水泥企业粉磨参数的有效控制与节能降耗

　　在水泥生产企业，提起节能降耗，都非常重视新型干法窑的推广应用、节能磨机及其系统的选用与优化和低温余热发电的建设。而对水泥（熟料）的粒度控制在节约能源、降低原料消耗及增加混合材掺量等方面的重要作用，只有少数企业才开始有较深的认识。其实，无论是新型干法的大型水泥企业还是中小水泥企业，通过改善水泥的粒度，充分发挥熟料的强度性能，对挖掘整个水泥行业节能降耗的潜力是非常巨大的。

　　几个逐渐被认可的理论观点
　　①水泥颗粒只有与水发生反应，才有胶凝作用，没有被水化的部分只起骨架作用。研究表明，小于1μm 的颗粒在与水的拌和过程中就完全水化，对混凝土浇筑体的强度没有贡献。28天水化深度为5.48μm ，即大于11μm 粗的颗粒均不能被完全水化，未被水化的内核对混凝土的28天强度也没有贡献。

　　②在相同条件下，粉磨能耗与颗粒的表面积几乎成正比。因此，颗粒越小，单位重量所消耗的粉磨能量越多。

　　③水泥的合理颗粒组成是指能最大限度地发挥熟料的胶凝性和具有最紧密的体积堆积密度。熟料胶凝性与颗粒的水化速度和水化程度有关，而堆积密度则由颗粒大小含量比例所决定。

　　最理想的状况是：水泥中熟料的颗粒级配应满足最佳性能的级配要求，而小于3μm 特别是小于1μm 的颗粒应该是混合材（或矿物掺合料），如石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉等。这些小于3μm 的细粉状混合材填充于水泥熟料颗粒之间的空隙，使水泥颗粒的堆积趋向紧密，向F u l l e r 曲线靠拢。另外，这些细粉状混合材的活性比熟料的活性低，因此在早期水化慢或几乎不水化时，不会对水泥的工作性能或混凝土拌合物的施工性能造成不利影响。而在后期，这些细粉状的混合材又可与熟料颗粒水化所产生的C a (O H )₂起二次反应，生成具有胶凝性的C —S— H 凝胶，从而使水泥石结构更致密，有利于耐久性的提高。

　　④根据水泥样品的实际粒度分布，可以计算28天的水化率（见下文定义），以及消耗在1μm 以下的（熟料）粉磨能耗占总能耗的比例（过磨率）。没有被水化的部分，就是熟料的浪费部分；而颗粒被磨到1μm 以下的部分，则熟料和粉磨能都被浪费了。

　　对目前水泥粉磨控制参数的剖析
　　为了定量地说明粒度检测与控制技术对水泥节能的贡献，欧美克公司的张福根等曾对10多个省的多家水泥企业的水泥产品进行检测，并选用其中一个省的数据进行分析，通过比较各种样品，从中发现节能降耗的潜力巨大。

　　为便于叙述，张福根先定义了以下几个名词。水化率——水泥（熟料）颗粒被水化的体积与总体积之比，称为水化率。未化率——未化率等于1减水化率。过细粒——小于1μm 的颗粒。过磨率——过细粒消耗的粉磨能量占（熟料）粉磨总能量的比例。

　　从该省水泥的平均参数和最好水泥的参数对比可以看出，如果全省水泥的粉磨技术都能达到优质企业的水平，那么熟料的未化率就可降低近8％、粉磨能耗降低10%。熟料的未化率降低，相当于节约了熟料，意味着节约了原燃材料。如果全国水泥的平均未化率都以此比例下降，仅此一项，节能降耗潜力就非常大。

　　需要说明的是，上述分析是假设被分析省份水泥生产的平均粉磨技术达到该省最好样品粉磨水平的前提下作出的。实际上这里最好样品的粒度分布还没有达到最理想的水平，还有较大的优化余地。此外，作为欧美克公司分析对象的省份，其水泥的平均粉磨在全国属于中上水平，一半以上的省份改进的余地更大。

