水泥粒徑分析朝自動化方向發(fā)展

　　引言

　　水泥顆粒的大小與形狀已經(jīng)成為生產(chǎn)商和使用商關(guān)注的水泥質(zhì)量的內(nèi)容之一。人們曾經(jīng)以為水泥細(xì)度是水泥早強的關(guān)鍵，而科學(xué)研究認(rèn)為，提高水泥早強不一定要走細(xì)磨道路，可以通過調(diào)整水泥顆粒分布達(dá)到最佳堆積密度，適當(dāng)加入高效分散劑降低水膠比，使膠體中水泥顆?？康酶o密，同樣可以配制出高早期強度和高密實性的混凝土（喬齡山語）。

　　在追求水泥細(xì)度的過程中，人們很容易發(fā)現(xiàn)，高細(xì)度會加大能耗、鋼耗，會使用更多地助磨劑、減水劑。既然水泥顆粒分布的控制可以實現(xiàn)水泥早強提高的要求，水泥制造商必然會從成本和質(zhì)量的角度出發(fā)，把精力放到顆粒分布的控制上來。

　　本文從水泥粒度控制理論依據(jù)出發(fā)，談?wù)勊嗔６确治黾夹g(shù)的發(fā)展趨勢。

　　1、水泥粒度控制的理論

　　關(guān)于水泥質(zhì)量的控制,我國較多的水泥企業(yè)采用控制80µm 篩余和比表面積來實現(xiàn)，但實踐證明，這些方法對于控制水泥性能和充分發(fā)揮水泥各組分的作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。細(xì)度（80µm 篩余）和勃氏比表面積只能部分的體現(xiàn)水泥的顆粒情況，無法完全了解水泥顆粒的分布。眾所周知，即使篩分細(xì)度相同或比表面積相近，水泥的性能有時也會表現(xiàn)出較大的差異，其原因是粒度分布可能不同（當(dāng)然，顆粒形狀的因素也很重要）。勃氏透氣法比表面積實際含有顆粒堆積因素，并非真正幾何意義上的顆粒比表面積。激光計算比表面積值比較細(xì)致地考慮了顆粒形狀和細(xì)度且與顆粒堆積狀況無關(guān)，與水泥使用過程中強度的發(fā)揮對應(yīng)性可能會更好。激光粒度儀能夠得出水泥行業(yè)原來無法測量的粒度分布，建立起粒度分布與強度的關(guān)系。

　　國內(nèi)外水泥性能研究人員的研究認(rèn)為，水泥顆粒大小對水化過程有著直接的影響，不同粒徑的水泥水化速度及水化程度差異很大。水泥中0~30µm 的顆粒對強度起主要作用，其中0~10µm 部分早期強度高，10~30µm 部分后期強度高。3~30µm 這部分顆粒含量越多，水泥質(zhì)量越好。粉磨過程中，不能完全消除>32µm 的顆粒（但應(yīng)盡量減少>60µm 的顆粒），同時又必然產(chǎn)生<3µm 的顆粒。最佳水泥顆粒級配是：3~32µm 的顆粒含量>65%，<3µm 的顆粒含量在10%左右。在適當(dāng)?shù)臈l件下，提高這一階段的含量，就可達(dá)到提高強度的目的。

　　通過對粉磨方法及粉磨工藝的研究可知，調(diào)節(jié)選粉機產(chǎn)品的粒度分布可以提高水泥的強度，而不一定要由提高粉磨細(xì)度來實現(xiàn)這個目的。這些研究成果已經(jīng)被很多從事水泥粉磨的技術(shù)人員和提供水泥粉磨咨詢服務(wù)的公司所認(rèn)可。在國內(nèi)的幾家水泥技術(shù)雜志的廣告上，不少的從事粉磨服務(wù)的公司都在倡導(dǎo)這一技術(shù)思想。

