1、水泥顆粒特性及其基本要求 

　　水泥顆粒特性包括有細(xì)度、顆粒級(jí)配及顆粒形貌等。 

　　通常評(píng)判水泥細(xì)度僅通過(guò)篩余或比表面積測(cè)定，如0.08 mm方孔篩篩余不超過(guò)10%，或比表面積在300 m2/kg左右。人們還注意到水泥比表面積與強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，如425號(hào)水泥比表面積一般為260～300 m2/kg，而525號(hào)水泥比表面積則要求達(dá)到300～340 m2/kg。 

　　但即使是篩余相同或比表面積相近，水泥的性能也會(huì)表現(xiàn)出較大的差異，原因是由于顆粒粒級(jí)和形貌不同所致。 

　　水泥顆粒大小與水化和硬化過(guò)程有著直接的聯(lián)系。不同粒徑的水泥水化速度及程序差異很大。大于60 μm的顆粒對(duì)水泥水化及強(qiáng)度的作用甚微，僅起填料作用；而小于3 μm的顆粒的水化速度很快，在漿體硬化之前即已完成，所以僅對(duì)早期強(qiáng)度有利；3～30 μm的顆粒則是擔(dān)負(fù)強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要粒級(jí)。另一方面，水泥顆粒粒級(jí)和形貌對(duì)水泥的性能，如流動(dòng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量及強(qiáng)度的發(fā)展也有一些影響。 

　　水泥的水化及強(qiáng)度的發(fā)展與水化產(chǎn)物的數(shù)量有關(guān)，水化產(chǎn)物越多，水泥強(qiáng)度越高。在同一比表面積條件下，水泥顆粒粒級(jí)分布可能較寬，也可能較窄。前者的水化特性是水泥早期有微小顆粒的水化作用，強(qiáng)度較高，但后期大顆粒水化速度慢、水化程度低，強(qiáng)度增進(jìn)率也較??；后者的水化特征是水泥在3～28 d內(nèi)都有較高的強(qiáng)度增進(jìn)率。兩種水泥的基本性能對(duì)比如表1所示。 

表1　不同水泥顆粒分布及性能測(cè)定 

　　由表1可見(jiàn)，盡管水泥具有基本相同的比表面積，由于試樣2水泥顆粒分布較窄，水泥的水化程度高，強(qiáng)度也較高，尤其是水泥的后期強(qiáng)度增進(jìn)率較高，28 d 強(qiáng)度比試樣1高出10%。但是，過(guò)窄的顆粒分布會(huì)使水泥流動(dòng)性下降，需水量增加。 

　　水泥顆粒形貌對(duì)水泥性能的影響較為復(fù)雜。表2中試樣3水泥顆粒大多為多角形，試樣4所顯示的則為近似圓形或橢圓形。用顆粒形貌分析儀進(jìn)行分析，并通過(guò)圓形度(具有與顆粒相等投影面積的圓周長(zhǎng)與實(shí)際顆粒投影周長(zhǎng)之比)公式計(jì)算，得到前者圓形度為47%，后者的圓形度為73%。兩組樣品的性能測(cè)試如表2所示。  

表2　具有不同顆粒形貌的試樣性能對(duì)比 

　　由表2可見(jiàn)，在相同比表面積及相同顆粒分布均勻性系數(shù)條件下，圓形度低的試樣早期強(qiáng)度較高，但后期強(qiáng)度不及圓形度高的試樣。另外，圓形度低的試樣有較高的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。 

　　水泥強(qiáng)度的產(chǎn)生主要是由于水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間相互連生、搭接，進(jìn)而可以抵抗外力的作用。水泥顆粒的圓形度低，多角形顆粒多，有助于顆粒之間的搭接，從而可提高其強(qiáng)度。但另一方面，水泥中的多角形顆粒多，顆粒間的摩擦阻力大，達(dá)到一定的流動(dòng)度就需要多加水，即導(dǎo)致了水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的增加，這就會(huì)降低水泥強(qiáng)度并影響水泥的其他性能。  

