水泥熟料率值對(duì)其燒結(jié)線(xiàn)收縮率的影響

朱金陽(yáng)，曹德光，2，柏秀奎，林 華，方盛楠，陳春燕

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530002；2.廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530002；3.廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西 南寧 532200)

0 前 言

水泥熟料的煅燒中，液相發(fā)揮三個(gè)重要作用：①中溫下起到團(tuán)粒的作用；②在過(guò)渡帶吸附游離的SiO2和CaO生成C3S；③在燒結(jié)溫度范圍下，C2S逐漸熔于液相與f-CaO發(fā)生固相反應(yīng)、生成C3S。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，C3S晶核不斷形成并長(zhǎng)大，最終形成阿利特晶體[1]。同時(shí)，晶體不斷重排、收縮、密實(shí)化，物料逐漸由疏松狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯珴苫液?、結(jié)構(gòu)致密的熟料、并伴隨著體積收縮[2-3]。熟料收縮率雖不是質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，但其實(shí)質(zhì)為燒結(jié)的致密程度。高品位原料、適宜的率值及細(xì)度，煅燒后生成礦物形態(tài)完整、分布均勻、排列緊密，孔洞少、小，則熟料線(xiàn)收縮率增大并逐步接近收縮極限值[4]。反之則易使熟料疏松，收縮小。一般收縮大的熟料立升重也會(huì)較大，游離氧化鈣會(huì)相對(duì)較少，不容易產(chǎn)生飛砂。因此，熟料的線(xiàn)收縮值不僅反映了熟料的立升重等質(zhì)量指標(biāo)，而且是評(píng)價(jià)原料飛砂特性的煅燒工藝參數(shù)指標(biāo)。王善拔[5]、李濤等[6]認(rèn)為：若是配料液相量少、液相黏度太大、表面張力太小，熟料結(jié)粒小，在還原氣氛中煅燒，火焰太長(zhǎng)，鍛燒溫度不夠高等都容易起飛砂現(xiàn)象。

總的來(lái)說(shuō)，率值對(duì)液相含量、液相量黏度大、表面張力有顯著影響[7]。以上的液相性質(zhì)會(huì)致使燒結(jié)線(xiàn)收縮率有差異，在生產(chǎn)上表現(xiàn)為熟料立升重、飛砂料現(xiàn)象。為了能從定量的角度了解配料率值對(duì)熟料線(xiàn)收縮影響，本試驗(yàn)從改變?cè)下手等胧?，探究熟料率值和熟料燒結(jié)線(xiàn)收縮率的關(guān)系，為解決熟料煅燒產(chǎn)生飛砂現(xiàn)象、優(yōu)化熟料立升重等問(wèn)題提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用單因素變量法研究單3個(gè)熟料率值變化對(duì)熟料燒結(jié)線(xiàn)收縮率的影響[8]。實(shí)驗(yàn)原料取自某熟料生產(chǎn)線(xiàn)，其化學(xué)組成如表1所示。

表1 原料化學(xué)組成 %

3個(gè)熟料率值以KH = 0.90、SM = 2.72、IM = 1.20為基準(zhǔn)，原料經(jīng)球磨機(jī)粉磨相同時(shí)長(zhǎng)后按表2的梯度率值配料。采用混料機(jī)將生料混合均勻。燒制前用直徑40 mm(以下記為D1)的圓筒模具在壓片機(jī)下以20 MPa壓力加壓10 s將生料成型得到生料圓片。將所有的生料圓片統(tǒng)一放入高溫爐煅燒至1 400℃保溫30 min后取出急冷至室溫。用游標(biāo)卡尺(測(cè)量精度為0.001 mm)測(cè)量熟料圓片直徑D2。熟料線(xiàn)收縮率Y按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

Y=(D1-D2)/D1×100%

(1)

1 400℃的液相量公式為：

L=2.95Al2O3+2.2Fe2O3+MgO+R2O[2]

(2)

將各配方的Al2O3含量、氧硅比值(O/Si)、扣除C2S、C3S后的氧鋁比值(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為O/Al)、黏土礦的含量、液相量以及實(shí)驗(yàn)測(cè)得的線(xiàn)收縮率結(jié)果列入表2。