　　2、推廣水泥粒度測試方法的現(xiàn)狀

　　在水泥質(zhì)量控制觀念發(fā)生變化以后，粒度測試漸漸進入水泥企業(yè)的實驗室。除了國外知名品牌的粒度測試儀器涌入我國以外，用于水泥粒度的國產(chǎn)測試儀也多了起來。幾年前，粒度測試在我國水泥行業(yè)的較高層次上也已引起一定的重視，2006年5月發(fā)布的建材行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《水泥顆粒級配測定方法――激光法》就足以說明。

　　這種觀念的改變并非我們想像的那么快。目前粒度測試儀器在水泥生產(chǎn)企業(yè)的普及率還處于較低水平（2007年，在中國國際峰會上，張福根、曾學(xué)敏等認(rèn)為粒度測試儀器在水泥企業(yè)的普及率只達(dá)到2%）。筆者認(rèn)為其根本原因有二：一是國家的強制性標(biāo)準(zhǔn)只對細(xì)度作了規(guī)定，而粒度只是推薦性標(biāo)準(zhǔn)；二是廣大的水泥生產(chǎn)企業(yè)及行業(yè)主管部門，對粒度測試還不夠重視，沒有真正理解粒度控制在水泥質(zhì)量的提高和生產(chǎn)能耗降低方面的作用。

　　3、常見的粒度測試儀器

　　常見的粒度測試儀器有：激光粒度儀、沉降粒度儀、電阻法顆粒計數(shù)器、顆粒圖像儀以及動態(tài)光散射儀等。其中動態(tài)光散射儀的測量范圍主要在亞微米和納米級，顯然不適合水泥的測量；沉降儀、電阻法計數(shù)器和圖像儀的測量范圍雖然主要在微米級，但它們的動態(tài)范圍不夠。所謂動態(tài)范圍就是粒度儀器在一個量程內(nèi)能測量的最大與最小粒徑之比。前述三種儀器的動態(tài)范圍均在20:1左右，而一個水泥樣品的粒度分布范圍大約在100:1左右，所以這三種儀器難以滿足水泥的粒度測試需要。在上世紀(jì)七、八十年代，我國水泥行業(yè)嘗試過推廣沉降天平，最終沒有成功。原因有很多，其中原理性的原因就是動態(tài)范圍不夠。激光粒度儀適合測量水泥的粒度分布，首先因為其動態(tài)范圍可以達(dá)到1000:1以上，大于水泥的粒度分布范圍；其次它在樣品分散方式上還可用空氣作為介質(zhì)（干法分散），做到了既方便又低成本。用激光法進行水泥粒度分布測量的突出優(yōu)點是速度快，操作簡便，重復(fù)性好。激光法是國內(nèi)外水泥行業(yè)首選的一種新的粒度分布測定方法。

　　4、水泥粒度分析技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　對于那些明白水泥粒度分布（顆粒級配）對水泥強度、混凝土性能的影響及其帶來方方面面效益的企業(yè)，在實驗室改造和新線建設(shè)時就很重視粒度測試儀器的配置。

　　激光法用于水泥粒度測試常見的形式有離線測定和在線測定，在線測定因能提供比人工取樣的實驗室測量結(jié)果更為精確而連續(xù)的數(shù)據(jù)而成為發(fā)展趨勢。最為先進的自動化在線測定已經(jīng)在豪西蒙（Holcim ）的Obourg公司使用。

　　4.1在線測定水泥粒度的案例

　　上海聯(lián)合水泥有限公司在做了一段時間的調(diào)查后，選用了英國Malvern 公司的Insitec 在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)來在線監(jiān)控水泥的粒徑分布。因為Insitec 系統(tǒng)能自動監(jiān)控質(zhì)量，提供連續(xù)的數(shù)據(jù)，使實時生產(chǎn)優(yōu)化成為可能。生產(chǎn)優(yōu)化是終極目標(biāo)，通過生產(chǎn)監(jiān)控來決定哪些參數(shù)需要優(yōu)化，如何進行優(yōu)化。