　　2、水泥粉磨工藝的改進(jìn) 

　　水泥粉磨可在球磨、立磨或擠壓磨中進(jìn)行，但其產(chǎn)品顆粒特性都應(yīng)滿足一些基本要求，這就是有一定量的細(xì)粉顆粒，如3～30 μm顆粒在50%以上，有相對(duì)較窄的顆粒分布和較高的圓度系數(shù)，進(jìn)而保證水泥的正常性能以及較高的粉磨效率。為此，水泥粉磨工藝也產(chǎn)生了許多改進(jìn)。 

　　2.1、球磨機(jī)系統(tǒng)的水泥粉磨 

　　在球磨機(jī)中，水泥熟料受到長(zhǎng)時(shí)間的沖擊、研磨作用，因而有較高的顆粒圓形度和較高的細(xì)粉含量，故水泥有正常的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量及較高的強(qiáng)度。但對(duì)于一些小型球磨機(jī)，由于沖擊作用小以及過(guò)粉磨現(xiàn)象嚴(yán)重，使水泥顆粒分布相當(dāng)寬，即3～30 μm顆粒含量較高，因而影響到強(qiáng)度的發(fā)展。 

　　近年來(lái)發(fā)展的一種新型渦旋組合選粉機(jī)可以有助于水泥顆粒特性的改善，并顯著地降低粉磨電耗。 

　　該新型渦旋選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是：物料從進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)體上部分級(jí)室內(nèi)，落在旋轉(zhuǎn)葉輪的均料板上而得到初步分散。隨后物料隨渦旋氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分級(jí)，細(xì)粉隨上升氣流經(jīng)葉輪內(nèi)側(cè)從出風(fēng)管排出，由旋風(fēng)收塵裝置捕集。較粗粉料及尚未分離的粉料落入下部?jī)?nèi)錐體，與下出口外的螺槳撒料盤相遇，在葉片及輔助風(fēng)葉的作用下又得到進(jìn)一步分離。細(xì)粉隨氣流上升，粗粉料落入下部機(jī)體蝸殼內(nèi)，并與切向進(jìn)入機(jī)體的旋轉(zhuǎn)氣流相遇，再次得到分離，最終粗顆粒經(jīng)出料口卸出。

圖1　新型渦旋選粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意 

　　該設(shè)備的特點(diǎn)包括： 

　　(1)選粉室的布置更為合理。物料在選粉室內(nèi)經(jīng)慣性力、重力及渦旋流的多次分散分級(jí)，使粗細(xì)顆粒得到充分分離。其空間尺寸選擇較為合理，使選粉效率顯著提高，能耗下降。 
　　(2)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)。由于選粉機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速及小風(fēng)葉和輔助風(fēng)葉的數(shù)目、角度均可調(diào)節(jié)，可使系統(tǒng)參數(shù)匹配達(dá)到理想的狀態(tài)，產(chǎn)品粒度易于調(diào)節(jié)。 
　　(3)采用了特殊設(shè)計(jì)的葉輪轉(zhuǎn)子裝置。葉輪轉(zhuǎn)子及螺槳二次撒料裝置串聯(lián)在一根軸上，并增加浮動(dòng)支承。葉輪與可調(diào)節(jié)角度的導(dǎo)風(fēng)葉片相配合，可適應(yīng)多種工況需求，葉輪與導(dǎo)風(fēng)葉片構(gòu)成了較理想的選粉空間，在上升旋流作用下，使粗細(xì)顆粒得到充分分離。由于選粉區(qū)內(nèi)物料均勻地分撒分級(jí)，且停留時(shí)間較長(zhǎng)，使選粉效率大大提高。 
　　(4)采用改進(jìn)的旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)。旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)緊湊，并增大了進(jìn)風(fēng)渦旋角，延長(zhǎng)了含塵氣流在旋風(fēng)筒內(nèi)的停留時(shí)間，從而提高了細(xì)粉收集量。 

