引言 水泥顆粒的大小與形狀已經成為生產商和使用商關注的水泥質量的內容之一。人們曾經以為水泥細度是水泥早強的關鍵，而科學研究認為，提高水泥早強不一定要走細磨道路，可以通過調整水泥顆粒分布達到最佳堆積密度，適當加入高效分散劑降低水膠比，使膠體中水泥顆粒靠得更緊密，同樣可以配制出高早期強度和高密實性的混凝土。 在追求水泥細度的過程中，人們很容易發現，高細度會加大能耗、鋼耗，會使用更多地助磨劑、減水劑。既然水泥顆粒分布的控制可以實現水泥早強提高的要求，水泥制造商必然會從成本和質量的角度出發，把精力放到顆粒分布的控制上來。 本文從水泥粒度控制理論依據出發，談談水泥粒度分析技術的發展趨勢。 1水泥粒度控制的理論 關于水泥質量的控制,我國較多的水泥企業采用控制80µm 篩余和比表面積來實現，但實踐證明，這些方法對于控制水泥性能和充分發揮水泥各組分的作用是遠遠不夠的。細度（80µm 篩余）和勃氏比表面積只能部分的體現水泥的顆粒情況，無法完全了解水泥顆粒的分布。眾所周知，即使篩分細度相同或比表面積相近，水泥的性能有時也會表現出較大的差異，其原因是粒度分布可能不同（當然，顆粒形狀的因素也很重要）。勃氏透氣法比表面積實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。激光計算比表面積值比較細致地考慮了顆粒形狀和細度且與顆粒堆積狀況無關，與水泥使用過程中強度的發揮對應性可能會更好。激光粒度儀能夠得出水泥行業原來無法測量的粒度分布，建立起粒度分布與強度的關系。 國內外水泥性能研究人員的研究認為，水泥顆粒大小對水化過程有著直接的影響，不同粒徑的水泥水化速度及水化程度差異很大。水泥中0~30µm 的顆粒對強度起主要作用，其中0~10µm 部分早期強度高，10~30µm 部分后期強度高。3~30µm 這部分顆粒含量越多，水泥質量越好。粉磨過程中，不能完全消除>32µm 的顆粒（但應盡量減少>60µm 的顆粒），同時又必然產生<3µm 的顆粒。最佳水泥顆粒級配是：3~32µm 的顆粒含量>65%，<3µm 的顆粒含量在10%左右。在適當的條件下，提高這一階段的含量，就可達到提高強度的目的。 通過對粉磨方法及粉磨工藝的研究可知，調節選粉機產品的粒度分布可以提高水泥的強度，而不一定要由提高粉磨細度來實現這個目的。這些研究成果已經被很多從事水泥粉磨的技術人員和提供水泥粉磨咨詢服務的公司所認可。在國內的幾家水泥技術雜志的廣告上，不少的從事粉磨服務的公司都在倡導這一技術思想。 2 推廣水泥粒度測試方法的現狀 在水泥質量控制觀念發生變化以后，粒度測試漸漸進入水泥企業的實驗室。除了國外知名品牌的粒度測試儀器涌入我國以外，用于水泥粒度的國產測試儀也多了起來。幾年前，粒度測試在我國水泥行業的較高層次上也已引起一定的重視，2006年5月發布的建材行業推薦性標準《水泥顆粒級配測定方法――激光法》就足以說明。 這種觀念的改變并非我們想像的那么快。目前粒度測試儀器在水泥生產企業的普及率還處于較低水平（2007年，在中國國際峰會上，張福根、曾學敏等認為粒度測試儀器在水泥企業的普及率只達到2%）。筆者認為其根本原因有二：一是國家的強制性標準只對細度作了規定，而粒度只是推薦性標準；二是廣大的水泥生產企業及行業主管部門，對粒度測試還不夠重視，沒有真正理解粒度控制在水泥質量的提高和生產能耗降低方面的作用。 3 常見的粒度測試儀器 常見的粒度測試儀器有：激光粒度儀、沉降粒度儀、電阻法顆粒計數器、顆粒圖像儀以及動態光散射儀等。