水泥顆粒特性及粉磨工藝進展對水泥性能的影響

　　1、水泥顆粒特性及其基本要求 

　　水泥顆粒特性包括有細度、顆粒級配及顆粒形貌等。 

　　通常評判水泥細度僅通過篩余或比表面積測定，如0.08 mm方孔篩篩余不超過10%，或比表面積在300 m2/kg左右。人們還注意到水泥比表面積與強度有一定的相關性，如425號水泥比表面積一般為260～300 m2/kg，而525號水泥比表面積則要求達到300～340 m2/kg。 

　　但即使是篩余相同或比表面積相近，水泥的性能也會表現(xiàn)出較大的差異，原因是由于顆粒粒級和形貌不同所致。 

　　水泥顆粒大小與水化和硬化過程有著直接的聯(lián)系。不同粒徑的水泥水化速度及程序差異很大。大于60 μm的顆粒對水泥水化及強度的作用甚微，僅起填料作用；而小于3 μm的顆粒的水化速度很快，在漿體硬化之前即已完成，所以僅對早期強度有利；3～30 μm的顆粒則是擔負強度增長的主要粒級。另一方面，水泥顆粒粒級和形貌對水泥的性能，如流動度、標準稠度需水量及強度的發(fā)展也有一些影響。 

　　水泥的水化及強度的發(fā)展與水化產物的數(shù)量有關，水化產物越多，水泥強度越高。在同一比表面積條件下，水泥顆粒粒級分布可能較寬，也可能較窄。前者的水化特性是水泥早期有微小顆粒的水化作用，強度較高，但后期大顆粒水化速度慢、水化程度低，強度增進率也較??；后者的水化特征是水泥在3～28 d內都有較高的強度增進率。兩種水泥的基本性能對比如表1所示。 

表1　不同水泥顆粒分布及性能測定 

　　由表1可見，盡管水泥具有基本相同的比表面積，由于試樣2水泥顆粒分布較窄，水泥的水化程度高，強度也較高，尤其是水泥的后期強度增進率較高，28 d 強度比試樣1高出10%。但是，過窄的顆粒分布會使水泥流動性下降，需水量增加。 

　　水泥顆粒形貌對水泥性能的影響較為復雜。表2中試樣3水泥顆粒大多為多角形，試樣4所顯示的則為近似圓形或橢圓形。用顆粒形貌分析儀進行分析，并通過圓形度(具有與顆粒相等投影面積的圓周長與實際顆粒投影周長之比)公式計算，得到前者圓形度為47%，后者的圓形度為73%。兩組樣品的性能測試如表2所示。  

表2　具有不同顆粒形貌的試樣性能對比 

　　由表2可見，在相同比表面積及相同顆粒分布均勻性系數(shù)條件下，圓形度低的試樣早期強度較高，但后期強度不及圓形度高的試樣。另外，圓形度低的試樣有較高的標準稠度需水量。 

　　水泥強度的產生主要是由于水泥顆粒及水化產物之間相互連生、搭接，進而可以抵抗外力的作用。水泥顆粒的圓形度低，多角形顆粒多，有助于顆粒之間的搭接，從而可提高其強度。但另一方面，水泥中的多角形顆粒多，顆粒間的摩擦阻力大，達到一定的流動度就需要多加水，即導致了水泥標準稠度需水量的增加，這就會降低水泥強度并影響水泥的其他性能。  

　　2、水泥粉磨工藝的改進 

　　水泥粉磨可在球磨、立磨或擠壓磨中進行，但其產品顆粒特性都應滿足一些基本要求，這就是有一定量的細粉顆粒，如3～30 μm顆粒在50%以上，有相對較窄的顆粒分布和較高的圓度系數(shù)，進而保證水泥的正常性能以及較高的粉磨效率。為此，水泥粉磨工藝也產生了許多改進。 

　　2.1、球磨機系統(tǒng)的水泥粉磨 

　　在球磨機中，水泥熟料受到長時間的沖擊、研磨作用，因而有較高的顆粒圓形度和較高的細粉含量，故水泥有正常的標準稠度需水量及較高的強度。但對于一些小型球磨機，由于沖擊作用小以及過粉磨現(xiàn)象嚴重，使水泥顆粒分布相當寬，即3～30 μm顆粒含量較高，因而影響到強度的發(fā)展。 

