施验证熟料质量情况（一线熟料）

6 结语

（1）熟料中的MgO主要来自石灰石，MgO含量对熟料28d强度影响很大。熟料中MgO含量越高，熟料28d强度越低，成明显的负相关关系；微观分析熟料中MgO含量对强度的影响，主要表现在熟料煅烧时，生成M1晶型的C3S少了。

（2）熟料中MgO的含量对水泥的性能及颜色影响较大，熟料中MgO含量越高，熟料颜色渐深，影响熟料和水泥外观。

（3）由于我公司石灰石前期开采品位较好，虽然熟料SM很低，C3S+C2S总量也较低，但28d强度依然较高；后期石灰石开采MgO含量渐高，一旦出现MgO含量升高的情况，需要提高熟料KH和SM控制值，提高熟料C3S+C2S的总量，同时使用高热值的煤炭，才能充分保证窑的正常煅烧和熟料强度的稳定。

（4）实际生产中，需要根据石灰石中MgO含量的分析结果，制订进厂石灰石原料搭配使用实施方案，使进厂石灰石中的MgO含量控制在可有效保证熟料质量的稳定状态。