水泥“結(jié)塊”、流動(dòng)性在水泥運(yùn)輸成本中的影響

　　1、簡介

　　水泥助磨劑在二十世紀(jì)三十年代就已經(jīng)開始使用了。格雷斯的產(chǎn)品”TDA”在三十年代早期就開發(fā)出來并在1935年取得了專利。HEA2系列助磨劑在1965年獲得專利并是當(dāng)今世界范圍內(nèi)使用最廣泛的助磨劑之一。七十年代開始，質(zhì)量改進(jìn)型產(chǎn)品的使用量逐漸增加。近二十多年來，格雷斯相繼開發(fā)了新系列的質(zhì)量改進(jìn)型產(chǎn)品“CBA”，“ESE” 和“Synthro”, 它們已在通用硅酸鹽水泥中得到廣泛的應(yīng)用。

　　當(dāng)今，使用助磨劑的目的是為了幫助水泥生產(chǎn)降低成本同時(shí)提高水泥的質(zhì)量。在過去的70多年的時(shí)間里，一直有關(guān)于助磨劑對水泥粉磨及由此帶來的性能影響研究，并且這些研究得到了發(fā)展。        

　　水泥生產(chǎn)成本的降低來自于幾個(gè)方面。舉例來說體現(xiàn)為粉磨能耗的降低，生產(chǎn)效率的提高，操作時(shí)間的減少，設(shè)備維修和維護(hù)成本的降低，水泥性能的提高，熟料被混合材替代率的提高，二氧化碳排放的降低，同時(shí)也包括水泥流動(dòng)性的改善，“結(jié)塊”的減少。

　　“結(jié)塊”和流動(dòng)性

　　本文所介紹的“結(jié)塊”這個(gè)術(shù)語表示大塊水泥阻止“流動(dòng)的開始”的狀態(tài)。隨著水泥貿(mào)易的增加，由于有高質(zhì)量、長距離、長時(shí)間的儲存和運(yùn)輸，水泥“結(jié)塊”現(xiàn)象變得越來越普遍了。它可以發(fā)生在制造商自己的工廠里，也可以發(fā)生在發(fā)貨后流程中。

　　“流動(dòng)性”這個(gè)術(shù)語表示了水泥能夠流動(dòng)的能力。較“結(jié)塊”而言，它可能不會引起太多問題，但是在一定程度上它與“結(jié)塊”有關(guān)。

　　“ 結(jié)塊”的本質(zhì)在于水泥粉體處于受壓實(shí)的狀態(tài)。所以“結(jié)塊”可被看作是受靜摩擦力的影響，而“流動(dòng)性”可認(rèn)為是受動(dòng)摩擦力的影響。此外，“結(jié)塊”與所謂的“水泥庫結(jié)塊”有質(zhì)的不同，“水泥庫結(jié)塊”可能是由于有濕氣所造成的水泥預(yù)水化，或水泥儲存時(shí)，存在石膏、堿氧化物和水份，形成鉀石膏而造成的。盡管如此，本文所指的“結(jié)塊”在庫存和自由堆存狀態(tài)下會同時(shí)發(fā)生。正常情況下，水泥難于從水泥庫內(nèi)放出，一般是“水泥庫結(jié)塊”所致；普通的掛壁現(xiàn)象，一般是“結(jié)塊”和水泥與冷凝水預(yù)水化所致。

　　在多數(shù)情況下，通過一些機(jī)械手段可以克服“結(jié)塊”，但是如果“結(jié)塊”比較嚴(yán)重，這些機(jī)械方法和次數(shù)不斷增加和累積，它就變得相當(dāng)可觀的耗費(fèi)了。在當(dāng)今水泥貿(mào)易和水泥使用量增加的情況下，這種耗費(fèi)要引起我們的重視。

　　造成“結(jié)塊”的因素

　　“結(jié)塊”的發(fā)生有多方面的原因。其中最重要的起因是振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)程度都能明顯的加劇粉體間擠壓密實(shí)的程度。振動(dòng)所產(chǎn)生的“結(jié)塊”在很多運(yùn)輸過程中都是可以被相互消除的，但是在儲存的過程中，振動(dòng)所產(chǎn)生的“結(jié)塊”就不那么容易被消除了。因?yàn)檫@些常常是由于外部的振動(dòng)造成的，例如來自其它機(jī)器和車輛的運(yùn)動(dòng)，很難再來破壞已發(fā)生的“結(jié)塊” 。然而，即使是在相同的輸送和儲存過程中，不同的水泥能表現(xiàn)出不同的結(jié)塊方式，所以“結(jié)塊”也依賴于水泥本身。在這種情況下，水泥細(xì)度的增加，顆粒分布的變寬和水泥新鮮程度的增加都能加劇“結(jié)塊”。

