火山灰摻量對水泥粉磨電耗的影響

賀孝一，楊偉剛，秦中華

目前國外水泥項(xiàng)目投標(biāo)中，使用火山灰作為水泥混合材的項(xiàng)目較多，而且有些項(xiàng)目所要求的成品水泥中火山灰摻量較大，但是目前我們的計(jì)算方式中還沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，因此在報(bào)價(jià)項(xiàng)目中為了保守起見，磨機(jī)選型或許會(huì)較大，造成浪費(fèi)。所以有必要對這一方面進(jìn)行研究，積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 概述

火山灰對水泥性能的影響，已有很多研究者進(jìn)行了深入研究，這些研究大多集中在水泥或混凝土性能方面，例如強(qiáng)度、需水性等。關(guān)于火山灰摻量對水泥粉磨電耗的影響，國內(nèi)的研究較少，國外D.Touil等[1]研究過火山灰質(zhì)凝灰?guī)r對實(shí)驗(yàn)?zāi)C(jī)粉磨效率的影響，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖中可以得出如下結(jié)論：當(dāng)火山灰摻量為10%，并且成品比表面積＜3500cm2/g左右時(shí)，純硅酸鹽水泥的粉磨電耗與摻火山灰的水泥的粉磨電耗相差較少。因此在10%的火山灰摻量下，選型計(jì)算時(shí)可將火山灰當(dāng)作熟料來計(jì)算。但是如果火山灰摻量達(dá)到20%或者更多時(shí)，其對粉磨電耗的影響又會(huì)怎樣呢？本次試驗(yàn)將補(bǔ)充這一方面的內(nèi)容。

2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 火山灰摻量與粉磨電耗之間的關(guān)系

在工廠粉磨設(shè)備的實(shí)際操作中，水泥粉磨電耗受許多因素（如鋼球級配、磨內(nèi)結(jié)構(gòu)等）的影響，因此想精確地定量分析火山灰摻量對水泥成品粉磨電耗的影響是比較困難的。所以為了簡單方便地弄清楚這一關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行單變量分析，即固定所有參數(shù)，只改變火山灰摻量來探求其對成品水泥粉磨電耗的影響。而粉磨電耗的變化實(shí)際上體現(xiàn)在物料的易磨性、粉磨時(shí)間和比表面積的變化等方面，因此試驗(yàn)中主要研究摻加火山灰后混合料的易磨性、在試驗(yàn)球磨中的粉磨時(shí)間和比表面積的變化規(guī)律，據(jù)此估算火山灰摻量對粉磨電耗的影響。結(jié)合目前有些項(xiàng)目水泥中火山灰摻量達(dá)到35%左右，因此本實(shí)驗(yàn)確定的火山灰在熟料中的摻入量分別為10%、20%、30%、40%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。

3 實(shí)驗(yàn)原料

熟料來自天津振興水泥廠，火山灰來自菲律賓拉法基粉磨站，其化學(xué)成分及粉磨功數(shù)據(jù)見表1。熟料的粉磨功指數(shù)為14.7kWh/t，對于熟料來說，屬中等易磨性;而火山灰的粉磨功指數(shù)為19.0kWh/t，對于火山灰來說，其屬于較難粉磨的物料。從火山灰外觀形貌中可以觀察得出，此種火山灰以小顆粒狀物料為主，其間夾雜大顆粒物料。

表1 熟料及火山灰化學(xué)成分（%）及易磨性

表2 原料經(jīng)破碎后的顆粒分布

表3 不同粉磨時(shí)間的比表面積和T3000

熟料與火山灰經(jīng)過顎式破碎機(jī)破碎后，入試驗(yàn)球磨機(jī)，級配如表2所示。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

球磨機(jī)型號：?305mm×305mm；轉(zhuǎn)速：70r/min；研磨介質(zhì)：?40mm的鋼球30kg。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3和圖2是不同火山灰摻量對比表面積影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從這些數(shù)據(jù)中可以看出，火山灰摻量在10%～40%時(shí)，在熟料中摻入火山灰有利于水泥比表面積的提高，但是當(dāng)摻量超過40%時(shí)，火山灰對比表面積的正影響逐漸降低，摻量過高時(shí)反而使水泥的比表面積降低。這說明在10%～40%摻量時(shí)，此種火山灰對熟料有助磨作用。

