X射线衍射仪在水泥行业的应用

X射线衍射仪在水泥行业的应用

陈杉杨莉荣邢婉婉高诗莹吴安冉曹洋

陈杉杨莉荣邢婉婉高诗莹吴安冉曹洋

中国葛洲坝集团水泥有限公司湖北武汉430000

摘要：X射线衍射仪（XRD）是一种通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的物相组成、内部原子或分子的结构与形态等信息的测试设备。主要用于物相的定性和定量分析、晶体的晶型及其原子与分子结构分析，广泛应用于冶金、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域，各大高等院校与科研机构及建材、海螺和华润等水泥企业都已被普及并得到应用。本文在对XRD工作原理进行综述的基础上，还对XRD在水泥生产中的各项应用进行了介绍。

关键词：Xraydiffractometer；Phasecomposition；Thequalitativeanalysis；Quantitativeanalysis；cementindustry

ApplicationofX-raydiffractometerincementindustry

Abstract:X-raydiffractometer(XRD)isakindoftestingequipmentthatcanobtainthephasecomposition,internalatomicormolecularstructureandmorphologyofthematerialbyX-raydiffractionanalysisofitsdiffractionpattern.Itismainlyusedforqualitativeandquantitativeanalysisofphase,crystalformandatomicandmolecularstructureanalysisofcrystal,widelyusedinmetallurgy,chemicalindustry,scientificresearch,aerospace,teaching,materialproductionandotherfields,variousuniversitiesandscientificresearchinstitutionsandcemententerprisessuchasbuildingmaterials,conchandChinaresourceshavebeenpopularizedandapplied.Inthispaper,theworkingprincipleofXRDissummarized,andtheapplicationofXRDincementproductionisalsointroduced.

Keywords:Fuelethanol;Cleanenergy;Molasses;Fermentation

前言:

目前水泥厂的出厂水泥一般采用化学分析、物理检验指标进行质量控制,但是无法有效的优化水泥的适应性。通过XRD技术,可以实现对出厂水泥中的矿物相进行定性和定量分析,从而控制和优化水泥的适应性;通过XRD对水泥中石膏的晶体形态的分析,判断水泥磨内温度,优化石膏的使用;通过XRD对水泥的矿物定性分析,辨别是否为不合格产品或混入其他物料,解决出厂水泥质量售后中的相关问题。

一、XRD工作原理简介

矿物晶体中原子的间距和X射线波长具有相同的数量级（1～10埃），当X射线照射在晶体物质上，会在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，不同的晶体具有自己独特的衍射花样。

衍射花样的特征由两方面来定义：

一方面是衍射线在空间的分布规律（衍射方向）——由晶胞的大小、形状、位向决定。另一方面是衍射线的强度——取决于原子的种类和它在晶胞中的位置。通过对衍射花样的测定从而得到晶体的点阵结构、大小和形状等信息。

二、XRD在水泥生产中的应用情况

2.1原材料品质分析

2.1.1.石灰石品质分析

利用XRD分析石灰石中CaCO3的含量及其白云化、结晶程度、结晶硅（石英相）含量和有无硫铁矿等信息，从而比较或判断石灰石碳酸盐分解的难易程度、易磨性、易烧性以及是否会带来SO2环保排放等问题，为石灰石的选择与搭配使用提供依据。

2.1.2辅助材料品质分析

通过分析硅质材料中SiO2存在的矿物形式（硅铝化合物或石英相）及其含量来判断其易磨性与易烧性；铁质材料中Fe的存在形式，判断其是否具有磁性、是否与重金属（如Cr、Mn）形成固溶体、是否以Cr的硫酸铁存在等。

2.1.3混合材与石膏品质分析

分析矿渣或矿粉中玻璃相的含量，进而评价其活性；钢渣中C2S、RO相和方镁石比例，分析其活性、易磨性及安定性；石膏中SO3存在的形式（二水石膏、半水石膏或无水石膏）及其杂质相，判断其使用性能（一般二水石膏对水泥调凝的适用性更好）。

