セメント分析

セメント分析は、セメントの製造プロセス全体にわたってセメントの品質と性能を確保し、製造の脱炭素化を図る上で重要な役割を果たしています。 

蛍光X線(XRF) 

XRFは、セメント、原材料、補助セメント材料(SCM)、代替燃料の元素分析に使用されます。サンプルからの特性X線放出を測定して、化学組成を特定します。 

測定の精度と結果を得るために必要な時間に応じて、さまざまなサンプル調製を検討できます。

サンプルの前処理

• 粉砕/粉末: 材料は粉砕されて粒子径が小さくなり、粉末加圧ペレットとして分析されます。サンプルの均質性を確保し、粒子径の影響を最小限に抑え、正確な元素分析を容易にするために、粉末ではなく加圧ペレットが好まれることがよくあります
• フュージョン: 最高の精度を得るために、サンプルは溶融ガラスに溶解されてフラックスを形成し、均質なガラスディスクが生成されます。これにより、粒子径とマトリックス効果が排除されます

アプリケーション

• 原材料の特性: 適切なクリンカーを得るために、原材料組成(石灰石、粘土、石膏など)を評価します
• SCMの添加:: SCMの化学組成に基づいて、適切なセメントを得るために、クリンカーに適切な量のSCMを添加します。
• 品質管理: 生産中の元素組成の監視

X線回折(XRD)

XRDは、クリンカーやセメント、代替燃料やSCM (焼成粘土)の結晶相を識別し、定量化します。 

サンプル調製は、正しい結果を得るための鍵であり、ほとんどの場合、エラーの最大の原因となります。これを使用するには2つの方法があります。

サンプルの前処理

• 粉砕: 材料を細かい粉末に粉砕する
• 1回押して粉砕: 加圧ペレットは生産管理に使用されます。これは、ほとんどの種類のサンプルに対して最も信頼性が高く推奨されるサンプル調製方法です。

アプリケーション

• 位相の定量化: セメントの各相(クリンカー、石膏など)の量を決定します
• 脱炭素化: XRDは、セメント業界が、相(クリンカー)の定量化、代替手段(代替燃料および原材料)を探索し、イノベーション(新しいSCM)を推進することで、より環境に配慮した効率的なプロセスに移行できるよう支援します。
• 品質保証：一貫した相組成を保証

レーザ回折  

セメントサンプルに含まれる粒子径の範囲を把握して、セメントの特性と運用コストをより適切に管理できるようになります。粒子径も反応性において重要な役割を果たすため、他の材料(粘土、コンクリートの微粒子など)にも頻繁に使用されるようになっています。

レーザ回折は、平行レーザビームによる粒子の照射に基づいています。散乱光はさまざまな角度で測定されます。粒子径情報は回折パターンから得られます。

サンプルの前処理

• 粉砕: セメント工場では、ほとんどの場合、乾式分析が行われます。これは、測定前に材料が細かく粉砕されることを意味します。リアルタイム測定の場合、均質で代表的なサンプルを使用して分析を実行することが重要であり、そのためには、より大量のサンプル収集と適切調整されたサンプル収集が必要になる場合があります。

アプリケーション

• 圧縮強度目標達成: 粒子径が小さくなると、表面積が大きくなります。粒子が細かくなるとセメントの強度が高まります。28日間の強度は、微粒子(2um未満)が多すぎると影響を受け、ひび割れの原因となる可能性があります。粗い粒子が多すぎると強度に悪影響を及ぼします。つまり、PSDを2～32ミクロンの間で最適化することが重要となります。
• 硬化特性: レーザ回折は硬化挙動の予測と監視に役立ちます
• ブレーン数の強化: ブレーン数を超えて、PSDはより細かい詳細と粗粒分に対する感度を明らかにします

パルス高速熱中性子活性化(PFTNA) 

セメント製造におけるリアルタイムの元素分析に使用されるプロセス制御技術。 

PFTNAを使用すると、採石場からキルンまでの元素組成を継続的に監視でき、低炭素セメントのためのクリンカーに添加するSCMを完全に制御するために使用することもできます。

手法

• サンプル調製は不要で、ベルト上の岩石は直接完全に分析されます(バルク分析)。

アプリケーション

この技術は、人工知能や機械学習モデルで使用する高周波分析に非常に役立ち、適切な特性と最小のカーボンフットプリントでセメント製造を最適化します。セメント製造の次の主要な段階で、一般的に使用されます。

• 事前混合ストックパイルにより、原材料の最適な均質性を確保
• 原料混合物により、ばらつきを最小限に抑えた適切な原材料を実現(LSFの厳密な管理)
• SCMの添加: クリンカーへの正確な添加により、反応性を最適化し、クリンカーの含有量を低減(低炭素セメント)

つまり、これらの方法はセメント製造のあらゆる段階で不可欠なのです。

• 原材料の特性: XRF、PFTNA、XRDによる原材料の分析
• 品質管理: XRF、XRD、レーザ回折による生産監視
• 最終製品品質: XRDおよびレーザ回折により、適切な相組成を実現
• プロセスの最適化: リアルタイム分析装置はプロセスの目玉、つまり、PFTNAとレーザ回折分析ガイドの調整です。自動XRDとXRFは優れたサポート力を発揮