T3000是指試樣在實(shí)驗(yàn)球磨中粉磨至3000cm2/g所需要的時(shí)間，該值可相對反映物料粉磨到一般水泥細(xì)度時(shí)的難易程度。圖3是火山灰摻量與T3000的關(guān)系，從圖3可以看出：隨著火山灰摻量的增加，T3000值減小，當(dāng)火山灰摻量超過40%時(shí)，混合料的T3000值趨于平緩。這與比表面積的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明火山灰摻量超過40%時(shí)，火山灰對水泥比表面積的貢獻(xiàn)值減小。

6 討論

圖2 火山灰摻入量與比表面積的關(guān)系

圖3 火山灰摻入量與T3000之間的關(guān)系

火山灰摻量對粉磨比表面積增量的影響：混合材摻量對粉磨電耗的影響主要反映在對成品水泥比表面積的提高上。當(dāng)要求磨到相同比表面積時(shí)，摻入混合材可減少粉磨時(shí)間，從而降低粉磨電耗。例如在水泥成品中摻入1%的石膏，能使成品水泥增加12m2/kg的比表面積，摻入1%的石灰石能增加5～8m2/kg的比表面積[2]。表4是不同粉磨時(shí)間不同火山灰摻量時(shí)，每摻加1%的火山灰時(shí)水泥比表面積的增加量。圖4是根據(jù)表4數(shù)據(jù)得到。

表4 比表面積增加量

圖4 比表面積增加量

從以上數(shù)據(jù)中可以看出，在相同粉磨時(shí)間內(nèi)，比表面積增量隨火山灰摻量的增加而減少，粉磨時(shí)間越長，減少的數(shù)值越大。在相同火山灰摻量的情況下，比表面積增量隨粉磨時(shí)間的增加而增加，火山灰摻量越大，增加的幅度越小。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)成品水泥比表面積＜4000cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為10～20cm2/g；當(dāng)成品水泥比表面積在4000～4800cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為20～30cm2/g；當(dāng)成品水泥比表面積＞4800cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為25～50cm2/g。為了給磨機(jī)選型留有余地，建議取小值。

火山灰粉磨電耗的確定：在確定火山灰粉磨電耗之前，我們先確定純熟料的粉磨電耗，根據(jù)文獻(xiàn)資料[3][4]介紹，在工業(yè)圈流磨機(jī)中，當(dāng)僅粉磨石膏與熟料，成品水泥粉磨至3200cm2/g時(shí)，單位成品水泥電耗如表5所示。

表5 水泥電耗與石膏摻量之間的關(guān)系

從以上關(guān)系中可以看出，只加入石膏的成品水泥單位電耗與石膏摻量成反比關(guān)系，以此類推，當(dāng)粉磨純熟料水泥時(shí)，粉磨電耗應(yīng)為44kWh/t。

由于本次實(shí)驗(yàn)所用火山灰的粉磨功指數(shù)為19.0kWh/t，在火山灰物料中屬于較難粉磨的一類，為使計(jì)算的火山灰粉磨電耗具有代表性，我們選取土耳其火山灰（粉磨功指數(shù)為14.7kWh/t）為計(jì)算依據(jù)，因?yàn)槠渑c火山灰中等易磨性13kWh/t較為接近。

用同樣的方法可以得出火山灰的比表面積與粉磨時(shí)間的關(guān)系，如表6所示，圖5是根據(jù)表6所做的曲線。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)擬合后得到土耳其火山灰比表面積（S1）與粉磨時(shí)間（T1）之間的關(guān)系和振興熟料粉比表面積（S2）與粉磨時(shí)間（T2）之間的關(guān)系分別為：

通過式（2）得到，將振興熟料粉磨至3200cm2/g時(shí)，需要時(shí)間43.0min。那么在同樣的時(shí)間內(nèi)，通過式（1）可以計(jì)算出此時(shí)土耳其火山灰的比表面積為5583cm2/g。假定試驗(yàn)?zāi)C(jī)每分鐘所消耗的能量是一樣的，用同樣的能量粉磨振興熟料只能到3200cm2/g，而粉磨土耳其火山灰卻能達(dá)到5583cm2/g。

