水泥顆粒講學(xué)

..華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程學(xué)院胡小芳博士第一部分.水泥顆粒及其分析的基本理論緒論什么叫分布、什么叫顆粒分布？測(cè)量水泥顆粒分布的基本方法、當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要顆粒測(cè)試儀器情況、測(cè)試中存在的問(wèn)題、選用時(shí)的注意事項(xiàng)顆粒分布測(cè)量數(shù)據(jù)的解析〔變篩孔法水泥顆粒分布的基本特征哪些參數(shù)能較好地描述水泥顆粒的分布特征當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的顆粒分布特征測(cè)量〔細(xì)度和比表面的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題顆粒球形化：水泥球形化顆粒形成的途徑及其意義<顯微照片,比較康必丹、XX老線、φ2.2磨機(jī)、φ1.83磨機(jī)顆粒的區(qū)別>水泥粉體流動(dòng)性的測(cè)量與意義〔以華工顆粒稿件為主,水泥及其相關(guān)物料的流動(dòng)性與散裝設(shè)備、料倉(cāng)結(jié)拱等方面的關(guān)系Ⅱ.水泥顆粒分析的應(yīng)用理想的水泥顆粒分布應(yīng)該是什么樣的？什么叫窄分布水泥,性能如何？如何生產(chǎn)？利用水泥顆粒分布數(shù)據(jù)尋求經(jīng)濟(jì)效益的途徑水泥越細(xì)越好嗎？〔給出細(xì)度同但De等不同的例證？為什么有的比表面低的水泥的強(qiáng)度高于某些比表面高的水泥？用顆粒分布特征參數(shù)進(jìn)行磨機(jī)生產(chǎn)控制的探索南方某大型水泥廠45微米篩余物的分析45微米篩余物的X衍射分析45微米篩余物的化學(xué)全分析討論[注]0.08mm=80μ,0.045mm=45μ第一部分.水泥顆粒分析的基本理論1.緒論水泥行業(yè)歷來(lái)十分關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量和粉磨工序的效率。但以往更多的工作集中在水泥的物理化學(xué)性質(zhì)方面,在提高磨機(jī)產(chǎn)量的各種努力中,也并為包含水泥顆粒分布方面的考慮。對(duì)于水泥顆粒集合體〔水泥粉體的幾何形態(tài)性質(zhì)〔粉體粒子的大小、分布、粒子形狀以及堆積狀態(tài)等和粉體的力學(xué)性質(zhì)〔靜力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì),包括粉體的休止角、流動(dòng)性等等方面的問(wèn)題,因測(cè)試技術(shù)等原因而關(guān)注不多。水泥的顆粒測(cè)試是一個(gè)難題。例如清華大學(xué)粉體同時(shí)擁有激光粒度儀、計(jì)算機(jī)化的沉降粒度儀和圖像法粒度儀,但我們?cè)谀抢飬s從不用來(lái)測(cè)試水泥顆粒分布,因?yàn)槎疾荒鼙ＷC測(cè)量的可靠性,至少是無(wú)法實(shí)現(xiàn)同一儀器和同一樣品的測(cè)試重復(fù)性。水泥行業(yè)研究機(jī)構(gòu)普偏使用沉降天平,其測(cè)試的重復(fù)性更加沒(méi)有保障。直到最近幾年,國(guó)產(chǎn)顆粒測(cè)試設(shè)備有了一些進(jìn)步,同一儀器對(duì)同一樣品在一定條件下有了測(cè)試上的重復(fù)性,這才形成進(jìn)一步討論的基礎(chǔ)。事實(shí)上,國(guó)外在這方面的工作已經(jīng)產(chǎn)生了積極的結(jié)果,例如斯密斯公司向珠江水泥廠和XX水泥廠提供的康必丹磨機(jī)系統(tǒng)、XX華潤(rùn)粉磨系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子選粉機(jī)等,就充分體現(xiàn)了水泥顆粒分析的成就。擁有康必丹磨機(jī)系統(tǒng)的XX水泥廠仍積極地與我們合作研究水泥顆粒分布,他們亦在改造舊線磨機(jī)方面取得了成績(jī)。他們的水泥質(zhì)量很好,但在降低粉磨耗電方面人有很多工作要作。我們最近幾年的水泥粉體研究工作重點(diǎn)很明確,一是通過(guò)各方面的工作提高水泥顆粒分析數(shù)據(jù)的可靠性,二是研究如何用水泥顆粒分析服務(wù)于現(xiàn)有各類磨機(jī),指導(dǎo)國(guó)內(nèi)各種類型的現(xiàn)有磨機(jī)及其選粉機(jī)的配置、調(diào)節(jié)和操作,以提高磨機(jī)產(chǎn)量、降低粉磨消耗、優(yōu)化水泥性能〔包括混凝土性能。初步結(jié)果顯示這方面有巨大的潛力,特別是有可能同步實(shí)現(xiàn)提高磨機(jī)產(chǎn)量和水泥質(zhì)量,如水泥粉磨電耗降低的同時(shí),較大幅度地提高水泥強(qiáng)度并改善混凝土性能。