これらすべての技術は、セメント製造を最適化すると同時に、製造コストも削減します。多くのメリットと比較して、投資収益率は低く、所有コストも低くなります。当社の装置が、ROIの向上にどのように役立つかについての詳細は、お問い合わせください。

メリット:

世界トップレベルの装置

分析ソリューションのワンストップセット

シームレスな統合

グローバルなサービスとサポート

原料を選定する際、メーカーはコストを最小限に抑えると同時に原料のセメント製造への適合性を確保する必要があります。特に、プロセスにばらつきが多くなる代替原材料を使用する場合、堅牢な分析はこれらの変更を監視して必要な仕様を達成するのに役立ちます。原料のコストに加えて、プロセス効率への影響や持続可能性の難しい目標(2050 Net Zero)も考慮する必要があります。そのためには、化学的および鉱物学的組成が重要です。

当社のソリューションは、自動化時に特に高周波分析を提供し、オンラインまたはアットラインで使用し、さらに優れた分析結果を提供することで、スクラップを最小限に抑え、原材料の鉱物組成と化学組成を最適化するのに役立ちます。採石時と原料混合物の配合時の両方で可能です。これらの装置は、結果を迅速に提供することで、メーカーはサンプリングによる無駄を削減し、残りのプロセス(事前均質化と配合)でのエネルギー効率を高めるために、安定したキルンへの供給を確保し、CO₂排出量の削減を可能にします。

原料混合物の処理では、エネルギー消費、排出、メンテナンス要件を削減するために、キルン効率を最大化することが不可欠です。これはキルンに入る原料を最適化することで実現できます。適切で安定した混合化学を監視することと、適切な原料粉砕を実現することの2つの重要なポイントに注目します。 

原料混合物処理におけるX線分析法

安定した原料組成は、キルンの熱プロファイルを一定に保ち、圧縮強度や硬化時間などの適切な特性を備えた高品質の最終製品を提供するためにも不可欠です。これはエネルギー消費、粉砕添加物の使用、耐火寿命、添加物の消費量、燃料需要、その他のプロセス要因にも影響します。たとえば、Alite C3SがBelite C2Sと遊離石灰に分解されるのを防ぐためには、キルン酸化条件が必須です。この安定性は、XRFまたは中性子放射化クロスベルト分析装置などのオンライン元素分析を使用して化学組成を制御するか、XRDを使用して鉱物を制御することで実現できます。

最適な運転要件には、微細な原料粉の使用も含まれます(特に粗い方解石や石英粒子は避けること)。強い燃焼なしに原料の混合粒子を混合して粉砕できるほど十分に微細である必要があります。粒子径分析用レーザ回折は、この問題を確実に解決するのに役立ちます。 

セメント原料混合物の粒子径

細かい原料(特に粗い方解石や石英粒を避ける)を扱うには、最適な運用要件も必要です。原料混合粒子は、しっかり燃焼させることなくよく混合させて粉砕できる程度に十分に細かくなければなりません。粒子径分析用レーザ回折は、この問題を確実に解決するのに役立ちます。 

Mastersizerはラボに配置され、品質管理に使用されます。一方、InsitecまたはLabsizerは、プロセス管理に使用されます。 

WROXIは、鉱石、岩石、地質物質などのさまざまな酸化物をカバーする、高品質の合成認証済み参照材料(CRM)キットです。一次融合ガラスディスクキャリブレーション用、または二次圧粉キャリブレーション開発用の2つの目的があります。

ビーズベースのWROXI-CRMベースのソフトウェアパッケージは、15個の認証済み参照材料、アプリケーションテンプレート、モニタリングサンプルで構成されています。WROXI-CRMセメント拡張(9個の追加CRM)を使用して完了すると、さまざまな原料、原料粉、クリンカ、セメントサンプルの一次及び二次元素分析用の既製ソリューションになります。

排出係数が低いバイオマス、混合燃料、または化石燃料廃棄物型の代替燃料は、資源消費型の化石燃料に取って代わりつつあります。これらの添加物燃料は、燃料廃棄物の発熱量を回収することで、セメント製造からの排出を削減します。 

しかし代替燃料については、火炎温度や熱交換のようなパラメータへの影響を評価するために、安全、化学、熱、及び物理特性を十分特徴付ける必要があります。

当社のXRF元素分析装置(Epsilon 4、Revontium、Zetium)、クロスベルト元素分析装置(CNA Pentos-Cement)、鉱物コンパクトX線回折装置(Aeris Cement)、自動融合サンプル装置(LeNeo、Eagon2、FORJ)を使用すると、この作業が容易になります。

クリンカーの製造は、原料の予熱、焼成クリンカー化、クリンカー冷却、粉砕の焼成処理で行われます。上記のような適切なセメント特性を達成するには、適切な焼成条件を制御してから、クリンカーを急速にクエンチする必要があります。

