Zementanalyse

Die Zementanalyse spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Qualität und Leistung von Zement während des gesamten Produktionsprozesses und bei der Dekarbonisierung der Zementherstellung. 

Röntgenfluoreszenz (RFA) 

RFA wird für die Elementanalyse von Zement, Rohstoffen, zementhaltigen Zusatzstoffen (SCM, Supplementary Cementious Materials) und alternativen Brennstoffen verwendet. Diese Analyse identifiziert die chemische Zusammensetzung durch Messung der charakteristischen Röntgenemissionen der Probe. 

Abhängig von der Genauigkeit der Messung und der benötigten Zeit, um ein Ergebnis zu erhalten, können verschiedene Probenvorbereitungen in Betracht gezogen werden:

Probenvorbereitung

• Zerkleinern/Pulver: Das Material wird zerkleinert, um die Partikelgröße zu reduzieren, und als Pulver analysiert. Gepresste Pellets werden oft losen Pulvern vorgezogen, um die Homogenität der Probe zu gewährleisten, die Auswirkungen der Partikelgröße zu minimieren und eine genaue Elementaranalyse zu ermöglichen.
• Schmelzaufschluss: Für die beste Genauigkeit werden die Proben in geschmolzenem Glas aufgelöst. Dadurch wird ein Schmelzmittel gebildet, das zu einer homogenen Glasscheibe führt. Auf diese Weise werden Partikelgrößen- und Matrixeffekte eliminiert.

Anwendung

• Rohstoffcharakterisierung: Bewertung der Zusammensetzung des Rohstoffs (z. B. Kalkstein, Ton, Gips), um den richtigen Klinker zu erhalten
• Zugabe von SCMs: Zugabe des richtigen SCM-Gehalts zum Klinker, um den richtigen Zement zu erhalten, basierend auf der chemischen Zusammensetzung des SCMs
• Qualitätskontrolle: Überwachung der elementaren Zusammensetzung während der Produktion

Röntgendiffraktion (XRD)

XRD identifiziert und quantifiziert kristalline Phasen in Klinker und Zement sowie in alternativen Brennstoffen und SCMs (kalziniertem Ton). 

Die Probenvorbereitung ist der Schlüssel zum richtigen Ergebnis und meistens die größte Fehlerquelle. Diese Analyse kann auf zwei Arten durchgeführt werden:

Probenvorbereitung

• Mahlen: Der Stoff wird zu einem feinen Pulver gemahlen
• Pressen nach dem Mahlen: Gepresste Pellets werden zur Produktionskontrolle verwendet. Diese Methode ist die zuverlässigste und empfehlenswerteste Probenvorbereitung für die meisten Arten von Proben.

Anwendung

• Phasenquantifizierung: Bestimmt die Menge der einzelnen Phasen (z. B. Klinker, Gips) im Zement
• Dekarbonisierung: Mit XRD kann die Zementindustrie zu umweltfreundlicheren, effizienteren Prozessen übergehen, indem sie Phasen (Klinker) quantifiziert, Alternativen erforscht (alternative Brennstoffe und Rohstoffe) und Innovationen vorantreibt (neue SCMs).
• Qualitätssicherung: Sorgt für eine gleichbleibende Phasenzusammensetzung

Laserdiffraktion  

Sie sollten das Spektrum der in Zementproben vorhandenen Partikelgrößen kennen, um die Zementeigenschaften und Betriebskosten besser steuern zu können. Die Partikelgröße spielt auch eine wichtige Rolle bei der Reaktivität und wird daher immer häufiger für andere Stoffe (Tone, Betonfeinteile usw.) verwendet.

Die Laserdiffraktion basiert auf dem Anstrahlen Beleuchtung von Partikeln mit einem kollimierten Laserstrahl. Das gestreute Licht wird unter verschiedenen Winkeln gemessen. Aus dem Beugungsmuster werden die Informationen zur Partikelgröße abgeleitet.

Probenvorbereitung

• Mahlen: In Zementwerken werden die meisten Analysen trocken durchgeführt. Das bedeutet, dass der Stoff vor der Messung fein gemahlen wird. Bei Echtzeitmessungen muss sichergestellt werden, dass die Analyse mit einer homogenen und repräsentativen Probe durchgeführt wird, was ein größeres Volumen und eine gut angepasste Probenentnahme erfordern kann.

