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为提高产品质量确保产品的市场竞争力，水泥企业通过调整配料方案、改进煅烧及粉磨工艺等措施提高产品质量，降低工艺制造成本。除此之外，提高熟料有效利用率、改善颗粒形态也是提高水泥早期强度和强度增进率最有效方案之一。本文就提高熟料有效利用率、水泥颗粒形态及强度的关系作一讨论。 1 水泥颗粒级配及形态对强度的影响 1.1 水泥45μm筛筛余组分测定 根据试验需要，对山东水泥公司不同品种和等级水泥的45μm筛筛余做了组分测定，现将水泥配比、45μm筛筛余组分及筛余控制指标测定结果作一统计，结果见表1。 表1 山东水泥公司不同品种和等级水泥的45μm筛筛余组分及控制指标 由表1可以看出，P·S·A32.5R级水泥45μm筛余中混合材组分占40.46%，即筛余中约有60.0%的熟料未做有效利用，按实际筛余10.0%计算，有6.0%的熟料未做有效利用；同理，P·O42.5级水泥中有4.8%的熟料未做有效利用；P·O52.5R级水泥中有5.8%的熟料未做有效利用。由此可以看出，45μm筛余中熟料含量占绝大部分，提高熟料有效利用率势在必行。 1.2 水泥颗粒级配对水泥性能及强度的影响 1)＜1μm颗粒由于在和水的拌和过程中就完全水化，对强度没有贡献。其含量增加，说明存在过粉磨，浪费了粉磨能量；同时显著增加了拌和的需水量，降低了浇筑性能。因此，应尽可能减少该组分颗粒。 2）1~3μm颗粒含量高，3d强度就高，同时需水量会相应增加，浇筑性能下降。因此，该组分颗粒在3d强度能满足要求的前提下，也应尽可能低。 3）3~16μm颗粒含量越高，熟料的作用发挥得越彻底，相同条件下混合材掺量就可以越高。 4）通常认为3～32μm颗粒对28d强度起主要作用。＞32μm颗粒，尤其是＞64μm颗粒水化率较低，是对熟料的浪费，应尽可能降低。 5）近年来，水泥制品已经不满足于单纯地追求水泥的净浆强度，还对耐久性提出更高要求，其中水泥的紧密堆积无疑会减少需水量，降低制品的空隙率，提高其强度及耐久性，而水泥的紧密堆积与水泥的粒度分布是息息相关的。 6）混合材在粒度上如果能与熟料互补，形成最佳堆积，则混合材的添加不仅不会降低水泥强度，而且还能增加强度。 目前，国内公认的最佳水泥颗粒级配为：3~32μm的颗粒＞65%；3~16μm的颗粒含量越多越好；＜3μm的颗粒≯10%；＞64μm的越少越好。表2是不同粒度对水泥强度的贡献。 表2 P·O42.5水泥颗粒分级强度测试结果 注：粒度利用Microtrac S3500激光粒度分析仪测试。 目前，国内认为六大通用水泥3~24μm颗粒最佳含量：P·Ⅰ和P·Ⅱ水泥为30%~40%；P·O水泥为35%~45%；P·C水泥为45%以上；P·F和P·P水泥为50%以上。各品种水泥中1~3μm的颗粒含量决定3d强度，3~32μm颗粒含量越多28d强度越高。 1.3 水泥颗粒形貌对强度的影响 水泥的颗粒状态常用圆度系数（f）表示，圆形颗粒的圆度系数为1.0，其他形状均小于1.0。 有文献报道：磨机的研磨能力越强，水泥的f值越大。联合粉磨的水泥f值较大，纯立磨、辊压机中粉磨水泥f值较小，国内水泥f值普遍在0.63左右。水泥中长条状、棒状的颗粒量多，有助于3d强度的提高，但会使颗粒间的摩擦系数增大，在同一流动度下需水量增加，降低28d强度及强度增进率。