　　近年來發(fā)展的一種新型渦旋組合選粉機可以有助于水泥顆粒特性的改善，并顯著地降低粉磨電耗。 

　　該新型渦旋選粉機的結構如圖1所示。其工作原理是：物料從進料口進入機體上部分級室內，落在旋轉葉輪的均料板上而得到初步分散。隨后物料隨渦旋氣流運動進行分級，細粉隨上升氣流經葉輪內側從出風管排出，由旋風收塵裝置捕集。較粗粉料及尚未分離的粉料落入下部內錐體，與下出口外的螺槳撒料盤相遇，在葉片及輔助風葉的作用下又得到進一步分離。細粉隨氣流上升，粗粉料落入下部機體蝸殼內，并與切向進入機體的旋轉氣流相遇，再次得到分離，最終粗顆粒經出料口卸出。

圖1　新型渦旋選粉機結構示意 

　　該設備的特點包括： 

　　(1)選粉室的布置更為合理。物料在選粉室內經慣性力、重力及渦旋流的多次分散分級，使粗細顆粒得到充分分離。其空間尺寸選擇較為合理，使選粉效率顯著提高，能耗下降。 
　　(2)轉子系統(tǒng)易于調節(jié)。由于選粉機電機轉速及小風葉和輔助風葉的數(shù)目、角度均可調節(jié)，可使系統(tǒng)參數(shù)匹配達到理想的狀態(tài)，產品粒度易于調節(jié)。 
　　(3)采用了特殊設計的葉輪轉子裝置。葉輪轉子及螺槳二次撒料裝置串聯(lián)在一根軸上，并增加浮動支承。葉輪與可調節(jié)角度的導風葉片相配合，可適應多種工況需求，葉輪與導風葉片構成了較理想的選粉空間，在上升旋流作用下，使粗細顆粒得到充分分離。由于選粉區(qū)內物料均勻地分撒分級，且停留時間較長，使選粉效率大大提高。 
　　(4)采用改進的旋風筒結構。旋風筒結構緊湊，并增大了進風渦旋角，延長了含塵氣流在旋風筒內的停留時間，從而提高了細粉收集量。 

　　標定數(shù)據(jù)表明，采用該選粉機可提高選粉效率20%～30%，單產能耗下降12%～15%，水泥中小于30 μm的細粉含量增加10%，水泥顆粒分布更為合理，強度增加3～5 MPa。 

　　2.2、立磨和擠壓磨系統(tǒng)的水泥粉磨 

　　立磨是借肋相對運動的磨輥和磨盤裝置來粉磨物料的，立磨中的粉磨過程是物料被拽入并被磨輥和磨盤夾住，由于壓力集中在較大的顆粒上，它們最先受到擠壓作用并被破碎，隨后由磨輥施加的壓力被傳遞到較小的顆粒上，進行較小顆粒的粉碎，這一過程連續(xù)進行直到磨輥與磨盤間的最窄處，并伴隨有表面積的增加。與此同時，在有重載荷下的單一顆粒將進行空間位置重排，產生的擠壓和剪切作用將進一步提高粉磨效果，增加細粉顆粒含量，磨輥與磨盤之間的相對運動也有助于這一作用。 

　　水泥立磨粉磨的實現(xiàn)在很大程度上取決于產品的細度。在應用立磨粉磨水泥的初期則發(fā)現(xiàn)產品細顆粒較少，水泥早期強度低，并出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。有關研究通過下列措施進行了改進，完善了立磨水泥粉磨工藝。這包括：①改變磨輥和磨盤的外型，增大切向擠壓力或增加摩擦力，并以此提高產品細度(圖2)，磨輥在設計中有以下關系：b2＞b1，Rv1＞Rv2，M為磨輥與磨盤相對滑動速度為零的點。由于M點向磨盤中心的區(qū)域相對滑動速度較小，物料的主要粉磨形式為擠壓粉磨，所以叫擠壓粉磨區(qū)。M點向磨盤外緣的區(qū)域相對滑動速度較大，物料除受擠壓粉磨外，還受到較大的摩擦粉磨，所以叫摩擦粉磨區(qū)。進入磨內的物料首先在擠壓粉磨區(qū)進行粗磨，然后在摩擦粉磨區(qū)進行細磨，以達到所要求的細度。②通過物料磨外循環(huán)、風量控制和采用高效選粉設備相配合的工藝，對被擠壓粉碎的物料進行精選，以保證產品的合格顆粒級配。所謂磨外循環(huán)即讓一部分粗物料從磨盤邊緣落下，排出機外，再由提升機提升入磨，這就使系統(tǒng)風量減小，細粉塵濃度增加，為細選粉創(chuàng)造了條件，再加上高效選粉機的應用，可以使水泥立磨粉磨達到水泥成品的細度要求，并有較好的顆粒特性。表3列出了有關水泥的性能對比。 

