水泥的粉磨工藝與顆粒級配和需水量

發布日期:2019-5-29 15:35:08 點擊次數: 字體顯示:【大】  【中】  【小】

摘要:影響水泥需水量的因素很多,粉磨工藝的制約就是其中之一。如果要提升粉磨系統的效率,無論我們采用何種更為先進的粉磨工藝,都必須考慮該種工藝水泥的需水量是否合適。否則,我們就必須在粉磨效率、粉磨成本和需水量三者之間尋求平衡。

  水泥需水量已經引起水泥用戶的高度重視,尤其是在商品混凝土發達的地區,越來越多的用戶對水泥需水量提出了越來越高的要求。

  混凝土生產商都希望選擇需水量小的水泥,反過來影響到水泥企業產品的競爭力和售價,影響到水泥生產者的成本和效益。

  影響水泥需水量的因素很多,粉磨工藝的制約就是其中之一。換句話說,就是不同的粉磨工藝生產出來的水泥,其需水量是不一樣的,這個道理大家都明白。

  然而正是因大家都明白的這個道理,如果要提升粉磨系統的效率,無論我們采用何種更為先進的粉磨工藝,都必須考慮該種工藝水泥的需水量是否合適。否則,我們就必須在粉磨效率、粉磨成本和需水量三者之間尋求平衡。

 

1、關于水泥的需水量

  水泥標準稠度需水量(以下簡稱水泥需水量),準確的特征參數應該是混凝土的標準稠度用水量。是指能使水泥漿體達到一定的可塑性和流動性所需要的拌合水量,它是水泥使用性能的重要指標。

  水泥需水量直接影響到混凝土的水灰比,繼而影響到混凝土的強度、抗蝕性、抗凍性、耐久性,影響到混凝土生產的水泥用量以及外加劑用量,影響到用戶的成本和效益。

  水泥的標準稠度用水量越大,水泥凈漿達到標準稠度的用水量、水泥砂漿達到規定流動度的用水量,以及水泥混凝土達到一定坍落度的用水量也都越大,使其凈漿、砂漿、混凝土的水灰比越大、其顆粒間空隙越多、密實度越小,從而使水泥及其混凝土的施工性能、力學性能和耐久性能變差。

  直觀地看,混凝土的配方設計有三個基本參數:水灰比、用水量、砂率。

  三個參數中,有兩個涉及到水,足見水泥標準稠度用水量問題在混凝土中的重要性。混凝土強度同用水量成反比,為了提高混凝土強度必須減少其用水量。

  理論上,要保持混凝土的強度不變,當混凝土的用水量發生變化時,應該保持水灰比不變,相應調整水泥用量,但這在實際生產操作中很難做到。

  由于實驗條件和工藝設備的限制,預拌混凝土廠很難做到根據每批水泥的需水性變化而調整水泥用量。大多數情況下的做法,反而是保持水泥用量及砂石等材料用量不變,而根據坍落度值來調整用水量。

  這樣,混凝土實際水灰比將隨水泥需水性的變化而變化,相應地影響混凝土的強度。故為了穩定混凝土的強度,必須穩定水泥的標準稠度用水量。

  降低水泥的標準稠度需水量,對降低混凝土單立方用水量、進而提高其強度,降低水泥用量、以節約混凝土生產成本,對混凝土行業具有十分重要的意義。

2、影響水泥需水量的主要因素

  1)水泥比表面積、顆粒級配、顆粒形狀的影響

  2)水泥混合材種類和摻加量的影響

  3)石膏對水泥需水量的影響

  4)熟料對水泥需水量的影響

  5)粉磨工藝對需水量的影響

  2.1水泥比表面積、顆粒級配、顆粒形狀的影響

  有關研究表明,水泥比表面積為300~400m2/kg時,如果水泥的粒徑分布斜率n和熟料反應活性不變,則水泥的比表面積每增加100m2/kg,標準稠度需水量將增加l.6%。

  德國水泥研究所曾對一些不同強度等級的水泥,進行過比表面積、顆粒級配、顆粒形狀對水泥需水量的影響試驗,水泥需水量與比表面積的相關性很強,隨比表面積的增大需水量上升明顯。其試驗結果如圖10-1所示。

