摘要:

在水泥生產(chǎn)行業(yè)，提起節(jié)能降耗，都非常重視新型干法窯的推廣應(yīng)用、重視節(jié)能磨機(jī)及其系統(tǒng)的選用與優(yōu)化、重視低溫余熱發(fā)電的建設(shè)，而對水泥（熟料）的粒度控制在節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、降低原料消耗以及增加混合材摻量等方面的重要作用，只有少數(shù)企業(yè)開始有較深的認(rèn)識。其實(shí)，通過改善水泥的粒度，節(jié)能減排與降耗的潛力是非常巨大的。

一、前言

在水泥生產(chǎn)行業(yè)，提起節(jié)能降耗，都非常重視新型干法窯的推廣應(yīng)用、重視節(jié)能磨機(jī)及其系統(tǒng)的選用與優(yōu)化、重視低溫余熱發(fā)電的建設(shè)，而對水泥（熟料）的粒度控制在節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、降低原料消耗以及增加混合材摻量等方面的重要作用，只有少數(shù)企業(yè)開始有較深的認(rèn)識。其實(shí)，通過改善水泥的粒度，節(jié)能減排與降耗的潛力是非常巨大的。

二、幾個逐漸被認(rèn)可的理論觀點(diǎn)

⑴水泥顆粒只有與水發(fā)生反應(yīng)，才有膠凝作用和強(qiáng)度，沒有被水化的部分只起骨架作用。研究表明小于1μm的顆粒在與水的拌和過程中就完全水化，對混凝土澆筑體的強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)。28天，水化深度為5.48μm，即大于11μm的粗顆粒均不能被完全水化，未被水化的內(nèi)核對混凝土的28天強(qiáng)度也沒有貢獻(xiàn)。
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⑵在相同條件下，粉磨能耗與顆粒的表面積成正比。因此，顆粒越小，單位重量所消耗的粉磨能量也越多。
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⑶水泥的合理顆粒組成是指能最大限度地發(fā)揮熟料的膠凝性和具有最緊密的體積堆積密度。熟料膠凝性與顆粒的水化速度和水化程度有關(guān)，而堆積密度則由顆粒大小含量比例所決定。在水泥專業(yè)文獻(xiàn)中經(jīng)常看到兩個相互矛盾的水泥顆粒級配指標(biāo)：一個是關(guān)于水泥最佳性能的顆粒級配；一個是符合緊密堆積的Fuller曲線的水泥顆粒級配。其矛盾在于：前者要求<3μm顆粒小于10%，<1μm顆粒最好沒有；而后者則要求<3μm顆粒要達(dá)到29%，<1μm顆粒要達(dá)到19%。兩者相差甚遠(yuǎn)。
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最理想的狀況是：水泥中熟料的顆粒級配應(yīng)滿足最佳性能的級配要求，而<3μm特別是<1μm的顆粒應(yīng)是混合材（或礦物摻合料），如石灰石粉、粉煤灰、礦渣粉等。這些<3μm的細(xì)粉狀混合材填充于水泥熟料顆粒之間的空隙，使水泥顆粒的堆積趨向緊密，向Fuller曲線靠攏。另外，這些細(xì)粉狀混合材的活性比熟料的低，因此在早期水化慢或幾乎不水化，不會對水泥的工作性能或混凝土的拌合物的施工性能造成不利影響。而在后期，這些細(xì)粉狀的混合材又可與熟料顆粒水化所產(chǎn)生的Ca(OH)2起二次反應(yīng)，生成具有膠凝性的C-S-H凝膠，從而使水泥石結(jié)構(gòu)致密，有利于耐久性提高。歐洲標(biāo)準(zhǔn)在27種水泥中都允許摻加 0-5%的次要附加組分，主要是改善水泥顆粒級配和工作性，而對這些次要附加組分的活性無特殊要求，只要不增加水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，對混凝土和砂漿性能無害，對鋼筋無銹蝕即可。歐洲標(biāo)準(zhǔn)的這些內(nèi)容可以給我們一些啟迪。
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⑷根據(jù)水泥樣品的實(shí)際粒度分布，可以計(jì)算28天的水化率（水泥或熟料顆粒被水化的體積與總體積之比）以及消耗在1μm以下的（熟料）粉磨能耗占總能耗的比例。沒有被水化的部分，就是熟料的浪費(fèi)部分；而顆粒被磨到1μm以下的部分，則熟料和粉磨能都被浪費(fèi)了。

