优质水泥的生产技术

　　随着我国水泥产业结构的调整， 新型干法窑生产线已逐步成为水泥生产工艺的主体。但由于各新型干法窑企业之间在设备选型、工艺配置及技术人员对质量的认识等方面(如无烟煤煅烧、分解炉炉型、生料磨及水泥磨工艺及设备选型、产质量与消耗目标等) 仍存在着差异， 各企业生产的产品质量亦参差不齐， 或性能上存在着较大的差距。在《优质水泥的评价》[1]一文中， 作者论述了对优质水泥性能的要求， 即标准稠度用水量低； 良好及稳定的外加剂相容性； 合理或较低的早期强度， 较高的后期和远龄期强度； 抗冲击、耐磨性好； 低收缩性； 低水化热。并从熟料矿物组成和水泥颗粒组成等方面提出了具体目标。本文将结合作者对优质水泥的研究及在水泥生产实践中的体会阐述优质水泥的生产技术。 

　　1 熟料率值的设定与调整为了使水泥具有优质的性能， 熟料中矿物组成应实现低 C3a， 较高的 C2S、C4af， 适中的 C3S 含量。这种熟料率值设定为高硅酸率、中饱和系数、低铝氧率， 即kH＝0．89￣0．91， n＝2．5～2．8， P＝0．9～1．2。与常规熟料率值： kH＝0．90￣0．92， n＝2．5～2．8， P＝1．6～1．8 相比， 饱和系数略有降低， 铝氧率降幅较大。由于 P 值较低， 这给新型干法窑的煅烧带来一定的困难， 会出现结粒大小不一、飞砂、“堆雪人”、熟料冷却效果较差、早强较低等问题。因此， 在该配方的实施过程中， 要合理制定熟料升重及早期强度的考核要求， 此外， 还需减少熟料中 k、na、Cl等有害组分及对熟料质量不利的 SO3 及MgO 的含量。按该率值烧成的熟料应具有更好的外加剂相容性， 更低的水化热和更好的抗腐蚀、抗冲击和耐磨性[2]。 

　　由于各厂生料的易烧性、窑烧成带的热力强度及操作水平都存在差异， 可根据自身的实际情况对推荐配方进行调整： ①生料易烧性较差、窑的烧成热力不足或台时产量要求较高时， 可适当降低 n 值； ②设备配置及操作水平难以适应这种烧成范围较窄的配料，可适当提高 P 值， 逐渐过渡； ③当施工要求水泥早期强度较高 ( 如 P·O42．5 水泥， 3d 强度要求 30MPa 以上)， 可适当提高 kH 和 P 值， 降低 n 值。但上述调整都不利于水泥品质的优化。

　　2 热工制度的优化熟料各种矿物的实际含量和发育状况与烧成温度、冷却速度及烧成气氛紧密相关， 良好的热工制度是烧成优质熟料的又一关键因素。随着熟料烧成温度提高， 硅酸盐矿物固溶 al2O3、fe2O3 的含量增多， a  矿晶轴比减小， 边棱清晰， 这既提高了硅酸盐矿物的活性， 又减少了熔剂矿物的含量， 对熟料强度及外加剂相容性均有利； 加快熟料的冷却速度， 中间体(C3a、C4af) 析晶减少， 对水泥与外加剂的相容性有利； 窑内还原气氛严重时， 由于 feO 的作用会使窑内物料结皮及结粒加剧， 熟料升重增大， 并降低熟料的烧成温度， 此时 a 矿发育不良， B 矿晶型不理想， 形成黄心料后 C3a 含量明显增多， 暗色中间体析晶严重， 这将导致水泥强度下降， 需水量增大， 外加剂相容性变差。因此， 熟料在合理的率值条件下， 为使矿物发育良好， 具有较高的固溶量及活性， 获得低需水量、良好外加剂相容性、良好的胶凝性， 就要求提供良好的热工制度， 使物料实现快烧、急冷。

