水泥顆粒特征及粉磨工藝對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

　　水泥的顆粒特征，包括：細(xì)度、顆粒級(jí)配和顆粒形貌對(duì)于水泥性能的影響已有廣泛的研究[1-4]，多數(shù)研究工作從理論上探討了水泥顆粒特征與水泥性能的關(guān)系。近年來(lái)我國(guó)水泥企業(yè)逐步提高了對(duì)水泥粉磨工藝的重視程度，但是與國(guó)外先進(jìn)水泥企業(yè)比較，仍然存在明顯差距[4、5]。本文介紹了國(guó)內(nèi)某大型現(xiàn)代干法水泥廠（中日合資企業(yè)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)該工廠）的粉磨設(shè)備、粉磨工藝、水泥顆粒特征和熟料、水泥的物理性能。該工廠的水泥粉磨系統(tǒng)具有上個(gè)世紀(jì)90年代的先進(jìn)水平，采用日本水泥企業(yè)的質(zhì)量管理模式，水泥廠的質(zhì)量管理水平與日本水泥企業(yè)接近，水泥產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量也與日本水泥企業(yè)相同品種的水泥接近。通過(guò)對(duì)該工廠水泥顆粒特征和熟料、水泥性能的分析，以及對(duì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，證實(shí)了水泥顆粒特征及粉磨工藝對(duì)水泥性能的影響程度。同時(shí)介紹了該工廠水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制方法和控制指標(biāo)。希望能夠更直接地為有關(guān)方面提供借鑒。

1 粉磨設(shè)備、工藝概況

　　該工廠的水泥粉磨采用CKP立磨+球磨聯(lián)合閉路粉磨系統(tǒng)，CKP立磨規(guī)格為CKP-170；球磨雙倉(cāng)規(guī)格為φ3.9m×12m。旋風(fēng)式選粉機(jī)。系統(tǒng)產(chǎn)量115t/h×2。

　　熟料和石膏經(jīng)過(guò)破碎機(jī)一次破碎至≤40mm的顆粒占95%以上，喂入CKP立磨，出CKP立磨的物料≤10mm的顆粒占95%以上，約10%返回CKP立磨，約90%出CKP立磨的物料和選粉機(jī)回粉共同進(jìn)入球磨。出球磨物料和粉煤灰共同進(jìn)入選粉機(jī)，選粉機(jī)的選粉效率約60%，循環(huán)負(fù)荷率約260%。水泥品種等級(jí)大部分為P.O 42.5R，少量為P.II 42.5R，兩個(gè)品種水泥平均電耗39kwh/t-cem。使用占水泥重量比0.02%-0.03%左右的助磨劑。

2 水泥的顆粒特征

2.1 顆粒形貌

　　使用JCM-35C型掃描電鏡及配套的統(tǒng)計(jì)計(jì)算軟件對(duì)P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥進(jìn)行了水泥顆粒圓形度分析。P.O 42.5R水泥的顆粒圓形系數(shù)0.58,P.II 42.5R水泥的顆粒圓形系數(shù)0.54。我國(guó)部分大中型水泥企業(yè)水泥的圓形系數(shù)平均值為0.63,波動(dòng)在0.51-0.73之間。國(guó)外水泥的圓形系數(shù)大約在0.67左右。比較起來(lái)，該工廠水泥的圓形系數(shù)有待進(jìn)一步提高。

2.2 顆粒分布、細(xì)度

　　使用負(fù)壓篩測(cè)定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余，使用回歸分析的方法求得RRB（Rosin-Rammlar-Bennet）公式中的兩個(gè)參數(shù)：特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）。因?yàn)榛貧w的相關(guān)系數(shù)（r）高達(dá)0.999,可以很準(zhǔn)確地計(jì)算任意孔徑的篩余。表1、表2和圖4、圖5列出了該工廠2個(gè)具有代表意義的P.II 42.5R水泥和P.O 42.5R水泥的粒度分布。