三、對目前水泥粉磨控制參數(shù)的剖析

已有試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，水泥的粒度分布與顆粒特征對水泥性能的影響是很大的。通過調(diào)整使水泥的粒度分布接近于理想分布，則水泥強(qiáng)度可明顯提高，80μm篩余或比表面積均難以準(zhǔn)確反映水泥的粒度分布，按GB/T17671-1999檢驗(yàn)的水泥強(qiáng)度與水泥的比表面積在多數(shù)情況下沒有明確的相關(guān)關(guān)系，30μm篩余或45μm篩余是水泥粉磨過程適宜的控制指標(biāo)，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(jìn)行控制，定期檢查和控制水泥的粒度分布是非常必要的。
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我國實(shí)物水泥80μm篩余基本小于5%，甚至接近0，已處于水泥顆粒分布的末端，偏離RRB直線，失去反映水泥顆粒組成的作用，對磨機(jī)工況的反映不再敏感，因此80μm篩余無論從保證產(chǎn)品質(zhì)量的角度，還是從調(diào)整粉磨工藝參數(shù)、控制水泥性能的角度都失去了它應(yīng)有的作用。
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歐美克公司張福根先生等曾對10多個省的多家水泥廠的水泥產(chǎn)品進(jìn)行了巡回檢測。發(fā)現(xiàn)水泥顆粒分布很不合理：最好樣品、最差樣品、全部平均樣＞32μm（在28d內(nèi)未能水化發(fā)揮強(qiáng)度的水泥顆粒）分別為10.92%、 27.94%、18.81%。最好樣品、最差樣品、全部平均樣的過磨率（小于1μm的過細(xì)粒消耗的粉磨能量占粉磨總能量的比例）分別為23.3%、33.0%、36.0%。顯然如果我國水泥的粉磨技術(shù)都能達(dá)到優(yōu)質(zhì)企業(yè)（即較好樣品）的水平，那么熟料的未化率就可降低近8%，粉磨能耗降低10%。熟料的未化率降低，相當(dāng)于節(jié)約了熟料，意味著節(jié)約了原燃材料。如果全國水泥的平均未化率都以此比例下降，僅此一項(xiàng)，節(jié)能降耗潛力就非常大。
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以我國年產(chǎn)水泥14億噸，熟料摻加量為65%計(jì)，熟料未化率降低值取8%，由此可計(jì)算出年節(jié)約熟料量為7280萬噸。以1噸熟料消耗1.3噸石灰石，噸熟料平均消耗120公斤標(biāo)煤進(jìn)行計(jì)算，年節(jié)約石灰石9464萬噸，節(jié)約標(biāo)煤874萬噸，減排二氧化碳6400萬噸，可見合理控制水泥粒度分布能帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的社會效益。如減少過磨率，則不僅可以大大降低粉磨能耗，而且因?yàn)?1μm顆粒對水泥強(qiáng)度基本沒有貢獻(xiàn)，若能降低10%的熟料過磨率，則可進(jìn)一步有利于水泥工業(yè)的節(jié)能減排。
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值得指出的是，目前混合材的添加量遠(yuǎn)未達(dá)到理想的水平。進(jìn)一步增加添加量的途徑是混合材的粒度分布要更加合理（比如讓混合材顆粒與熟料顆粒形成最佳堆積）。可見在粉磨過程中，利用顆粒檢測與控制技術(shù)，優(yōu)化顆粒級配在節(jié)能降耗中還有巨大的潛力可以挖掘。

四、措施

（一）有效控制水泥的合理顆粒組成

水泥細(xì)度的提高是在大多數(shù)企業(yè)粉磨工藝比較落后和采用80μm方孔篩篩余控制細(xì)度的條件下取得的，因此多數(shù)水泥企業(yè)的水泥顆粒組成處于不合理的狀態(tài)。
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目前比較公認(rèn)的水泥最佳性能的顆粒級配為：3-32μm顆?？偭坎荒艿陀?5%，<3μm細(xì)顆粒不要超過10%，＞65μm顆粒最好為0，<1μm的顆粒希望沒有。因?yàn)?-32μm顆粒對強(qiáng)度增長起主要作用，特別是16-24μm顆粒對水泥性能尤為重要，含量越多越好；<3μm的細(xì)顆粒容易結(jié)團(tuán)，<1μm的小顆粒在加水?dāng)嚢柚泻芸炀退?，對混凝土?qiáng)度作用很小，且影響水泥與外加劑的適應(yīng)性，易影響水泥性能而導(dǎo)致混凝土開裂，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性；＞65μm的顆粒水化很慢，對28d強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。

用45μm篩余和比表面積控制細(xì)度操作簡便、控制有效。
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在固定的工藝條件下，使水泥的45μm篩余量和比表面積控制在一個合理的水平上時，可限制3μm以下和45μm以上的顆粒，以此獲得良好的水泥性能和較低的生產(chǎn)成本。這種細(xì)度控制方法與其它方法相比，具有操作簡便、控制有效的優(yōu)點(diǎn)。只要取樣進(jìn)行篩析試驗(yàn)和比表面積測定，就可以為磨機(jī)的操作提供依據(jù)。
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（二）顆粒特征與粒度分布的合理控制

