使用水泥添加剂降低水泥生产成本

　　60多年来，人们一直使用水泥添加剂(或助磨剂)提高水泥粉磨过程的研磨效率。同时,为水泥制造厂降低生产成本、增加水泥产量，也改善了水泥的操作性能。最近，我们发现新一代的水泥添加剂被越来越广泛地用于水泥的生产，它具有传统水泥助磨剂的所有优点，并且，还能够改善水泥的质量。即人们所周知的“水泥质量改进助磨剂”或简称为“质量改进剂”。当我们在水泥中加入混合材时，如矿渣、粉煤灰、火山灰或石灰石等，发现该水泥的强度发育与纯硅酸盐水泥的强度发育有差别，为了减少这种影响，使用这种水泥添加剂,即“质量改进剂”，将会非常有利于水泥的质量。这些添加剂能够通过增强水泥和混凝土的强度，调整水泥凝结时间和混凝土的需水量等来满足一系列不同的需求。它们所提供的性能优势比普通水泥助磨剂能够节省更多成本，例如，由于它们的使用，能够提高混合材掺加量，能够更大程度地降低生产成本并减少对环境的影响。本文详细探讨在水泥生产过程中使用水泥添加剂取得更大经济效益的多种可能性。 

　　1、水泥添加剂 

　　水泥添加剂是水泥粉磨工艺外加剂的简称,通常指在研磨过程中被少量添加的化学品。根据欧洲（EN197）及美国（ASTMC465）相关标准，在水泥粉磨过程中，允许加入少于1％的“添加剂”来改善水泥粉磨工艺状况和提高水泥质量。但对所加入的添加剂，必须要通过详细的测试以及要符合相应的标准规定。 

　　按照传统理论，助磨剂的使用原则主要是考虑其助磨效果，即在保持相同细度时来增加水泥磨台时产量。但是，随着应用研究的深入，发现此类助磨剂具有减少磨机内物料的凝聚和糊球的效果，同时，还能够改善入选粉机物料的分散性并可以降低研磨仓充满程度（即影响磨内装料量、物料流速或填隙率等）。 

　　助磨剂的优点和其它经济效益如下：降低吨水泥研磨耗电量；提高磨机的生产效率；生产相同水泥时，可以减少磨机设备运转时间；提高流动性，改善水泥操作性能。 

　　一般来说，助磨剂对水泥的质量影响较小或可以忽略。但是，在发展助磨剂时，必须进行评估以确保其没有负面影响，例如，是否会导致夹带空气或延迟凝结时间等。这些助磨剂大部分是链烷醇胺基和聚乙二醇基的化学品。 

　　“质量改进剂”是一种复合水泥添加剂，是从助磨剂演变而来，从20世纪30年代就已投入使用。它具有普通助磨剂的所有功能，不同之处是还能够改善水泥的质量。这种水泥添加剂通常利用独特的有机或无机化合物复合而成。当此类添加剂独立或混合使用时，它们的配方可以减少混凝土配比中对水的需求量，能够延迟或缩短凝结时间，还可以增加水泥、混凝土早期强度或后期强度。 

　　2、水泥添加剂的助磨性效益研究 

　　水泥添加剂使用的经济效益在各个地区和各个工厂差别很大，原因是各地区市场和各水泥生产企业设备的差异。水泥添加剂的使用成本，也根据添加剂的价格和达到最佳效果所要求的剂量不同而有很大的不同。但有一点是很明确的，综合分析生产1吨水泥，所用的水泥添加剂成本要小于其提供的收益。对于这些收益，有的情况评估起来相对简单，有的则比较麻烦。但是其重要性是相同的。 

　　首先作为助磨剂，其效果是提高水泥磨的的生产率，降低水泥粉磨的能源消耗。其经济性要考虑降低生产每吨水泥所消耗的用电量和电价。每吨节省的电量大小，将放在整个研磨系统中去考虑，通常包括熟料库到水泥库之间的所有设备。而不仅仅是只考虑磨机本身。另外，在需要更高的产量来满足目标销售的情况下，它能够直接导致销售的增加或提高生产能力以满足高峰需求，或提供资金投资的其它选择方案。如果一个工厂有一个以上的研磨系统，有低效磨机（每吨高能耗）和高效磨机系统（每吨低能耗），则可以最有效的使用高效磨机系统以达到最佳的劳动生产率。 

　　关于优化磨机使用，举例如下，从表1至表3可以看出，某企业的2台磨机系统,在同样加添加剂的情况下,通过效率较高磨机的使用，生产同样产量的水泥,每年也可以多节约用电912000kWh(比较表2和表3综合用电),如果每度电为0.05美元计算，也就是通过优化磨机的方法,每年多节省电费接近46000美元。 

　　运转时间的减少可以使企业避免在用电高峰时间使用高价能源。同时，还减少了吨水泥生产的修理和维护成本。这一点主要基于下列事实，即修理和维护成本主要和运转时间有关，而与磨机的台时产量变化关系并不密切。例如，1号磨机见表1和表2比较，每年节省的修理和维护费用为96000美元（见表4）。1号磨机在加与不加水泥添加剂时，同样生产116万t水泥，其修理和维护费用就相差96000美元，所节约的电耗共为4594000kWh（即每年229700美元）。因此，每年用243600美元的添加剂成本（假设每吨700美元，生产每吨水泥使用300g添加剂），能使每年净节约成本82100美元。 