其中動態光散射儀的測量范圍主要在亞微米和納米級，顯然不適合水泥的測量；沉降儀、電阻法計數器和圖像儀的測量范圍雖然主要在微米級，但它們的動態范圍不夠。所謂動態范圍就是粒度儀器在一個量程內能測量的最大與最小粒徑之比。前述三種儀器的動態范圍均在20:1左右，而一個水泥樣品的粒度分布范圍大約在100:1左右，所以這三種儀器難以滿足水泥的粒度測試需要。在上世紀七、八十年代，我國水泥行業嘗試過推廣沉降天平，最終沒有成功。原因有很多，其中原理性的原因就是動態范圍不夠。激光粒度儀適合測量水泥的粒度分布，首先因為其動態范圍可以達到1000:1以上，大于水泥的粒度分布范圍；其次它在樣品分散方式上還可用空氣作為介質（干法分散），做到了既方便又低成本。用激光法進行水泥粒度分布測量的突出優點是速度快，操作簡便，重復性好。激光法是國內外水泥行業首選的一種新的粒度分布測定方法。 4 水泥粒度分析技術的發展趨勢 對于那些明白水泥粒度分布（顆粒級配）對水泥強度、混凝土性能的影響及其帶來方方面面效益的企業，在實驗室改造和新線建設時就很重視粒度測試儀器的配置。 激光法用于水泥粒度測試常見的形式有離線測定和在線測定，在線測定因能提供比人工取樣的實驗室測量結果更為精確而連續的數據而成為發展趨勢。最為先進的自動化在線測定已經在豪西蒙（Holcim ）的Obourg公司使用。 4.1在線測定水泥粒度的案例 上海聯合水泥有限公司在做了一段時間的調查后，選用了英國Malvern 公司的Insitec 在線粒度監控系統來在線監控水泥的粒徑分布。因為Insitec 系統能自動監控質量，提供連續的數據，使實時生產優化成為可能。生產優化是終極目標，通過生產監控來決定哪些參數需要優化，如何進行優化。 在使用Insitec 以前，每小時測量比表面積和80µm 篩余1 次。但上海聯合水泥有限公司發現，有時人工比表面積并不能及時地反映粉磨系統操作狀態的變化。有時生產很平穩，人工比表面積值卻波動較大，有時生產已出現較大波動，人工比表面積值卻沒有什么變化。 上海聯合水泥有限公司安裝新的Insitec 在線分析系統的目的是，在線監控水泥的粒徑分布，及時調整選粉機的轉速，通過對水泥在線粒徑分布的更佳控制來提高對水泥質量的控制力度。 Insitec 在線分析系統的工作過程是：使用一種可調速的螺旋取樣器將樣品取出，調節螺旋取樣器轉速以確保收集到足夠的樣品給下一級取樣系統。利用Eductor，次級取樣系統每小時取樣量可達20kg。Eductor通過陶瓷管吸入樣品并將其輸送到流動池做激光衍射粒徑測量。當顆粒通過激光光束時，前散射光被接收鏡接收并聚焦到圓環孔環形檢測器，被高速掃描、記錄和數字化，用于連續實時分析。測量結束（瞬時測量）后，樣品通過有陶瓷內襯的回料管回到水泥主管路中去，避免損失和泄漏。 在線設備的主要優點是它提供閉合回路并使用根據粒徑分布計算而得的關鍵參數去自動控制選粉機的可能性。Insitec 系統每秒測量一次，但我們選擇30 秒鐘的平均值來控制選粉機。 利用選粉機速度微調的性能，可以對選粉機的轉速做細微的改變，操作人員坐在中央控制室，幾秒鐘之后就可以看到水泥的粒度是如何隨著選粉機轉速的變化而變化以及變化大小，好像一臺實驗室儀器搬到了現場。而目前現有的實驗室測量粒徑和比表面積儀器，由于取樣的局限性，不能及時、真實的反應生產線上的實際情況。在線水泥細度監控使操作員能將水泥細度控制在更窄的范圍內。 