　　標(biāo)定數(shù)據(jù)表明，采用該選粉機(jī)可提高選粉效率20%～30%，單產(chǎn)能耗下降12%～15%，水泥中小于30 μm的細(xì)粉含量增加10%，水泥顆粒分布更為合理，強(qiáng)度增加3～5 MPa。 

　　2.2、立磨和擠壓磨系統(tǒng)的水泥粉磨 

　　立磨是借肋相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨輥和磨盤裝置來(lái)粉磨物料的，立磨中的粉磨過(guò)程是物料被拽入并被磨輥和磨盤夾住，由于壓力集中在較大的顆粒上，它們最先受到擠壓作用并被破碎，隨后由磨輥施加的壓力被傳遞到較小的顆粒上，進(jìn)行較小顆粒的粉碎，這一過(guò)程連續(xù)進(jìn)行直到磨輥與磨盤間的最窄處，并伴隨有表面積的增加。與此同時(shí)，在有重載荷下的單一顆粒將進(jìn)行空間位置重排，產(chǎn)生的擠壓和剪切作用將進(jìn)一步提高粉磨效果，增加細(xì)粉顆粒含量，磨輥與磨盤之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也有助于這一作用。 

　　水泥立磨粉磨的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于產(chǎn)品的細(xì)度。在應(yīng)用立磨粉磨水泥的初期則發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品細(xì)顆粒較少，水泥早期強(qiáng)度低，并出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。有關(guān)研究通過(guò)下列措施進(jìn)行了改進(jìn)，完善了立磨水泥粉磨工藝。這包括：①改變磨輥和磨盤的外型，增大切向擠壓力或增加摩擦力，并以此提高產(chǎn)品細(xì)度(圖2)，磨輥在設(shè)計(jì)中有以下關(guān)系：b2＞b1，Rv1＞Rv2，M為磨輥與磨盤相對(duì)滑動(dòng)速度為零的點(diǎn)。由于M點(diǎn)向磨盤中心的區(qū)域相對(duì)滑動(dòng)速度較小，物料的主要粉磨形式為擠壓粉磨，所以叫擠壓粉磨區(qū)。M點(diǎn)向磨盤外緣的區(qū)域相對(duì)滑動(dòng)速度較大，物料除受擠壓粉磨外，還受到較大的摩擦粉磨，所以叫摩擦粉磨區(qū)。進(jìn)入磨內(nèi)的物料首先在擠壓粉磨區(qū)進(jìn)行粗磨，然后在摩擦粉磨區(qū)進(jìn)行細(xì)磨，以達(dá)到所要求的細(xì)度。②通過(guò)物料磨外循環(huán)、風(fēng)量控制和采用高效選粉設(shè)備相配合的工藝，對(duì)被擠壓粉碎的物料進(jìn)行精選，以保證產(chǎn)品的合格顆粒級(jí)配。所謂磨外循環(huán)即讓一部分粗物料從磨盤邊緣落下，排出機(jī)外，再由提升機(jī)提升入磨，這就使系統(tǒng)風(fēng)量減小，細(xì)粉塵濃度增加，為細(xì)選粉創(chuàng)造了條件，再加上高效選粉機(jī)的應(yīng)用，可以使水泥立磨粉磨達(dá)到水泥成品的細(xì)度要求，并有較好的顆粒特性。表3列出了有關(guān)水泥的性能對(duì)比。 

表3　水泥立磨粉磨和球磨粉磨性能對(duì)比 

圖2　立磨磨盤與磨輥形狀及相對(duì)速度圖 

　　擠壓磨與立磨有所不同，它是由一對(duì)相向運(yùn)動(dòng)的磨輥來(lái)粉磨物料的。其粉磨過(guò)程是在兩磨輥的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，物料被帶入兩輥之間，首先是較大的顆粒被擠壓粉碎，隨著物料向下移動(dòng)，受壓愈大，料層密度不斷增大，較小顆粒也得到粉碎，直至兩輥間的最窄處，物料以料餅的形式卸出。 

