水泥“結塊”、流動性在水泥運輸成本中的影響

　　1、簡介

　　水泥助磨劑在二十世紀三十年代就已經開始使用了。格雷斯的產品”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年獲得專利并是當今世界范圍內使用最廣泛的助磨劑之一。七十年代開始，質量改進型產品的使用量逐漸增加。近二十多年來，格雷斯相繼開發(fā)了新系列的質量改進型產品“CBA”，“ESE” 和“Synthro”, 它們已在通用硅酸鹽水泥中得到廣泛的應用。

　　當今，使用助磨劑的目的是為了幫助水泥生產降低成本同時提高水泥的質量。在過去的70多年的時間里，一直有關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。        

　　水泥生產成本的降低來自于幾個方面。舉例來說體現(xiàn)為粉磨能耗的降低，生產效率的提高，操作時間的減少，設備維修和維護成本的降低，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，同時也包括水泥流動性的改善，“結塊”的減少。

　　“結塊”和流動性

　　本文所介紹的“結塊”這個術語表示大塊水泥阻止“流動的開始”的狀態(tài)。隨著水泥貿易的增加，由于有高質量、長距離、長時間的儲存和運輸，水泥“結塊”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。

　　“流動性”這個術語表示了水泥能夠流動的能力。較“結塊”而言，它可能不會引起太多問題，但是在一定程度上它與“結塊”有關。

　　“ 結塊”的本質在于水泥粉體處于受壓實的狀態(tài)。所以“結塊”可被看作是受靜摩擦力的影響，而“流動性”可認為是受動摩擦力的影響。此外，“結塊”與所謂的“水泥庫結塊”有質的不同，“水泥庫結塊”可能是由于有濕氣所造成的水泥預水化，或水泥儲存時，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“結塊”在庫存和自由堆存狀態(tài)下會同時發(fā)生。正常情況下，水泥難于從水泥庫內放出，一般是“水泥庫結塊”所致；普通的掛壁現(xiàn)象，一般是“結塊”和水泥與冷凝水預水化所致。

　　在多數情況下，通過一些機械手段可以克服“結塊”，但是如果“結塊”比較嚴重，這些機械方法和次數不斷增加和累積，它就變得相當可觀的耗費了。在當今水泥貿易和水泥使用量增加的情況下，這種耗費要引起我們的重視。

　　造成“結塊”的因素

　　“結塊”的發(fā)生有多方面的原因。其中最重要的起因是振動，振動時間和振動程度都能明顯的加劇粉體間擠壓密實的程度。振動所產生的“結塊”在很多運輸過程中都是可以被相互消除的，但是在儲存的過程中，振動所產生的“結塊”就不那么容易被消除了。因為這些常常是由于外部的振動造成的，例如來自其它機器和車輛的運動，很難再來破壞已發(fā)生的“結塊” 。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)出不同的結塊方式，所以“結塊”也依賴于水泥本身。在這種情況下，水泥細度的增加，顆粒分布的變寬和水泥新鮮程度的增加都能加劇“結塊”。

　　有證據表明，結塊這種現(xiàn)象與水泥表面化學能有關，它導致了顆粒團聚。顆粒團聚是由于在濕氣出現(xiàn)的情況下產生微小晶橋的增加，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。

　　團聚最初是相連顆粒間的敞型結構。然而，當一些團聚物遭受擠壓密實后產生了強剛性的結構。所以，“結塊”可以看作為一個機械堆積（由于振動）和顆粒間相互吸引（不均衡的電荷力）的共同的結果。顆粒表面新鮮度對團聚和“結塊”的作用變可以解釋為導致團聚和“結塊”的表面力隨著時間的延長，因吸收水氣和CO2而減弱。

　　所以，進一步的研究證實可以通過控制表面能的方式，使“結塊”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效果。

　　除了產生“結塊”外，顆粒間的相互吸引會產生磨內顆粒團聚和磨內糊球現(xiàn)象，造成了磨機粉磨效率的降低。
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塊。但必須值得注意的是，結塊減少的程度并不與磨機效率的提高成比例。

　　“結塊”的評價     

　　考慮到水泥粉狀物料一般在體積較大時它才開始流動，這時未受確定的流動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力，促使顆粒穩(wěn)定堆積狀態(tài)瓦解，克服使顆粒密實而“結塊”的應力。力學上的“破壞方程”和“流動方程”可以被用來描述密實應力和未被確定的屈服力的關系。

