水泥顆粒特征及粉磨工藝對水泥強度的影響

　　水泥的顆粒特征，包括：細度、顆粒級配和顆粒形貌對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。近年來我國水泥企業(yè)逐步提高了對水泥粉磨工藝的重視程度，但是與國外先進水泥企業(yè)比較，仍然存在明顯差距[4、5]。本文介紹了國內(nèi)某大型現(xiàn)代干法水泥廠（中日合資企業(yè)，以下簡稱該工廠）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)具有上個世紀90年代的先進水平，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)品的實物質(zhì)量也與日本水泥企業(yè)相同品種的水泥接近。通過對該工廠水泥顆粒特征和熟料、水泥性能的分析，以及對工業(yè)生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)的分析，證實了水泥顆粒特征及粉磨工藝對水泥性能的影響程度。同時介紹了該工廠水泥粉磨過程的質(zhì)量控制方法和控制指標。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；球磨雙倉規(guī)格為φ3.9m×12m。旋風式選粉機。系統(tǒng)產(chǎn)量115t/h×2。

　　熟料和石膏經(jīng)過破碎機一次破碎至≤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回粉共同進入球磨。出球磨物料和粉煤灰共同進入選粉機，選粉機的選粉效率約60%，循環(huán)負荷率約260%。水泥品種等級大部分為P.O 42.5R，少量為P.II 42.5R，兩個品種水泥平均電耗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)計計算軟件對P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥進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,波動在0.51-0.73之間。國外水泥的圓形系數(shù)大約在0.67左右。比較起來，該工廠水泥的圓形系數(shù)有待進一步提高。

2.2 顆粒分布、細度

　　使用負壓篩測定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余，使用回歸分析的方法求得RRB（Rosin-Rammlar-Bennet）公式中的兩個參數(shù)：特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）。因為回歸的相關(guān)系數(shù)（r）高達0.999,可以很準確地計算任意孔徑的篩余。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、水泥檢驗結(jié)果

3.1 樣品制備方法、檢驗方法

3.1.1 熟料樣品制備方法、檢驗方法

　　熟料樣品制備使用化驗室統(tǒng)一試驗小磨，按JC/T853-1999《硅酸鹽水泥熟料》規(guī)定的方法進行。強度檢驗按GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。其余質(zhì)量指標均按JC/T853-1999《硅酸鹽水泥熟料》規(guī)定的方法檢驗。

3.1.2 水泥檢驗方法

　　強度檢驗按GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。其余質(zhì)量指標均按GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》規(guī)定的方法檢驗。

3.2 熟料、水泥檢驗結(jié)果

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

4 水泥粉磨過程的質(zhì)量控制方法和控制經(jīng)驗

4.1 水泥粉磨過程的質(zhì)量控制方法

　　15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余采用德國產(chǎn)進口負壓篩和篩網(wǎng)按日本方法測定。德國產(chǎn)進口負壓篩的工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)與國內(nèi)負壓篩基本一致，區(qū)別在于德國產(chǎn)進口負壓篩的篩網(wǎng)尺寸為內(nèi)徑70mm，測定時稱樣量為1g。這一區(qū)別使得德國產(chǎn)進口負壓篩與國產(chǎn)負壓篩比較，工作時風量較大，篩孔不易堵塞。該設(shè)備8min-10min即可完成32μm篩余的測定，4min-6min即可完成45μm篩余的測定。該設(shè)備機械加工精度很高，故障率極低，操作簡便，測定時間短，測定結(jié)果穩(wěn)定、準確，可以用于例行生產(chǎn)控制。