我最近多次前往各廠講學(xué),希望逐步普及這方面的知識(shí),促使水泥企業(yè)關(guān)注磨機(jī)顆粒分布問(wèn)題。如同水泥工藝和設(shè)備的各項(xiàng)進(jìn)展一樣,有超前意識(shí)的廠家應(yīng)善于在這一次的發(fā)展中占得先機(jī)。全面討論水泥顆粒分布及測(cè)試中的各方面的問(wèn)題不一定是在座各位關(guān)心的問(wèn)題。我在這里將圍繞現(xiàn)有磨機(jī)如何分析和應(yīng)用顆粒分析進(jìn)展這個(gè)主題,介紹顆粒分布和測(cè)試方面的基礎(chǔ)知識(shí)和最新的一些工作。雖然仍不可避免地將涉及一些相關(guān)的理論內(nèi)容,但已經(jīng)盡可能地壓縮和簡(jiǎn)化。2.什么叫分布、什么叫粒度分布？分布的嚴(yán)格定義是：隨機(jī)變量的取值范圍和這些值的相應(yīng)概率,稱為隨機(jī)變量的概率分布。這是對(duì)任何隨機(jī)變量最為完善的描述?？梢杂谜龖B(tài)分布密度函數(shù)表示其分布密度函數(shù)的分布稱為正態(tài)分布。工程中的隨機(jī)變量多遵循或近似遵循正態(tài)分布規(guī)律。對(duì)于正態(tài)分布,只要知道標(biāo)準(zhǔn)偏差和數(shù)學(xué)期望,就可以得到隨機(jī)變量出現(xiàn)在指定區(qū)間的概率。水泥企業(yè)的化驗(yàn)室實(shí)際上每天都在與正態(tài)分布打交道,化驗(yàn)室數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差就是正態(tài)分布中的標(biāo)準(zhǔn)偏差。我們用"粒徑"表征單個(gè)顆粒的大小。大量的不同尺度的顆粒則需要用分布的概念來(lái)描述。粒度分布指樣品中各種粒徑的顆粒所占的比例。粒度分布能確切地描述樣品顆粒的粗細(xì)情況。在表示方法方面,粒度分布可以用微分分布、累積分布等表示。其數(shù)據(jù)可列成表格,也可以用曲線表示。設(shè)有15名籃球隊(duì)員,身高如下表：1.71.61.51.81.91.61.61.71.71.72.12.01.71.81.8這樣就是一種分布,是一種列表法表示分布的方式。3.測(cè)量水泥顆粒分布的基本方法與儀器3.1篩分法篩分法是一種古老而又實(shí)用的顆粒分析方法。理論上講,能通過(guò)篩孔的圓球顆粒中,最大顆粒的直徑等于篩孔的直徑。由于通常的篩均為方形孔,同時(shí)水泥顆粒絕大多并非理想圓球,而是不規(guī)則的,情況就變得復(fù)雜了。如果方形篩孔的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),則顆粒某一方向尺度小于或等于L的顆粒均可通過(guò)。此外,方孔對(duì)角線方向的孔徑為L(zhǎng)√2,在某些情況下,大于1.4L的顆粒也將通過(guò)篩孔。所以通過(guò)某一孔徑篩的顆粒直徑當(dāng)介于L和L√2之間。篩分誤差來(lái)源包括篩孔孔徑的大小誤差、操作過(guò)程引入的誤差、顆粒形狀的不可預(yù)見(jiàn)性等等,這些誤差將對(duì)整個(gè)分布形態(tài)產(chǎn)生重要的影響,雖然可以仔細(xì)校正篩孔孔徑、嚴(yán)格控制篩分過(guò)程,但篩分誤差仍較大,一般約在7%～17%之間,套篩誤差尤其顯著。對(duì)于水泥行業(yè),篩分法得到的結(jié)果僅是一個(gè)顆粒分布上限的局部信息,以下將有具體的例子解釋其結(jié)構(gòu)性的缺陷。3.2沉降法沉降法比其他任何測(cè)定粒度的方法都更符合自然情況,因?yàn)闇y(cè)定沉降速度較之沉積物顆粒幾何大小,因此沉降法被認(rèn)為比篩析得到的粒度值更具動(dòng)力學(xué)意義。沉降法的基本原理就是利用顆粒沉降速度來(lái)劃分粒級(jí)分布。沉降分析法目前在所測(cè)特性的顯著性和測(cè)量技術(shù)的精確性等方面還受到某些限制：〔1顆粒的阻力系數(shù)必須由實(shí)驗(yàn)確定,而這又與另一個(gè)重要的變量流體粘度相關(guān)。粘度并不是個(gè)別流體的一種絕對(duì)不變的性質(zhì),它不僅有自己固有的分子之間力,同時(shí)還因溫度和可溶鹽類存在而變化。流體中懸浮物質(zhì)增加,粘度也將增大等等；〔2被測(cè)量顆粒并非球形,測(cè)定出的粒度仍是"等效粒徑",即相當(dāng)于同樣沉速的球的直徑,這種誤差對(duì)于依賴與顆粒沉降過(guò)程的測(cè)試是非常嚴(yán)重的；〔3斯托克斯定律只對(duì)在無(wú)限流體中的單個(gè)顆粒才嚴(yán)格有效。濃度即使低到1％時(shí)也能夠阻礙沉降。沉降測(cè)試實(shí)際上是遠(yuǎn)離這種理想條件的；〔4很小的顆?？偸勤呄蛴谀邸楸苊饽郜F(xiàn)象發(fā)生,常在樣品中加少量的分散劑,而這又產(chǎn)生了新的干擾。由于上述原因,沉降天平等沉降法儀器不能做到這一點(diǎn)故不能用于水泥顆粒測(cè)試,當(dāng)然,沉降法在特定場(chǎng)合有其特定用途,只是儀器已經(jīng)現(xiàn)代化了〔XX儀表研究所、XX百特儀器廠3.3激光法光是一種電磁波。