次に、適切な焼成(遊離石灰)を制御し、不要な元素を回避し、セメントの目標とする特性の鉱物相を最適化することに注目します。 

クリンカー鉱物組成のXRD分析

X線回折は、適切な焼成とクリンカー鉱物を保証するのに最適な分析技術です。これにより、強度開発に影響を与えるC3Sの含有量と種類、フレッシュ特性に影響を与えるC3Aの含有量と種類、目標限界を超えてはならない遊離石灰とペリクレースの量を定量化できます。Malvern Panalyticalの分析ソリューションでは、Aeris XRDコンパクト回折装置を使用してこの監視をサポートしています。 

クリンカー製造におけるXRFの使用法について

クリンカーの製造において、XRFはいくつかの重要な目的を果たします。

• 原材料配合調整: XRFは、原料に使用する原材料(石灰石や粘土など)の配合を最適化し、クリンカー製造に適した混合物を確保するのに役立ちます。
• プロセス管理: キルンでのクリンカーの形成中、XRFはプロセス条件を監視し、元素含有量を頻繁に評価して一貫した品質を保証します。従来の元素(カルシウム、アルミニウム、鉄、シリコン)に加えて、不要な元素(MgO、アルカリ、硫黄、塩素)が、燃料または原料混合物からの内部リサイクルストリームで制御されます。
• クリンカー品質保証: XRFは、セメントの性能特性に直接関連するクリンカー内の主要元素、微量元素、一部の微量元素を定量化します。
• 相組成の洞察: XRFは、クリンカー相(C3S、C2S、C3A、C4AFなど)の化学組成を特定し、プロセス調整と最終的なセメント特性を決定するのに役立ちます。

要約すると、XRF (Epsilon 4、Revontium、Zetium)は、クリンカーの品質、プロセス効率、全体的なセメント製造を向上させます。

クリンカー製造への持続可能なアプローチ

最後に、前述のように、持続可能なアプローチでは、メーカーはクリンカーの高い品質を目標にするだけでなく、エネルギーと資源を節約し、排出量を削減しようとしています。 

クリンカーの焼成処理には1450 °Cでの焼成が必要で、関連エネルギーは通常、焼炉とキルンのメインバーナーで石炭を燃焼させることで供給されます。エネルギーを節約し、CO₂排出量を削減するために、ますます多くの廃棄物やバイオマスを代替燃料として使用しています。代替原材料も使用しています。 

そのような代替燃料または代替原料の投入量には、クリンカーの反応性に負の影響を与えないようにある特定の制御が必要です。当社のX線ソリューションを使用すると、品質への影響を心配することなく、クリンカー製造の代替ソリューションの利益を享受できます。

セメントは、さまざまな活性成分(SCM)を使用してクリンカを粉砕して必要なセメント特性を達成する微粉にすることで製造されます。最も一般的な添加物は、石膏と、フライアッシュ、溶鉱炉スラグ、石灰岩、天然ポゾラン、焼成粘土などの混合材料です。これらは必要な細かさに粉砕され、適切な割合で混合されて、目的の結晶セメント相が生成されます。 

エネルギー消費を削減するには、過剰な粉砕を最小限に抑える必要があります。完成したセメントの粒度は、水和反応の速度と、必要な水、難燃剤、分散剤の量に影響し、セメントの強度を決定する重要な要因となります。当社の粒子径分布測定ソリューションは、最適なセメント粒度の達成に役立ちます。過酷なプロセス環境を含め、高速のリアルタイム分析によりメーカーはあらゆる異常に迅速に対応し、正確で極めて高い目標を監視できます。このようにして、大幅な省エネと、最適な短期及び長期のセメント強度を実現します。さらに、中断を最小限に抑えるために、迅速かつ簡単に設置できます。

硫酸塩含有量と鉱物組成のタイプ(粉砕中の脱水に関連)の監視は、適切な出来たてのセメント特性と硬化後のセメント特性を実現するために不可欠です。混合セメントについては、お客さまの仕様とCO₂排出量目標を満たすために、組成(アモルファス材料を含む)を厳密に制御する必要があります。当社の蛍光X線分析装置とX線回折装置は、この問題の解決に非常に役立ちます。

コンクリートは、水、砕石(岩や砂、砂利)、セメントの3つの主成分で構成されています。セメントは通常粉末状で、水及び砕石と混合すると結合剤として機能します。この組み合わせ、つまりコンクリート混合物が流し込まれて固まると、よく知られている高耐久性材料になります。

コンクリートのリサイクルは、構造物や道路を解体するときに残る砕石を利用する方法として、ますます普及しています。これまでは、がれきを埋め立て地に廃棄していましたが、環境問題にさらに配慮して、コンクリートリサイクルにより、建設コストも低減しながらがれきを再利用できるようになりました。

どちらの場合も注目すべき点は、コンクリートが約束された作業性、硬化後の品質(凍結耐性、防水性、耐摩耗性、強度)、使用価格(水量)を満たしていることです。

組成と原料のサイズもまた極めて重要です。当社のレーザまたはX線ベースの装置は、このような特性の高品質な検査に必要な情報を提供します。