  圖10-1  水泥的比表面積與需水量的關系

  試驗表明,水泥顆粒級配對水泥的需水量有較大影響。

  良好的水泥顆粒級配其顆粒間空隙減小,可以降低填充水,以此進而減小水泥的需水量。

  水泥顆粒分布越窄 →堆積空隙率越大 →需水量越大。

  因此,在我們這幾年對粉磨系統的改進中感到,不論是選粉機還是整個粉磨系統,只要提高了選粉效率、需水量都是增加的。

  對于水泥強度,以3μm~32μm的顆粒起主導作用,尤其是16μm~24μm顆粒對水泥性能非常重要,其含量越多越好;<3μm的細顆粒容易結團,特別是<1μm的(主要指熟料)顆粒在加水后很快水化,對水泥的需水量影響較大,但對混凝土強度作用很小,還容易引起混凝土開裂、影響混凝土的耐久性、也影響水泥與外加劑的適應性;>65μm的顆粒水化很慢,對28d強度貢獻很小。

  試驗表明,水泥顆粒形狀對水泥的需水量也有較大影響,水泥顆粒球形度對其需水量的影響見表10-3。水泥顆粒的球形度越高,

  1)顆粒表面積就會越小,所需潤滑的表面積越小→水泥需水量就越小;

  2)顆粒間的內摩擦越小,流動所需表面水膜厚度越小→水泥需水量就越小;

  3)顆粒堆積的空隙越小,所需填充水越小→水泥需水量就越小。

  表10-3  水泥顆粒球形度對其需水量的影響

  在比表面積基本一致的情況下,當水泥顆粒球形度從47%提高到 73%時,水泥需水量從30.4%下降到27.3%。

  2.2粉磨工藝對需水量的影響

  盡管影響水泥需水量的因素不止一個,但粉磨工藝這個因素在建設期間是可以選擇的,而且一旦選定是不易改變的。因其對后續的生產、以及因需水量影響到對其他因素平衡的制約,是要付出代價的。所以,在最初選擇粉磨工藝時,應該考慮需水量這個因素。

  在相同原材料的情況下,不同粉磨工藝生產的水泥,由于其顆粒級配和顆粒形狀的差別,其需水量是不同的。

 就現有常用的粉磨工藝來講,其生產的水泥需水量的排列順序大致為:輥壓機半終粉磨>雙閉路聯合粉磨>單閉路聯合粉磨>閉路磨>開路磨。

  與普通圈流磨水泥相比,開流磨水泥顆粒分布較寬,圓度系數大,水泥需水量較小;而采用輥壓機、立磨生產的水泥,包括終粉磨、半終粉磨、聯合粉磨,由于水泥顆粒分布范圍較窄,以及顆粒形狀球形度較低,水泥需水量相對較大。

  目前大多數水泥企業的水泥粉磨,采用了“輥壓機+球磨機”的雙閉路聯合粉磨系統。

  粉磨效率確實高了、電耗確實降低了,但由于水泥顆粒分布過于集中,需水量卻居高不下。

  這勢必要增加混凝土減水劑的使用量,增加混凝土攪拌站的成本。在水泥市場供過于求的情況下,攪拌站不太買帳,最終就會影響到企業的銷量和售價。

  除輥壓機對水泥顆粒形狀的影響以外,一般來講,閉路粉磨系統,特別是采用高效選粉機的閉路系統,其水泥粒度分布比較窄,粒度均勻性系數在1.0~1.2之間,需水量高達26.0%-28.0%;而開路粉磨系統的水泥,粒度分布范圍比較寬,均勻性系數在0.9~1.0,水泥的需水量在24%左右。
 

 3、半終粉磨與水泥的需水量

  所謂半終粉磨,準確的說就是在粉磨系統的預粉磨階段,提前選出一部分細度已經合格的半成品,將其直接加入到成品中。

  讓細度上已經合格的產品,提前離開粉磨系統,不再接受后續粉磨,從而提高整個粉磨系統的選粉效率(不僅是選粉機),減少過粉磨現象、減少粉磨能的浪費,提高系統的粉磨效率。

  半終粉磨工藝,實際上是利用選粉設備的閉路工藝,對原有粉磨工藝的一種優化。

  根據所選預粉磨設備的不同,有多種具體形式,但由于系統選粉效率的提高,其提高粉磨效率是一定的。

  目前,半終粉磨工藝采用的預粉磨設備,主要是輥壓機。其他的還有立磨、風選磨、球破磨等。

  關于半終粉磨工藝的水泥需水量問題,幾種半終粉磨工藝不盡相同,具體要看其在預粉磨階段采用什么設備、提前選出的這部分細度已經合格的半成品與原有的成品有何不同,導致最終成品中的微粉含量、顆粒級配和顆粒形狀有何變化。微粉含量的增加、顆粒級配的窄化、顆粒形狀的非球形化,都會導致水泥需水量的增加。