根據(jù)前文所述，在圈流粉磨系統(tǒng)中，粉磨純熟料至比表面積3200cm2/g時(shí)的電耗為44kWh/t，而同樣的電耗卻能將土耳其火山灰粉磨至比表面積約5500cm2/g。

簡化式（1）、式（2）得到：

式中：

S——物料比表面積，cm2/g

T——粉磨時(shí)間，min

a——常數(shù)，無量綱

b——比表面積系數(shù)，無量綱，振興熟料0.627，土耳其火山灰0.5099

將式（3）變形后得到：

對于球磨系統(tǒng)來說，粉磨電耗（E）與粉磨時(shí)間（T）之間成正比關(guān)系，即：

合并式（4）和式（5），得：

根據(jù)文獻(xiàn)[3]資料，圈流系統(tǒng)時(shí)，粉磨水泥熟料c=1.3。而此時(shí)c熟料=1.59，而c火山灰=1.96。假設(shè)實(shí)驗(yàn)?zāi)C(jī)的粉磨指數(shù)與工業(yè)圈流系統(tǒng)的粉磨指數(shù)存在比例關(guān)系，則當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，土耳其火山灰的粉磨指數(shù)c=1.6。

表6 土耳其火山灰與熟料的比較

圖5 土耳其火山灰與振興熟料的比較

表7 計(jì)算電耗與實(shí)際電耗比較

綜合上述分析，考慮富余系數(shù)和計(jì)算誤差，確定工業(yè)圈流系統(tǒng)生產(chǎn)火山灰細(xì)粉時(shí)的計(jì)算基準(zhǔn)是，粉磨中等易磨性火山灰時(shí)，當(dāng)火山灰粉磨至比表面積為5000cm2/g時(shí)，磨機(jī)電耗為44kWh/t，粉磨指數(shù)為1.6。

火山灰水泥粉磨電耗計(jì)算舉例：

為了核實(shí)比表面積增量和火山灰粉磨電耗的確定數(shù)據(jù)的可行性，比較了投產(chǎn)各廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)之間的差別，如表7所示，表中各廠均為圈流系統(tǒng)。從計(jì)算結(jié)果看（計(jì)算過程略），計(jì)算電耗和實(shí)際電耗較接近。

7 結(jié)語

通過本次實(shí)驗(yàn)，我們得出如下結(jié)論：

（1）本實(shí)驗(yàn)用的菲律賓火山灰對熟料具有助磨作用，但是助磨作用并非隨著摻量增加而增加。

（2）在熟料中摻入本實(shí)驗(yàn)所用的菲律賓火山灰能降低混合料的T3000值，但是當(dāng)摻量超過40%時(shí)，T3000的降低幅度開始下降。

（3）當(dāng)成品水泥比表面積＜4000cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為10～20cm2/g；當(dāng)成品水泥比表面積在4000～4800 cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為20～30cm2/g；當(dāng)成品水泥比表面積＞4800cm2/g時(shí)，每1%火山灰摻量對比表面積的貢獻(xiàn)值為25～50cm2/g。

（4）工業(yè)圈流系統(tǒng)生產(chǎn)火山灰細(xì)粉時(shí)的計(jì)算基準(zhǔn)是，粉磨中等易磨性火山灰，當(dāng)粉磨至火山灰比表面積5000cm2/g時(shí)，磨機(jī)電耗為44kWh/t，粉磨指數(shù)為1.6。

[1]D.Touil,S.Belaadi,C.Frances.Energy efficien?cy of cement finish grinding in a dry batch ball mill[J].Cement and Concrete Research,2006(36)：416-421.

[2]Smith.E,Summer.M Cement grinding efficien?cy[J].World Cement,2012(12)：45-50.

[3]王仲春,曾榮.水泥粉磨工藝技術(shù)及進(jìn)展[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2008:75.

[4]江旭昌.高效選粉機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果(三)[J].中國建材裝備,1997(6)：13-15.

[5]鄒偉斌.水泥粉磨實(shí)用技術(shù)案例.中國水泥網(wǎng)[DB].