表3　水泥立磨粉磨和球磨粉磨性能對比 

圖2　立磨磨盤與磨輥形狀及相對速度圖 

　　擠壓磨與立磨有所不同，它是由一對相向運動的磨輥來粉磨物料的。其粉磨過程是在兩磨輥的轉動作用下，物料被帶入兩輥之間，首先是較大的顆粒被擠壓粉碎，隨著物料向下移動，受壓愈大，料層密度不斷增大，較小顆粒也得到粉碎，直至兩輥間的最窄處，物料以料餅的形式卸出。 

　　立磨和擠壓磨的粉磨過程有以下幾個區(qū)別：①立磨對物料擠壓進行了雙向限制，而擠壓磨則采用三向限制(磨輥兩側裝有擋板)，在后一種情況下粉磨能量利用率相對較高；②擠壓磨對物料施加的壓力主要為正壓力，立磨除施加正壓力外，還伴隨有研磨作用，這不僅可增加細顆粒含量，還可以改善顆粒形貌；③在立磨系統(tǒng)中物料可在磨盤上多次受壓，并可通過內部循環(huán)重新回落到磨盤上被粉磨，而擠壓磨中物料僅通過磨輥擠壓一次。由于這些情況立磨和擠壓磨粉磨的水泥產品有顯著不同。這些包括：擠壓磨粉磨產品的細粉顆粒含量較低，大多集中在20～70 μm間，顆粒圓度系數(shù)一般小于50%，因此水泥水化表現(xiàn)出凝結時間長，需水量大及強度低等特性。成功的改進措施有擠壓磨與球磨機相配合以及采用多次循環(huán)粉磨等方案。 

　　擠壓磨可以與球磨配合組成不同的粉磨工藝系統(tǒng)，但相同點都是水泥最終需經球磨進行粉磨，以獲得正常的顆粒特性，保證水泥的正常水化性能。這種方案的主要缺點是增加了設備。采用多次循環(huán)粉磨，可實現(xiàn)水泥的擠壓磨粉磨，如圖3。這種方案充分利用擠壓磨能耗低、效率高的特點，多次循環(huán)，重復擠壓物料達到增加成品細度的目的，其水泥性能如表3所示。但不難理解這種方案必然使得擠壓磨單機設備規(guī)格增大，給設備制造帶來極大困難，另外，水泥顆粒形貌也不能得到充分的改善。本文作者提出了磨輥“差動、異徑”方案，并進行了工藝實驗，實驗表明這種方案有助于產品中細粉顆粒含量的提高，并顯著減小物料的循環(huán)量。這無疑給擠壓磨水泥粉磨開辟了一條新的途徑。 

圖3　擠壓磨水泥粉磨系統(tǒng)流程 

　　1—熟料庫；2—石膏庫；3—礦渣庫；4—打散機； 
　　5—選粉機；6—水泥泵；7—水泥庫；8—擠壓磨 

　　3　結束語 

　　(1)水泥的顆粒特性，包括水泥中3～30 μm顆粒含量，顆粒分布及形貌對其水化性能及強度的發(fā)展有著重要的影響。水泥中3～30 μm顆粒含量要求在40%以上，并應有相對較窄的顆粒分布，水泥顆粒應為圓形或近似圓形。 
　　(2)球磨粉磨的水泥具有較好的顆粒特性，進而保證了水泥正常的水化性能。但對于一些中小型磨機，由于粉磨能力的不足以及物料流動不暢，則產生有很寬的顆粒分布，這對水泥強度的發(fā)展并不有利。采用高效選粉機有助于彌補這一缺陷。 
　　(3)立磨和擠壓磨均可用于水泥粉磨。立磨采用了增加摩擦粉磨力及多次擠壓技術，使水泥產品顆粒特性滿足了正常水泥性能的要求。擠壓磨中產品顆粒經多次循環(huán)粉磨可以達到一定細度要求，而“差動、異徑”方案的實施則有助于減小循環(huán)次數(shù)，改善水泥顆粒形貌，使水泥各項性能指標趨于正常。