　　优质熟料的烧成应控制好如下工艺参数： ①实现薄料快烧。正常条件下窑速达到额定转速的 90%左右， 这样有利于获得均匀及较快的传热速度， 实现快烧。②调整火焰形状， 加强煤风混合能力。这有利于提高窑头的热力强度， 提高熟料煅烧质量。用无烟煤煅烧时， 燃烧器的选择及调整十分重要。③在确保安全的前提下， 煤粉细度宜控制细些， 烟煤在5%～8%， 无烟煤在 1%以下， 水分低些(＜1．5%)。目的是加快煤粉的燃烧， 确保热力集中及煤灰沉降的均匀性。④减少一次风量， 提高二、三次风温， 控制合适的烧成带长度(15～20M 左右， 避免长焰低温)， 烟室 nOｘ＞1600PPM，O2 含量在 1%～3%， CO 含量为零， 头煤比例不宜小于总煤量的35%。⑤尽量消除窑内冷却带， 增大冷却机前端用风量， 加快高温熟料的冷却速度。⑥熟料升重控制指标宜根据矿物发育状况及熟料的各项性能( 如外加剂相容性、标准稠度用水量等)来设定， 它往往与熟料率值、生料易烧性、热工制度及破碎颗粒的状况有关。fCaO 含量多少只反映烧成反应完成的程度， 并不完全代表矿物生长状况及熟料的质量。优质熟料仅依靠 fCaO 含量的多少及其合格率来评价是不全面的。

　　3 水泥颗粒分布及其它因素的影响

　　3．1 水泥的颗粒分布

　　水泥颗粒分布对性能的影响研究表明[3]： ①相同比表面积的同品种水泥， 颗粒分布越窄， 其堆积空隙率越大， 标准稠度用水量越大， 凝结时间越长， 1d 胶砂强度越低， 且随比表面积增大， 1d 胶砂强度增幅不大。②相同比表面积的同品种水泥， 颗粒分布越窄， 其MarSH 曲线的饱和点越大， 对应的 MarSH 时间越长，即外加剂相容性越差。配制混凝土达到同等工作度时， 总水量及胶凝材料总量均要增大， 混凝土生产成本明显提高， 收缩增大。水泥颗粒分布较宽时， 外加剂相容性较好， 随比表面积增大饱和点增大， 但对应的MarSH 时间变化不大； 水泥颗粒分布较窄时， 随比表面积增大饱和点增大， 对应的 MarSH 时间显著延长。由此可见， 颗粒分布较宽的水泥， 堆积密度较大， 水泥浆体流动性较好， 水泥比表面积增大时其流动性变化不大。

　　优化水泥的颗粒组成是生产优质水泥必不可少的步骤。实现水泥颗粒分布优化的技术措施有：

　　1)粉磨工艺流程的选择及改进

　　优质水泥追求的是 3～5μM以下的颗粒含量较小、颗粒分布较宽、堆积密度较大的颗粒组成。经多家企业生产实践及颗粒的检验结果证明，管理较好、粉磨效率较高的高细磨粉磨出的水泥颗粒组成能满足上述要求， 水泥性能较好。而传统的开流磨系统虽然水泥颗粒分布也较宽， 由于过粉磨较严重， 3～5μM 以下的颗粒比例较多， 对外加剂相容性不利。闭路系统粉磨出的水泥由于过粉磨现象减少， 水泥的颗粒分布较窄， 堆积密度较小， 用 O－ SePa 等高效选粉机的闭路系统由于选粉效率高， 会使水泥颗粒分布更加集中。虽然它可以提高水泥的强度， 但对水泥其它性能不利[4]。在闭路磨系统上可通过改变选粉效率与循环负荷的关系在一定程度上来调整水泥的颗粒分布， 或利用粉磨物料易磨性的差异来调整颗粒分布， 但所得效果远不如高细磨的好。

　　2)比表面积与筛余的控制

　　由配制混凝土的综合性能情况来看， 42．5 强度等级的水泥比表面积宜控制在 360～380M2／kg， 80μM 筛余宜控制在 1%～2%， 45μM 筛余宜为 10%～16%。在相同比表面积条件下， 45μM 筛余过小， 则颗粒分布越集中， 水泥早期强度低， 标准稠度用水量大， 流动性差， 与外加剂相容性差， 凝结时间长， 干燥收缩大；45μM筛余过大， 则颗粒分布过于分散， 28d 强度较低， 流动性经时损失较大， 粉磨电耗高， 对资源是一种浪费。

