水泥分析

對於確保水泥在生產過程中的品質和成效，以及減少製造時的碳排放方面，水泥分析扮演著重要角色。 

X 光螢光 (XRF) 

XRF 可用於水泥、原料、輔助性膠結材料 (SCM) 和替代燃料的元素分析。它能透過測量樣品的特性 X 光發射，來辨識樣品的化學組成。 

可根據測量的準確度和獲取結果所需的時間，來考量不同的樣品製備方法：

樣品製備

• 壓碎/粉末：材料經過壓碎而縮小粒徑，然後以粉末的形式進行分析。為確保樣品均質性、大幅降低粒徑效應並促成準確的元素分析，通常偏好使用壓實顆粒而非鬆散的粉末。
• 熔融：為了獲得最佳準確度，樣品會被溶解成熔融玻璃而形成助熔劑，進而產生均質的玻璃盤。這能消除粒徑和基質效應

產品應用

• 原料特性分析：評估原料組成 (例如石灰岩、黏土、石膏) 以獲得合適的熟料
• SCM 添加物：根據 SCM 的化學組成，在熟料中添加適量的 SCM 以獲得合適的水泥
• 品質控制：在生產期間監測元素組成

X 光繞射 (XRD)

XRD 不僅能夠辨識並量化孰料和水泥的結晶相，也能辨識並量化替代燃料和 SCM (煅燒黏土)。 

樣品製備雖然是獲得正確結果的關鍵，但通常也是最大的誤差來源。共有兩種方法可供使用：

樣品製備

• 研磨：將材料研磨成細粉
• 研磨後壓實：壓實顆粒可用於生產控制；這對大多數樣品而言，是最可靠且最推薦的樣品製備方法

產品應用

• 物相定量分析：測定水泥中每一相的含量 (例如孰料、石膏)
• 脫碳：XRD 透過量化各相 (孰料)、探索替代方案 (替代燃料和原料) 以及推動創新 (新的 SCM)，讓水泥產業能夠轉型並改為採用更環保、更有效率的製程
• 品質保證：確保一致的相組成

雷射繞射  

瞭解水泥樣品中所存在的粒徑範圍，便能更完善地控管水泥特性和營運成本。此外，粒徑也在反應性中扮演著關鍵角色，因此更常運用在其他材料上 (黏土、混凝土細料等)。

雷射繞射的基礎為透過準直雷射光束來照射顆粒。各種角度下的散射光皆會受到測量。粒徑資訊係由繞射圖樣所得出。

樣品製備

• 研磨：對水泥廠來說，在大多數情況下都會進行乾燥分析。這代表測量前會將材料磨細。如果是在進行即時測量，那麼確保使用均質且具代表性的樣品進行分析正是關鍵所在，而這可能需要採集體積更大且經適當調整的樣品

產品應用

• 達成抗壓強度目標：表面積會隨著粒徑變小而增加。更細緻的顆粒可強化水泥強度。齡期 28 天的強度可能會受到過多細小顆粒 (< 2um) 影響，進而造成裂縫。過多粗糙顆粒會對強度產生負面影響。這就是要最佳化粒徑分佈 (PSD) 以使其介於 2 至 32 微米之間的關鍵原因
• 養護特性：雷射繞射有助於預測並監測養護行為
• 提高布萊恩值 (Blaine Number)：除了布萊恩值外，PSD 也顯示出更多有關粗粒比例的細節和靈敏度

脈衝快速熱中子活化 (PFTNA) 

用於在水泥生產中進行即時元素分析的製程控制技術。 

PFTNA 可針對從採石場到窯爐的元素組成持續進行監測，甚至可加以運用，進而完美控制孰料中的 SCM 添加物，藉此製造低碳水泥。

方法

• 無須樣品製備，即可直接針對輸送帶上的岩石進行全面分析 (大量分析)

產品應用

此技術對於高頻分析而言非常實用，不僅可供人工智慧和機器學習模型使用，還能進一步將具有正確特性和最低碳足跡的水泥生產最佳化。此技術常用於以下水泥生產的關鍵階段：

• 混合前的庫存堆，確保原料的最佳均質性
• 原料混合，獲得變化最少且合適的原料粗粉 (LSF 嚴密控管)
• SCM 添加物：確保在孰料中準確進行添加，以獲得最佳反應性並降低孰料含量 (低碳水泥)

總的來說，這些都是每個水泥生產階段中不可或缺的方法：

• 原料特性分析：XRF、PFTNA 和 XRD 可分析原料
• 品質控制：XRF、XRD 和雷射繞射可監控生產過程
• 最終產品品質：XRD 和雷射繞射可確保合適的相組成
• 製程最佳化：即時分析儀正是製程的眼睛，而 PFTNA 和雷射繞射則能指引調整方向。自動 XRD 和 XRF 可提供絕佳支援