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

4.2 水泥粉磨過程的質(zhì)量控制經(jīng)驗

4.2.1 細度

　　該工廠以32μm篩余作為粉磨過程例行控制的依據(jù)。在32μm篩余處于控制目標范圍時，80μm篩余為0.2%-0.4%，幾乎沒有波動，如果以80μm篩余作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，那么幾乎無法對粉磨設(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，由原來的控制目標值16%變?yōu)?0%。單獨對該部分水泥進行檢驗，28天抗壓強度比細度正常時下降約4MPa，此時水泥80μm篩余并沒有明顯變化，僅由0.3%變?yōu)?.8%。這一事實表明,在水泥細度較細時,80μm篩余很難反映水泥的粉磨情況，不宜作為水泥粉磨過程的質(zhì)量控制指標。該工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗表明,以32μm篩余或45μm篩余作為水泥粉磨過程的質(zhì)量控制指標是適宜的。國外多數(shù)先進水泥企業(yè)對水泥粉磨過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進行一次比表面積測定，但是比表面積的測量值僅供參考，并不作為粉磨過程例行控制的依據(jù)。通過對出磨水泥數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，強度與比表面積之間沒有很好的相關(guān)關(guān)系。比表面積對被測樣品中的細粉非常敏感，該工廠P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥的粉磨工藝參數(shù)一致,因為P.O 42.5R水泥摻入了12%含有較多細粉的粉煤灰,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)。在實施新水泥標準之前，我國許多水泥企業(yè)不重視比表面積的測定；實施新標準以后對于水泥粉磨過程認識有所提高，許多水泥企業(yè)開始重視比表面積的測定。但是該工廠的經(jīng)驗表明，以比表面積作為粉磨過程例行控制的依據(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、一定時間內(nèi)的水化程度、標準稠度需水量、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)，并在例行控制中測定水泥的粒度分布，以水泥的粒度分布作為粉磨過程例行控制的依據(jù)。我國多數(shù)水泥廠的現(xiàn)實情況是，使用80μm篩余或比表面積作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，對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有很好的相關(guān)關(guān)系。

　　該工廠的經(jīng)驗表明，在粉磨設(shè)備及其運轉(zhuǎn)參數(shù)沒有明顯改變時，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篩余為粉磨過程例行控制的依據(jù)，在粉磨設(shè)備及其運轉(zhuǎn)參數(shù)發(fā)生明顯改變時，可能通過簡單的調(diào)節(jié)，比如選粉機的轉(zhuǎn)數(shù)（風量），使32μm篩余或45μm篩余保持在控制目標之內(nèi)。因此，使用32μm篩余或45μm篩余為粉磨過程例行控制的依據(jù)，在粉磨設(shè)備及其運轉(zhuǎn)參數(shù)發(fā)生明顯改變時并不能很好反映粒度分布。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在32μm篩余沒有明顯改變的情況下，45μm篩余發(fā)生了明顯增加，此時檢驗水泥粒度分布發(fā)生明顯變化，強度降低。

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

　　有一種比較簡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篩余作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，并且32μm篩余或45μm篩余處于正常控制范圍，可以增加測定另一個小于63μm的篩余，這個篩余的尺寸與例行質(zhì)量控制篩余的尺寸至少相差10μm。將測得的篩余與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)進行比較，如果增加測定的篩余數(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)生助磨劑的短時間中斷，盡管此時調(diào)整選粉機轉(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，則水泥強度可以明顯提高。在該工廠與熟料28天抗壓強度比較，P.II 42.5R水泥28天抗壓強度高約6MPa，P.O 42.5R水泥28天抗壓強度高約4MPa。

5.2 與水泥物理性能特別是強度密切相關(guān)的是水泥的粒度分布，80μm篩余或比表面積均難以準確反映水泥的粒度分布。測定32μm篩余或45μm篩余為粉磨過程例行控制的依據(jù)是適宜的。在使32μm篩余或45μm篩余處于控制范圍的同時，還應(yīng)該對RRB分布曲線的特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）進行控制，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，負壓篩更適合于例行質(zhì)量控制。在即將頒布的國家標準GB/T 1345-××××《水泥細度檢驗方法》中已經(jīng)列入了45μm負壓篩的檢驗方法。

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摘自：中國水泥網(wǎng)論壇