Anwendungen

• Zielvorgabe für die Druckfestigkeit: Wenn die Partikelgröße abnimmt, vergrößert sich die Oberfläche. Feinere Partikel erhöhen die Festigkeit des Zements. Die 28-Tage-Festigkeit kann durch zu viele feine Partikel (< 2 µm) beeinträchtigt werden, was zu Rissbildung führt. Zu viele grobe Partikel wirken sich nachteilig auf die Festigkeit aus. Aus diesem Grund ist die Optimierung der PSD zwischen 2 und 32 Mikron entscheidend.
• Aushärtungseigenschaften: Laserdiffraktion hilft bei Vorhersage und Überwachung des Aushärtungsverhaltens
• Verbesserung der Blaine-Zahl: Über die Blaine-Zahl hinaus offenbart die PSD genauere Details und die Empfindlichkeit gegenüber groben Anteilen.

Schnelle thermische Aktivierung mit gepulsten Neutronen (PFTNA, Pulsed Fast Thermal Neutron Activation) 

Prozesssteuerungstechnik für die Elementaranalyse in Echtzeit bei der Zementherstellung. 

Mit PFTNA ist eine kontinuierliche Überwachung der Elementzusammensetzung vom Steinbruch bis zum Ofen möglich. Bei kohlenstoffarmen Zementen kann sogar die Zugabe von SCMs zum Klinker perfekt gesteuert werden.

Methoden

• Es ist keine Probenvorbereitung erforderlich, das Gestein auf dem Band wird direkt und vollständig analysiert (Massenanalyse).

Anwendung

Dieses Verfahren ist sehr nützlich für Hochfrequenzanalysen, die von künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernmodellen genutzt werden, um die Zementproduktion mit den richtigen Eigenschaften und dem niedrigsten CO₂-Fußabdruck zu optimieren. Das Verfahren wird üblicherweise in den folgenden Schlüsselphasen der Zementproduktion eingesetzt:

• Vorgemischte Halde, um die optimale Homogenität der Rohstoffe zu gewährleisten
• Rohmischung, um das richtige Rohmehl mit den geringsten Schwankungen zu erhalten (strenge LSF-Kontrolle)
• SCM-Zugabe: Gewährleistung einer genauen Zugabe zum Klinker, um die Reaktivität zu optimieren und den Klinkergehalt zu senken (kohlenstoffarmer Zement)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Methoden in jeder Phase der Zementproduktion wichtig sind:

• Rohstoffcharakterisierung: Analyse der Rohstoffe mittels RFA, PFTNA und XRD
• Qualitätskontrolle: RFA, XRD und Laserdiffraktion zur Überwachung der Produktion
• Qualität des Endprodukts: XRD und Laserdiffraktion stellen die korrekte Phasenzusammensetzung sicher
• Prozessoptimierung: Echtzeit-Analysatoren sind die Augen des Prozesses – PFTNA- und Laserdiffraktionsanalysen steuern Anpassungen. Automatisiertes XRD und RFA sind eine große Unterstützung

All diese Techniken optimieren die Zementproduktion und senken gleichzeitig die Herstellungskosten. Im Vergleich zu den vielen Vorteilen ist die Amortisationszeit kurz und die Betriebskosten sind niedrig. Sprechen Sie mit uns, um mehr darüber zu erfahren, wie Sie mit unseren Instrumenten Ihren ROI verbessern können.

Ihre Vorteile:

Instrumente der Spitzenklasse

Analyselösungen aus einer Hand

Nahtlose Integration

Weltweiter Service und Support

Bei der Auswahl von Rohstoffen müssen die Hersteller die Kosten gering halten und gleichzeitig sicherstellen, dass die Stoffe mit der Zementproduktion vereinbar sind. Insbesondere bei der Verwendung von alternativen Rohstoffen, die mehr Schwankungen in den Prozess einbringen, tragen robuste Analysen dazu bei, diese Veränderungen zu überwachen, damit die erforderlichen Spezifikationen eingehalten werden können. Neben den Kosten der Stoffe müssen auch ihre Auswirkungen auf die Prozesseffizienz und die anspruchsvollen Nachhaltigkeitsziele (2050 Net Zero) berücksichtigt werden. Hierfür ist die chemische und mineralogische Zusammensetzung entscheidend.