同等质量的前提下，圆度系数大的水泥比表面积小，颗粒间摩擦小，产生滚球效应提高流动度。现将不同圆度系数的P·C水泥物理性能对比列于表3。 表3 不同圆度系数的P·C水泥物理性能对比 注：水泥试样先用超声充分分散，再用JSM-35C型扫描电镜对水泥颗粒形貌进行观测、拍摄照片，通过统计程序算出圆度系数。 2 提高熟料有效利用率、改善水泥颗粒形态的技术措施 2.1 改变研磨体 现阶段使用的研磨体大部分为钢球和钢段，球状研磨体冲击能力强但研磨能力有限；柱状研磨能力强但使研磨的物料成棒状及针状，致使颗粒间的摩擦系数增大，在同一流动度下需水量增加，降低28d强度及强度增进率。现介绍两种不同的研磨体，能很好地解决上述问题。 2.1.1 非金属研磨体 新型非金属研磨体是济南大学最新研制的科技产品，它针对水泥球磨机的特点，通过对磨机内研磨体的运动轨迹和应力变化曲线，求出研磨体的受力临界阈值及衰变速率。通过改变非金属研磨体的材料配比、元素调控制备工艺及表面改性技术，制备出了适合水泥磨机粉磨的新型特种非金属研磨体材料，该新型非金属研磨体具备高强、增韧、耐磨等诸多性能。 1）试验所用非金属研磨体参数：密度2.1t/m3，硬度HRC7，球耗15g/t，二仓最初级配Φ15mm的14.1t、Φ20mm的17.4t、Φ25mm的3.85t，共计35.35t。 2）试验所用P·O42.5水泥、P·Ⅱ42.5R水泥和P·O52.5R水泥配比及生产指标见表4。 表4 各品种水泥配比及生产指标 3）试验所用水泥磨机及辅机参数（见表5）。 表5 试验所用水泥磨机及辅机参数 水泥磨进行非金属研磨体应用初期出现了台时产量下降、出磨细度偏粗的情况。说明非金属研磨体在磨内应用后，物料流速、风速加大，选粉机循环负荷提高后，磨机的结构需要进行相应的改变，以适应非金属研磨体的特点。 结合研磨体特征、水泥生产品种以及水泥磨机参数，根据选粉机电流和出磨提升机电流判断，采取下列措施进行调整： 1）减小磨尾出料篦板缝隙。原篦孔缝隙8mm，篦孔形式为辐射状，开孔率7%。 2）减小隔仓板的篦缝。原采用双隔仓板，篦孔形式为同心圆，开孔率7%，篦孔宽度8mm，筛板4mm。一仓采用阶梯提升衬板，二仓采用分级衬板。 3）提高二仓的填充率。 4）一仓清仓，重新级配，降低平均球径。 表6为二仓使用非金属研磨体并经过调整后的级配与使用金属研磨体级配对比情况。 表6 使用非金属研磨体前后各仓研磨体级配情况 经过数次调整后，问题得到解决。生产趋于稳定，产品质量合格。现将近期生产的各品种水泥台时产量、电耗及质量数据统计列于表7和表8。 使用非金属研磨体后，各品种水泥台时产量略有下降，但吨水泥电耗降低明显，其中P·O42.5水泥降低4.39kWh/t，P·Ⅱ42.5R水泥降低7.84kWh/t，P·O52.5R水泥降低8.9kWh/t。 从以上数据分析，在其他条件不变的情况下，使用非金属研磨体后，45μm筛筛余降低，比表面积降低，但3d抗压强度变化不大，28d抗压强度略有上升。 表7 使用非金属研磨体后台时产量和电耗对比 表8 使用非金属研磨体后水泥质量对比 试验还表明：相同的磨机填充率，采用新型非金属研磨体装载量仅为金属研磨体装载量的50%左右，磨机产量较金属研磨体略有提高，而磨机温度和轴承轴瓦温度大大降低，同时消除了研磨体的表面静电，提高了粉磨效率。 该研磨体不仅克服传统非金属研磨体降低产量、磨损大和易碎裂等缺点，更主要的是水泥磨机通过使用该新型非金属研磨体来替换传统的钢球或钢段，克服了金属研磨体电耗高、装载量大和表面静电等缺点，从而为企业降低了生产成本。 