它在傳播過(guò)程中遇到顆粒時(shí),將與之相互作用,其中的一部分將偏離原來(lái)的行進(jìn)方向,稱之為散射,如下圖所示：光的散射現(xiàn)象示意圖當(dāng)顆粒是均勻、各向同性的圓球時(shí),可以根據(jù)Maxwell電磁波方程嚴(yán)格地推算出散射光場(chǎng)的強(qiáng)度分布〔Mie散射理論。該理論原則上適用于任意大小的顆粒,但是對(duì)于略大一些的顆粒,通常采用較為簡(jiǎn)單的Fraunhoff衍射公式描述。某激光粒度儀的工作示意圖：3.4計(jì)算〔軟件法華南理工大學(xué)裝備學(xué)院創(chuàng)立了"兩級(jí)篩余的軟件分析法",在各種分布分析方面獨(dú)樹(shù)一幟。4.顆粒分布測(cè)量數(shù)據(jù)的解讀與水泥顆粒分布的基本特征為了方便水泥行業(yè)理解顆粒測(cè)試數(shù)據(jù),我將顆粒測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)篩余在表示上的差異歸結(jié)為固定篩孔與變篩孔的差異。所謂變篩孔是一種思維方式,設(shè)想有一種篩子,它的篩孔孔徑是可以變動(dòng)的,例如,當(dāng)篩孔變成可以讓38.6%的顆粒留在篩上,則這個(gè)篩孔直徑就定義為"特征粒徑",當(dāng)篩孔變成可以讓10%和90%的顆粒留在篩上時(shí),相應(yīng)篩孔直徑就分別定義為兩個(gè)邊界粒徑D10和D90,有了這種理解,顆粒測(cè)試數(shù)據(jù)的解讀基本上就解決了。例如平均粒徑,可定義當(dāng)篩孔變成可以讓50%的顆粒留在篩上時(shí)的篩孔直徑。當(dāng)然,不同的"平均粒徑"加權(quán)方式,將形成不同的篩孔,除上述D50之外,還有重量加權(quán)平均平均徑D<4,3>、體積加權(quán)平均徑D<3,2>等幾種"平均粒徑"。其中,D<3,2>十分重要,顆粒分析儀的比表面積就是由這個(gè)平均徑計(jì)算出來(lái)的。以下詳細(xì)討論。4.1顆粒分布數(shù)據(jù)的數(shù)字特征一個(gè)樣品的顆粒分析可得到數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù),但只需位置和分布寬度兩個(gè)參數(shù)就能描述其顆粒分布特點(diǎn)。相同的分布寬度并不一定具有相同的顆粒分布,還要依賴某種特征粒徑分布在粒徑軸的位置。位置特征參數(shù)可以是樣品中所有顆粒的粒徑的平均值。根據(jù)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同,計(jì)算平均粒徑時(shí)會(huì)采用不同的加權(quán)方法而得出不同的平均粒徑,例如D<4,3>、D<3,2>等〔以下另行解釋。加權(quán)的概念仍可用上述籃球隊(duì)員身高分布表的例子來(lái)解釋：設(shè)有15籃球隊(duì)員,身高表如下1.71.61.51.81.91.61.61.71.71.72.12.01.71.81.8容易計(jì)算出平均身高為1.75米〔此時(shí)相當(dāng)于全部數(shù)據(jù)的權(quán)重為1。作為籃球隊(duì),這樣的平均身高顯然是偏低。但有代表性的數(shù)據(jù)應(yīng)反映出"身高2.0米以上的隊(duì)員2人"這樣的信息,因此,可將身高2.0米的加權(quán),例如加權(quán)為2,其余數(shù)據(jù)仍保持權(quán)重為1,則平均身高將變?yōu)?.02米。由此例可見(jiàn),加權(quán)突出數(shù)據(jù)某方面特性的一種方式,這一概念對(duì)于顆粒分布數(shù)據(jù)的分析十分重要。以下有關(guān)于平均粒徑加權(quán)的詳細(xì)介紹。離散特征參數(shù)〔分布寬度表征數(shù)據(jù)的分散程度〔參考極差的概念或曰表征樣品粒徑的均勻程度。分布寬則顆粒的粗細(xì)不均勻。一般用一對(duì)邊界粒徑來(lái)表示分布寬度,例如：〔D10,D90。還有一類重要的寬度表征值n、Nx。表1水泥顆粒數(shù)據(jù)實(shí)例粒徑μm微分分布%累積分布%粒徑μm微分分布%累積分布%粒徑μm微分分布%累積分布%0.200.250.501.002.003.007.5010.0012.5015.0017.5020.0022.5023.760.000.000.000.000.180.2910.245.244.556.066.116.035.722.66100.00100.00100.0099.8299.5389.2884.0479.5073.4467.3361.3055.5850.0046.7932.5035.0040.0042.5045.5047.5050.0056.0060.0065.0070.0075.006.134.123.613.285.191.881.941.191.834.713.033.202.712.3142.6639.0536.8030.5928.7126.7725.5823.7419.0316.0012.8010.097.785.8580.0085.0090.0095.00100.00110.00120.00130.00140.00150.00160.00170.00180.00200.001.931.581.270.990.740.870.260.080.050.000.000.000.000.004.262.992.001.260.390.130.050.000.000.000.000.000.000.00對(duì)表1的解釋：第1、4、7列表示粒徑,2、5、8列表示某粒徑與表中上一粒徑范圍內(nèi)水泥顆粒的重量百分比,3、6、9列表示累積分布〔某粒徑的篩余。