　　在使用Insitec 以前，每小時測量比表面積和80µm 篩余1 次。但上海聯(lián)合水泥有限公司發(fā)現(xiàn)，有時人工比表面積并不能及時地反映粉磨系統(tǒng)操作狀態(tài)的變化。有時生產(chǎn)很平穩(wěn)，人工比表面積值卻波動較大，有時生產(chǎn)已出現(xiàn)較大波動，人工比表面積值卻沒有什么變化。

　　上海聯(lián)合水泥有限公司安裝新的Insitec 在線分析系統(tǒng)的目的是，在線監(jiān)控水泥的粒徑分布，及時調(diào)整選粉機的轉(zhuǎn)速，通過對水泥在線粒徑分布的更佳控制來提高對水泥質(zhì)量的控制力度。

　　Insitec 在線分析系統(tǒng)的工作過程是：使用一種可調(diào)速的螺旋取樣器將樣品取出，調(diào)節(jié)螺旋取樣器轉(zhuǎn)速以確保收集到足夠的樣品給下一級取樣系統(tǒng)。利用Eductor，次級取樣系統(tǒng)每小時取樣量可達(dá)20kg。Eductor通過陶瓷管吸入樣品并將其輸送到流動池做激光衍射粒徑測量。當(dāng)顆粒通過激光光束時，前散射光被接收鏡接收并聚焦到圓環(huán)孔環(huán)形檢測器，被高速掃描、記錄和數(shù)字化，用于連續(xù)實時分析。測量結(jié)束（瞬時測量）后，樣品通過有陶瓷內(nèi)襯的回料管回到水泥主管路中去，避免損失和泄漏。

　　在線設(shè)備的主要優(yōu)點是它提供閉合回路并使用根據(jù)粒徑分布計算而得的關(guān)鍵參數(shù)去自動控制選粉機的可能性。Insitec 系統(tǒng)每秒測量一次，但我們選擇30 秒鐘的平均值來控制選粉機。

　　利用選粉機速度微調(diào)的性能，可以對選粉機的轉(zhuǎn)速做細(xì)微的改變，操作人員坐在中央控制室，幾秒鐘之后就可以看到水泥的粒度是如何隨著選粉機轉(zhuǎn)速的變化而變化以及變化大小，好像一臺實驗室儀器搬到了現(xiàn)場。而目前現(xiàn)有的實驗室測量粒徑和比表面積儀器，由于取樣的局限性，不能及時、真實的反應(yīng)生產(chǎn)線上的實際情況。在線水泥細(xì)度監(jiān)控使操作員能將水泥細(xì)度控制在更窄的范圍內(nèi)。

　　上海聯(lián)合水泥有限公司使用Insitec 系統(tǒng)后認(rèn)為：（1）在線監(jiān)控3-32µm 的百分比，能更好的控制水泥的顆粒級配；（2）實驗室每天的工作量減少22 次；（3）實驗室每天只需測試一次一天平均細(xì)度值，來驗證細(xì)度在設(shè)定范圍；（4）水泥細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)偏差更小，早期強度和后期強度更穩(wěn)定；（5）生產(chǎn)的水泥具有比表面積值偏差更小，顆粒級配更加合理，分散性更好，早強高，后期增進好，質(zhì)量更穩(wěn)定等特性，更加具有競爭力。

　　4.2 自動化在線測定水泥粒度的案例

　　由于水泥生產(chǎn)商致力于降低日常運營相關(guān)成本，建立自動化實驗室成為日漸興起的趨勢。完全自動化可以使分析過程與日常操作更緊密地集合在一起，從而提高了對業(yè)務(wù)需求的響應(yīng)。此外，分析變成了生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分而不是服務(wù)設(shè)施，其坐落位置通常會更接近實際生產(chǎn)線。

　　據(jù)國外某水泥專業(yè)媒體報道， Holcim的Obourg(比利時)水泥廠進行了化驗室改造，使其能夠進行日常水泥成分和粒徑分析的自動化實驗室。所選用的顆粒表征的系統(tǒng)是來自馬爾文儀器公司的Insitic ALISS，它能夠滿足以最少的維護工作實現(xiàn)連續(xù)操作的需求。