2.1.2 椭圆球形研磨体 椭圆球形研磨体介于球与段之间，因为既有球的冲击能力也有段研磨面积大的优点。在研磨体重量相同时，采用椭圆球可以获得较大的比表面积，提高研磨体的研磨能力，改善粉体颗粒状态，提高水泥强度及物理性能。 2.2 改进水泥粉磨工艺 改进粉磨工艺不仅可以提高熟料有效利用率，同时也可以提高粉磨效率、增加混合材外掺量，也是解决水泥细度控制难的根本出路。磨机并联、串联等是改进水泥粉磨工艺的有效措施。图1是两台磨机并联工艺流程示意。 图1 两台磨并联工艺简略示意 如图1所示，将熟料与混合材分别单独粉磨并入单独储库，按照发货的需要调整配比（对于不同品种水泥，可以调整不同混合材的掺加比例），均化后为水泥成品。并联工艺将熟料细磨，将＜32μm的颗粒含量提高到80%~90%，比表面积均大于380m2/kg，充分发挥水泥胶凝活性，提高熟料有效利用率；混合材的生产过程控制指标可以根据不同生产需要进行调整。 2.3 控制合理的选粉效率 现有的选粉设备有：离心式选粉机、旋风式选粉机及新型高效选粉机（O-Sepa选粉机）。在循环负荷相同条件下，O-Sepa选粉机不仅选粉效率高达60%~80%，并可以通过调整笼子转速和风量，减少过粉磨现象，改善水泥颗粒级配。 不同选粉机成品水泥颗粒的均匀性系数n不同，离心式选粉机n=1.0~1.2；旋风式选粉机n=1.05~1.3；O-Sepa选粉机n=1.1~1.5。选粉效率越高水泥n值越大，水泥颗粒越集中，即＞60μm和＜3μm的颗粒越少，从而优化水泥性能。 2.4 采用助磨剂 可以根据不同的需求研发特效助磨剂，主要针对熟料粉磨和混合材粉磨，以提高熟料的有效利用率，同时降低粉磨电耗，降低工艺综合成本。 水泥粉磨初期，助磨剂主要是促进物料裂纹的形成与扩展，减少＞32μm的颗粒；水泥粉磨中后期，助磨剂主要起分散作用，使物料表面产生选择性吸附和电荷中性，消除静电效应，减少＜3μm的颗粒聚集，通常可以提高3~32μm颗粒含量6%~18%，明显改善水泥性能及强度。 2.5 提高熟料易磨性 在熟料产能过剩、保证窑连续运转的前提下，适当降低熟料台时产量，提高产品质量，保证熟料冷却温度，减少由C3S转变为C2S的含量，能够增加熟料C3S含量；与此同时适当降低硅率，提高饱和比，提高熟料的易烧性。 提高熟料易磨性，不仅可以提高水泥磨台时产量，同时能够减少筛余物组分中的熟料含量，提高熟料的有效利用率。 3 结论 1）优化水泥颗粒级配，可以显著提高水泥3d及28d抗压强度，水泥中3~32μm颗粒对3d和28d抗压强度的发挥起重要作用。最佳颗粒状态应为3~32μm的颗粒＞65%；3~16μm的颗粒含量越多越好；＜3μm的颗粒≯10%；＞64μm的越少越好。 2）促使水泥颗粒球形化，可以有效增加水泥胶砂流动度，降低水泥标准稠度用水量，增加各龄期水泥强度。 3）水泥磨串联、并联可以提高熟料有效利用率，同时可以解决水泥过粉磨现象。 4）改进水泥粉磨工艺、改用非金属研磨体和椭圆球形研磨体、提高选粉机效率、采用特效助磨剂、提高熟料易磨性等是改善水泥颗粒形态的主要技术措施，可以明显改善水泥的物理性能，提高水泥强度。 作者：满新伟，周 斌，艾玉强，王升平，马传杰 |
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