與水泥的物理性能（特別是強(qiáng)度）密切相關(guān)的當(dāng)屬水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布會影響熟料的水化速度、一定時間內(nèi)的水化程度、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、混凝土的水灰比。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。如前所述，我國多數(shù)水泥廠的現(xiàn)實(shí)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。
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經(jīng)驗(yàn)表明，在粉磨設(shè)備及其運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)稍有改變時，可以通過簡單的調(diào)節(jié)，比如選粉機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)（風(fēng)量），使32μm篩余或45μm篩余還保持在控制目標(biāo)之內(nèi)，因此，使用32μm篩余或45μm篩余可作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，但若粉磨設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)發(fā)生明顯改變時則不能很好反映粒度分布。
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使用RRB公式可以很好地對水泥顆粒分布進(jìn)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(dá)到控制粒度分布的目的。如測定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余，可通過回歸分析求得特征粒徑和粒度分布。
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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?？刂品秶?，可以增加測定另一個63μm的篩余，將測得的篩余與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)進(jìn)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。
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（三）優(yōu)化水泥顆粒級配的技術(shù)途徑

由上分析可知，水泥顆粒的級配應(yīng)從兩方面改善。一是<3μm顆粒既要滿足最佳性能級配的要求，又要盡量滿足Fuller曲線緊密堆積的要求；二是要減少＞60μm的顆粒。
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（減少＞60 μm顆粒的方法主要有降低入磨粒度、改造磨機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、調(diào)整磨內(nèi)研磨體級配、采用新型選粉機(jī)和對老式選粉機(jī)進(jìn)行改造等。）
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⑴熟料與易磨性好的混合材共同粉磨

在熟料中加入一些易磨性好的混合材如石灰石、粉煤灰等共同粉磨。由于這些混合材易磨性好，因此在水泥顆粒中，混合材的粒徑比熟料的小?？梢云谕?，共同粉磨工藝中的石灰石或粉煤灰應(yīng)該能提供更多的<3μm顆粒，從而優(yōu)化水泥的顆粒級配。
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⑵難磨的混合材與熟料分別粉磨再混合

對于比熟料難磨的混合材宜采用分別粉磨然后混合的方法。例如礦渣的粉磨功指數(shù)為23kWh/t，比熟料的16.4kWh/t高。若用共同粉磨的方法，礦渣的粒徑比熟料的粗。共同粉磨時，水泥的比表面積為350m2/kg時，礦渣的比表面積只有230-280m2/kg。因此要分別粉磨。也可先對難磨的礦渣進(jìn)行預(yù)粉磨，再與熟料共同粉磨，但效果不如分別粉磨好。
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⑶在預(yù)拌混凝土?xí)r加入磨細(xì)礦物摻合料改善膠凝材料（或水泥）的顆粒級配

在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中已廣泛采用摻礦物摻合料的技術(shù)，主要是為了節(jié)約水泥、降低成本和提高混凝土的耐久性。但對摻礦物摻合料改善水泥顆粒級配、減少混凝土拌合物單方用水量和提高和易性的認(rèn)識還不足。
要改善水泥的級配，礦物摻合料的粒徑必須比水泥的粒徑小，最好為水泥粒徑的0.414倍或更小。就目前所常用的礦物摻合料來看，礦渣粉的比表面積最好在450m2/kg或45 μm篩余< 12%。否則不易達(dá)到改善水泥顆粒級配的目的。
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（四）合理使用助磨劑