所有這些技術都能將水泥生產最佳化，同時降低製造成本。除了擁有多項優勢外，更能快速實現投資效益，擁有成本也相當低廉。歡迎與我們聯絡，瞭解更多有關我們的儀器如何協助您提高投資報酬率 (ROI) 的資訊。

您可獲得：

世界頂尖儀器

單站式分析解決方案

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全球服務與支援

製造商在選擇原料時，必須將成本降到最低，同時確保材料與水泥製程相容。特別是在使用替代原料時，這些原料可能會引入更多變化，此時可靠的分析便能協助監測此類變化，以達到所需的規格。除了材料成本外，還必須考量其對於製程效率及深具挑戰性的永續性目標 (2050 年淨零排放) 帶來的影響。為此，化學和礦物組成極為重要。

我們的解決方案提供高頻分析，特別是在自動化方面，尤其如果用於線上或線下時更是如此，不僅有助於將廢料降至最低，還能將原料的礦物和化學組成最佳化。它們可在採石場和生料混合配比時執行這項作業。這些儀器可快速提供結果，讓製造商減少採樣浪費，並確保窯爐在剩餘製程中 (預先混勻和配比) 能獲得穩定進料量，以利提高能源效率並降低 CO₂ 排放量。

在處理生料混合物方面，窯爐效率最大化是降低耗能、碳排放和維護需求的重要一環。將放入窯爐的材料最佳化，有助於達成此目標：這裡需要留意的兩項重點在於監控混合物化學特性正確且維持穩定，並適當研磨原料。 

生料混合物處理中的 X 光分析方法

穩定的原料粗粉組成，同樣是確保窯爐熱曲線維持一致的關鍵，在提供具有合適特性 (例如抗壓強度和凝結時間) 的優質成品上同樣重要。它也會影響耗能、是否使用研磨添加劑、耐火材料使用期限、添加劑消耗、燃料需求與其他製程因素。舉例來說，為了避免 Alite C3S 分解成 Belite C2S 和游離石灰，窯爐必須具備氧化條件。這項穩定性可透過使用 XRF 或線上元素分析 (例如中子活化交叉帶分析儀) 以控制化學成分，或者使用 XRD 控制礦物組成而達成。

最佳操作要求也適用於原料細粉 (避開特別粗的方解石和石英顆粒)：生料混合物的顆粒必須夠細，才能確保均勻混合和研磨，而不會死燒。接下來，使用雷射繞射進行粒徑分析，有助於確保結果。 

水泥生料混合物粒徑

以原料細粉 (避開特別粗的方解石和石英顆粒) 進行操作時，也必須採納最佳操作要求。生料混合物的顆粒必須夠細，才能確保均勻混合和研磨，而不會死燒。接下來，使用雷射繞射進行粒徑分析，有助於確保結果。 

Mastersizer 會設置於實驗室中並用於品質控制，而 Insitec 或 Labsizer 則會用於製程控制。 

WROXI 是一種高品質的合成認證參考物質 (CRM) 套件，其涵蓋相當多種氧化物材料，例如礦石、岩石和地質材料。它具有雙重用途：可用於主要熔融玻璃盤校準，或是用於發展二次壓實粉體校準。

以玻璃片為基礎的 WROXI-CRM 基礎軟體套件，包含 15 種認證參考物質、應用範本和監測樣本。一旦完成 WROXI-CRM 水泥擴充套件 (新增 9 個 CRMS) 後，此模組便成為隨即可用的解決方案，可進行各種原料、原料粗粉、熟料及水泥樣本的主要及次要元素分析。

有越來越多的替代燃料正以生質、混合燃料或碳排係數較低的化石廢棄物等形式，取代資源密集型的化石燃料。藉由回收燃料廢棄物的熱值，這些添加劑燃料有助於減少製造水泥時的碳排放。 

不過，必須完整分析替代燃料的安全性、化學、熱和物理特性，才能評估其對於火焰溫度和熱交換等參數的影響。

我們的 XRF 元素分析儀 (Epsilon 4、Revontium 和 Zetium)、交叉帶元素分析儀 (CNA Pentos-Cement)、礦物用輕巧型 X 光繞射儀 (Aeris 水泥)，以及自動熔融樣品製備機 (LeNeo、Eagon2 和 FORJ) 將使這項作業更加便利。