表2 各配方的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

燒結(jié)得到的熟料樣品在5倍物鏡下觀察熟料孔洞尺寸及分布特征；在50倍物鏡下觀察熟料礦物的種類(lèi)、含量和尺寸，以此對(duì)熟料線(xiàn)收縮率結(jié)果進(jìn)行分析佐證。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三率值的變化對(duì)熟料線(xiàn)收縮率的影響都有一定規(guī)律，見(jiàn)圖1。

圖1 三率值變化對(duì)應(yīng)的線(xiàn)收縮率、液相量和O/Al

2.1 KH值對(duì)熟料線(xiàn)收縮率的影響分析

由表2、圖1可知，KH值增大液相量從25.36%降到21.03%，線(xiàn)收縮率從15.45%上升到18.77%。圖2為 K1、K4、K6的巖相，可以看到：5倍顯微鏡下低KH值時(shí)的熟料孔洞密集且孔徑較大；KH值增大時(shí)，孔洞數(shù)量減少，但仍有大孔徑孔洞。巖相結(jié)構(gòu)證明了低飽和比樣品的液相相對(duì)較多，但燒結(jié)收縮較小的現(xiàn)象?？梢?jiàn)，液相量越高并不一定使熟料燒結(jié)收縮增大。50倍顯微鏡下K1巖相結(jié)構(gòu)緊密，幾乎都是B礦；K4樣品生成較多板狀的C3S，尺寸不均；K6的樣品，A礦的尺寸更大但不均勻，應(yīng)是受到液相量、表面張力降低的影響。

結(jié)合表2可知，KH值增大，CaO增多，所用黏土礦少量降低，Al含量的降低，O/Si和扣除C2S、C3S后的O/Al增高，硅氧四面體、鋁氧四面體間的連接聚合度下降，液相粘度降低，一方面促進(jìn)C2S融進(jìn)液相吸收CaO生成更多更大的C3S；另一方面，雖然液相量在降低，但仍保有21%以上的含量，較低粘度的液相對(duì)析出的結(jié)晶相潤(rùn)濕更好，氣體的排出更順利，巖相圖(見(jiàn)圖2)中小尺寸氣孔減少，總氣孔量降低，促進(jìn)了熟料燒結(jié)，燒結(jié)收縮率變大。因此，液相粘度成為影響燒成收縮率的主因，液相量的減小成為次要因素。

圖2 K1、K4、K6樣品在5倍和50倍顯微鏡下的巖相

2.2 IM值對(duì)熟料線(xiàn)收縮率的影響分析

由表2、圖1可知，IM值從0.89增至1.46時(shí)，線(xiàn)收縮呈先減后增的趨勢(shì)，最大差值為1.54%。I1、I4、I6樣品在5倍和50倍顯微鏡下的巖相見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3可以看到：低倍數(shù)下，線(xiàn)性收縮率最低的I2的孔洞呈貫穿狀，孔隙率明顯大于I1和I6。高倍數(shù)顯微鏡觀察到I1看到緊密生長(zhǎng)在一起的礦巢；I2的A、B礦明顯，兩者尺寸差別不大，但結(jié)構(gòu)較為疏松；I6樣品A礦嚴(yán)重連生,主要呈長(zhǎng)徑比較大的板柱狀和結(jié)晶細(xì)小的片狀,含大量細(xì)小包裹物及游離鈣[9]。