　　有證據(jù)表明，結(jié)塊這種現(xiàn)象與水泥表面化學(xué)能有關(guān)，它導(dǎo)致了顆粒團(tuán)聚。顆粒團(tuán)聚是由于在濕氣出現(xiàn)的情況下產(chǎn)生微小晶橋的增加，或者是由于靜電顆粒之間的相互吸引。后者是由于水泥顆粒新形成表面上的不均衡電荷引力引起的。

　　團(tuán)聚最初是相連顆粒間的敞型結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)一些團(tuán)聚物遭受擠壓密實(shí)后產(chǎn)生了強(qiáng)剛性的結(jié)構(gòu)。所以，“結(jié)塊”可以看作為一個(gè)機(jī)械堆積（由于振動(dòng)）和顆粒間相互吸引（不均衡的電荷力）的共同的結(jié)果。顆粒表面新鮮度對團(tuán)聚和“結(jié)塊”的作用變可以解釋為導(dǎo)致團(tuán)聚和“結(jié)塊”的表面力隨著時(shí)間的延長，因吸收水氣和CO2而減弱。

　　所以，進(jìn)一步的研究證實(shí)可以通過控制表面能的方式，使“結(jié)塊”的現(xiàn)象能明顯減弱以致最終消失。如在水泥粉磨過程中，我們最好地做到了這個(gè)效果。

　　除了產(chǎn)生“結(jié)塊”外，顆粒間的相互吸引會產(chǎn)生磨內(nèi)顆粒團(tuán)聚和磨內(nèi)糊球現(xiàn)象，造成了磨機(jī)粉磨效率的降低。
助磨劑包覆在水泥顆粒外層，阻止或減弱了顆粒間的相互吸引力，所以減少了團(tuán)聚。它們具有一種干性分散的作用，所以助磨劑的使用提高了粉磨效率減少了結(jié)塊。但必須值得注意的是，結(jié)塊減少的程度并不與磨機(jī)效率的提高成比例。

　　“結(jié)塊”的評價(jià)     

　　考慮到水泥粉狀物料一般在體積較大時(shí)它才開始流動(dòng)，這時(shí)未受確定的流動(dòng)屈服力大小就變得很重要了。它是沿自由表面切線方向的應(yīng)力，促使顆粒穩(wěn)定堆積狀態(tài)瓦解，克服使顆粒密實(shí)而“結(jié)塊”的應(yīng)力。力學(xué)上的“破壞方程”和“流動(dòng)方程”可以被用來描述密實(shí)應(yīng)力和未被確定的屈服力的關(guān)系。

　　Jenike的剪切模型是一個(gè)用于確定破壞方程的著名模型。其他的例如William Burks和Bhattacharya等人建立了一個(gè)簡化的模型，它依靠對圓柱體試樣的擠壓直接測量破壞方程。這種單軸的測試方法又得到了其他的研究者如Johanson和Maltby、Enstad等人的進(jìn)一步發(fā)展。

　　美國格雷斯公司發(fā)明2種的實(shí)驗(yàn)室方法用于實(shí)際評估“結(jié)塊”。我在此介紹一下主要的常用而簡單的方法，即是在圓錐瓶中裝入100g水泥，以一定的頻率加以振動(dòng)至密實(shí)狀態(tài)。然后翻轉(zhuǎn)圓錐瓶180°，使水泥密實(shí)層處于垂直狀態(tài)，保持水泥密實(shí)層在一個(gè)垂直面上旋轉(zhuǎn)圓錐瓶直到水泥密實(shí)層垮塌，記錄旋轉(zhuǎn)的半圈數(shù)以此表明結(jié)塊指數(shù)。

　　上述的這種方法能很好的測量水泥的“結(jié)塊”程度，它們被經(jīng)常用于評估使用水泥助磨劑后顯著減少“結(jié)塊”效果的程度。
如下兩個(gè)表中舉例的是“結(jié)塊”指數(shù)（PSI）、水泥助磨劑添加量和泵送率之間相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　　　1）  菲律賓某工廠                        　　　　　　2） 美國某工廠 