例如,第4、5、6列的第8行〔陰影線覆蓋部分,表示45.5μm〔上一行至47.5μm之間的顆粒份量占總數(shù)的1.19%,大于47.5μm的顆粒占總數(shù)的23.74%；4.2水泥顆粒分布特征從繁多的激光數(shù)據(jù)中選擇或提取簡(jiǎn)要的特征值作為水泥顆粒分布的定量標(biāo)志,才有可能討論激光數(shù)據(jù)與水泥磨機(jī)操作及水泥質(zhì)量的關(guān)系。一般而言,只要有位置特征和分布寬度即可全面描述顆粒特征,對(duì)于水泥顆粒,還需考慮行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需要的數(shù)據(jù),水泥行業(yè)傳統(tǒng)的和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指定顆粒分布特征,分別是80微米篩余量〔行業(yè)內(nèi)稱為細(xì)度%和勃氏透氣法測(cè)量的比表面積。綜合考慮下,水泥行業(yè)的顆粒分布應(yīng)包含以下一些特征：細(xì)度是一種單參數(shù)顆粒分布的表示方法,復(fù)雜的水泥顆粒分布被簡(jiǎn)化為80微米篩篩上篩下的百分含量,我們說(shuō)"細(xì)度2"即篩上累計(jì)分布為2%〔篩余、大于80微米的顆粒的比例為2%,篩下〔小于80微米的顆粒的比例為98%。表1中水泥細(xì)度=4.26。在上述籃球隊(duì)員身高的例子中,"細(xì)度"的概念基本上相當(dāng)于"有兩人身高>2.0米"這樣一種描述,可見(jiàn)這種描述比較實(shí)用,能反映粉磨中關(guān)注的重要特征,但這是一個(gè)不完整的分布描述,對(duì)于深入一些的改進(jìn)磨機(jī)配置和操作的需求而言比較粗糙。邊界和中位徑D10、D90分別表示10%和90%顆粒的粒徑上限；D50為中位徑,表1中D50=22.50μm,50%的顆粒的粒徑不大于22.50μ；特征粒徑水泥粉磨工藝中常用的特征粒徑<標(biāo)記為De>",是一種單參數(shù)、變孔徑、固定百分比的水泥顆粒分布描述方式,大于這個(gè)孔徑的水泥顆粒的比例固定為36.8%,對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑為特征粒徑〔De,表1中De=32.50μm。以往特征粒徑不容易測(cè)出,故這雖然是水泥粉磨工藝中的關(guān)鍵參數(shù),但水泥企業(yè)對(duì)此并不熟悉。這個(gè)參數(shù)比"細(xì)度"更能反映水泥的總體粗細(xì)程度。從顆粒分析數(shù)據(jù)中可直接讀出De,磨機(jī)操作中控制特征粒徑與細(xì)度等兩個(gè)參數(shù)以成為可能,這可能比單獨(dú)控制細(xì)度更有意義。粒度分布對(duì)稱是,D50與D<4,3>重疊。水泥顆粒呈不對(duì)稱分布,我們觀察到水泥顆粒的D50往往與De重疊,表明水泥顆粒具有以De為軸心的分布特點(diǎn),De的重要性由此可見(jiàn)一斑。平均粒徑不同的加權(quán)方式?jīng)Q定了不同的平均粒徑的定義方法。平均粒徑的通式如下,代表第i粒徑區(qū)間上顆粒的平均粒徑。當(dāng)p=4,q=3時(shí),由于正比于i粒徑區(qū)間上顆粒的總體積〔重量,所以D<4,3>表示粒徑對(duì)體積〔重量的加權(quán)平均,為體積平均粒徑或重量平均粒徑。當(dāng)p=1,q=0時(shí),表示粒徑對(duì)顆粒個(gè)數(shù)的加權(quán)平均,稱為顆粒數(shù)平均粒徑。當(dāng)p=3,q=2時(shí),由于正比于第i粒徑區(qū)間上顆粒的總的表面積,故D<3,2>表示粒徑對(duì)表面積的平均粒徑,稱為表面積平均粒徑。D<3,2>、D<4,3>需另行計(jì)算得出。D<3-30>、D<<3>、D<>45>粒徑為3μm-30μm、<3μm、>45μm顆粒的比例。D<3-30>=99.44%-40.27%=59.17%。原則上這一部分的比例應(yīng)該是越達(dá)越好。但還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的具體的數(shù)值,因?yàn)椴煌C(jī)生產(chǎn)的水泥質(zhì)量往往缺乏可比性。