　　Jenike的剪切模型是一個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等人的進一步發(fā)展。

　　美國格雷斯公司發(fā)明2種的實驗室方法用于實際評估“結塊”。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至密實狀態(tài)。然后翻轉圓錐瓶180°，使水泥密實層處于垂直狀態(tài)，保持水泥密實層在一個垂直面上旋轉圓錐瓶直到水泥密實層垮塌，記錄旋轉的半圈數以此表明結塊指數。

　　上述的這種方法能很好的測量水泥的“結塊”程度，它們被經常用于評估使用水泥助磨劑后顯著減少“結塊”效果的程度。
如下兩個表中舉例的是“結塊”指數（PSI）、水泥助磨劑添加量和泵送率之間相互關系的實驗數據。

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

* 50+：表示“結塊”指數大于50

　　減少“結塊”增加流動性的好處

　　正如已經提到過的一樣，助磨劑在水泥粉磨的過程中起到一個干分散的作用，這能減少水泥“結塊”，提高流動性和體積密度。

　　這些被改善的性能能給材料運輸帶來很多好處，最終體現(xiàn)為成本的顯著下降。材料運輸的花費實際上發(fā)生在每個物料流程環(huán)節(jié)中，從粉磨設備到工廠儲存，從存儲到裝載公路、鐵路和輪船運輸，以及可能最終的卸載，存儲和進一步的運輸等。

　　在這種運輸的操作過程中，因為使用助磨劑而帶來的“結塊”現(xiàn)象降低、流動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用。這些對水泥最終成本的影響將依賴于實際材料運輸的狀況。舉例來說，水泥可能通過公路直接從廠里運出，或者是通過鐵路和輪船直接運輸到客戶。但對于遠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輸方式運送水泥的，從工廠到終端1是通過公路和鐵路運輸的，在終端1到終端2可能是靠輪船運輸的，從終端2到客戶是通過公路運輸的。

　　因此，水泥銷售中的成本可以變化很大，并且它能占銷售價格中相當大的一部分。一些經濟分析指出，每噸水泥短距離運輸成本大約為人民幣20到100元之間，而長距離運輸成本每噸可高達人民幣數百元。

　　在所有的運輸中，都有一個與裝載和卸載有關的時間因素。如果出現(xiàn)“結塊”的現(xiàn)象，那么這樣的裝卸時間就會變長，這會直接導致高的運輸成本，甚至會減少每天裝載的總數量，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輸車，它每天的固定成本其本上是一定的。在一個來回運載的周期中，裝卸時間會占著一定的時間比例，我們測定了一個城市郊區(qū)的水泥企業(yè)向市內運輸散裝水泥，發(fā)現(xiàn)使用助磨劑的水泥裝載成本平均占總運輸成本的15％，而沒使用助磨劑的水泥裝載成本平均占總運輸成本能占到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，每天來回裝載次數的增加能顯著降低銷售成本。當然，成本節(jié)約的大小，還與運輸距離長短有關。

　　在鐵路散裝運輸過程中，裝載卸載所耗時間要占運輸時間的很大一部分比例。因為鐵路運輸只能同時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75噸，并只能同時卸載2節(jié)車廂，卸載總計耗時13.3小時。 而使用助磨劑的水泥，其卸貨速率大概可以達到每小時150噸，卸貨所需的時間縮短為6.7小時，這樣的卸載成本可能會下降一倍。

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

　　水泥“結塊”引起的卸貨速度下降造成總的運輸周期延長，如果加上輪船為了避免潮汐而選擇時間，這將變得更為復雜。以一艘25000噸的國際運輸輪船為例，其輪船租用費用折合到水泥運輸成本中假設為每天每噸0.5美元。如果運輸時間延長6小時，每噸水泥的運輸成本將增加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，如果因為運輸延期而帶來的港口停泊費用增加也會給水泥的銷售成本帶來顯著的影響。

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

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

　　水泥助磨劑的經濟性

　　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備維護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。水泥產量的提高，可以增加銷售，滿足客戶高峰需求。另外，可能有進一步的效益可以從水泥成分的改變中獲得（如質量提高時，可以提高石灰石、礦渣、火山灰物質和粉煤灰的摻量）。

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

　　因此，水泥添加劑的使用能降低水泥的運輸成本，同時也能降低水泥的生產成本。

　　結論

　　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，減少“結塊”現(xiàn)象，提高水泥流動性。
　　2、水泥的“結塊”對應壓實狀態(tài)，主要是由于機械擠壓和顆粒間的相互吸引造成的。水泥結塊指數可以通過實驗室測試方法有效評估。
　　3、流動性對應非壓實狀態(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間。水泥助磨劑的使用能減少整個運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，僅靠運輸成本的節(jié)省就可以補償助磨劑的使用費用。