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如何平衡水泥粉磨效率、成本和需水量

纯阅读 作者:贾华平
单位:中国硅酸盐学会工程技术分会副会长
来源:中国建材报 发布日期:2016-10-25
就是不同的粉磨工艺生产出来的水泥,其需水量是不一样的,这个道理大家都明白。然而,正是因为大家都明白这个道理,如果要提升粉磨系统的效率,无论我们采用何种更为先进的粉磨工艺,都必须要考虑该种工艺水泥的需水量是否合适。否则,我们就必须在粉磨效率、粉磨成本和需水量三者之间寻求平衡。

  水泥需水量已经引起水泥用户的高度重视,尤其是在商品混凝土发达的地区,越来越多的用户对水泥需水量提出了越来越高的要求。混凝土生产商都希望选择需水量小的水泥,以致影响到水泥企业产品的竞争力和售价,影响到水泥生产者的成本和效益。

  影响水泥需水量的因素很多,粉磨工艺的制约就是其中之一。换句话说,就是不同的粉磨工艺生产出来的水泥,其需水量是不一样的,这个道理大家都明白。然而,正是因为大家都明白这个道理,如果要提升粉磨系统的效率,无论我们采用何种更为先进的粉磨工艺,都必须要考虑该种工艺水泥的需水量是否合适。否则,我们就必须在粉磨效率、粉磨成本和需水量三者之间寻求平衡。

  水泥需水量

  水泥标准稠度需水量(以下简称水泥需水量),准确的特征参数应该是混凝土的标准稠度用水量,是指能使水泥浆体达到一定的可塑性和流动性所需要的拌和水量,它是水泥使用性能的重要指标。

  水泥需水量直接影响到混凝土的水灰比,继而影响到混凝土的强度、抗蚀性、抗冻性、耐久性,影响到混凝土生产的水泥用量以及外加剂用量,影响到用户的成本和效益。

  水泥的标准稠度用水量越大,水泥净浆达到标准稠度的用水量、水泥砂浆达到规定流动度的用水量,以及水泥混凝土达到一定坍落度的用水量也都越大,使其净浆、砂浆、混凝土的水灰比越大,其颗粒间空隙越多、密实度越小,从而使水泥及其混凝土的施工性能、力学性能和耐久性能变差。

  直观地看,混凝土的配方设计有三个基本参数:水灰比、用水量、砂率。

  三个参数中,有两个涉及到水,足见水泥标准稠度用水量问题在混凝土中的重要性。混凝土强度同用水量成反比,为了提高混凝土强度必须减少其用水量。

  理论上,要保持混凝土的强度不变,当混凝土的用水量发生变化时,应该保持水灰比不变,相应调整水泥用量,但这在实际生产操作中很难做到。

  由于实验条件和工艺设备的限制,预拌混凝土厂很难做到根据每批水泥的需水性变化而调整水泥用量。大多数情况下的做法,反而是保持水泥用量及砂石等材料用量不变,而根据坍落度值来调整用水量。这样,混凝土实际水灰比将随水泥需水性的变化而变化,相应地影响混凝土的强度。因此,为了稳定混凝土的强度,必须稳定水泥的标准稠度用水量。

  降低水泥的标准稠度需水量,对降低混凝土单立方用水量,进而提高其强度、降低水泥用量、以节约混凝土生产成本,对混凝土行业具有十分重要的意义。

  影响水泥需水量的主要因素

  一是水泥比表面积、颗粒级配、颗粒形状的影响。

  二是水泥混合材种类和掺加量的影响。

  三是石膏对水泥需水量的影响。

  四是熟料对水泥需水量的影响。

  五是粉磨工艺对需水量的影响。

  1.水泥比表面积、颗粒级配、颗粒形状的影响

  有关研究表明,水泥比表面积为300~400m2/kg时,如果水泥的粒径分布斜率n和熟料反应活性不变,则水泥的比表面积每增加100m2/kg,标准稠度需水量将增加l.6%。德国水泥研究所曾对一些不同强度等级的水泥,进行过比表面积、颗粒级配、颗粒形状对水泥需水量影响的试验,水泥需水量与比表面积的相关性很强,随比表面积的增大需水量上升明显。