  比如,早期的兩臺球磨機串聯粉磨工藝(第一臺是閉路的)就是最早的半終粉磨。不但能提高粉磨效率,而且能減少過粉磨現象,減少水泥的微粉含量,而且能降低水泥的需水量;

  比如,近年有將生料中卸烘干磨改造的水泥磨,應屬于緊湊型的半終粉磨。雖然其粉磨效率并沒有降低,但由于其水泥的顆粒級配較窄,水泥的需水量有所增加,所以沒有得到推廣。

  現在多數說到半終粉磨,實際上指的是輥壓機半終粉磨,就是將輥壓機閉路系統收集的部分未加整形的細粉加入到水泥成品中。

  關于輥壓機半終粉磨水泥的需水量,既取決于水泥的微粉含量(水化速度)、顆粒級配(堆積密度),還與水泥的顆粒形狀(流動內摩擦)有關。

  微粉含量的減少、級配的拓寬,能降低水泥的需水量;但顆粒形狀的異化(非球形化),又能增加水泥的需水量。實踐證明,輥壓機半終粉磨系統的水泥,其需水量總體上是增加的。

  至于需水量增加多少,與進入輥壓機的原始物料的特性及細度有關,即輥壓機對其顆粒形狀的異化程度有關。

  由于其在V選與旋風收塵器之間加了一臺選粉機,從而確保了旋風收塵器收集的物料,從細度上全部達到了水泥成品的要求。

  這種改進,能提高粉磨系統的產能、降低粉磨電耗,但同時也降低了對成品水泥顆粒級配的拓寬能力;而且,可以肯定的是,這部分物料主要是沒有通過球磨機整形的輥壓機細粉,其顆粒的球形度是較差的。

  影響水泥需水量的堆積密度和流動性,除與水泥的顆粒級配有關外,還與水泥的顆粒形狀有關,圓度系數(與顆粒投影面積相等的圓的周長與顆粒投影面積的實際周長之比)越高,水泥顆粒的內摩擦就越小、與水的接觸表面積就越小,標準稠度需水量就越小。

  輥壓機為料床擠壓一次破碎,效率高,但球形度不好;球磨機為多次沖擊研磨,效率低,但球形度高,這也正是輥壓機甩不掉球磨機的主要原因。

  但這不等于說輥壓機半終粉磨系統就沒用了,反倒可以說是精細化管理的一項成果。輥壓機半終粉磨雖然具有水泥需水量高的缺點,但對提高粉磨系統的產量和降低電耗還是確實有效的。

  任何性能的提高,都伴隨著針對性提高和適應性下降,只要我們能用其長避其短,輥壓機半終粉磨還是能有所作為的。

  比較適應輥壓機半終粉磨的條件:對輥壓機異化顆粒形狀小的物料(如較細的粉煤灰),對水泥需水量不敏感的市場和用戶,對大部分低標號水泥,對水泥開路粉磨系統,對比表面積控制比較低的水泥,對需水量不高的熟料,對外摻礦渣微分的水泥。

  不太適合輥壓機半終粉磨的因素:對于水泥需水量要求苛刻的市場和用戶,對于大部分高標號水泥,對于水泥閉路粉磨系統,對于比表面積控制比較高的水泥,對于需水量高的熟料,對于比較差的石灰石礦山,對于堿含量比較高的原料。

  實際上,上述條件都不是一成不變的,有時適應有時不適應。我們可以設計或改造為“半終粉磨”和“聯合粉磨”并存的工藝,按需切換。具備條件時把產能發揮到最大、把電耗降到最低;不具備條件時再切換到聯合粉磨上來;有部分潛力時,可以通過對半終粉磨選粉機的調節,適當降低“半終”量。
 

  4、立磨粉磨與水泥的需水量

  盡管立磨終粉磨系統具有粉磨烘干效率高,對入磨物料的適應性好,工藝流程簡單,空間布置緊湊,維護費用低等諸多優點,但由于水泥粉磨是保證水泥成品質量的最后一關,大家對立磨水泥的使用性能,尤其是對水泥的需水量高仍很擔憂,導致這一水泥粉磨的工藝技術、在國內的應用仍很有限。

  實際上,水泥立磨終粉磨產品,完全可以和球磨機媲美,能夠滿足各種工程需要。水泥立磨終粉磨工藝的選用率已經呈現出逐年提高的趨勢,見表11-1。

  表11-1 水泥立磨終粉磨工藝選用率呈現逐年提高的趨勢

  據有關資料顯示,2005~2008年,世界新建水泥生產線約360條(除中國大陸以外),水泥年產能達4.4億t,采用了水泥粉磨裝備600余臺套。立磨的選用率,由2005年的45%上升為2008年的61%,而水泥球磨的選用率則相應地由50%下降為27%。