圖3 I1、I4、I6樣品在5倍和50倍顯微鏡下的巖相

IM由小到大代表了熟料中的Al2O3含量不斷上升，液相含量略微增加；O/Al、Fe2O3的含量不斷降低。Al2O3在高溫熔體中作中間體，Al2O3含量較少時(shí)，鋁離子起到網(wǎng)絡(luò)形成劑的作用，促使液相粘度升高，難以潤(rùn)濕晶體顆粒，燒結(jié)收縮作用降低；隨著Al2O3的進(jìn)一步增加，含堿氧化物最多的黏土礦和液相量持續(xù)增大，堿氧化物、多余的Al2O3起到的是網(wǎng)絡(luò)改變劑的作用，降低了液相粘度，導(dǎo)致熟料燒結(jié)作用逐步增大，熟料燒結(jié)收縮率逐漸變大。因此，熟料燒結(jié)收縮率隨Al2O3的增加呈現(xiàn)先降后升的規(guī)律。文獻(xiàn)[2-3]中觀察到在IM值低于1的時(shí)候，利于燒結(jié)線(xiàn)收縮大的現(xiàn)象；文獻(xiàn)[10]認(rèn)為Al2O3有利于結(jié)粒和固相反應(yīng)，兩種看似矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本分析中得到了統(tǒng)一。本實(shí)驗(yàn)的條件下，IM值為1.1左右是液相粘度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.3 SM值對(duì)線(xiàn)收縮率的影響分析

由圖1看到，線(xiàn)收縮隨SM增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最大差值僅為0.87%，線(xiàn)收縮在SM=2.65達(dá)到最大值。由表2知SM值增大，液相量持續(xù)減少，總減少了6.68%，這勢(shì)必導(dǎo)致燒結(jié)收縮率的降低，熟料難以被燒結(jié)；另一方面，隨著SM值的增大，SiO2和CaO含量增加，Al2O3和Fe2O3減少導(dǎo)致液相黏度下降。故SM增加的初期，液相保有量仍然很大，液相粘度的下降成為影響燒結(jié)收縮的主因，因此，SM上升初期，收縮率表現(xiàn)為增加，隨后，由于黏土使用量、O/Si下降，液相量繼續(xù)下降，生料易燒性變差[7]，燒結(jié)收縮率開(kāi)始表現(xiàn)為降低。

圖4 SM1、SM4、SM6樣品的巖相分析

對(duì)S1、S4、S6三個(gè)樣品進(jìn)行巖相分析。圖4中，低倍數(shù)下看到收縮率最大的S4比S1、S6樣品的孔洞少且孔徑相對(duì)較小。高倍數(shù)顯微鏡觀察到S1樣品中尺寸較大的A、B礦，說(shuō)明燒成液相粘度較低，液相量仍可觀，晶體易于長(zhǎng)大；燒結(jié)線(xiàn)收縮率最高的S4相對(duì)S1來(lái)說(shuō)，中間相略少，A礦尺寸相似，礦物更緊密，說(shuō)明在較低的粘度條件下，液相對(duì)硅酸鹽礦物的潤(rùn)濕較好。在SM超過(guò)2.5之后，液相量持續(xù)下降，加上SiO2過(guò)多體系中硅氧四面體由島狀變?yōu)閷訝睢⒓軤?，液相黏度急劇增加，燒結(jié)反應(yīng)率降低[10-11]，使得熟料燒結(jié)線(xiàn)收縮急劇降低。所以SM對(duì)線(xiàn)收縮的影響為先使其上升再下降。

綜上分析可知，當(dāng)硅酸鹽水泥熟料體系在液相量達(dá)到20%以上時(shí)，生料中的O/Al比是影響燒成收縮率的主要因素：當(dāng)O/Al比增大時(shí)會(huì)極大的降低黏度，液相黏度低則燒結(jié)線(xiàn)收縮變大。

3 結(jié) 論

通過(guò)研究率值對(duì)熟料燒結(jié)線(xiàn)收縮率的影響，發(fā)現(xiàn)率值在煅燒過(guò)程會(huì)影響到熟料燒結(jié)線(xiàn)收縮率。

1)KH值對(duì)燒結(jié)收縮率的影響最大，且與燒結(jié)收縮率成正相關(guān)，KH值變化0.29，燒成線(xiàn)收縮變化3.32%。

2)IM值在0.89～1.46時(shí)對(duì)收縮率影響不顯著，燒成線(xiàn)收縮率變化差值為1.54。收縮率隨IM值的增大而呈先減后增的趨勢(shì)，在IM值為1.09附近達(dá)到最小值。

3)SM值在2.06～3.00時(shí)對(duì)熟料收縮率影響最不明顯，收縮率最大差值僅為0.72%。影響呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，收縮率峰值對(duì)應(yīng)的SM在2.60附近。