  试验表明,水泥颗粒级配对水泥的需水量有较大影响。良好的水泥颗粒级配其颗粒间空隙减小,可以降低填充水,以此进而减小水泥的需水量。因此,在我们这几年对粉磨系统的改进中感到,不论是选粉机还是整个粉磨系统,只要提高了选粉效率,需水量都是增加的。

  水泥颗粒分布越窄——堆积空隙率越大——需水量越大

  对于水泥强度,以3μm~32μm的颗粒起主导作用,尤其是16μm~24μm颗粒对水泥性能非常重要,其含量越多越好;<3μm的细颗粒容易结团,特别是<1μm的(主要指熟料)颗粒在加水后很快水化,对水泥的需水量影响较大,但对混凝土强度作用很小,还容易引起混凝土开裂,影响混凝土的耐久性,也影响水泥与外加剂的适应性;>65μm的颗粒水化很慢,对28d强度贡献很小。

  试验表明,水泥颗粒形状对水泥的需水量也有较大影响。水泥颗粒的球形度越高,则:

  (1)颗粒表面积就会越小,所需润滑的表面积越小→水泥需水量就越小;

  (2)颗粒间的内摩擦越小,流动所需表面水膜厚度越小→水泥需水量就越小;

  (3)颗粒堆积的空隙越小,所需填充水越小→水泥需水量就越小。

  在比表面积基本一致的情况下,当水泥颗粒球形度从47%提高到73%时,水泥需水量从30.4%下降到27.3%。

  2.粉磨工艺对需水量的影响

  尽管影响水泥需水量的因素不止一个,但粉磨工艺这个因素在建设期间是可以选择的,而且一旦选定是不易改变的。因其对后续的生产以及因需水量影响到对其他因素平衡的制约,是要付出代价的。所以,在最初选择粉磨工艺时,应该考虑需水量这个因素。

  在相同原材料的情况下,不同粉磨工艺生产的水泥,由于其颗粒级配和颗粒形状的差别,其需水量是不同的。就现有常用的粉磨工艺来讲,其生产的水泥需水量的排列顺序大致为:辊压机半终粉磨>双闭路联合粉磨>单闭路联合粉磨>闭路磨>开路磨。

  与普通圈流磨水泥相比,开流磨水泥颗粒分布较宽,圆度系数大,水泥需水量较小;而采用辊压机、立磨生产的水泥,包括终粉磨、半终粉磨、联合粉磨,由于水泥颗粒分布范围较窄,以及颗粒形状球形度较低,水泥需水量相对较大。

  目前大多数水泥企业的水泥粉磨,采用了“辊压机+球磨机”的双闭路联合粉磨系统。粉磨效率确实高了,电耗确实降低了,但由于水泥颗粒分布过于集中,需水量却居高不下。这势必要增加混凝土减水剂的使用量,增加混凝土搅拌站的成本。在水泥市场供过于求的情况下,搅拌站不太买账,最终就会影响到企业的销量和售价。

  除辊压机对水泥颗粒形状的影响以外,一般来讲,闭路粉磨系统,特别是采用高效选粉机的闭路系统,其水泥粒度分布比较窄,粒度均匀性系数在1.0~1.2,需水量高达26.0%~28.0%。而开路粉磨系统的水泥,粒度分布范围比较宽,均匀性系数在0.9~1.0,水泥的需水量在24%左右。

  半终粉磨与水泥需水量

  所谓半终粉磨,准确地说就是在粉磨系统的预粉磨阶段,提前选出一部分细度已经合格的半成品,将其直接加入到成品中,让细度上已经合格的产品,提前离开粉磨系统,不再接受后续粉磨,从而提高整个粉磨系统的选粉效率(不仅是选粉机),减少过粉磨现象、减少粉磨能的浪费,提高系统的粉磨效率。半终粉磨工艺,实际上是利用选粉设备的闭路工艺,对原有粉磨工艺的一种优化。根据所选预粉磨设备的不同,有多种具体形式,但由于系统选粉效率的提高,其提高粉磨效率是一定的。目前,半终粉磨工艺采用的预粉磨设备,主要是辊压机,其他的还有立磨、风选磨、球破磨等。

  关于半终粉磨工艺的水泥需水量问题,几种半终粉磨工艺不尽相同,具体要看其在预粉磨阶段采用什么设备,提前选出的这部分细度已经合格的半成品与原有的成品有何不同,导致最终成品中的微粉含量、颗粒级配和颗粒形状有何变化。