  伴隨著立磨終粉磨工藝的逐步增多,這一技術也在進一步完善和成熟,原來大家所擔心的水泥顆粒形狀和級配、細度控制、需水量等對水泥性能影響的問題,現在也就不成其為問題了。

  通過對磨盤和磨輥研磨曲線的組合、對磨內選粉機性能的改進、加高擋料環高度、對磨盤轉速及壓力的調整,實現了對水泥顆粒形狀和級配的優化。在系統操作方面,還可以通過提高立磨磨內溫度,對石膏的脫水施加影響,來優化水泥的性能。

  綜合運用這些調控手段,可以在較大范圍內調控立磨水泥的性能,使其顆粒級配比甚至比球磨水泥更加合理。

  西南科技大學,關于不同粉磨系統的水泥標準稠度用水量的調研對比見圖11-4。

  圖11-4  不同粉磨系統的水泥標準稠度用水量對比

  調研顯示,需水量最高的是閉路聯合粉磨系統的水泥,而不是立磨終粉磨系統的水泥。

  5、分別粉磨與水泥的需水量

  水泥的分別粉磨,是一項節電(降低電耗)節料(減少熟料消耗)降碳(減少碳排放)的粉磨技術。而且能優化水泥的性能,滿足用戶對水泥性能的不同要求,比如水泥的需水量。

  如何在各組分的易磨性相差很大的情況下,實現對水泥中熟料等各組分的最佳顆粒分布,應該說分別粉磨是目前的最佳選擇。

  分別粉磨可以分別設定和實現水泥各組分的最佳粒度分布,以達到熟料活性的最大利用,混合材活性潛能的充分挖掘。目前,先進國家的水泥廠已經很少再用混合粉磨工藝了。

  分別粉磨的優勢之一,就是能方便地調節顆粒級配。水泥中的微粉,既由于其能增加水泥的流動性降低需水量,又由于其能加快水化速度增大需水量,分別粉磨為我們平衡這一對矛盾創造了條件。

  進一步分析就會發現,影響水泥水化速度的主要是熟料組份,只要我們減少熟料的微粉、增加其他惰性混合材(比如石灰石)的微粉,就能滿足矛盾雙方對降低水泥需水量的要求。

  德國的研究表明,在混合粉磨的礦渣水泥中,熟料的特征粒徑小于水泥,礦渣的特征粒徑大于水泥,石膏的特征粒徑遠小于水泥;而在分別粉磨的水泥中,在物料組成和比表面積相同的情況下,熟料的特征粒徑平均降低了2.0μm,礦渣的特征粒徑平均降低了7.5μm。

  所謂“特征粒徑”,實際上是“體積平均粒徑”的一種近似體現方式。這就是說在同樣比表面積的情況下,分別粉磨能將熟料和礦渣磨的更細,而且微粉還不是太多,這正是我們所期望的。

  分別粉磨在國外的運行一直沒有停止,有一個向混凝土攪拌站供水泥的公司,為了滿足攪拌站對水泥的多種要求,也為了降低自己的生產成本,竟然開發了將近20個有針對性的水泥品種。

  該公司總結了分別粉磨的好處:

  (1)熟料粉的粒度分布接近最佳性能RRSB方程,影響水泥和混凝土性能的熟料細顆粒很少,影響水化速率的熟料粗顆粒也很少;

  (2)混合材的細度顯著比熟料細,與熟料粉混合后水泥的粒度分布接近Fuller曲線,保證了水泥具有較低的孔隙率;

  (3)不同粒度分布的熟料粉與不同粒度分布的混合材,按一定比例組合,可以實現水泥的顆粒級配設計,生產預期性能的水泥;

  (4)不但水泥的早期強度高,而且后期的、長期的強度發展良好;

  (5)水化熱特別是早期的水化熱低,與減水劑相容性好,而且混凝土具有良好的工作性;

  (6)可以摻入多種混合材生產多元組合的水泥,從而發揮不同種類、不同顆粒分布的性能互補和疊加效應,優化水泥性能;

  (7)可以靈活多變的組織生產多品種水泥,改產過程迅速便捷,滿足了不同顧客的不同需求;

  (8)即使摻有難磨的高細礦渣粉,生產比表面積在350~420m2/kg的水泥,水泥的綜合電耗也只有31~35kW·h/t水泥。

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