水泥熟料中所含的主要矿物C₃S和C₂S均是CaO和SiO₂的煅烧产物。在水泥熟料煅烧过程中，CaO在SiO₂晶格中的扩散速率比SiO₂在CaO晶格中的扩散速率高4～5倍。虽然SiO₂含量仅占水泥生料总量的14%左右，但SiO₂颗粒的扩散速率是决定生料反应能力的主要因素。本文对SiO₂的性能及其对水泥熟料煅烧的影响作了一些探讨。

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熟料煅烧过程中，生料若含有不易磨细的SiO₂，此类粗颗粒SiO₂不易和CaO作用生成C₂S和C₃S，导致游离氧化钙（f‑CaO）的产生。在煅烧熟料过程中，人们习惯于控制CaO的数量，若遇到粗颗粒的SiO₂时，不得不提高熟料的烧成温度，增强C₂S和f‑CaO的反应能力，生成C₃S。在此过程中，生成大晶格的C₃S熟料颗粒，形成不易水化、强度较低的飞砂料；若生料中含有一些熔融温度较低的化合物时，则会形成“雪人”。此类熟料粘附在窑口高温耐火砖墙上或燃烧器上，影响熟料煅烧。上述熟料不仅会增加煅烧时的煤粉用量，还容易产生窑内还原气氛，不利于熟料煅烧。此外，大晶格C₃S颗粒粉磨时，耗电量也高。

上述情况表明，若生料中含有大颗粒不易煅烧的SiO₂颗粒，所生成的飞砂、“雪人”熟料，不仅热耗高，而且电耗高，还经常出现影响生产的种种因素。解决方法之一是改变熟料率值，另一种方法是提高生料粉磨的细度，但是会增加生料粉磨电耗；较好的办法是更换易粉磨的SiO₂矿物，这样生料易粉磨，易煅烧，还可提高熟料强度。现就SiO₂矿物选用方法介绍如下。

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3.1 SiO₂矿物存在的形式

SiO₂是自然界分布最广泛的物质之一，存在的形式有自然矿物及硅酸盐矿物中的Si-O结构络阴离子团。  

（1）SiO₂自然矿物赋存产出情况

SiO₂自然产出最多的为结晶质石英矿物（SiO₂），隐晶质的石髓（包括玛瑙、燧石）、碧玉，还有含水的蛋白石SiO₂·nH₂O。结晶Si-O四面体四个顶角的氧相互连接，键荷饱和、结构力强、内能小而稳定。其熔点高达1728℃，在熟料煅烧时不会熔融出[SiO₄]⁴⁻，只能以溶出的方式解离出[SiO₄]⁴⁻，活化难度大。  

石英矿物在自然界生成时随温度有多种变化，见图1，但无论石英矿物如何变晶，其结构总是架状Si-O结构体，解聚难度几乎是一样的。实践证明，结晶SiO₂是Si-O结构中解聚能量最高的结构型式。  

图1 石英矿物的晶体形态

（2）SiO₂石英矿物在水泥原料中的自然赋存量

SiO₂石英矿物自然赋存量见表1。由表1可以看出，煅烧水泥熟料选用的粘土、沉积岩、岩浆岩和变质岩等矿物中含有不同含量的结晶SiO₂。其特点是结晶SiO₂含量高，烧成中解聚Si-O结构体较难，能耗高。选用岩浆岩中的酸性喷出岩、中性岩、基性岩和变质岩等岩矿原料时，结晶质SiO₂少，有节能的潜力。  

表1 SiO₂石英矿物在水泥原料中的自然赋存量

3.2 SiO₂的结构类型

硅酸盐矿物中存在的Si-O结构体有5种类型9种形式，见表2。不同形式的Si-O性能如下：  

（1） 硅酸盐矿物中岛状Si-O结构比自然产出的（SiO₂石英类矿物）结构简单。  

（2）原料中硅酸盐矿物一般都有OH结构，OH结构以水的形式脱掉后，矿物就会产生分解，Si-O结构络阴离子团就会游离出来，解聚Si-O结构变得简单，可以在较低温度下解聚出[SiO₄]⁴⁻与CaO反应。  

（3）凡是含Si-O结构络阴离子团的硅酸盐矿物都是复杂化学成分组合的矿物，在水泥烧成分解熔融过程中，矿物内部能调析出新矿物（包括Si-Ca新矿物），此类矿物的熔点偏低、烧成热耗低。  