  微粉含量的增加、颗粒级配的窄化、颗粒形状的非球形化,都会导致水泥需水量的增加。比如,早期的两台球磨机串联粉磨工艺(第一台是闭路的)就是最早的半终粉磨,不但能提高粉磨效率,而且能减少过粉磨现象,减少水泥的微粉含量,而且能降低水泥的需水量;再比如,近年有将生料中卸烘干磨改造的水泥磨,应属于紧凑型的半终粉磨,虽然其粉磨效率并没有降低,但由于其水泥的颗粒级配较窄,水泥的需水量有所增加,所以没有得到推广。现在多数说到半终粉磨,实际上指的是辊压机半终粉磨,就是将辊压机闭路系统收集的部分未加整形的细粉加入到水泥成品中。

  关于辊压机半终粉磨水泥的需水量,既取决于水泥的微粉含量(水化速度)、颗粒级配(堆积密度),还与水泥的颗粒形状(流动内摩擦)有关。微粉含量的减少、级配的拓宽,能降低水泥的需水量;但颗粒形状的异化(非球形化),又能增加水泥的需水量。实践证明,辊压机半终粉磨系统的水泥,其需水量总体上是增加的。至于需水量增加多少,与进入辊压机的原始物料的特性及细度有关,即与辊压机对其颗粒形状的异化程度有关。

  由于其在V选与旋风收尘器之间加了一台选粉机,从而确保了旋风收尘器收集的物料从细度上全部达到了水泥成品的要求。这种改进,能提高粉磨系统的产能、降低粉磨电耗,但同时也降低了对成品水泥颗粒级配的拓宽能力。而且,可以肯定,这部分物料主要是没有通过球磨机整形的辊压机细粉,其颗粒的球形度是较差的。

  影响水泥需水量的堆积密度和流动性,除与水泥的颗粒级配有关外,还与水泥的颗粒形状有关,圆度系数(与颗粒投影面积相等的圆的周长与颗粒投影面积的实际周长之比)越高,水泥颗粒的内摩擦就越小,与水的接触表面积就越小,标准稠度需水量就越小。

  辊压机为料床挤压一次破碎,效率高,但球形度不好。球磨机为多次冲击研磨,效率低,但球形度高,这也正是辊压机甩不掉球磨机的主要原因。但这不等于说辊压机半终粉磨系统就没用了,反倒可以说是精细化管理的一项成果。辊压机半终粉磨虽然具有水泥需水量高的缺点,但对提高粉磨系统的产量和降低电耗还是确实有效的。任何性能的提高,都伴随着针对性提高和适应性下降,只要我们能用其长避其短,辊压机半终粉磨还是能有所作为的。

  比较适应辊压机半终粉磨的条件是:对辊压机异化颗粒形状小的物料(如较细的粉煤灰),对水泥需水量不敏感的市场和用户,对大部分低标号水泥,对水泥开路粉磨系统,对比表面积控制比较低的水泥,对需水量不高的熟料,对外掺矿渣微粉的水泥。

  不太适合辊压机半终粉磨的因素是:对于水泥需水量要求苛刻的市场和用户,对于大部分高标号水泥,对于水泥闭路粉磨系统,对于比表面积控制比较高的水泥,对于需水量高的熟料,对于比较差的石灰石矿山,对于碱含量比较高的原料。

  实际上,上述条件都不是一成不变的,有时适应有时不适应。我们可以设计或改造为“半终粉磨”和“联合粉磨”并存的工艺,按需切换。具备条件时把产能发挥到最大、把电耗降到最低,不具备条件时再切换到联合粉磨上来;有部分潜力时,可以通过对半终粉磨选粉机的调节,适当降低“半终”量。

  立磨粉磨与水泥需水量

  尽管立磨终粉磨系统具有粉磨烘干效率高、对入磨物料的适应性好、工艺流程简单、空间布置紧凑、维护费用低等诸多优点,但由于水泥粉磨是保证水泥成品质量的最后一关,大家对立磨水泥的使用性能,尤其是对水泥的需水量高仍很担忧,导致这一水泥粉磨的工艺技术,在国内的应用仍很有限。