　　3．2 石膏的品种与掺量

　　石膏在水泥中的作用不仅是调整凝结时间， 越来越多的研究表明， 石膏的品种与掺量对水泥的外加剂相容性、胶砂强度、收缩率都有显著影响[5，6]。粉磨优质水泥时， 石膏的选择应注意： 

　　①选择结晶水含量较高(13%以上) 的优质石膏。这种石膏的溶解速度较快，对改善水泥的外加剂相容性有利， 同时可避免带入过多的泥质， 影响水泥的性能。②在满足凝结时间与强度性能的要求下， 适当提高水泥中 SO3 含量有利于改善水泥与外加剂的相容性， 减少流动性能的经时损失， 降低水泥净浆或砂浆的收缩率。③硬石膏、二水石膏和工业石膏对水泥性能有不同的影响， 应根据水泥胶砂强度、外加剂相容性及生产成本等数据进行评价。有研究表明，  陶瓷工业废弃的石膏模作缓凝剂对水泥的外加剂相容性及强度均较有利[6]。

　　3．3 混合材的品种与掺量

　　水泥的外加剂相容性与混合材自身的性能密切相关。需水量小， 又有利于改善水泥颗粒分布的混合材对改善水泥的外加剂相容性有利。烧黏土、烧页岩及较低温度烧成的煤渣虽然火山灰活性较高， 但其需水性很大， 颗粒表面电价高， 使水泥的外加剂相容性变差， 这类材料不宜作优质水泥的混合材。石灰石作混合材能促进硅酸盐矿物的水化， 自身需水量小， 且易磨性好， 有利于改善水泥的颗粒分布， 降低水泥的标准稠度用水量， 改善水泥的外加剂相容性， 是优质水泥首选的混合材； 矿渣的化学活性高， 玻璃体含量多， 需水量小， 易磨性差， 掺入少量矿渣与熟料共同粉磨时对改善水泥颗粒组成、提高水泥胶砂 28d 及远龄期强度、改善外加剂相容性均有利； 粉煤灰的品质差异很大， 需水量大、烧失量高、活性差的粉煤灰应慎用， 而优质的粉煤灰也是优质水泥较好的混合材。

　　4 水泥的温度

　　为改善水泥与外加剂的相容性， 降低混凝土拌合物的入模温度， 减少混凝土的开裂， 在气温较高的季节， 应控制出厂水泥温度(＜65℃)。生产优质水泥的企业应增设水泥冷却设备， 在夏季或使用单位有要求时(如高速公路)， 控制出厂水泥的温度。 

　　5 结束语

　　生产优质水泥是混凝土技术发展与社会发展的需要。新型干法窑工艺从硬件方面为生产优质水泥熟料创造了良好的条件， 水泥生产技术人员应从混凝土综合性能方面去认识水泥的品质， 掌握生产优质水泥的关键技术， 调整好各环节的工艺参数， 充分发挥生产设备的优势， 生产优质的水泥供给社会。本文衷心地希望我国水泥工业进行结构调整的同时， 水泥的品质也有长足的进步与提高！ 

参考文献：
　　[1] 吴笑梅， 樊粤明．优质水泥的评价[J]．水泥， 2007， (2)： 1－ 3．
　　[2] 吴笑梅， 樊粤明， 钟景裕， 等．珠江水泥厂配料方案及其水泥特性的研究[J]．水泥， 2005， (8) ： 11－ 
                  14．
　　[3] 吴笑梅， 樊粤明， 郭文瑛．水泥颗粒分布对其使用性能的影响[J]．水泥， 2004， (10) ： 5－ 9．
　　[4] 吴笑梅， 樊粤明， 郭文瑛．不同粉磨工艺水泥的颗粒、矿物组成分布及性能( 英文) [J]．华南理工大学学报， 
                  2004， 32(8) ： 58－ 63．
　　[5] 谢 燕， 吴笑梅， 樊粤明．磷石膏作缓凝剂与减水剂相容性的研究[J]．水泥， 2006， (7) ： 1－ 4．
　　[6] 吴笑梅．水泥与外加剂相容性的流变学与水泥工艺学研究[d]．广州： 华南理工大学， 2004， 12．