<3μm、>45μm顆粒的比例應(yīng)越小越好。分布寬度關(guān)于水泥顆粒粒度分布模式,一般沿用RRB式來(lái)描述篩余與粒徑的關(guān)系,由于RRB是一種單峰分布模型,而我們測(cè)試的水泥樣品均呈多峰態(tài),無(wú)法獲得一個(gè)單一的n值來(lái)描述分布的寬度。我曾建議用粉體界常用的更簡(jiǎn)單的參數(shù)來(lái)描述水泥顆粒分布寬度：Nx=<D10-D90>/D50,Nx值大則分布寬度小。表1數(shù)據(jù)可求出表1樣品的Nx=2.43。水泥比表面積水泥比表面積是顆粒形狀、細(xì)度等情況的綜合反映,也是水泥顆粒分布的總體特征之一。顆粒分布可測(cè)時(shí),比表面積可按幾何公式直接計(jì)算,然后根據(jù)非球形形狀系數(shù)修正,并除以水泥密度可得重量比表面積計(jì)算值。勃氏透氣法比表面實(shí)際含有顆粒堆積因素,并非真正幾何意義上的顆粒比表面積。測(cè)試法計(jì)算出的比表面值比較細(xì)致地考慮了顆粒形狀和細(xì)度且與顆粒堆積狀況無(wú)關(guān),與水泥使用過(guò)程中強(qiáng)度的發(fā)揮對(duì)應(yīng)性可能會(huì)更好,因此,激光計(jì)算比表面積與水泥強(qiáng)度的關(guān)系、磨機(jī)操作中控制勃氏比表面還是激光計(jì)算比表面更有意義等,均值得研究。第二部分.水泥顆粒分析的應(yīng)用1.理想的水泥顆粒分布應(yīng)該是什么樣的？水泥顆粒分布應(yīng)該是什么樣的？既然不可能將微米尺度的不同粒徑分開(kāi),那么,理想的水泥顆粒分布是如何確定的呢？回答這個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)是兩個(gè)：可靠的顆粒分布測(cè)試、不同大小的水泥顆粒可以分離。到目前為止,只是有條件地、局部地滿足了這兩個(gè)條件。測(cè)試的可靠性暫時(shí)還依賴于一些具體的條件,例如專業(yè)的測(cè)試設(shè)備維護(hù)人員、嚴(yán)格的測(cè)試條件、有可資比較的設(shè)備或樣品或數(shù)據(jù)等等。某些大型的測(cè)試設(shè)備廠商、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)等有可能具備這些條件,一般的水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)可靠的水泥顆粒測(cè)試則有待顆粒測(cè)試設(shè)備進(jìn)一步的完善,特別是簡(jiǎn)化、可靠、經(jīng)濟(jì)。大于45微米的顆粒是可以分離出來(lái)的〔這些被分離出來(lái)的顆粒并非全部是水泥或符合水泥化學(xué)和物相組成的粉體集合,見(jiàn)下文"45微米篩余物X衍射物相分析",小于3微米顆粒的減少也有較多的方法,通過(guò)這樣的一些間接的途徑,各國(guó)水泥粉磨工藝界逐步達(dá)成了一種共識(shí)：顆粒分布窄的水泥〔簡(jiǎn)稱窄分布水泥性能好。當(dāng)然,這是一種簡(jiǎn)化了的說(shuō)法,事實(shí)上,不僅要考慮分布的寬窄,還必須考慮分布在X軸上的位置。例如,有一種"窄分布水泥需水量大"的看法,這實(shí)際上指的是處于X軸偏左部位的窄分布。故如前所述,定義一個(gè)水泥顆粒分布,需要兩個(gè)參數(shù)〔分布寬度和De。所以,我將理想的水泥顆粒分布定義為："De適中的窄分布"；應(yīng)注意的是,水泥顆粒分布只是水泥質(zhì)量的一個(gè)部分,顆粒分布相近的水泥不一定有完全相同的性能,例如不同品種的水泥就有可能有十分相近的顆粒分布。由上述理想分布的定義,可以得出一些有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的結(jié)論：水泥并非越細(xì)越好！水泥的比表面也不是越高越好。甚至,當(dāng)我們?yōu)樘岣咚鄰?qiáng)度而消耗更多的電力和研磨體時(shí),得到的卻可能是相反的效果。以下還有一些稍微具體一些的例子。2.我省當(dāng)前各類水泥磨顆粒分布概況我省的水泥行業(yè)特點(diǎn)是中小企業(yè)比例大,小磨機(jī)多。從現(xiàn)有樣品的45微米篩余和<3微米含量看,過(guò)粉磨現(xiàn)象是最主要的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)一些大型的水泥磨的45微米篩余比省內(nèi)磨機(jī)大一些,<3微米的比例小一些,這表明我省在這個(gè)視點(diǎn)上存在客觀的節(jié)電潛力。當(dāng)然,由于我省混合材資源中粉煤灰的比重較大,<3微米的部分包含了這種因素,不過(guò)這在測(cè)試上是可以解決的〔電鏡能譜法,難度大一些,卻可靠。我省水泥顆粒分布的確切狀況還有待本次會(huì)議之后的集中統(tǒng)一測(cè)試后,才能有比較清晰的了解。然后我們?cè)賮?lái)討論對(duì)策。3.