熟料是經由高溫處理而生成：預熱原料粗粉、進行煅燒而形成熟料、冷卻熟料及壓碎。如上所示，要達到合適的水泥特性，必須適當控制煅燒條件，然後迅速淬熄熟料。

接著要留意妥善控制煅燒 (游離石灰)，避免不需要的元素，並將正礦物相最大化以實現水泥的目標特性。 

以 XRD 分析孰料的礦物組成

為確保妥善進行煅燒，並獲得合適的熟料礦物組成，X 光繞射正是分析這些條件的最佳技術：可量化影響強度發展的 C3S 含量和類型、影響新鮮特性的 C3A 含量和類型，以及不得高於目標限值的游離石灰和方鎂石數量。Malvern Panalytical 的分析解決方案，善用 Aeris XRD 輕巧繞射儀以支援這項監控作業。 

XRF 如何應用於孰料製造？

在孰料製造中，XRF 具有幾個重要用途：

• 原料比例調整 ：XRF 有助於將原料粗粉的原料混合 (例如石灰岩和黏土) 最佳化，以確保合適的孰料製造混合比例。
• 製程控制 ：在窯爐中形成孰料的過程中，XRF 會監測製程條件，以便透過頻繁評估元素含量來確保品質維持一致。除了典型元素 (鈣、鋁、鐵、矽) 之外，不需要的元素 (氧化鎂、鹼、硫、氯) 會在燃料和生料混合物的內部回收流中受到管控。
• 孰料品質保證 ：XRF 可量化孰料中的主要、次要和部分微量元素，這些元素會直接關係到水泥的成效特性。
• 深入瞭解相組成： XRF 有助於辨識孰料相 (例如 C3S、C2S、C3A、C4AF) 的化學組成，以指引製程的調整方向並管控最終的水泥特性。

綜合上述內容，XRF (Epsilon 4、Revontium、Zetium) 不僅能提高孰料品質、提升製程效率，更能強化整體水泥生產作業。

製造孰料的永續方法

最後，如上所述，製造商運用永續方法的目標，不僅僅在於取得優質熟料，更希望節省能源和資源並降低排放量。 

高溫處理熟料需要在 1450°C 下進行煅燒，相關能源通常可透過在煅燒爐和窯爐主燃燒器燒煤而達成。為求節能減碳，使用廢棄物與生質作為替代燃料的情況與日俱增。替代原料也是使用選項。 

這類替代燃料或替代原料的用量，需要採取特定控制措施，以免對煅燒爐的反應性產生負面影響。我們的 X 光解決方案可讓您的熟料製造享有替代解決方案的優勢，同時無須擔心品質受到影響。

水泥的製造方式是將含有不同活性成分 (SCM) 的熟料研磨成細粉，進而實現所需的水泥性質。最常見的添加物是石膏與混合材料，例如飛灰、爐渣水泥、石灰岩、天然火山灰和煅燒黏土。這些材料經過研磨而具備所需細度，並以正確比例混合，進而生產所訂目標的結晶水泥相。 

為降低耗能，必須將過度研磨的情況降至最低。成品水泥的粒度會影響其水合反應率，以及所需的水量、阻燃劑和分散劑，因此是決定水泥強度的關鍵因素。我們的粒徑分析解決方案有助於達到最佳的水泥粒度。由於它們的分析快速且即時，包括在嚴苛的製程環境中進行，於是可讓製造商迅速因應任何異常狀況，同時監控深具企圖心的準確目標。如此一來，它們有助於節省龐大能源，並提供最佳短期和長期水泥強度。此外，還可以快速輕鬆地安裝，將干擾降到最低。

監測硫酸鹽含量和礦物組成類型 (攸關研磨期間脫水)，對於達到正確的新鮮硬化水泥特性而言至關重要。關於混合水泥，必須密切控制組成 (含非晶形物質)，以符合客戶的規格與二氧化碳排放目標。我們的 X 光螢光與 X 光繞射儀器對此助益良多。

混凝土是由三項基本成分構成：水、團聚物 (岩石、沙或砂礫) 和水泥。水泥通常為粉狀，跟水和團聚物混合時，可充當黏著劑。這種化合物，或稱為混凝土混合物，經過傾倒且硬化後，便會成為眾所周知的耐用材料。

回收混凝土成為日益受到歡迎的方法，這是利用拆除結構體或道路後殘留的團聚物而來。在過去，這種碎石會棄置於垃圾掩埋場，但隨著環保問題逐漸獲得重視，回收混凝土可重複使用碎石，同時還能降低施工成本。

在這兩種情況下，主要留意的是混凝土是否符合允諾的可加工性，硬化後品質 (抗凍、水密性、抗磨損性、強度)，以及使用價格 (水量)。

組成和材料大小同樣重要。我們的雷射或 X 光儀器可提供必要資訊，以便對此類特性進行高品質檢查。