上海聯合水泥有限公司使用Insitec 系統后認為：（1）在線監控3-32µm 的百分比，能更好的控制水泥的顆粒級配；（2）實驗室每天的工作量減少22 次；（3）實驗室每天只需測試一次一天平均細度值，來驗證細度在設定范圍；（4）水泥細度標準偏差更小，早期強度和后期強度更穩定；（5）生產的水泥具有比表面積值偏差更小，顆粒級配更加合理，分散性更好，早強高，后期增進好，質量更穩定等特性，更加具有競爭力。 4.2 自動化在線測定水泥粒度的案例 由于水泥生產商致力于降低日常運營相關成本，建立自動化實驗室成為日漸興起的趨勢。完全自動化可以使分析過程與日常操作更緊密地集合在一起，從而提高了對業務需求的響應。此外，分析變成了生產過程中不可或缺的一部分而不是服務設施，其坐落位置通常會更接近實際生產線。 據國外某水泥專業媒體報道， Holcim的Obourg(比利時)水泥廠進行了化驗室改造，使其能夠進行日常水泥成分和粒徑分析的自動化實驗室。所選用的顆粒表征的系統是來自馬爾文儀器公司的Insitic ALISS，它能夠滿足以最少的維護工作實現連續操作的需求。 Holcim是世界頂尖的水泥和混凝土供應商之一，業務遍及全球70多個國家。比利時的Obourg工廠每年生產約160萬砘水泥，產品分為十個不同的級別。由于水泥質量主要取決于化學成分和細度，因此成分分析和顆粒大小測量是日常操作所需的常規功能。 Obourg工廠對礦渣、石膏、無水硫酸鈣、粉煤灰及高爐礦渣的混合物進行研磨，制造成相應的顆粒大小，用以生產各種不同級別的水泥。顆粒大小很重要，因為它決定了在進行水化時水泥的活性，從而會直接影響抗壓強度，這是水泥用戶非常關心的參數。 在生產地，用兩臺獨立的球磨機生產水泥。這兩臺球磨機的下游均具有分級機和收塵器，用以從磨粉機出口物質獲取最終產品，并將粗料回收取到磨粉機。對各種成分的進料速率會被進行控制，以獲得理想化學成分的產品，同時結合研磨機和各種分級機來控制顆粒大小。 在安裝自動化實驗室之前，X-射線熒光光譜分析（XRF）、X-射線衍射分析（XRD）及粒徑分析儀在離生產流水線一定距離和集中地進行分析試驗。取樣、傳輸、制備和后續分析會自動執行，但設備會逐漸老化，而且需要每天進行清潔/維護。實驗室和生產流水線間的距離很近，因而并不適合進行樣品運送。兩年前，工廠決定通過設計、安裝自動化實驗室對已有的設施進行升級，以滿足日常分析對成分和粒徑要求。 新設備的安裝為Obourg團隊提供了一次機會，讓他們能夠解決現有系統中存在的問題，并設計一個實驗室以滿足用最少的手動輸入獲得相同分析結果的發展需求。對于新安裝的儀器，關鍵要求是幾乎不需要清潔、或清潔工作全部自動化，高可靠性以及能夠在少量維護的情況下全天候運行的能力。隨著控制自動化程度的提高，日常操作和數據傳輸與現有控制平臺的集成也變得很重要。 Holcim的自動化實驗室是一間接近主控制區域的專用房間；白天由一個人負責運行，正常工作時間以外基本上無需值守。實驗室的中心位置有一個機器人，用以對樣品進行分配，在樣本制備和分析過程中運送樣品，并在測量后清洗樣品罐。機器人周圍是相連的操作單元：樣品接收區；兩臺磨機和一臺碾壓機用于為XRD和XRF制備樣品；兩臺傳送裝置，用于將數據磁盤運送到相關的分析儀；以及用于測量細度的Insitec ALISS。 Insitec ALISS使用激光衍射技術測量顆粒大小，該技術已為水泥及其它行業所公認。在Obourg，使用激光衍射分析技術已經很多年——馬爾文的Mastersizer是一套很有用的實驗室設備。