表2 Si-O结构类型

3.3 SiO₂结构形式的节能选择

硅质原料选择的前提是节能、减排、优质高产。依据资源，有以下几种选择方向：  

（1）该类沉积岩型原料的主要岩石类型为高岭石质石英砂岩、硬质粘土及富石英的泥质岩。其核心矿物组成为大量结晶态石英（具架状[SiO₄]⁴⁻结构）与大量隐晶质高岭石（具层状硅酸盐结构）。

在煅烧制备熟料时，此类原料属于高能耗类型。主要原因在于：石英的晶格破坏耗能：大量结晶完好的石英，其稳定的架状硅氧结构需要在高温下（约575℃以上）发生晶型转变并破坏强Si-O键，此过程吸收大量热能。  

高岭石脱水与相变耗能：高岭石在500-600℃脱去结构羟基（OH⁻），随后形成非晶态偏高岭石，并在更高温度下生成莫来石和方石英，这些过程均为强吸热反应。其煅烧总能耗，通常比以非晶质或弱结晶态二氧化硅（如蛋白石、硅藻土）为主的原料高出约830至1460 kJ/kg（即约200至350 kcal/kg）。这是因为后者缺乏长程有序的晶体结构，Si-O键的断裂和重组在较低温度下即可开始，所需相变能显著降低。  

（2）非晶质SiO₂原料，主要包括火山玻璃（如黑曜岩、珍珠岩、火山灰）及部分工业矿渣（如高炉矿渣）。这些原料在形成时经历了熔体急冷，其Si-O网络呈长程无序的玻璃态，内部富含断键和结构缺陷，因而处于高内能的亚稳态。  

这类原料的主要特点是SiO₂含量高，且化学活性远高于结晶态的石英。在水泥生产中，当其与石灰石配合时，高活性的SiO₂能显著降低与CaO反应的起始温度，加速固相反应进程，并有助于降低熟料烧成时的液相出现温度。这一切都使得配用此类原料的水泥生料易烧性大为改善。  

（3）Si-O结构为络阴离子及离子团的硅酸盐矿物多的原料，主要是表2中的链状、环状和岛状Si-O结构多的硅酸盐矿物原料。这类岩石所含的硅酸盐矿物中Si-O结构矿物O共价键少、键荷不饱和、分解点低、熔点低、熔体粘度低、反应快，相应能耗也低。  

（4）硅酸盐矿物中Si-O结构的解聚能耗高低顺序为：架状结构 > 层状结构 > 链状结构 > 环状结构 > 岛状结构。一般原料都是多种Si-O结构矿物的混合体，主要是看哪种Si-O结构体占比多少来判定其在烧成中的节能特性。  

在原料的选择上，能耗随原料中Si-O结构类型和组合比例而变化。一般是：粘土 > 沉积岩 > 岩浆岩 > 变质岩。变质岩能耗低，潜在能量高，有节能潜力。如热液变质的铜铅锌尾矿较非晶质（石英类除外）的SiO₂原料的热耗低4.18×(150～300) kJ/kg，较结晶石英的热耗更低约4.18×500 kJ/kg。Si-O结构节能选择方向为：结晶SiO₂（石英颗粒）比例少，层状结构（高岭石颗粒）SiO₂少，含链状、环状、岛状Si-O结构的硅酸盐矿物多。  

以上是从SiO₂的结构来阐明节能选择的方向，但从实际生产来看，在选用砂岩时往往是SiO₂含量越高、粉磨能耗越高、颗粒越难于磨细，熟料煅烧温度和能耗也越高。而SiO₂含量低的矿物，往往是易磨且易煅烧。因此，在满足配料要求的前提下，应尽可能选用SiO₂含量低的矿物，如磁铁等其他金属的尾矿。此类矿石SiO₂含量稍低，但能满足配料率值的要求，十分有利于生产。需要说明的是，任何矿物均应按程序进行原料性能检测，以检测结果为依据。

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熟料煅烧过程中，SiO₂颗粒含量仅占生料总量的14%左右，但对熟料形成起着关键的作用。在原料专业工作中，应充分考虑此特征，选用粉磨能耗低但适合煅烧的SiO₂原料，以利于生产质量高、煅烧耗能低的水泥熟料。