改善水泥顆粒分布的基本方向3.1康必丹磨機(jī)概況Φ4.28×11M,其中二倉(cāng)鍛的直徑很小,約12×12〔53.0噸,10×10〔25.0噸,約5%的入磨物料的粒度>25mm。老的水泥磨機(jī)φ2.58×一般的磨機(jī),降低平均球徑顯然是一個(gè)方向。3.2助磨劑或解聚設(shè)備這是降低<3微米的主要手段。3.3老辦法〔1降低入磨粒度〔降低平均球徑的前提〔2調(diào)節(jié)風(fēng)速、循環(huán)復(fù)合等〔3裝載量、填充率〔4回粉與入磨物料分別粉磨工藝、混合材分別粉磨工藝等,有相當(dāng)成功的比例。但當(dāng)時(shí)促使這些工藝形成的初衷是提高產(chǎn)量降低電耗。顆粒分布的工作的方向與此是一致的?！?消除超細(xì)與粗顆粒部分的工作方向的矛盾,也屬于老辦法的范疇。減少超細(xì)〔0～3微米部分的工作方向與減少粗顆?！?5～65或65微米以上有矛盾,前者要求提高磨內(nèi)物料流速,后者要求降低流速。例如,助磨劑的應(yīng)用往往能提高流速,降低超細(xì)顆粒比例,但有可能跑粗。我們有意與水泥廠合作,尋找流速不高、助磨效率高的助磨劑。為此,我專門發(fā)表了一篇文章,討論如何用流動(dòng)性能比較助磨劑的問(wèn)題。此外,消除超細(xì)顆粒團(tuán)聚的技術(shù)方法也在出現(xiàn)新的進(jìn)展,例如直接消除超細(xì)顆粒因粉磨過(guò)程產(chǎn)生的靜電電荷,可望避免超細(xì)團(tuán)聚,減少過(guò)粉磨現(xiàn)象。4.利用水泥顆粒分布數(shù)據(jù)尋求經(jīng)濟(jì)效益的途徑4.1用顆粒分布特征參數(shù)進(jìn)行磨機(jī)生產(chǎn)控制的探索我們于今年年初提出了新特征參數(shù)控制磨機(jī)的窄分布操作法〔簡(jiǎn)稱新參數(shù)法并申報(bào)了專利。新參數(shù)法希望能對(duì)傳統(tǒng)磨機(jī)操作實(shí)現(xiàn)變革,在各廠現(xiàn)有磨機(jī)系統(tǒng)上,通過(guò)配置和操作上的調(diào)整,同步實(shí)現(xiàn)"提高水泥細(xì)度而不降低產(chǎn)量、提高產(chǎn)量而不降低水泥強(qiáng)度、磨機(jī)高產(chǎn)而水泥更加優(yōu)質(zhì)"的目標(biāo)。實(shí)例："細(xì)度%"與特征粒徑De的對(duì)比。我們?cè)赬X魚峰水泥公司選擇了一臺(tái)磨機(jī),在控制組同步測(cè)試對(duì)該磨機(jī)的細(xì)度%和De,結(jié)果如下圖所示：[附注]：為了將兩條曲線放在一起對(duì)照,原始數(shù)據(jù)已經(jīng)歸一化處理。從上圖可見(jiàn),在這一控制區(qū)間內(nèi),出磨水泥的"細(xì)度%"與特征粒徑De只能說(shuō)趨勢(shì)大體一致,每個(gè)小時(shí)的差異還是比較大的,在試驗(yàn)區(qū)見(jiàn)的第13、25、30、43等點(diǎn)還出現(xiàn)了反方向數(shù)據(jù)。如前文"水泥顆粒特征"所述,De比"細(xì)度%"更好地反映了水泥的整體粗細(xì)狀況,因此,只要De與"細(xì)度%"不一致,就存在用De作磨機(jī)控制參數(shù)的必要,且原則上這樣作是有優(yōu)勢(shì)的。為了在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上正真允許在控制組測(cè)量De,我們開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算機(jī)軟件,可以80微米篩余、45微米篩余和勃氏比表面數(shù)據(jù),計(jì)算分布寬度和De。4.2兩種比表面積數(shù)據(jù)的對(duì)比及節(jié)電潛力估算粉體的比表面積根據(jù)測(cè)試方法不同而有多種含義,例如吸附法測(cè)出的比表面積包含了顆粒表面的凹凸、與表面相通的微孔等在內(nèi)的參與吸附的表面積,這顯然對(duì)吸附過(guò)程的顆粒比表面的測(cè)試有價(jià)值。同理,與水泥顆粒強(qiáng)度發(fā)揮過(guò)程相適應(yīng)的比表面積測(cè)試方法才是最有意義的測(cè)試方法?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用的〔勃氏透氣法以顆粒堆積層透氣率間接推算比表面積,具有測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、易形成固定操作模式等優(yōu)點(diǎn),但分布較寬的顆粒的堆積層透氣率低〔相應(yīng)透氣比表面高、分布窄的透氣率高〔相應(yīng)透氣比表面低,與"比表面積-水泥強(qiáng)度"的關(guān)系是背道而馳。采用更合理的比表面積〔例如激光測(cè)試比表面積同樣有望同步提高水泥磨機(jī)產(chǎn)量和水泥質(zhì)量。水泥比表面積與水泥強(qiáng)度關(guān)系密切,較高的比表面積一般就有比較高的強(qiáng)度。