引言

　　水泥顆粒的大小與形狀已經(jīng)成為生產(chǎn)商和使用商關注的水泥質(zhì)量的內(nèi)容之一。人們曾經(jīng)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(diào)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（喬齡山語）。

　　在追求水泥細度的過程中，人們很容易發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)水泥早強提高的要求，水泥制造商必然會從成本和質(zhì)量的角度出發(fā)，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(jù)出發(fā)，談談水泥粒度分析技術的發(fā)展趨勢。

　　1、水泥粒度控制的理論

　　關于水泥質(zhì)量的控制,我國較多的水泥企業(yè)采用控制80µm 篩余和比表面積來實現(xiàn)，但實踐證明，這些方法對于控制水泥性能和充分發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)揮對應性可能會更好。激光粒度儀能夠得出水泥行業(yè)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(nèi)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(zhì)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(chǎn)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?shù)臈l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(diào)節(jié)選粉機產(chǎn)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(xiàn)這個目的。這些研究成果已經(jīng)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(nèi)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(xiàn)狀

　　在水泥質(zhì)量控制觀念發(fā)生變化以后，粒度測試漸漸進入水泥企業(yè)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(chǎn)測試儀也多了起來。幾年前，粒度測試在我國水泥行業(yè)的較高層次上也已引起一定的重視，2006年5月發(fā)布的建材行業(yè)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(chǎn)企業(yè)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(yè)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(guī)定，而粒度只是推薦性標準；二是廣大的水泥生產(chǎn)企業(yè)及行業(yè)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(zhì)量的提高和生產(chǎn)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(shù)器、顆粒圖像儀以及動態(tài)光散射儀等。其中動態(tài)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(shù)器和圖像儀的測量范圍雖然主要在微米級，但它們的動態(tài)范圍不夠。所謂動態(tài)范圍就是粒度儀器在一個量程內(nèi)能測量的最大與最小粒徑之比。前述三種儀器的動態(tài)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(yè)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(tài)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(tài)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(zhì)（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(yōu)點是速度快，操作簡便，重復性好。激光法是國內(nèi)外水泥行業(yè)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(fā)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(yè)，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(jié)果更為精確而連續(xù)的數(shù)據(jù)而成為發(fā)展趨勢。最為先進的自動化在線測定已經(jīng)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(lián)合水泥有限公司在做了一段時間的調(diào)查后，選用了英國Malvern 公司的Insitec 在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)來在線監(jiān)控水泥的粒徑分布。因為Insitec 系統(tǒng)能自動監(jiān)控質(zhì)量，提供連續(xù)的數(shù)據(jù)，使實時生產(chǎn)優(yōu)化成為可能。生產(chǎn)優(yōu)化是終極目標，通過生產(chǎn)監(jiān)控來決定哪些參數(shù)需要優(yōu)化，如何進行優(yōu)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(lián)合水泥有限公司發(fā)現(xiàn)，有時人工比表面積并不能及時地反映粉磨系統(tǒng)操作狀態(tài)的變化。有時生產(chǎn)很平穩(wěn)，人工比表面積值卻波動較大，有時生產(chǎn)已出現(xiàn)較大波動，人工比表面積值卻沒有什么變化。

　　上海聯(lián)合水泥有限公司安裝新的Insitec 在線分析系統(tǒng)的目的是，在線監(jiān)控水泥的粒徑分布，及時調(diào)整選粉機的轉(zhuǎn)速，通過對水泥在線粒徑分布的更佳控制來提高對水泥質(zhì)量的控制力度。

　　Insitec 在線分析系統(tǒng)的工作過程是：使用一種可調(diào)速的螺旋取樣器將樣品取出，調(diào)節(jié)螺旋取樣器轉(zhuǎn)速以確保收集到足夠的樣品給下一級取樣系統(tǒng)。利用Eductor，次級取樣系統(tǒng)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(huán)孔環(huán)形檢測器，被高速掃描、記錄和數(shù)字化，用于連續(xù)實時分析。測量結(jié)束（瞬時測量）后，樣品通過有陶瓷內(nèi)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(yōu)點是它提供閉合回路并使用根據(jù)粒徑分布計算而得的關鍵參數(shù)去自動控制選粉機的可能性。Insitec 系統(tǒng)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(diào)的性能，可以對選粉機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)場。而目前現(xiàn)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(chǎn)線上的實際情況。在線水泥細度監(jiān)控使操作員能將水泥細度控制在更窄的范圍內(nèi)。

　　上海聯(lián)合水泥有限公司使用Insitec 系統(tǒng)后認為：（1）在線監(jiān)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(wěn)定；（5）生產(chǎn)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(zhì)量更穩(wěn)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(chǎn)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(yè)務需求的響應。此外，分析變成了生產(chǎn)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(chǎn)線。

　　據(jù)國外某水泥專業(yè)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(tǒng)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(xiàn)連續(xù)操作的需求。

　　Holcim是世界頂尖的水泥和混凝土供應商之一，業(yè)務遍及全球70多個國家。比利時的Obourg工廠每年生產(chǎn)約160萬砘水泥，產(chǎn)品分為十個不同的級別。由于水泥質(zhì)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(guī)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(chǎn)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(shù)。

　　在生產(chǎn)地，用兩臺獨立的球磨機生產(chǎn)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(zhì)獲取最終產(chǎn)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(chǎn)品，同時結(jié)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(chǎn)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(xù)分析會自動執(zhí)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(chǎn)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(xiàn)有系統(tǒng)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(jié)果的發(fā)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(shù)據(jù)傳輸與現(xiàn)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(qū)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(qū)；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(shù)據(jù)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(yè)所公認。在Obourg，使用激光衍射分析技術已經(jīng)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(jīng)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(tǒng)的體驗也讓他們信心倍增。

　　最新開發(fā)的Insitec ALISS是一款現(xiàn)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(chǎn)工藝環(huán)境中操作。它設計穩(wěn)健，不受周圍環(huán)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(nèi)襯部件；可以防止產(chǎn)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(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，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(chǎn)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(chǎn)工藝的瞬間表現(xiàn)。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(nèi)收集和混合的樣品能生成更具代表性的數(shù)據(jù)。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(jié)果。

　　傳輸至Windows CC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會將信息傳送至操作員，用于對工藝進行控制。主要參數(shù)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(shù)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(jù)次優(yōu)或超出規(guī)格的粒徑測量結(jié)果更改不同工藝變量進行了描述。這些經(jīng)驗模型是在安裝了Insitec ALISS之后，利用該新型分析儀測量的數(shù)據(jù)而建立的。根據(jù)這些模型，控制系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)的通信也更容易。

　　5、結(jié)束語

　　隨著我國水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整的不斷深入，水泥工作者的節(jié)能視線必然會從主機工藝轉(zhuǎn)向生產(chǎn)細節(jié)。精細管理將是水泥企業(yè)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(huán)。水泥行業(yè)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(jié)合，使用自動化現(xiàn)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(chǎn)，并最大程度地減少了日常分析所需的人力。該項技術已經(jīng)發(fā)展到能夠以最少的人工輸入工作量實現(xiàn)全自動化實驗室全天候的測量。分析系統(tǒng)（例如Insitec ALISS）設計為可在工藝環(huán)境中運行，并與現(xiàn)有控制平臺集成，促進了使用測量數(shù)據(jù)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(tǒng)實驗室轉(zhuǎn)型工藝集中分析方法之后，水泥企業(yè)將獲益更多。