  实际上,水泥立磨终粉磨产品,完全可以和球磨机媲美,能够满足各种工程需要。水泥立磨终粉磨工艺的选用率已经呈现出逐年提高的趋势。

  据有关资料显示,2005年~2008年,世界新建水泥生产线约360条(除中国大陆以外),水泥年产能达4.4亿t,采用了水泥粉磨装备600余台套。立磨的选用率,由2005年的45%上升为2008年的61%,而水泥球磨的选用率则相应的由50%下降为27%。

  伴随着立磨终粉磨工艺的逐步增多,这一技术也在进一步完善和成熟,原来大家所担心的水泥颗粒形状和级配、细度控制、需水量等对水泥性能影响的问题,现在也就不成其为问题了。

  通过对磨盘和磨辊研磨曲线的组合、对磨内选粉机性能的改进、加高挡料环高度、对磨盘转速及压力的调整,实现了对水泥颗粒形状和级配的优化。在系统操作方面,还可以通过提高立磨磨内温度、对石膏的脱水施加影响,来优化水泥的性能。综合运用这些调控手段,可以在较大范围内调控立磨水泥的性能,使其颗粒级配比甚至比球磨水泥更加合理。

  调研显示,需水量最高的是闭路联合粉磨系统的水泥,而不是立磨终粉磨系统的水泥。

  分别粉磨与水泥需水量

  水泥的分别粉磨,是一项节电(降低电耗)节料(减少熟料消耗)降碳(减少碳排放)的粉磨技术。此外,它还能优化水泥的性能、满足用户对水泥性能的不同要求(比如水泥的需水量)。如何在各组分的易磨性相差很大的情况下,实现对水泥中熟料等各组分的最佳颗粒分布,应该说分别粉磨是目前的最佳选择。

  分别粉磨可以分别设定和实现水泥各组分的最佳粒度分布,以达到熟料活性的最大利用、混合材活性潜能的充分挖掘。目前,先进国家的水泥厂已经很少再用混合粉磨工艺了。

  分别粉磨的优势之一,就是能方便地调节颗粒级配。水泥中的微粉,既由于其能增加水泥的流动性降低需水量,又由于其能加快水化速度增大需水量,分别粉磨为我们平衡这一对矛盾创造了条件。进一步分析就会发现,影响水泥水化速度的主要是熟料组分,只要我们减少熟料的微粉、增加其他惰性混合材(比如石灰石)的微粉,就能满足矛盾双方对降低水泥需水量的要求。

  德国的研究表明,在混合粉磨的矿渣水泥中,熟料的特征粒径小于水泥,矿渣的特征粒径大于水泥,石膏的特征粒径远小于水泥;而在分别粉磨的水泥中,在物料组成和比表面积相同的情况下,熟料的特征粒径平均降低了2.0μm,矿渣的特征粒径平均降低了7.5μm。

  所谓“特征粒径”,实际上是“体积平均粒径”的一种近似体现方式。这就是说,在同样比表面积的情况下,分别粉磨能将熟料和矿渣磨得更细,而且微粉还不是太多,这正是我们所期望的。分别粉磨在国外的运行一直没有停止,有一个为混凝土搅拌站供水泥的公司,为了满足搅拌站对水泥的多种要求,也为了降低自己的生产成本,竟然开发了将近20个有针对性的水泥品种。

  该公司总结了分别粉磨的好处:

  1.熟料粉的粒度分布接近最佳性能RRSB方程,影响水泥和混凝土性能的熟料细颗粒很少,影响水化速率的熟料粗颗粒也很少;

  2.混合材的细度显著比熟料细,与熟料粉混合后水泥的粒度分布接近Fuller曲线,保证了水泥具有较低的孔隙率;

  3.不同粒度分布的熟料粉与不同粒度分布的混合材,按一定比例组合,可以实现水泥的颗粒级配设计,生产预期性能的水泥;

  4.不但水泥的早期强度高,而且后期的、长期的强度发展良好;

  5.水化热特别是早期的水化热低,与减水剂相容性好,混凝土具有良好的工作性;

  6.可以掺入多种混合材生产多元组合的水泥,从而发挥不同种类、不同颗粒分布的性能互补和叠加效应,优化水泥性能;

  7.可以灵活地组织生产多品种水泥,改产过程迅速便捷,满足了顾客的不同需求;

  8.即使掺有难磨的高细矿渣粉,生产比表面积在350~420m2/kg的水泥,水泥的综合电耗也只有31~35kWh/t。

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