但這種關(guān)系并不十分確定,在有關(guān)條件〔如熟料質(zhì)量、磨機(jī)參數(shù)等基本不變的情況下,比表面積相同的水泥的強(qiáng)度并不一定相同；不同的粉磨系統(tǒng)的水泥比表面積的可比性很差,有些系統(tǒng)的比表面積較大但強(qiáng)度比另一些系統(tǒng)的反而較低?？刂破咭恍┑谋缺砻娣e來(lái)保障水泥強(qiáng)度是水泥企業(yè)常見(jiàn)的做法,這不僅加大了粉磨消耗,而且往往因增加了超細(xì)顆粒份額,反而導(dǎo)致水泥使用性能下降。因此,排除比表面積與強(qiáng)度關(guān)系中的不確定因素,具有降低水泥粉磨消耗并同步提高水泥性能的價(jià)值。使用儀器測(cè)量水泥顆粒分布時(shí),原則上是測(cè)出了每一水泥顆粒的"直徑",故可按比表面積的定義"顆粒表面積/〔顆粒體積×比重"直接計(jì)算水泥比表面積[1]。這種比表面積數(shù)據(jù)為我們提供了一個(gè)與勃氏比表面積比較的對(duì)象和一些可資討論的新線索：〔1勃氏法測(cè)量比表面積時(shí),水泥顆粒呈緊密堆積狀；而在顆粒分布測(cè)量時(shí),水泥顆粒以稀疏的狀態(tài)分散在測(cè)試介質(zhì)〔如水、空氣之中,因此,勃氏比表面積與水泥顆粒堆積狀況有關(guān),分布比表面積則與之無(wú)關(guān)。由于水泥發(fā)揮強(qiáng)度的過(guò)程也與堆積狀況無(wú)關(guān),因此,分布比表面積可能與水泥強(qiáng)度有較好的相關(guān)性；〔2分布比表面積實(shí)際上是按顆粒尺度分段求和所得,這使得我們能夠深入分析水泥強(qiáng)度與不同粒徑區(qū)間比表面積的關(guān)系,這對(duì)勃氏法來(lái)說(shuō)是不可想象的。關(guān)于粗顆粒的強(qiáng)度損失估算可參見(jiàn)"顆粒偏析"。超細(xì)顆粒電耗可作如下估算：水泥粉體中0～3微米顆粒雖然只占11%左右,但這一部分的顆粒的比表面積特別大,若水泥的比表面積為360m2/kg,估算認(rèn)為其中0～3微米顆粒約占110～170m2/kg,這個(gè)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般的想象,意味著強(qiáng)烈的過(guò)粉磨。如果每10m2/kg耗電為1度,則水泥粉磨電耗中約有一半被0～3微米顆粒消耗。按這種計(jì)算,水泥粉磨電耗當(dāng)存在5勃氏比表面積一般比分布比表面積高,特別是分布較寬時(shí)差異比較明顯,聯(lián)系到小型磨機(jī)水泥顆粒分布寬、勃氏比表面積較大但強(qiáng)度低、康必丹等類型的磨機(jī)的水泥分布窄、勃氏比表面積小但強(qiáng)度高的情況,比較可行的解釋是：水泥顆粒分布寬時(shí),較多的顆粒級(jí)配使小顆粒能充分填充大顆粒之間空隙,形成透氣性差的水泥粉體堆積而使勃氏比表面積偏高；相反,分布較窄的水泥則偏低；因此,勃氏比表面積與水泥顆粒分布的相關(guān)性受到了顆粒堆積因素的干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)與水泥強(qiáng)度背道而馳的偏差。這是"氣體透過(guò)堆積層"的原理測(cè)算比表面積的結(jié)構(gòu)性缺陷,無(wú)論條件如何設(shè)置,無(wú)論測(cè)試過(guò)程如何標(biāo)準(zhǔn)化,都無(wú)法解決這種問(wèn)題；在生產(chǎn)實(shí)踐中觀察到的水泥勃氏比表面積下降而強(qiáng)度并不下降的現(xiàn)象〔例如使用助磨劑減少過(guò)粉磨時(shí)、勃氏比表面積高但強(qiáng)度未必高等一些令人困惑的現(xiàn)象因此將不再難以理解了：水泥顆粒分布良好〔較窄時(shí),相應(yīng)的水泥勃氏比表面積不一定很高,在涉及到顆粒分布影響因素時(shí),勃氏比表面積數(shù)據(jù)不一定是正確的,此時(shí)若仍按勃氏比表面積操作水泥磨,不僅無(wú)謂增加粉磨消耗,還有可能因過(guò)粉磨而破壞原本合理的水泥顆粒分布。來(lái)源于D<3,2>的計(jì)算比表面積也存在的問(wèn)題,就是D<3,2>〔約6-16微米的3%的誤差〔儀器不可避免在計(jì)算比表面積時(shí)被放大了數(shù)十倍,使得計(jì)算比表面積的重復(fù)性較差〔今后可以考慮直接控制D<3,2>。4.3顆粒偏析——提高產(chǎn)量質(zhì)量的另一個(gè)線索？在某開(kāi)路磨機(jī)水泥樣品中發(fā)現(xiàn)45微米以上的顆粒比例較大。為此,對(duì)該45微米篩余物進(jìn)行了化學(xué)全分析和X衍射分析〔見(jiàn)下圖。數(shù)據(jù)表明存在顆粒偏析問(wèn)題,45微米篩余物中熟料礦物〔C3S、C2S等偏高,應(yīng)是熟料比其他物料難磨所至。由于粗顆粒熟料的水化相當(dāng)慢〔約2～3個(gè)月,因此這樣偏析結(jié)果是約有14%～18%的熟料〔45微米篩余量?jī)H起到了微集料的作用。