Unsere Lösungen tragen dazu bei, den Ausschuss zu minimieren und die mineralogische und chemische Zusammensetzung von Rohstoffen zu optimieren, indem sie Hochfrequenzanalysen durchführen, insbesondere wenn sie automatisiert sind, und noch mehr, wenn sie in der Produktion oder in der Linie eingesetzt werden. Das ist sowohl im Steinbruch als auch bei der Dosierung von Rohstoffen möglich. Da diese Instrumente schnell Ergebnisse liefern, können die Hersteller den Abfall bei der Probenahme reduzieren und eine stabile Ofenbeschickung sicherstellen, um die Energieeffizienz des restlichen Prozesses (Vorhomogenisierung und Dosierung) und die CO₂-Emissionen zu reduzieren.

Bei der Verarbeitung von Rohmischungen ist die Maximierung der Effizienz des Ofens ein wesentlicher Bestandteil zur Reduzierung des Energieverbrauchs, der Emissionen und des Wartungsbedarfs. Durch die Optimierung der Materialien, die in den Ofen gelangen, lässt sich dies erreichen: Die beiden wichtigsten Punkte sind die Überwachung der richtigen und stabilen chemischen Zusammensetzung des Gemisches und die Beschaffung des richtigen Rohmehls. 

Röntgen-Analyseverfahren bei der Verarbeitung von Rohmehl

Eine stabile Rohmehlzusammensetzung ist auch für die Gewährleistung gleichmäßiger Wärmeprofile im Ofen und die Herstellung eines hochwertigen Endprodukts mit den richtigen Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Abbindezeiten von wesentlicher Bedeutung. Die Zusammensetzung wirkt sich auch auf den Energieverbrauch, den Einsatz von Mahlzusätzen, die Lebensdauer der feuerfesten Materialien, den Verbrauch von Zusatzstoffen, den Brennstoffbedarf und andere Prozessfaktoren aus. So sind z. B. die Oxidationsbedingungen im Ofen zwingend erforderlich, um die Zersetzung von Alite C3S zu Belite C2S und freiem Kalk zu vermeiden. Diese Stabilität kann durch die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung mithilfe von RFA oder Online-Elementaranalysen, wie z. B. neutronenaktivierten Cross-Belt-Analysatoren, oder durch die Kontrolle der Mineralogie mithilfe von XRD erreicht werden.

Zu den optimalen Betriebsanforderungen gehört auch, mit feinem Rohmehl zu arbeiten (insbesondere grobe Kalzit- und Quarzkörner sollten vermieden werden): Die Partikel der Rohmischung müssen fein genug sein, um sicherzustellen, dass sie sich gut vermischen und gemahlen werden können, ohne hart zu verbrennen. Dann kann dies mithilfe der Laserdiffraktion zur Partikelgrößenanalyse sichergestellt werden. 

Partikelgröße der Zementrohmischung

Optimale Betriebsbedingungen sind auch erforderlich, um mit feinem Rohmehl zu arbeiten (wobei insbesondere grobe Kalzit- und Quarzkörner vermieden werden sollten). Die Partikel der Rohmischung müssen fein genug sein, um sicherzustellen, dass sie sich gut vermischen und gemahlen werden können, ohne hart zu verbrennen. Dann kann dies mithilfe der Laserdiffraktion zur Partikelgrößenanalyse sichergestellt werden. 

Der Mastersizer wird im Labor aufgestellt und für die Qualitätskontrolle verwendet, während der Insitec oder der Labsizer für die Prozesskontrolle eingesetzt wird. 

WROXI ist ein synthetisches, hochwertiges Kit für zertifizierte Referenzstoffe (CRM), das eine breite Palette von oxidischen Stoffen wie Erze, Gesteine und geologische Materialien abdeckt. Es erfüllt einen doppelten Zweck: entweder für die primäre Kalibrierung von Schmelzglasscheiben oder für die Entwicklung sekundärer Kalibrierungen von gepresstem Pulver.

Das auf Schmelztabletten basierende WROXI-CRM-Basissoftwarepaket besteht aus 15 zertifizierten Referenzstoffen, Anwendungsvorlagen und Überwachungsproben. Ergänzt um die WROXI-CRM Zement-Erweiterung (9 zusätzliche CRMs) wird es zu einer Standardlösung für die primäre und sekundäre Elementanalyse von verschiedenen Rohstoffen, Rohmehl, Klinker und Zementproben.