　　P.II 42.5R水泥的特征粒徑 =19.7μm,均勻性系數(shù)n=1.28，比表面積327m2/kg。P.O 42.5R水泥的特征粒徑 =19.1μm,均勻性系數(shù)n=1.27，比表面積366m2/kg。兩種水泥的粒度分布基本一致。計(jì)算得到的不同尺寸顆粒含量為：0～1μm的顆粒占2%；0～3μm的顆粒占9%；3～32μm的顆粒占76%；大于45μm的顆粒占5%；大于63μm的顆粒占1%。上述數(shù)據(jù)已經(jīng)非常接近資料[5、8]中提出的理想數(shù)值。

　　1#熟料的特征粒徑 =25.5μm,均勻性系數(shù)n=1.11；2#熟料的特征粒徑 =23.3μm,均勻性系數(shù)n=1.06；

3 熟料、水泥檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 樣品制備方法、檢驗(yàn)方法

3.1.1 熟料樣品制備方法、檢驗(yàn)方法

　　熟料樣品制備使用化驗(yàn)室統(tǒng)一試驗(yàn)小磨，按JC/T853-1999《硅酸鹽水泥熟料》規(guī)定的方法進(jìn)行。強(qiáng)度檢驗(yàn)按GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。其余質(zhì)量指標(biāo)均按JC/T853-1999《硅酸鹽水泥熟料》規(guī)定的方法檢驗(yàn)。

3.1.2 水泥檢驗(yàn)方法

　　強(qiáng)度檢驗(yàn)按GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。其余質(zhì)量指標(biāo)均按GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》規(guī)定的方法檢驗(yàn)。

3.2 熟料、水泥檢驗(yàn)結(jié)果

　　與熟料28天抗壓強(qiáng)度比較，P.II 42.5R水泥28天抗壓強(qiáng)度高約6MPa，P.O 42.5R水泥28天抗壓強(qiáng)度高約4MPa。這一差別主要是由于化驗(yàn)室小磨與生產(chǎn)設(shè)備粉磨產(chǎn)品的粒度分布不同造成的。

4 水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制方法和控制經(jīng)驗(yàn)

4.1 水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制方法

　　15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余采用德國(guó)產(chǎn)進(jìn)口負(fù)壓篩和篩網(wǎng)按日本方法測(cè)定。德國(guó)產(chǎn)進(jìn)口負(fù)壓篩的工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)負(fù)壓篩基本一致，區(qū)別在于德國(guó)產(chǎn)進(jìn)口負(fù)壓篩的篩網(wǎng)尺寸為內(nèi)徑70mm，測(cè)定時(shí)稱(chēng)樣量為1g。這一區(qū)別使得德國(guó)產(chǎn)進(jìn)口負(fù)壓篩與國(guó)產(chǎn)負(fù)壓篩比較，工作時(shí)風(fēng)量較大，篩孔不易堵塞。該設(shè)備8min-10min即可完成32μm篩余的測(cè)定，4min-6min即可完成45μm篩余的測(cè)定。該設(shè)備機(jī)械加工精度很高，故障率極低，操作簡(jiǎn)便，測(cè)定時(shí)間短，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確，可以用于例行生產(chǎn)控制。

　　國(guó)內(nèi)許多水泥企業(yè)采用激光粒度分析儀測(cè)定水泥的粒度分布。該工廠對(duì)同一個(gè)樣品使用負(fù)壓篩和激光粒度分析儀進(jìn)行了平行的粒度分布檢驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于10μm以上的水泥顆粒，激光粒度分析儀可以得到與負(fù)壓篩非常一致的檢驗(yàn)結(jié)果；對(duì)于10μm，特別是5μm以下的顆粒，激光粒度分析儀的檢驗(yàn)結(jié)果比負(fù)壓篩略高。其中一個(gè)主要原因是非常細(xì)小的水泥顆粒在范德華（Vander Waals）力的作用下集結(jié)為顆粒團(tuán)，使用負(fù)壓篩檢驗(yàn)時(shí)顆粒團(tuán)不易被分散；使用激光粒度分析儀檢驗(yàn)時(shí)，顆粒團(tuán)在有機(jī)介質(zhì)中被充分分散。激光粒度分析儀作為水泥企業(yè)定期檢驗(yàn)水泥粒度分布的一種方法是適宜的，但是由于其測(cè)定操作復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，儀器故障率高，不適合例行質(zhì)量控制使用。