我們已經(jīng)對(duì)該廠提出了加強(qiáng)研磨能力、增加研磨區(qū)間的長(zhǎng)度、降低入磨粒度等建議,并將跟蹤該廠磨機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)前后的顆粒偏析、水泥強(qiáng)度等方面的變化。對(duì)于閉路系統(tǒng),顆粒偏析可能會(huì)更加嚴(yán)重。由于不同顆粒的水化速度不一致,顆粒偏析實(shí)際上將使水泥水化時(shí)出現(xiàn)化學(xué)偏析,例如,如果石膏顆粒偏大或偏小,水泥出現(xiàn)急凝或緩凝就不難理解了。對(duì)于強(qiáng)度已經(jīng)比較富裕的水泥,上述工作可為廠方提供多方面的選擇,例如改進(jìn)后顆粒偏析后可增加混合材參入量、適當(dāng)放松水泥細(xì)度控制等。5水泥粉體的流動(dòng)性與顆粒球形化5.1粉體流動(dòng)和噴流隸屬度粉體層受力作用失去平衡時(shí),顆粒之間連續(xù)穩(wěn)定地相對(duì)位移所構(gòu)成粉體層的整體運(yùn)動(dòng)即為粉體的流動(dòng),不連續(xù)非穩(wěn)定地噴射狀相對(duì)位移則稱為噴流。這些運(yùn)動(dòng)形式受粉體各種力學(xué)特性的制約,可用粉體力學(xué)特性測(cè)試儀測(cè)定粉體力學(xué)參數(shù),進(jìn)而分析粉體流動(dòng)和噴流隸屬度,構(gòu)造兩個(gè)隸屬百份數(shù)<稱為流動(dòng)和噴流指數(shù)>,作為評(píng)判粉體流動(dòng)和噴流特性的定量指標(biāo)。5.2粉體力學(xué)測(cè)試原理流動(dòng)和噴流指數(shù)由休止角等九項(xiàng)特性值組成,測(cè)試和意義簡(jiǎn)述如下：休止角α圖1休止角測(cè)量示意參數(shù)意義：粉體堆積層的自由表面在靜平衡下與水平面形成的最大角度。休止角對(duì)粉體的流動(dòng)性影響最大,休止角愈小,粉體的流動(dòng)性愈好；參數(shù)測(cè)量〔圖1：粉體<灰色>自然堆積在托盤<黑色>上,粉體堆邊緣與托盤底部之間的夾角α即為休止角；沒(méi)有專門儀器也可自行簡(jiǎn)易測(cè)量,此時(shí)應(yīng)增加測(cè)量次數(shù),取平均值以保證數(shù)據(jù)的可靠性；本文中凡可簡(jiǎn)易測(cè)量的參數(shù)以右上角#標(biāo)示。崩潰角參數(shù)意義：堆積狀粉體受到震動(dòng)發(fā)生崩潰時(shí)的角度。它直觀地表示了粉體噴流特性,愈小則噴流性愈強(qiáng)；測(cè)量方法：以適當(dāng)力度振動(dòng)托盤〔圖1至粉體發(fā)生崩潰,此時(shí)的角度即為崩潰角；差角參數(shù)意義與測(cè)量方法：休止角與崩潰角之差即為差角。差角愈大,粉體的流動(dòng)性和噴流性愈強(qiáng)；γ圖2.平板角測(cè)量示意平板角參數(shù)意義：該角反映了粉體內(nèi)部顆粒之間的相對(duì)摩擦,其值受顆粒大小和形狀、顆粒之間的附著及空隙率的影響.該角愈小,粉體的流動(dòng)性愈強(qiáng)；平板角在數(shù)值上總是大于休止角；測(cè)量方法〔圖2：將寬度一定的平板從粉體底部垂直向上提起,板上粉體自由表面與平板所成的夾角和受到一定震動(dòng)之后的夾角的平均值γ即為平板角；松容重、實(shí)容重、和壓縮率參數(shù)意義：?jiǎn)挝蝗莘e內(nèi)粉體的重量。它受顆粒形狀和尺寸的均一性、變形能力、表面積和附著水分等因素有關(guān),愈大則粉體的流動(dòng)性愈差；測(cè)量方法：一定容積容器內(nèi)的松散與壓實(shí)填充所算得的容重分別稱為松容重和實(shí)容重,二者之差與實(shí)容重之比為壓縮率；投放點(diǎn)立立.筒柱接盤圖3分散度測(cè)量示意分散度參數(shù)意義：粉體在空氣中分散的難易程度；測(cè)量方法〔圖3：令10g粉體從投放點(diǎn)自由下落,設(shè)落在指定區(qū)間〔立筒下接盤的重量為W,則分散度=〔10-W×10%；均一性系數(shù)參數(shù)意義：以一定的粒度分布判定粉體顆粒均一性的指標(biāo)。它還間接反映了粉體壓縮性對(duì)流動(dòng)性的影響。均一性系數(shù)愈小,顆粒愈均勻,粉體流動(dòng)性愈好。參數(shù)計(jì)算：60%和10%篩余粒徑之比。表中流動(dòng)系數(shù)和噴流系數(shù)按Carr指數(shù)法計(jì)算。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),流動(dòng)指數(shù)大致上是休止角、壓縮度等項(xiàng)指數(shù)的加權(quán)和,噴流性指數(shù)則基本是崩潰角、差角、分散度等項(xiàng)指數(shù)的加權(quán)和。5.3水泥球形化顆粒形成的途徑及其意義<用顯微照片比較康必丹、XX老線、φ2.2磨機(jī)、φ1.83磨機(jī)顆粒的區(qū)別>第三部分.幾點(diǎn)問(wèn)題1.水泥顆粒測(cè)試技術(shù)