波長色散X射線熒光光譜儀(WDXRF)可以測量各種類型和性質(zhì)的樣品,如固體或液體,導(dǎo)體或絕緣體等樣品中多達(dá)84種元素。與其他技術(shù)相比,XRF的優(yōu)勢在于分析速度快、樣品制備簡單、穩(wěn)定性好、精度高和動態(tài)檢測范圍寬(從ppm水平到100%)等特點。
X射線熒光分析是水泥工業(yè)中元素分析的首選方法,因其能夠準(zhǔn)確測定各類原材料、生產(chǎn)的熟料及水泥中的主次氧化物含量。
由于XRF分析無法提供礦物組成信息(例如,XRF僅能給出樣品中的總鈣濃度),通常需結(jié)合滴定或X射線衍射(XRD)等方法,以確定熟料或水泥中的物相組成。
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分析儀器
Thermo Scientific ARL? X900光譜儀是一款高性能的波長色散X熒光光譜儀,具備操作簡單,維護(hù)成本低等特點。該儀器配備通用測角儀,可覆蓋從氟(F)至镅(Am)的元素分析,另提供多個固定道選項,以滿足更高分析通量的需求。采用銠靶X射線管,并結(jié)合優(yōu)化的光學(xué)幾何結(jié)構(gòu),確保儀器具備極高的靈敏度。
(根據(jù)用戶要求,測角儀可擴(kuò)展自硼到镅的元素分析范)
該光譜儀提供三種功率型號。1500 W或2500 W無需額外配置冷卻系統(tǒng)即可運行。4200 W高功率型號則需配置外部水冷系統(tǒng), P10探測氣體的消耗極低,每50升氣瓶可使用約30個月。
三種功率配置下,測角儀均具備優(yōu)異的穩(wěn)定性,并對包括鈉(Na)、鎂(Mg )乃至氟(F)在內(nèi)的所有元素/氧化物表現(xiàn)出良好的分析精密度。
此外,ARL 900光譜儀還可集成創(chuàng)新的X射線衍射(XRD)系統(tǒng), 用于監(jiān)測水泥生產(chǎn)過程中的物相演變。
通過Thermo Scientific OXSAS分析軟件可便捷操作ARL X900,并支持與LIMS及自動化系統(tǒng)對接。
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應(yīng)用場景
ARL X900光譜儀采用模塊化設(shè)計語言,可在同一臺設(shè)備中現(xiàn)實XRF和XRD分析。覆蓋水泥生產(chǎn)過程中的多項質(zhì)量控制場景。
水泥工業(yè)過程與質(zhì)量控制實驗室的核心任務(wù)是對生料、熟料及水泥中的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O5、TiO2、Cl等元素/氧化物進(jìn)行定量分析。
ARL X900光譜儀提供出廠校準(zhǔn),為新用戶提供交鑰匙解決方案。例如,表1列出了熟料與水泥的粉末壓片樣品在出廠校準(zhǔn)中所涵蓋的元素濃度范圍。
表1.水泥校準(zhǔn)的濃度范圍
測角儀與固定道均可用于上述元素/氧化物的分析。測角儀以順序模式分析各元素組分,通常每個元素分析時間10-20秒。固定道的配置數(shù)量取決于所需的分析速度和樣品處理量。
在水泥生產(chǎn)中添加CaF2有助于降低窯內(nèi)煅燒溫度,從而實現(xiàn)節(jié)能目的。通過XRF測定生料或熟料中氟含量,可以有效控制CaF2的加入量。由于氟的熒光信號易被碳吸收,生料中大量存在CO2會嚴(yán)重影響分析性能而在熟料中,因碳已分解,氟的測定效果會更好。
在水泥中摻入冶金礦渣(GBFS)時,可通過X射線熒光測定實際礦渣含量。硫/硫酸鹽的測定基于硫Kβ衛(wèi)星峰,該衛(wèi)星峰是熟料的特征信號。礦渣含量越高,衛(wèi)星峰強(qiáng)度越低。該分析通常使用ARL X900的測角儀完成,也可配置專用于硫衛(wèi)星峰的固定道。
采用熔融制樣方法時,同一校準(zhǔn)曲線可用于多種不同材料的分析,例如石灰石、泥灰?guī)r、鐵礦石、礦渣、熟料、水泥和生料等。ARL X900光譜儀提供“通用氧化物”預(yù)校準(zhǔn)程序,為12種元素/氧化物的分析提供完整的交鑰匙方案。