　　水泥颗粒特征与粒度分布的合理控制措施
　　1.比表面积与45μm 筛余相结合，可有效控制水泥的合理颗粒组成
　　水泥细度的提高是在大多数粉磨工艺比较落后和采用80μm 方孔筛筛余控制细度的条件下取得的，水泥颗粒组成也多数处于不合理的状态。水泥的合理颗粒组成是指能最大限度地发挥熟料的胶凝性和具有最紧密的体积堆积密度。目前，比较公认的水泥最佳性能的颗粒级配为：3μm ～32μm 颗粒总量不能低于65%，小于3μm 细颗粒不要超过10%，大于65μm 颗粒最好为0，小于1μm 的颗粒最好没有。因为3μm ～32μm 颗粒对强度增长起主要作用，特别是16μm ～24μm 颗粒对水泥性能尤为重要，含量越多越好；小于3μm 的细颗粒容易结团，小于1μm 的小颗粒在加水搅拌中很快就水化，对混凝土强度作用影响很小，且影响水泥与外加剂的适应性，易影响水泥性能而导致混凝土开裂，严重影响混凝土的耐久性；大于65μm 的颗粒水化很慢，对28天强度贡献很小。用45μm 筛余和比表面积控制细度操作简便、控制有效。在固定的工艺条件下，使水泥的45μm 筛余量和比表面积控制在一个合理的水平上时，可限制3μm 以下和45μm 以上的颗粒，以此获得良好的水泥性能和较低的生产成本。

　　2.颗粒特征与粒度分布的合理控制。
　　与水泥的物理性能（特别是强度）密切相关的当属水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布会影响熟料的水化速度、一定时间内的水化程度、标准稠度需水量、混凝土的水灰比。熟料与混合材的粒度分布共同决定了水泥颗粒的最紧密堆积密度。如前所述，我国多数水泥企业的现实情况是，使用80μm 筛余或比表面积作为粉磨过程例行控制的依据，对水泥的粒度分布较少关注，80μm 筛余或比表面积与颗粒分布均没有很好的相关关系。

　　经验表明，在粉磨设备及其运转参数没有明显改变时，32μm 筛余或45μm 筛余能够很好地反映颗粒分布。使用32μm 筛余或45μm 筛余为粉磨过程例行控制的依据，在粉磨设备及其运转参数稍有改变时，可以通过简单的调节，比如选粉机的转数（风量），使32μm 筛余或45μm 筛余还保持在控制目标之内，因此，使用32μm 筛余或45μm 筛余可作为粉磨过程例行控制的依据，但若粉磨设备及其运转参数发生明显改变时则不能很好反映粒度分布。

　　有一种比较简便的方法可以大致判断粒度分布是否正常，如果使用32μm 筛余或45μm 筛余作为粉磨过程例行控制的依据，并且32μm 筛余或45μm 筛余处于正常控制范围，可以增加测定另一个63μm 的筛余，将测得的筛余与以往粒度分布正常的数据进行比较，如果增加测定的筛余数据与以往粒度分布正常的数据具有明显区别，则提示粒度分布可能具有明显变化。

　　优化水泥颗粒级配的技术途径
　　水泥颗粒级配从两方面改善，一是小于3μm 颗粒既要满足最佳性能级配的要求，又要尽量满足F u l l e r 曲线紧密堆积的要求；二是要减少大于60μm 的颗粒。

　　①熟料与易磨性好的混合材共同粉磨。在熟料中加入一些易磨性好的混合材如石灰石、粉煤灰等共同粉磨。可以期望，共同粉磨工艺中的石灰石或粉煤灰应该能提供更多的小于3μm 颗粒，从而优化水泥的颗粒级配。

　　②难磨的混合材与熟料分别粉磨再混合。对于比熟料难磨的混合材宜采用分别粉磨然后混合的方法。例如矿渣的粉磨功指数为23k W h /t ，比熟料的16.4k W h /t 高。共同粉磨时，水泥的比表面积为350m²/kg 时，矿渣的比表面积只有230m²/kg ～280m²/kg ，因此要分别粉磨。也可先对难磨的矿渣进行预粉磨，再与熟料共同粉磨，但效果不如分别粉磨好。

　　③在预拌混凝土时加入磨细矿物掺合料，改善胶凝材料（或水泥）的颗粒级配。在预拌混凝土生产中，已广泛采用掺矿物掺合料的技术，主要是为了节约水泥、降低成本和提高混凝土的耐久性。但对掺矿物掺合料改善水泥颗粒级配、减少混凝土拌合物单方用水量和提高和易性的认识还不足。要改善水泥的级配，矿物掺合料的粒径必须比水泥的粒径小，最好为水泥粒径的0.414倍或更小。就目前所常用的矿物掺合料来看，矿渣粉的比表面积最好在450m²/kg 或45μm 筛余小于12%。否则不易达到改善水泥颗粒级配的目的。