Анализ фаз клинкера с помощью рентгенофлуоресцентной системы Thermo Scientific ARL 9900 Total Cement Analyzer с компактным рентгенофлуоресцентным анализатором
Тип: Аналитический отчет
Онлайн-количественное определение фаз клинкера с помощью интегрированных методов анализа: рентгенофлуоресцентной спектроскопии и рентгеновской дифракции.
Авторы:
Jairo Rueda, Henry Santamaria, Jorge Montana, Nestor Bernal and Renan Jaimes, Cementos Paz del Rio S.A., Columbia
Bertrand Jequier and Felix Torres, Symtek, Columbia
Введение
Количественный анализ фаз клинкера — очень важная задача, с которой сталкивается цементная промышленность. Помимо традиционного химического анализа с использованием методов рентгенофлуоресцентного анализа, все чаще используется рентгеноструктурный анализ для определения фаз минералов.
Анализ таких фаз, как содержание свободной извести в клинкере и добавки известняка в цементе, с помощью рентгеноструктурного анализа оказался чрезвычайно полезным для контроля процесса обжига и качества конечного продукта, соответственно. Действительно, за последние 10 лет во многих цементных лабораториях рентгенофазовый анализ заменил традиционные химические или другие методы мокрого анализа. Было проведено исследование с целью внедрения надежных, экономичных и быстрых аналитических методов для фазового анализа клинкера. Это исследование было сосредоточено на анализе фаз клинкера в печи в режиме реального времени и рассматривало потенциальное использование рентгенофазового анализа в качестве замены микроскопии или других косвенных методов расчета.
Анализ и пробоподготовка
Для целей данного исследования использовались приборы и подготовка образцов серии Thermo Scientific ARL 9900. Этот прибор оснащен рядом фиксированных рентгеновских каналов (монохроматоров), рентгеновским гониометром и рентгеновским дифрактометром, интегрированными таким образом, что как рентгеновские, так и дифрактометрические измерения могут проводиться на одном и том же образце в одинаковых условиях в трубке и в вакууме. За время производства была собрана серия из 30 образцов клинкера. Параллельно были проведены микроскопические измерения 30 образцов для получения количественных данных для фаз C3S, C2S, C3 A и C4 AF. Затем был отобран набор образцов с целью получения приемлемого динамического диапазона (рабочего диапазона) для концентраций четырех фаз клинкера.
Гранулы клинкера были измельчены и спрессованы в гранулы перед измерением с помощью анализатора цемента ARL 9900. Анализ таких фаз, как содержание свободной извести в клинкере и добавки известняка в цементе, с помощью рентгеноструктурного анализа оказался чрезвычайно полезным для контроля процесса обжига и качества конечного продукта соответственно. Действительно, за последние 10 лет во многих цементных лабораториях рентгенофазовый анализ заменил традиционные химические или другие методы анализа «мокрой химии».
При обычном микроскопическом наблюдении клинкеров самое большое ограничение заключается в наличии стекловидной фазы внедрения, которая затрудняет различение феррита и оксида алюминия. С образцами, представленными в данном исследовании, дело обстоит иначе, поскольку образцы клинкера медленно охлаждаются, что позволяет кристаллизоваться C3A. С другой стороны, определяемая микроскопическим путем фаза внедрения (оксид алюминия и феррит) всегда меньше, чем рассчитывается по формулам Bogue, поскольку предполагается, что все оксиды Al2O3 и Fe2O3 участвуют в образовании C3A и C4AF, без учета возможности того, что часть этих оксидов может образовывать твердые растворы с силикатами.
Общее время, затрачиваемое компактной интегрированной рентгеновской системой на анализ свободной извести и четырех фаз клинкера, составляет менее 4 минут. Пиковые значения интенсивности используются непосредственно без корректировок.
Таблица 1. XRF анализ клинкера
Результаты
В таблице 1 приведены результаты химического анализа (общая концентрация оксидов), полученные с помощью рентгенофлуоресцентного анализа оксидов. Эти концентрации используются для расчета эквивалентных концентраций клинкерных фаз по формуле Bogue:
%C3S = (%CaO − % без CaO) × 4,07 − (%SiO2×7,6 + %Fe2O3×1,43 + %Al2O3×6,72)
%C2S = %SiO2×2,87 − C3S × 0,75
%C4 AF = % Fe2O3×3,04
%C3 A = % Al2O3×2,65 − % Fe2O3×1,69
Рисунок 1. Калибровочная кривая для алита ( C3S) в серии образцов промышленного клинкера с использованием интегрированной рентгеновской системы
Рисунок 2. Калибровочная кривая для белита (C2S) в серии образцов промышленного клинкера с использованием интегрированной рентгеновской системы
Рисунок 3. Калибровочная кривая для алюмината (C3A) в серии образцов промышленного клинкера с использованием интегрированной рентгеновской системы
Таблица 2. Количественный рентгеновский анализ свободной известковой и клинкерной фаз в сравнении с микроскопией и расчетами по формуле Bogue
Рисунок 4. Микроскопия и компактная рентгенография для C3 S: хорошая корреляция
Рисунок 5. Микроскопия против формулы Bogue для C3S: корреляции нет
Заключение
В данном тематическом исследовании сравнивались количественные результаты, полученные на серии образцов клинкера (промышленных образцах, взятых в реальных условиях эксплуатации печи) с использованием трех методов: формулы Bogue, микроскопии и компактного интегрированного рентгеновского анализа с использованием анализатора цемента ARL 9900.
Результаты, полученные по формуле Bogue, явно не соответствуют ожиданиям. Сравнение данных микроскопии и количественного рентгеновского анализа показывает, что уникальную компактную интегрированную рентгеновскую систему серии ARL 9900 можно использовать в реальных технологических условиях для анализа фаз клинкера. Поскольку фаза C3S обеспечивает устойчивость к цементу, такой рентгеноструктурный анализ может помочь предсказать 3-дневную стойкость к сжатию будущего цемента, полученного из этих клинкеров, в то время как на 7-дневную и 28-дневную стойкость могут влиять другие факторы, такие как, например, крупность и гранулометрический состав.