　　Holcim是世界頂尖的水泥和混凝土供應(yīng)商之一，業(yè)務(wù)遍及全球70多個國家。比利時的Obourg工廠每年生產(chǎn)約160萬砘水泥，產(chǎn)品分為十個不同的級別。由于水泥質(zhì)量主要取決于化學(xué)成分和細(xì)度，因此成分分析和顆粒大小測量是日常操作所需的常規(guī)功能。

　　Obourg工廠對礦渣、石膏、無水硫酸鈣、粉煤灰及高爐礦渣的混合物進行研磨，制造成相應(yīng)的顆粒大小，用以生產(chǎn)各種不同級別的水泥。顆粒大小很重要，因為它決定了在進行水化時水泥的活性，從而會直接影響抗壓強度，這是水泥用戶非常關(guān)心的參數(shù)。

　　在生產(chǎn)地，用兩臺獨立的球磨機生產(chǎn)水泥。這兩臺球磨機的下游均具有分級機和收塵器，用以從磨粉機出口物質(zhì)獲取最終產(chǎn)品，并將粗料回收取到磨粉機。對各種成分的進料速率會被進行控制，以獲得理想化學(xué)成分的產(chǎn)品，同時結(jié)合研磨機和各種分級機來控制顆粒大小。

　　在安裝自動化實驗室之前，X-射線熒光光譜分析（XRF）、X-射線衍射分析（XRD）及粒徑分析儀在離生產(chǎn)流水線一定距離和集中地進行分析試驗。取樣、傳輸、制備和后續(xù)分析會自動執(zhí)行，但設(shè)備會逐漸老化，而且需要每天進行清潔/維護。實驗室和生產(chǎn)流水線間的距離很近，因而并不適合進行樣品運送。兩年前，工廠決定通過設(shè)計、安裝自動化實驗室對已有的設(shè)施進行升級，以滿足日常分析對成分和粒徑要求。

　　新設(shè)備的安裝為Obourg團隊提供了一次機會，讓他們能夠解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題，并設(shè)計一個實驗室以滿足用最少的手動輸入獲得相同分析結(jié)果的發(fā)展需求。對于新安裝的儀器，關(guān)鍵要求是幾乎不需要清潔、或清潔工作全部自動化，高可靠性以及能夠在少量維護的情況下全天候運行的能力。隨著控制自動化程度的提高，日常操作和數(shù)據(jù)傳輸與現(xiàn)有控制平臺的集成也變得很重要。

　　Holcim的自動化實驗室是一間接近主控制區(qū)域的專用房間；白天由一個人負(fù)責(zé)運行，正常工作時間以外基本上無需值守。實驗室的中心位置有一個機器人，用以對樣品進行分配，在樣本制備和分析過程中運送樣品，并在測量后清洗樣品罐。機器人周圍是相連的操作單元：樣品接收區(qū)；兩臺磨機和一臺碾壓機用于為XRD和XRF制備樣品；兩臺傳送裝置，用于將數(shù)據(jù)磁盤運送到相關(guān)的分析儀；以及用于測量細(xì)度的Insitec ALISS。

　　Insitec  ALISS使用激光衍射技術(shù)測量顆粒大小，該技術(shù)已為水泥及其它行業(yè)所公認(rèn)。在Obourg，使用激光衍射分析技術(shù)已經(jīng)很多年——馬爾文的Mastersizer是一套很有用的實驗室設(shè)備。為自動化實驗室選擇分析儀時，Holcim從馬爾文得到的技術(shù)支持和Goffin Meyvis（Holcim公司在比利時的供應(yīng)商）的經(jīng)驗起到了重要作用。這兩家公司總是提供的非常模范的服務(wù)，Holcim團隊深知在遇到任何有關(guān)新實驗室的問題時，他們可以信賴這一點。此外，以前使用其它馬爾文系統(tǒng)的體驗也讓他們信心倍增。