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集成x射線衍射系統(tǒng)的使用
ARL X900光譜儀中的集成的x射線衍射系統(tǒng)可實現(xiàn)水泥工業(yè)中的多種物相分析具體如下。
原材料中大于45微米的石英(α-SiO2)顆粒對水泥最終抗壓強(qiáng)度有不利影響。通過ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可準(zhǔn)確測定生料中的石英含量。
在預(yù)熱塔系統(tǒng)中,生料溫度在塔頂約500°C升至窯尾約900°C。該溫度升高促使碳酸鈣發(fā)生如下分解反應(yīng):CaCO3 → CaO+CO2。
借助集成XRD系統(tǒng),ARL X900可監(jiān)測熱生料中CaO的生成與CaCO3的消耗,從而控制脫碳過程。
圖2.水泥廠的預(yù)熱塔
游離氧化鈣在水化過程中會與水反應(yīng)并發(fā)生體積膨脹(CaO+H2O→Ca(OH)2),因此水泥中游離石灰含量必須控制在2%以下,以避免任何問題。
在窯內(nèi)溫度高于1350℃的條件下,游離氧化鈣與貝利特(C2S)反應(yīng)生成阿利特(C3S)。阿利特能夠提高熟料強(qiáng)度,是理想產(chǎn)物。游離石灰的消耗越多,C3S的生成量越高,水泥強(qiáng)度也越高,但同時能耗也隨之增加。需在C3S形成與能耗之間取得平衡。通過XRD監(jiān)測游離石灰含量有助于優(yōu)化該工藝。
主要熟料相包括 C3S、C2S、C3A、C4AF。如上所述,部分C2S在窯中轉(zhuǎn)化為C3S。C3S與C3A共同貢獻(xiàn)水泥的早期強(qiáng)度。傳統(tǒng)上使用Bogue公式估算這些物相,但其結(jié)果可能存在較大偏差。XRD方法更為可靠,ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)完成熟料物相的定量分析。
圖3.熟料的顯微結(jié)構(gòu)-C3S為藍(lán)色,C2S為灰色,C4AF為藍(lán)色,C3A為白色
水泥由熟料、石膏及其他摻合料(如石灰石、礦渣、火山灰、粉煤灰等)組成。熟料是水泥中成本最高的組分,通過ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可以直接測定水泥中熟料的含量。
石灰石(CaCO3)作為水泥摻合料可降低抗壓強(qiáng)度并提高延展性。通過ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可以控制石灰石的添加比例。
火山灰或具有火山灰活性的材料常用作水泥的摻合料,以提高長期強(qiáng)度。若該材料具有明確的XRD特征峰,則可通過集成XRD系統(tǒng)定量其摻量。
?;郀t礦渣 (GBFS) 作為水泥摻合料可在長期養(yǎng)護(hù)后提高抗壓強(qiáng)度。為達(dá)到最佳性能,礦渣應(yīng)盡可能為非晶態(tài),且游離石灰含量低于5%。ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可同時測定礦渣中游離石灰與非晶相含量。
非晶相材料不產(chǎn)生X射線行射峰。通過測量XRD譜圖的背景信號,可以評估水泥中的非晶相含量。
結(jié)論
ARL X900 WDXRF光譜儀可以在兩分鐘內(nèi)快速分析水泥與熟料中12種氧化物/元素。壓片制樣,快速簡單,檢出限低,精密度好。對于礦物組成復(fù)雜的樣品,可采用熔融制樣(如使用硼酸鋰熔劑)以提高分析準(zhǔn)確性。
測角儀測量所有必需元素。通過延長特定元素的計數(shù)時間可提高分析精度。鑒于其優(yōu)異的重復(fù)性,部分元素(如K2O、P2O5、TiO2、MnO)的計數(shù)時間可縮短至10秒以內(nèi),從而優(yōu)化總分析時間。
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