在粉磨過程中，加入少量的外加劑，以消除細(xì)粉粘附和聚集現(xiàn)象，加快物料的粉磨速度，提高粉磨效率，還能提高3-30μm含量10-20%，有利于球磨機(jī)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)。這類外加劑統(tǒng)稱為“助磨劑”。使用助磨劑在大多數(shù)情況下能提高磨機(jī)產(chǎn)量，特別是水泥需要細(xì)磨的情況下更顯重要。在國外助磨劑的應(yīng)用十分普遍，95%的水泥磨機(jī)都使用助磨劑。在國內(nèi)有些水泥廠，以前也使用過助磨劑，如：三乙醇胺、乙二醇、丙二醇、石油酸鈉皂等一類化工廠下腳料，但由于來源短缺、價格增漲，漸漸停用。
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從外加劑作用機(jī)理看，我們可以把助磨劑分為兩類：工藝型助磨劑和功能型助磨劑。工藝型助磨劑是降低物料表面能、減弱分子引力所產(chǎn)生的聚合作用、幫助外力作功時顆粒裂紋的加速擴(kuò)展，從而提高粉磨效率和產(chǎn)品的比表面積，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)；功能型助磨劑則是利用化學(xué)物質(zhì)特有的功能，激發(fā)材料活性、提高水泥強(qiáng)度、縮短凝結(jié)時間等實(shí)現(xiàn)磨機(jī)高產(chǎn)。因此，后者含有一部分堿性物質(zhì)。在建筑施工中，如果再使用混凝土外加劑，容易產(chǎn)生不兼容現(xiàn)象，造成水泥制品、水泥構(gòu)件質(zhì)量下降，特別在鋼筋銹蝕、混凝土開裂等方面，危害較為嚴(yán)重。
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由此可見，在使用助磨劑時，盡量選擇工藝型助磨劑，不含Cl－、K+、Na+等對混凝土耐久性不利的成分，摻量0.08～0.10%，提高磨機(jī)產(chǎn)量10～30%，增加水泥比表面積20～80 m2/kg。
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使用助磨劑，可以獲得比表面積較高的粉磨產(chǎn)品，并減少過粉磨現(xiàn)象。同時，物料在磨內(nèi)的流速會加快，在磨內(nèi)停留時間縮短，引起出磨細(xì)度（篩余）的變化。對于開流粉磨來說，必須調(diào)節(jié)磨內(nèi)工況，適應(yīng)粉磨產(chǎn)品的細(xì)度要求；對于圈流粉磨則要控制出磨細(xì)度（篩余）在正常范圍之內(nèi)，決不允許有篩余值逐漸增大的現(xiàn)象發(fā)生。否則，不僅磨機(jī)產(chǎn)量會降低，而且，還會引起循環(huán)負(fù)荷率增加、磨尾提升機(jī)過載、堵塞，甚至造成停產(chǎn)事故?？傊?，選擇和使用助磨劑是一項(xiàng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)工作，必須認(rèn)真做到以下五點(diǎn)：
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①考慮入磨物料性質(zhì)，進(jìn)行小磨比較試驗(yàn)：由助磨機(jī)理所決定，助磨劑對物料的適應(yīng)性是各有差異的，要想得到最佳助磨效果，必須按要求的技術(shù)條件，先進(jìn)行小磨試驗(yàn)，然后優(yōu)選方案到大磨實(shí)施。
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②注意粉磨工藝條件，選擇不同種類的助磨劑：助磨劑有氣、固、液三種狀態(tài)、幾十個品種；除了對物料適應(yīng)性、助磨功能不同之外，對干法磨、濕法磨、開流磨、圈流磨、烘干磨等使用的要求都不完全一樣，需要仔細(xì)試驗(yàn)、使用。
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③使用助磨劑，應(yīng)對下續(xù)作業(yè)無不良影響：在生料磨使用助磨劑時，要考慮對燒成工藝的影響；在水泥磨使用助磨劑時，要考慮對包裝、散裝工藝以及建筑施工、水泥制品構(gòu)件質(zhì)量的影響。
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④要重視助磨劑來源和成本：助磨劑給用戶帶來的經(jīng)濟(jì)效益與其價位、市場供應(yīng)有著密切關(guān)系，企業(yè)可通過綜合評估、核算后，再進(jìn)行優(yōu)化選擇。
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⑤助磨劑必須滿足環(huán)保要求：許多外加劑都是利用化工廠的下腳料配制的，經(jīng)常殘留著一些不利于環(huán)境保護(hù)的物質(zhì)。在選用助磨劑時，不要被低價位所迷惑，必須保證使用的助磨劑不污染環(huán)境，不危害員工身體健康。
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目前比較正規(guī)的單位生產(chǎn)的助磨劑都是集助磨、增強(qiáng)、改善性能、降低成本為一體的高科技產(chǎn)品，是生產(chǎn)綠色高性能水泥的重要技術(shù)措施。其作用原理是：通過助磨功能提高磨機(jī)產(chǎn)量，提高比表面積，從而提高水泥強(qiáng)度。水泥增強(qiáng)劑的增強(qiáng)功能主要是添加劑中的化學(xué)物質(zhì)與水泥及混合材中的鈣、硅、鋁等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成有助水泥增強(qiáng)的水化產(chǎn)物，同時造成水泥中氧化物的晶格缺陷，提高其反應(yīng)活性。應(yīng)用高效復(fù)合水泥功能添加劑技術(shù)在不增加固定資產(chǎn)投資，不改變生產(chǎn)工藝的情況下，達(dá)到提高水泥產(chǎn)質(zhì)量、降低成本、生產(chǎn)綠色高性能環(huán)保水泥的目的。采用分別粉磨和合理使用高效助磨劑后，用一噸熟料可望能生產(chǎn)出三噸32.5級礦渣水泥。

作者：李正國，趙介山