　　最新開發(fā)的Insitec ALISS是一款現(xiàn)場粒徑分析儀，為手動或全自動分析而設(shè)計，為技能相對不熟練的人員在生產(chǎn)工藝環(huán)境中操作。它設(shè)計穩(wěn)健，不受周圍環(huán)境中的粉塵和振動的影響，且易于使用——只要簡單裝載樣品并啟動分析過程即可?？梢暂p松地設(shè)定數(shù)據(jù)顯示以滿足用戶的需求，而且擁有技術(shù)完善的軟件包，能夠直接與現(xiàn)有控制平臺進行通信。

　　Insitec ALISS提供了大量對于Holcim自動化實驗室水泥應(yīng)用特別重要的功能。包括：抗磨損的陶瓷內(nèi)襯部件；可以防止產(chǎn)品積累積聚從而降低清潔要求的高光潔表面；快速的測量時間，少于一分鐘。不需要進行樣本制備，只要機械臂將樣品直接倒入分析儀，因此只要使用鄰近的空氣噴嘴清潔即可。數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，以便于自動或手動控制研磨過程。

　　從兩條磨粉機流水線出口處獲得的樣品，每隔一小時會被定期送入自動化實驗室。通常每隔12min從最終產(chǎn)品傳送裝置上進行一次取樣用于分析。這樣可以得到前一小時的平均樣本，而不是生產(chǎn)工藝的瞬間表現(xiàn)。如果有必要，可加快取樣，以便能夠收集到點樣。然而，對于日常操作，通過一個小時內(nèi)收集和混合的樣品能生成更具代表性的數(shù)據(jù)。樣品被放在密閉容器中，通過氣動線路傳送到自動化實驗室，在這里將其等分并進行分析。250g樣品中的80g用于顆粒大小測量，其余部分則用于其它分析，并用作24h的組合樣品來進行分析日常平均結(jié)果。

　　傳輸至Windows CC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會將信息傳送至操作員，用于對工藝進行控制。主要參數(shù)是直徑小于10µm、22 µm和32 µm樣品的百分比，如有需要，也可以對其它參數(shù)進行報告，包括比表面積。

　　對于每一級別的水泥，Holcim建立了相應(yīng)的控制模型，對怎樣根據(jù)次優(yōu)或超出規(guī)格的粒徑測量結(jié)果更改不同工藝變量進行了描述。這些經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪窃诎惭b了Insitec ALISS之后，利用該新型分析儀測量的數(shù)據(jù)而建立的。根據(jù)這些模型，控制系統(tǒng)可以控制磨粉機進料速率、分級機速度和過濾器的氣體流速，以確保粒徑不會超標(biāo)。這一自動化控制由操作員密切監(jiān)控，而且在必要時可以輕松予以干預(yù)。

　　自動化實驗室滿足了項目的簡化要求，只需要很少的手動干預(yù)便可全天候運行。維護工作，特別是清潔過程，與原先的裝置相比減少了繁重的步驟，而且與控制系統(tǒng)的通信也更容易。

　　5、結(jié)束語

　　隨著我國水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，水泥工作者的節(jié)能視線必然會從主機工藝轉(zhuǎn)向生產(chǎn)細(xì)節(jié)。精細(xì)管理將是水泥企業(yè)立于不敗之地的制勝法寶。在線顆粒大小分析必然成為精細(xì)管理的一環(huán)。水泥行業(yè)甚至?xí)絹碓狡毡榈貙⒃诰€顆粒大小分析與全自動化控制相結(jié)合，使用自動化現(xiàn)場分析也能夠獲得良好的控制能力。自動化實驗室讓分析過程更接近生產(chǎn)，并最大程度地減少了日常分析所需的人力。該項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到能夠以最少的人工輸入工作量實現(xiàn)全自動化實驗室全天候的測量。分析系統(tǒng)（例如Insitec ALISS）設(shè)計為可在工藝環(huán)境中運行，并與現(xiàn)有控制平臺集成，促進了使用測量數(shù)據(jù)進行自動化控制的策略。在Holcim的水泥廠的應(yīng)用表明方法非常有效，并且說明了從傳統(tǒng)實驗室轉(zhuǎn)型工藝集中分析方法之后，水泥企業(yè)將獲益更多。