2.1.4工业固废分析

对协同处置的工业固废提前进行物相分析，进而摸准其物化特性（是否存在含Cl、重金属等有害元素的物相组成），为决定其能否使用（对半成品及成品质量、生产系统和环境的影响）、在哪使用（作生料配料、混合材或缓凝剂）、如何使用（掺入量及方式）提供指导依据。

2.1.5耐火材料质量分析

对不同损耗程度的各供应厂家耐火砖或耐火浇注料进行XRD测试，分析其损耗产生原因，并进行比较，为生产控制和耐火材料选取提供数据支撑。

2.2生料品质分析

2.2.1生料易烧性判断

生料易烧性的好坏直接决定熟料煅烧所需的能耗指标。据有关数据统计，每生产一吨熟料大概需要标煤耗97kg/t～110kg/t，而热耗占到水泥工业成本的30%左右，生料易烧性好，可降低熟料煅烧过程所需能耗，从而降低生产成本。通常，生料易烧性的主要影响因素是晶体发育良好的活性极低的结晶硅及生料粉中大颗粒的结晶SiO2和大于125μm的方解石大颗粒等，这些矿物相的存在均会提高煅烧的阻力，降低生料易烧性，进而增加熟料煅烧所需能耗。借助XRD可定性定量分析生料中粒级范围内的结晶硅（石英相）和方解石含量，从而有效判断生料易烧性好坏，在生产中指导并实施相应的改进措施，改善其易烧性，降低生产能耗，提高熟料质量。

2.2.2热生料分解程度判断

通过XRD可分析热生料中碳酸盐分解程度、以及碱盐（如无水钾镁矾）、灰硅钙石和C3S含量，进而判断原燃材料有害元素的引入情况、窑尾给煤量是否合理、是否存在系统堵塞风险、熟料粉尘在窑系统中的循环情况，为生产过程分析与调整提供依据。

2.3结皮、窑皮与旁路放风收集料分析

2.3.1对预热器、分解炉或烟室缩口结皮进行XRD分析，可得出结皮中主要的物相组成，分析有害元素的循环富集情况，为原燃材料或工艺参数调整提供依据；

2.3.2停窑检修期间可对不同窑带的窑皮进行XRD物相分析，判断窑上煅烧参数控制是否合理；

2.3.3利用XRD分析旁路放风收集料，可得到循环富集相含量，判断旁路放风系统使用效果，尤其对一些协同处置生活垃圾的水泥生产线具有较大的指导意义。

2.4熟料质量判断

2.4.1熟料矿物组成分析

硅酸盐水泥熟料的主要矿物为阿利特、贝利特、铝酸三钙和铁铝酸四钙，其中阿利特是决定水泥强度性能的主要矿物，其他矿物的贡献较小。传统水泥生产是利用X荧光分析水泥熟料的化学组成，采用Bogue法根据熟料化学成分计算得其矿物组成，但该法基于理想的晶体平衡条件，即烧成过程中各化学成分均进行充分完全的化学反应；而实际生产中由于反应温度、升温速率、煅烧气氛、物料的颗粒组成、均匀性等因素的影响，使得烧成反应不可能按照理想条件进行，且熟料需要冷却，其中各矿物或多或少存在固溶现象，甚至会有方镁石或游离石英等物相存在，因此，该法往往不能反映熟料组成的真实特性，其结果与实际含量往往相差较大。

2.4.2熟料各矿物晶型分析

不同的工艺条件（如烧成、冷却速度）、微量元素（MgO、R2O、SO3、P2O5以及重金属等）的固溶情况对熟料矿物组成及C3S、C2S、C3A或C4AF的晶型或晶格参数会产生影响，进而导致熟料性能发生变化。利用XRD技术可分析出熟料矿物组成、晶型或晶格参数的变化，帮助找到熟料性能变化的根本原因，为生产调控提供依据。

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