為自動化實驗室選擇分析儀時，Holcim從馬爾文得到的技術支持和Goffin Meyvis（Holcim公司在比利時的供應商）的經驗起到了重要作用。這兩家公司總是提供的非常模范的服務，Holcim團隊深知在遇到任何有關新實驗室的問題時，他們可以信賴這一點。此外，以前使用其它馬爾文系統的體驗也讓他們信心倍增。 最新開發的Insitec ALISS是一款現場粒徑分析儀，為手動或全自動分析而設計，為技能相對不熟練的人員在生產工藝環境中操作。它設計穩健，不受周圍環境中的粉塵和振動的影響，且易于使用——只要簡單裝載樣品并啟動分析過程即可?？梢暂p松地設定數據顯示以滿足用戶的需求，而且擁有技術完善的軟件包，能夠直接與現有控制平臺進行通信。 Insitec ALISS提供了大量對于Holcim自動化實驗室水泥應用特別重要的功能。包括：抗磨損的陶瓷內襯部件；可以防止產品積累積聚從而降低清潔要求的高光潔表面；快速的測量時間，少于一分鐘。不需要進行樣本制備，只要機械臂將樣品直接倒入分析儀，因此只要使用鄰近的空氣噴嘴清潔即可。數據結果傳輸到控制系統，以便于自動或手動控制研磨過程。 從兩條磨粉機流水線出口處獲得的樣品，每隔一小時會被定期送入自動化實驗室。通常每隔12min從最終產品傳送裝置上進行一次取樣用于分析。這樣可以得到前一小時的平均樣本，而不是生產工藝的瞬間表現。如果有必要，可加快取樣，以便能夠收集到點樣。然而，對于日常操作，通過一個小時內收集和混合的樣品能生成更具代表性的數據。樣品被放在密閉容器中，通過氣動線路傳送到自動化實驗室，在這里將其等分并進行分析。250g樣品中的80g用于顆粒大小測量，其余部分則用于其它分析，并用作24h的組合樣品來進行分析日常平均結果。 傳輸至Windows CC控制系統的數據會將信息傳送至操作員，用于對工藝進行控制。主要參數是直徑小于10µm、22 µm和32 µm樣品的百分比，如有需要，也可以對其它參數進行報告，包括比表面積。 對于每一級別的水泥，Holcim建立了相應的控制模型，對怎樣根據次優或超出規格的粒徑測量結果更改不同工藝變量進行了描述。這些經驗模型是在安裝了Insitec ALISS之后，利用該新型分析儀測量的數據而建立的。根據這些模型，控制系統可以控制磨粉機進料速率、分級機速度和過濾器的氣體流速，以確保粒徑不會超標。這一自動化控制由操作員密切監控，而且在必要時可以輕松予以干預。 自動化實驗室滿足了項目的簡化要求，只需要很少的手動干預便可全天候運行。維護工作，特別是清潔過程，與原先的裝置相比減少了繁重的步驟，而且與控制系統的通信也更容易。 5結束語 隨著我國水泥工業產業結構調整的不斷深入，水泥工作者的節能視線必然會從主機工藝轉向生產細節。精細管理將是水泥企業立于不敗之地的制勝法寶。在線顆粒大小分析必然成為精細管理的一環。水泥行業甚至會越來越普遍地將在線顆粒大小分析與全自動化控制相結合，使用自動化現場分析也能夠獲得良好的控制能力。自動化實驗室讓分析過程更接近生產，并最大程度地減少了日常分析所需的人力。該項技術已經發展到能夠以最少的人工輸入工作量實現全自動化實驗室全天候的測量。分析系統（例如Insitec ALISS）設計為可在工藝環境中運行，并與現有控制平臺集成，促進了使用測量數據進行自動化控制的策略。在Holcim的水泥廠的應用表明方法非常有效，并且說明了從傳統實驗室轉型工藝集中分析方法之后，水泥企業將獲益更多。 |