　　使用添加剂的一个潜在好处是水泥操作性能的改善，可以减少水泥装卸的时间，增加了水泥库的储存能力，并减少了“结块”风险，因此，也减少了输送及清库费用。输送费用可能差别很大，有的可能占到销售价格相当的比例。研究显示，输送成本在短距离的情况下达到每吨8～10美元，而长距离的情况下，则可以达到每吨23～27美元（基于1993年欧洲价格水平）。“结块”对于水泥输送成本的意义将主要依赖于装卸的实际材料所存在的问题。使用任何运输方式，都有装卸的时间因素。在有“结块”的情况下，会导致装卸时间的拖长，因此，也就增加了装卸费用。在公路运输的情况下，这可能减少每天装货的数量。在铁路运输的情况下，装卸作业占用总送货时间的比例更大，停车装卸的时间越长，就会增加周转时间，也增加了送货费用。在水运情况下，相当的费用来自船舶航班的费率、港口费用和在港的装卸作业费用。“结块”的存在可能导致时间延误，这些延误会大量增加了各方面的成本费用。 

　　3、水泥添加剂在质量改进上的效益研究 

　　应用质量改进剂，对水泥的质量会有预想的改善，如，增加水泥的抗压强度。这些水泥添加剂通常具有上面所说的“助磨剂”的所有优点。但是，通过提高水泥的性能，也可以取得相当的经济效益。提高水泥的这些性能，可能使水泥售价更高。例如，可以使其成为新型的优质水泥品种；还可以将使用较少的熟料或使用劣质原材料生产出同样质量的水泥而降低生产成本。 

　　格雷斯建材产品公司的TDA(r)系列质量改进剂开发于20世纪70年代，当时开发的目的是使水泥生产厂家得到比普通助磨剂更多的好处。随后，又开发出CBA(r)系列水泥添加剂，使用了特有的醇胺配方，增加了硅酸盐成分的水化反应程度，也等于提高水泥的强度，特别是提高28天的抗压强度。 

　　与“助磨剂”一样，使用此类质量改进剂的经济优势也根据地区的不同相差很大。总体来说，使用质量改进剂会比使用“助磨剂”增加水泥的吨成本，但是，净节约成本费用却更大。 

　　水泥强度和销售价格之间的关系很复杂也很敏感。但是，在混凝土中，凭经验可以将水泥强度与混凝土中的水泥含量联系起来。比如，我们可以假设1MPa的水泥强度变化就相当于1立方米混凝土中6kg水泥的含量差别，水泥的销售价格如为60美元/t，那么，如果水泥的强度下降1MPa，则混凝土生产者每立方米混凝土将有0.36美元的成本提高，那么，如果每立方米混凝土中使用300kg的水泥，就相当于在每吨水泥上，为了弥补1MPa水泥的强度下降，而增加了1.20美元/t的水泥成本。 

　　质量改进剂最普遍地应用于生产掺有混合材的水泥中，而不是在纯熟料水泥中。比如，在矿渣水泥、粉煤灰水泥、普通硅酸盐水泥和石灰石水泥中等。这些成分的加入对所制造出的水泥性能有很大影响，同时,也对水泥的制造成本有很大影响。混合材代替熟料的可能性要取决于他们对水泥及工艺性能的影响和相关的规定和标准。在对质量影响相对有限的情况下，使用质量改进剂的好处可以允许更多的混合材来代替熟料。这样一来，利用低成本的原材料，就可以大大地减少了制造成本。同时，也减少了对环境的影响，也就是说，生产每吨水泥所释放CO2的排量降低了。熟料可能被混合材取代的实际百分比要取决于混合材对水泥性能的影响程度及质量改进剂所能带来的好处。表6说明了增加石灰石对水泥性能的典型变化。 

　　在制造含石灰石的普通硅酸盐水泥时，使用CBA质量改进剂，保持恒定的水泥性能，可以使石灰石增加3％～10％，这将导致大量净成本费用。在销售市场上，相同的给定量熟料，可以通过非熟料替代熟料来生产出更多的水泥，从而取得更多的整体利润。 

　　通过使用质量改进剂，也能够使用低石灰石饱和系数的熟料来生产高性能质量的水泥，从而达到节约成本的目的(见表8)。 

　　4、使用水泥添加剂的效益评估方法 

　　使用水泥添加剂来降低生产成本，必须要求对该水泥厂的现有条件和实际情况进行详细分析，同时，还要充分认识水泥添加剂的性能特点。 

　　一般情况下，需要对所使用的水泥添加剂的成本、影响磨机台时的生产费用和吨水泥粉磨电耗的节约情况进行直接分析。但是，在考虑用混合材来代替熟料时，则需要更详细的分析。例如，需要了解混合材对水泥性能的影响，水泥添加剂对水泥生产工艺的影响和水泥本身性能的要求。而这一点又需要结合以往的经验、了解相互之间的关系、进行实验室测试和工厂评估。为了方便这些费用效益评估，格雷斯开发了一套基于EXCEL的电子数据表模型，以对使用水泥添加剂进行经济评估。这个模型使得我们可以对使用水泥添加剂的好处进行快速评估，它包括磨机台时产量与比表面积之间的关系，比表面积与强度的对应关系，混合材与比表面积的关系及混合材与水泥强度之间的对应关系等。 

　　5、结论 

　　水泥添加剂在现代水泥制造企业中扮演重要角色。它们的使用在国际水泥标准中受到重视，并且已经有了70年的使用历史。水泥添加剂能够提高水泥行业的最基本的利润。例如，在增加磨机产量、降低吨水泥电耗、降低修理和维护费用、改善水泥性能、提高混合材的利用率、降低输送成本等方面发挥重要作用，并增加水泥制造企业的利润。用增加混合材来生产水泥更具有特别重要的意义。 

　　由于人们越来越认识到使用水泥添加剂所能带来的好处，所以，水泥添加剂已在世界各地得到广泛的使用。