4.2 水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)

4.2.1 細(xì)度

　　該工廠以32μm篩余作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)。在32μm篩余處于控制目標(biāo)范圍時(shí)，80μm篩余為0.2%-0.4%，幾乎沒(méi)有波動(dòng)，如果以80μm篩余作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)，那么幾乎無(wú)法對(duì)粉磨設(shè)備作出任何調(diào)整。由于設(shè)備故障原因，32μm篩余曾經(jīng)偶然發(fā)生很大波動(dòng)，由原來(lái)的控制目標(biāo)值16%變?yōu)?0%。單獨(dú)對(duì)該部分水泥進(jìn)行檢驗(yàn)，28天抗壓強(qiáng)度比細(xì)度正常時(shí)下降約4MPa，此時(shí)水泥80μm篩余并沒(méi)有明顯變化，僅由0.3%變?yōu)?.8%。這一事實(shí)表明,在水泥細(xì)度較細(xì)時(shí),80μm篩余很難反映水泥的粉磨情況，不宜作為水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制指標(biāo)。該工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明,以32μm篩余或45μm篩余作為水泥粉磨過(guò)程的質(zhì)量控制指標(biāo)是適宜的。國(guó)外多數(shù)先進(jìn)水泥企業(yè)對(duì)水泥粉磨過(guò)程也正是采取的這一質(zhì)量控制方法。

4.2.2 比表面積

　　在該工廠，雖然每4h進(jìn)行一次比表面積測(cè)定，但是比表面積的測(cè)量值僅供參考，并不作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)。通過(guò)對(duì)出磨水泥數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度與比表面積之間沒(méi)有很好的相關(guān)關(guān)系。比表面積對(duì)被測(cè)樣品中的細(xì)粉非常敏感，該工廠P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥的粉磨工藝參數(shù)一致,因?yàn)镻.O 42.5R水泥摻入了12%含有較多細(xì)粉的粉煤灰,致使P.O 42.5R的比表面積比P.II 42.5R高出30m2/kg。但是P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥中的熟料部分粉磨程度是基本一致的。許多研究[5-7]也表明，比表面積不能很好反映水泥的顆粒分布等粉體狀態(tài)。在實(shí)施新水泥標(biāo)準(zhǔn)之前，我國(guó)許多水泥企業(yè)不重視比表面積的測(cè)定；實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)以后對(duì)于水泥粉磨過(guò)程認(rèn)識(shí)有所提高，許多水泥企業(yè)開(kāi)始重視比表面積的測(cè)定。但是該工廠的經(jīng)驗(yàn)表明，以比表面積作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)是非常粗略的。

4.2.3 顆粒分布

　　與水泥的物理性能特別是強(qiáng)度密切相關(guān)的水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布與熟料的水化速度、一定時(shí)間內(nèi)的水化程度、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、混凝土的水灰比密切相關(guān)。熟料與混合材的粒度分布共同決定了水泥顆粒的最緊密堆積密度。許多資料[7、8]也強(qiáng)調(diào)了水泥顆粒分布的重要性，并提出了水泥顆粒分布的理想數(shù)據(jù)。如果不考慮粉磨設(shè)備、煤磨電耗等因素的影響，我們應(yīng)該使水泥的粒度分布接近理想數(shù)據(jù)，并在例行控制中測(cè)定水泥的粒度分布，以水泥的粒度分布作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)。我國(guó)多數(shù)水泥廠的現(xiàn)實(shí)情況是，使用80μm篩余或比表面積作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)，對(duì)水泥的粒度分布較少關(guān)注，80μm篩余或比表面積與顆粒分布均沒(méi)有很好的相關(guān)關(guān)系。