* 50+：表示“結(jié)塊”指數(shù)大于50

　　減少“結(jié)塊”增加流動(dòng)性的好處

　　正如已經(jīng)提到過的一樣，助磨劑在水泥粉磨的過程中起到一個(gè)干分散的作用，這能減少水泥“結(jié)塊”，提高流動(dòng)性和體積密度。

　　這些被改善的性能能給材料運(yùn)輸帶來很多好處，最終體現(xiàn)為成本的顯著下降。材料運(yùn)輸?shù)幕ㄙM(fèi)實(shí)際上發(fā)生在每個(gè)物料流程環(huán)節(jié)中，從粉磨設(shè)備到工廠儲存，從存儲到裝載公路、鐵路和輪船運(yùn)輸，以及可能最終的卸載，存儲和進(jìn)一步的運(yùn)輸?shù)取?

　　在這種運(yùn)輸?shù)牟僮鬟^程中，因?yàn)槭褂弥┒鴰淼摹敖Y(jié)塊”現(xiàn)象降低、流動(dòng)性的提高能加快裝載和卸載的速度，增加儲存量和降低泵送費(fèi)用。這些對水泥最終成本的影響將依賴于實(shí)際材料運(yùn)輸?shù)臓顩r。舉例來說，水泥可能通過公路直接從廠里運(yùn)出，或者是通過鐵路和輪船直接運(yùn)輸?shù)娇蛻?。但對于遠(yuǎn)距離或出口國外的水泥，在很多情況下，水泥都是通過兩種或兩種以上的運(yùn)輸方式運(yùn)送水泥的，從工廠到終端1是通過公路和鐵路運(yùn)輸?shù)?，在終端1到終端2可能是靠輪船運(yùn)輸?shù)模瑥慕K端2到客戶是通過公路運(yùn)輸?shù)摹?

　　因此，水泥銷售中的成本可以變化很大，并且它能占銷售價(jià)格中相當(dāng)大的一部分。一些經(jīng)濟(jì)分析指出，每噸水泥短距離運(yùn)輸成本大約為人民幣20到100元之間，而長距離運(yùn)輸成本每噸可高達(dá)人民幣數(shù)百元。

　　在所有的運(yùn)輸中，都有一個(gè)與裝載和卸載有關(guān)的時(shí)間因素。如果出現(xiàn)“結(jié)塊”的現(xiàn)象，那么這樣的裝卸時(shí)間就會變長，這會直接導(dǎo)致高的運(yùn)輸成本，甚至?xí)p少每天裝載的總數(shù)量，由此而來，銷售的總成本就會增加。

　　舉例來說，每輛公路水泥散裝運(yùn)輸車，它每天的固定成本其本上是一定的。在一個(gè)來回運(yùn)載的周期中，裝卸時(shí)間會占著一定的時(shí)間比例，我們測定了一個(gè)城市郊區(qū)的水泥企業(yè)向市內(nèi)運(yùn)輸散裝水泥，發(fā)現(xiàn)使用助磨劑的水泥裝載成本平均占總運(yùn)輸成本的15％，而沒使用助磨劑的水泥裝載成本平均占總運(yùn)輸成本能占到25％。沒使用助磨劑的水泥，罐裝車每天只裝載3次，而運(yùn)送使用助磨劑的水泥，罐裝車每天裝載了4次。所以，每天來回裝載次數(shù)的增加能顯著降低銷售成本。當(dāng)然，成本節(jié)約的大小，還與運(yùn)輸距離長短有關(guān)。

　　在鐵路散裝運(yùn)輸過程中，裝載卸載所耗時(shí)間要占運(yùn)輸時(shí)間的很大一部分比例。因?yàn)殍F路運(yùn)輸只能同時(shí)裝載卸載少部分的火車箱（如2000噸的火車，每次只裝30節(jié)車廂中的1－3節(jié)）。 一列30節(jié)車廂2000噸的火車來舉例，如卸載未使用助磨劑的水泥的速率是每小時(shí)75噸，并只能同時(shí)卸載2節(jié)車廂，卸載總計(jì)耗時(shí)13.3小時(shí)。 而使用助磨劑的水泥，其卸貨速率大概可以達(dá)到每小時(shí)150噸，卸貨所需的時(shí)間縮短為6.7小時(shí)，這樣的卸載成本可能會下降一倍。

