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ARL X900 X射線熒光光譜儀在水泥工業(yè)中的應(yīng)用
波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀（WDXRF）可以測(cè)量各種類(lèi)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(shì)在于分析速度快、樣品制備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高和動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍寬（從ppm水平到100%）等特點(diǎn)。
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(cè)定各類(lèi)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(wú)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(zhǎng)色散X熒光光譜儀，具備操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低等特點(diǎn)。該儀器配備通用測(cè)角儀，可覆蓋從氟（F）至镅（Am）的元素分析，另提供多個(gè)固定道選項(xiàng)，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(cè)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(hào)。1500 W或2500 W無(wú)需額外配置冷卻系統(tǒng)即可運(yùn)行。4200 W高功率型號(hào)則需配置外部水冷系統(tǒng)， P10探測(cè)氣體的消耗極低，每50升氣瓶可使用約30個(gè)月。
三種功率配置下，測(cè)角儀均具備優(yōu)異的穩(wěn)定性，并對(duì)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(cè)水泥生產(chǎn)過(guò)程中的物相演變。
通過(guò)Thermo Scientific™ OXSAS™分析軟件可便捷操作ARL X900，并支持與LIMS及自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)接。
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應(yīng)用場(chǎng)景
ARL X900光譜儀采用模塊化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，可在同一臺(tái)設(shè)備中現(xiàn)實(shí)XRF和XRD分析。覆蓋水泥生產(chǎn)過(guò)程中的多項(xiàng)質(zhì)量控制場(chǎng)景。
水泥工業(yè)過(guò)程與質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室的核心任務(wù)是對(duì)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(cè)角儀與固定道均可用于上述元素/氧化物的分析。測(cè)角儀以順序模式分析各元素組分，通常每個(gè)元素分析時(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。通過(guò)XRF測(cè)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(hào)易被碳吸收，生料中大量存在CO2會(huì)嚴(yán)重影響分析性能而在熟料中，因碳已分解，氟的測(cè)定效果會(huì)更好。
在水泥中摻入冶金礦渣（GBFS）時(shí)，可通過(guò)X射線熒光測(cè)定實(shí)際礦渣含量。硫/硫酸鹽的測(cè)定基于硫Kβ衛(wèi)星峰，該衛(wèi)星峰是熟料的特征信號(hào)。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(cè)角儀完成，也可配置專(zhuān)用于硫衛(wèi)星峰的固定道。
采用熔融制樣方法時(shí)，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(shí)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(duì)水泥最終抗壓強(qiáng)度有不利影響。通過(guò)ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)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(cè)熱生料中CaO的生成與CaCO3的消耗，從而控制脫碳過(guò)程。
圖2.水泥廠的預(yù)熱塔
游離氧化鈣在水化過(guò)程中會(huì)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(wèn)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(shí)能耗也隨之增加。需在C3S形成與能耗之間取得平衡。通過(guò)XRD監(jiān)測(cè)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(guò)ARL X900的集成XRD系統(tǒng)可以直接測(cè)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(guò)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(zhǎng)期強(qiáng)度。若該材料具有明確的XRD特征峰，則可通過(guò)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(zhǎng)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(shí)測(cè)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(guò)測(cè)量XRD譜圖的背景信號(hào)，可以評(píng)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(jiǎn)單，檢出限低，精密度好。對(duì)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(cè)角儀測(cè)量所有必需元素。通過(guò)延長(zhǎng)特定元素的計(jì)數(shù)時(shí)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(jì)數(shù)時(shí)間可縮短至10秒以內(nèi)，從而優(yōu)化總分析時(shí)間。