　　立磨和擠壓磨的粉磨過(guò)程有以下幾個(gè)區(qū)別：①立磨對(duì)物料擠壓進(jìn)行了雙向限制，而擠壓磨則采用三向限制(磨輥兩側(cè)裝有擋板)，在后一種情況下粉磨能量利用率相對(duì)較高；②擠壓磨對(duì)物料施加的壓力主要為正壓力，立磨除施加正壓力外，還伴隨有研磨作用，這不僅可增加細(xì)顆粒含量，還可以改善顆粒形貌；③在立磨系統(tǒng)中物料可在磨盤上多次受壓，并可通過(guò)內(nèi)部循環(huán)重新回落到磨盤上被粉磨，而擠壓磨中物料僅通過(guò)磨輥擠壓一次。由于這些情況立磨和擠壓磨粉磨的水泥產(chǎn)品有顯著不同。這些包括：擠壓磨粉磨產(chǎn)品的細(xì)粉顆粒含量較低，大多集中在20～70 μm間，顆粒圓度系數(shù)一般小于50%，因此水泥水化表現(xiàn)出凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，需水量大及強(qiáng)度低等特性。成功的改進(jìn)措施有擠壓磨與球磨機(jī)相配合以及采用多次循環(huán)粉磨等方案。 

　　擠壓磨可以與球磨配合組成不同的粉磨工藝系統(tǒng)，但相同點(diǎn)都是水泥最終需經(jīng)球磨進(jìn)行粉磨，以獲得正常的顆粒特性，保證水泥的正常水化性能。這種方案的主要缺點(diǎn)是增加了設(shè)備。采用多次循環(huán)粉磨，可實(shí)現(xiàn)水泥的擠壓磨粉磨，如圖3。這種方案充分利用擠壓磨能耗低、效率高的特點(diǎn)，多次循環(huán)，重復(fù)擠壓物料達(dá)到增加成品細(xì)度的目的，其水泥性能如表3所示。但不難理解這種方案必然使得擠壓磨單機(jī)設(shè)備規(guī)格增大，給設(shè)備制造帶來(lái)極大困難，另外，水泥顆粒形貌也不能得到充分的改善。本文作者提出了磨輥“差動(dòng)、異徑”方案，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明這種方案有助于產(chǎn)品中細(xì)粉顆粒含量的提高，并顯著減小物料的循環(huán)量。這無(wú)疑給擠壓磨水泥粉磨開(kāi)辟了一條新的途徑。 

圖3　擠壓磨水泥粉磨系統(tǒng)流程 

　　1—熟料庫(kù)；2—石膏庫(kù)；3—礦渣庫(kù)；4—打散機(jī)； 
　　5—選粉機(jī)；6—水泥泵；7—水泥庫(kù)；8—擠壓磨 

　　3　結(jié)束語(yǔ) 

　　(1)水泥的顆粒特性，包括水泥中3～30 μm顆粒含量，顆粒分布及形貌對(duì)其水化性能及強(qiáng)度的發(fā)展有著重要的影響。水泥中3～30 μm顆粒含量要求在40%以上，并應(yīng)有相對(duì)較窄的顆粒分布，水泥顆粒應(yīng)為圓形或近似圓形。 
　　(2)球磨粉磨的水泥具有較好的顆粒特性，進(jìn)而保證了水泥正常的水化性能。但對(duì)于一些中小型磨機(jī)，由于粉磨能力的不足以及物料流動(dòng)不暢，則產(chǎn)生有很寬的顆粒分布，這對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展并不有利。采用高效選粉機(jī)有助于彌補(bǔ)這一缺陷。 
　　(3)立磨和擠壓磨均可用于水泥粉磨。立磨采用了增加摩擦粉磨力及多次擠壓技術(shù)，使水泥產(chǎn)品顆粒特性滿足了正常水泥性能的要求。擠壓磨中產(chǎn)品顆粒經(jīng)多次循環(huán)粉磨可以達(dá)到一定細(xì)度要求，而“差動(dòng)、異徑”方案的實(shí)施則有助于減小循環(huán)次數(shù)，改善水泥顆粒形貌，使水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)趨于正常。