　　以輪船作為運(yùn)輸方式來看，其運(yùn)輸成本中很大來自于輪船的租用費(fèi)用、港口停泊費(fèi)用以及貨物裝載和卸載的費(fèi)用。這樣的話，如果出現(xiàn)水泥“結(jié)塊”現(xiàn)象，卸載速度慢將會延長貨物的運(yùn)輸周期，最終體現(xiàn)各個(gè)方面總成本的上升。

　　水泥“結(jié)塊”引起的卸貨速度下降造成總的運(yùn)輸周期延長，如果加上輪船為了避免潮汐而選擇時(shí)間，這將變得更為復(fù)雜。以一艘25000噸的國際運(yùn)輸輪船為例，其輪船租用費(fèi)用折合到水泥運(yùn)輸成本中假設(shè)為每天每噸0.5美元。如果運(yùn)輸時(shí)間延長6小時(shí)，每噸水泥的運(yùn)輸成本將增加0.12美金，另外沒有助磨劑的水泥，其每噸水泥的卸貨成本也會增加，大約要每噸增加1美金左右。與此同時(shí)，如果因?yàn)檫\(yùn)輸延期而帶來的港口停泊費(fèi)用增加也會給水泥的銷售成本帶來顯著的影響。

　　水泥“結(jié)塊”除了可能給水泥生產(chǎn)商造成供貨延期或者是銷售成本的上升外，同時(shí)，它也會給客戶的使用成本帶來負(fù)面影響。例如，流動(dòng)性差，差的物料處理性能，造成每次計(jì)量時(shí)間延長，需要額外增加機(jī)械力來消除流動(dòng)性差的問題，而這必將增加勞動(dòng)力成本，最終將增加客戶產(chǎn)品的使用成本。

　　水泥的“結(jié)塊”，也是水泥庫掛壁的重要原因之一，一方面要占據(jù)很大的水泥庫空間，掛壁時(shí)間長了，所掛壁的水泥強(qiáng)度有很大的下降，造成實(shí)物損失；另一方面，水泥生產(chǎn)企業(yè)需要定期清理掛壁，增加勞動(dòng)力的成本，如果發(fā)生人身安全事故，損失將不可估量。

　　水泥助磨劑的經(jīng)濟(jì)性

　　水泥助磨劑的成本依賴于助磨劑的種類及其摻量。以摻量為0.02％的普通助磨劑為例將增加每噸水泥成本1.5到2.5元人民幣。但是，一般情況下，每噸水泥粉磨所需的電耗以及設(shè)備維護(hù)成本的降低最終會抵消助磨劑的成本，甚至是超過使用助磨劑帶來的成本上升。水泥產(chǎn)量的提高，可以增加銷售，滿足客戶高峰需求。另外，可能有進(jìn)一步的效益可以從水泥成分的改變中獲得（如質(zhì)量提高時(shí)，可以提高石灰石、礦渣、火山灰物質(zhì)和粉煤灰的摻量）。

　　所以，使用水泥助磨劑往往可以帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益。如果運(yùn)輸成本占很大的銷售成本時(shí)，使用助磨劑能很容易地改善水泥的“結(jié)塊”現(xiàn)象，這樣可以減少運(yùn)輸成本。前文的論述已表明，由于水泥“結(jié)塊”所造成的成本上升將超過使用水泥助磨劑的費(fèi)用。

　　因此，水泥添加劑的使用能降低水泥的運(yùn)輸成本，同時(shí)也能降低水泥的生產(chǎn)成本。

　　結(jié)論

　　1、使用水泥助磨劑能帶來很多好處，它們包括通過提高體積密度帶來的儲存能力增進(jìn)，減少“結(jié)塊”現(xiàn)象，提高水泥流動(dòng)性。
　　2、水泥的“結(jié)塊”對應(yīng)壓實(shí)狀態(tài)，主要是由于機(jī)械擠壓和顆粒間的相互吸引造成的。水泥結(jié)塊指數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)室測試方法有效評估。
　　3、流動(dòng)性對應(yīng)非壓實(shí)狀態(tài)。水泥助磨劑減小了顆粒間的相互吸引，使水泥顆粒處于一種干分散狀態(tài)中。
　　4、水泥的銷售成本依賴于卡車、火車和輪船裝載卸載貨物的時(shí)間。水泥助磨劑的使用能減少整個(gè)運(yùn)輸過程中裝載卸載的，因而使銷售的總成本降低。在一些情況下，僅靠運(yùn)輸成本的節(jié)省就可以補(bǔ)償助磨劑的使用費(fèi)用。