Alternative Brennstoffe in Form von Biomasse, gemischten Brennstoffen oder fossilen Abfällen mit niedrigeren Emissionsfaktoren ersetzen zunehmend die ressourcenintensiven fossilen Brennstoffe. Durch die Nutzbarmachung des Heizwerts von Brennstoffabfällen tragen diese Zusatzbrennstoffe dazu bei, die Emissionen der Zementproduktion zu reduzieren. 

Alternative Brennstoffe müssen jedoch hinsichtlich ihrer Sicherheit sowie ihrer chemischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften vollständig charakterisiert werden, um deren Einfluss auf Parameter wie die Flammentemperatur und den Wärmeaustausch zu bewerten.

Unsere RFA-Elementaranalysatoren (Epsilon 4, Revontium und Zetium), der Cross-Belt-Elementaranalysator (CNA Pentos-Cement), das mineralogische Kompakt-Röntgendiffraktometer (Aeris Cement) und die automatischen Schmelzprobengeräte (LeNeo, Eagon2 und FORJ) erleichtern dies.

Die Klinkerherstellung ergibt sich aus der Brenntechnik: Vorwärmen des Rohmehls, Kalzinieren des Klinkers, Kühlen des Klinkers und Zerkleinern. Um die richtigen Zementeigenschaften zu erzielen, müssen die richtigen Kalzinierungsbedingungen kontrolliert werden, gefolgt von einer schnellen Abschreckung des Klinkers.

Das Augenmerk liegt dann auf der Kontrolle der richtigen Kalzinierung (freier Kalk), der Vermeidung unerwünschter Elemente und der Maximierung positiver Mineralphasen für die angestrebten Eigenschaften des Zements. 

XRD-Analyse der Klinkermineralogie

Um eine ordnungsgemäße Kalzinierung und die richtige Klinkermineralogie zu gewährleisten, ist die Röntgendiffraktion das beste Analyseverfahren: Diese Analyse ermöglicht die Quantifizierung des C3S-Gehalts und -Typs, der die Festigkeitsentwicklung beeinflusst, des C3A-Gehalts und -Typs, der sich auf die Frischeigenschaften auswirkt, sowie des Gehalts an freiem Kalk und Periklas, der nicht über den angestrebten Grenzwerten liegen sollte. Die analytischen Lösungen von Malvern Panalytical unterstützen diese Überwachung mit dem Kompaktdiffraktometer Aeris XRD. 

Wie wird RFA in der Klinkerherstellung eingesetzt?

Bei der Klinkerherstellung erfüllt die RFA mehrere wichtige Aufgaben:

• Anpassung der Rohstoffanteile: RFA unterstützt die Optimierung der Mischung von Rohstoffen (wie Kalkstein und Ton) für das Rohmehl, um die richtige Mischung für die Klinkerherstellung zu gewährleisten.
• Prozesskontrolle: Während der Klinkerbildung im Ofen überwacht RFA die Prozessbedingungen, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, indem es den Elementgehalt regelmäßig bewertet. Neben den klassischen Elementen (Kalzium, Aluminium, Eisen und Silizium) werden auch unerwünschte Elemente (MgO, Alkali, Schwefel, Chlor) in den internen Rücklaufströmen von Brennstoffen oder Rohmehl kontrolliert.
• Klinker-Qualitätssicherung: RFA bestimmt die Menge der Hauptelemente, Nebenelemente und einiger Spurenelemente im Klinker, die sich direkt auf die Leistungsmerkmale des Zements auswirken.
• Einblicke in die Phasenzusammensetzung: RFA unterstützt die Identifizierung der chemischen Zusammensetzung von Klinkerphasen (z. B. C3S, C2S, C3A, C4AF), um Prozessanpassungen und endgültige Zementeigenschaften zu bestimmen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die RFA (Epsilon 4, Revontium, Zetium) die Klinkerqualität, die Prozesseffizienz und die Zementherstellung insgesamt verbessert.

Nachhaltiger Ansatz für die Klinkerproduktion

Wie bereits erwähnt, haben die Hersteller bei einem nachhaltigen Ansatz nicht nur die hohe Qualität des Klinkers im Visier, sondern wollen auch Energie und Ressourcen sparen sowie Emissionen reduzieren. 