　　該工廠的經(jīng)驗(yàn)表明，在粉磨設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)沒(méi)有明顯改變時(shí)，32μm篩余或45μm篩余能夠很好地反映顆粒分布。使用32μm篩余或45μm篩余為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)，在粉磨設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)發(fā)生明顯改變時(shí)，可能通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)，比如選粉機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)（風(fēng)量），使32μm篩余或45μm篩余保持在控制目標(biāo)之內(nèi)。因此，使用32μm篩余或45μm篩余為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)，在粉磨設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)發(fā)生明顯改變時(shí)并不能很好反映粒度分布。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在32μm篩余沒(méi)有明顯改變的情況下，45μm篩余發(fā)生了明顯增加，此時(shí)檢驗(yàn)水泥粒度分布發(fā)生明顯變化，強(qiáng)度降低。

　　使用RRB公式可以很好地對(duì)水泥顆粒分布進(jìn)行擬合，控制RRB公式中的兩個(gè)參數(shù)特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）即可達(dá)到控制粒度分布的目的。該工廠測(cè)定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余，通過(guò)回歸分析求得RRB公式，相關(guān)系數(shù)（r）很高，可以達(dá)到0.98以上。該工廠定期或在懷疑粒度分布有問(wèn)題時(shí)使用該方法測(cè)定粒度分布。

　　有一種比較簡(jiǎn)便的方法可以大致判斷粒度分布是否正常，如果使用32μm篩余或45μm篩余作為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)，并且32μm篩余或45μm篩余處于正?？刂品秶?，可以增加測(cè)定另一個(gè)小于63μm的篩余，這個(gè)篩余的尺寸與例行質(zhì)量控制篩余的尺寸至少相差10μm。將測(cè)得的篩余與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果增加測(cè)定的篩余數(shù)據(jù)與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)具有明顯區(qū)別，則提示粒度分布可能具有明顯變化。例如該工廠正常情況下，32μm篩余大約16%±1.5%,45μm篩余大約5%±1.5%,如果32μm篩余處于正?？刂品秶?45μm篩余超出目標(biāo)值3%，則提示粒度分布可能具有明顯變化。

4.2.4 助磨劑

　　該工廠在水泥粉磨時(shí)添加占水泥重量比0.02%-0.03%的助磨劑，使用效果良好。曾經(jīng)發(fā)生助磨劑的短時(shí)間中斷，盡管此時(shí)調(diào)整選粉機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，使水泥的32μm篩余仍然處于控制范圍之內(nèi)，但是水泥的RRB公式中的兩個(gè)參數(shù)特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）發(fā)生了明顯變化，即水泥的顆粒分布發(fā)生了明顯變化，水泥強(qiáng)度也隨之明顯降低。

5 結(jié)論

5.1 水泥粉磨設(shè)備、粉磨工藝合理，水泥粒度分布接近理想分布，則水泥強(qiáng)度可以明顯提高。在該工廠與熟料28天抗壓強(qiáng)度比較，P.II 42.5R水泥28天抗壓強(qiáng)度高約6MPa，P.O 42.5R水泥28天抗壓強(qiáng)度高約4MPa。

5.2 與水泥物理性能特別是強(qiáng)度密切相關(guān)的是水泥的粒度分布，80μm篩余或比表面積均難以準(zhǔn)確反映水泥的粒度分布。測(cè)定32μm篩余或45μm篩余為粉磨過(guò)程例行控制的依據(jù)是適宜的。在使32μm篩余或45μm篩余處于控制范圍的同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)RRB分布曲線的特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）進(jìn)行控制，定期檢查和控制水泥的粒度分布是非常必要的。

5.3 立磨+球磨是一種較好的水泥粉磨設(shè)備，粉磨產(chǎn)品質(zhì)量好，電耗合理。

5.4 合理選用助磨劑有利于改善水泥的粒度分布,減輕過(guò)粉磨現(xiàn)象,減少小于3μm以下顆粒的數(shù)量。

5.5 與激光粒度分析儀比較，負(fù)壓篩更適合于例行質(zhì)量控制。在即將頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1345-××××《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法》中已經(jīng)列入了45μm負(fù)壓篩的檢驗(yàn)方法。

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摘自：中國(guó)水泥網(wǎng)論壇