Die Brenntechnik für Klinker erfordert eine Kalzinierung bei 1450 °C. Die dafür benötigte Energie wird in der Regel durch die Verbrennung von Kohle im Kalzinator und im Hauptbrenner des Ofens bereitgestellt. Um Energie zu sparen und die C₂₂-Emissionen zu verringern, werden Abfälle und Biomasse immer häufiger als alternative Brennstoffe eingesetzt. Es werden auch alternative Rohstoffe verwendet. 

Die Dosierung solcher alternativen Brennstoffe oder alternativen Rohstoffe erfordert einige spezifische Kontrollen, damit es keine negativen Auswirkungen auf die Reaktivität des Klinkers gibt. Dank unserer Röntgenlösungen können Sie von den Vorteilen alternativer Lösungen für die Klinkerherstellung profitieren, ohne sich Gedanken über die Auswirkungen auf die Qualität machen zu müssen.

Bei der Herstellung von Zement wird Klinker mit verschiedenen Wirkstoffen (SCMs) zu einem feinen Pulver gemahlen, um die gewünschten Eigenschaften des Zements zu erreichen. Die häufigsten Zusätze sind Gips und Mischstoffe wie Flugasche, Hüttensand, Kalkstein, natürliche Puzzolane und kalzinierte Tone. Die Zusätze werden auf die erforderliche Feinheit gemahlen und im richtigen Verhältnis gemischt, um die gewünschten kristallinen Zementphasen zu erzeugen. 

Um den Energieverbrauch zu senken, muss die Übermahlung minimiert werden. Die Körnung des fertigen Zements beeinflusst die Geschwindigkeit der Hydratationsreaktion sowie die benötigte Menge an Wasser, Verzögerungsmitteln und Dispergiermitteln und ist ein Schlüsselfaktor für die Festigkeit des Zements. Unsere Lösungen zur Partikelgrößenbestimmung können dazu beitragen, eine optimale Zementkörnung zu erreichen. Dank der schnellen Echtzeit-Analyse, auch in der anspruchsvollen Prozessumgebung, ermöglichen diese Lösungen den Herstellern, schnell auf Anomalien zu reagieren und ehrgeizige, genaue Ziele zu überwachen. Auf diese Weise helfen die Lösungen beim Erzielen erheblicher Energieeinsparungen und optimaler kurz- und langfristiger Zementfestigkeiten. Die Lösungen können außerdem schnell und einfach installiert werden, bei nur minimalen Unterbrechungen.

Die Überwachung des Sulfatgehalts und der Art der mineralogischen Zusammensetzung (in Verbindung mit der Dehydratisierung während des Mahlens) ist entscheidend, um die richtigen Eigenschaften von frischem und gehärtetem Zement zu erreichen. Bei gemischtem Zement ist eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung (einschließlich amorpher Stoffe) erforderlich, um die Spezifikationen und CO₂-Emissionsziele der Kunden zu erfüllen. Unsere Instrumente für Röntgenfluoreszenz und Röntgendiffraktion sind dabei eine große Hilfe.

Beton besteht aus drei Grundkomponenten: Wasser, Zuschlagstoff (Gestein, Sand oder Kies) und Zement. Zement, meist in Pulverform, wirkt als Bindemittel, wenn er mit Wasser und Zuschlagstoffen gemischt wird. Diese Kombination oder Betonmischung, wird gegossen und härtet zu dem haltbaren Material aus, das wir alle kennen.

Betonrecycling wird immer beliebter, um die beim Abriss von Gebäuden oder Straßen zurückgelassenen Zuschlagstoffe zu nutzen. In der Vergangenheit wurde dieser Schutt auf Mülldeponien entsorgt, aber mit der zunehmenden Aufmerksamkeit für den Umweltschutz ermöglicht das Betonrecycling die Wiederverwendung des Schutts und hält gleichzeitig die Baukosten niedrig.

In beiden Fällen liegt das Hauptaugenmerk darauf, dass der Beton die versprochene Verarbeitbarkeit, die Eigenschaften nach dem Aushärten (Frostbeständigkeit, Wasserdichtigkeit, Verschleißfestigkeit, Festigkeit) und den Nutzungspreis (Wassermenge) erfüllt.

Auch die Zusammensetzung und die Materialgrößen sind von großer Bedeutung. Unsere laser- oder röntgenbasierten Instrumente liefern die erforderlichen Informationen für eine Qualitätsprüfung dieser Eigenschaften.