助磨劑在水泥粉磨中的作用及對水泥性能的影響

李逸

1 前言

水泥粉磨是水泥生產工藝中最重要的環節之一，而粉磨工藝中的電耗約占水泥生產總能耗的60～70%，其中水泥成品的粉磨電耗占總電耗30～40%[1]。水泥的粉磨工藝過程是水泥物料（如熟料、混合材及石膏等）顆粒由大變小的過程，也是電能轉化為機械能進而轉化為水泥粉體表面能的能量轉化過程，而能量轉化效率直接決定了能量的利用率。如何提高粉磨工藝過程中能量的轉化效率就成為提高粉磨效率或是能量利用率的一個關鍵訴求。

2 助磨劑在水泥生產中的節能降耗作用

2.1 提高水泥粉磨效率

助磨劑的分散作用，消除了水泥顆粒在磨機內的團聚，磨細的水泥顆粒被及時通過篦板輸送出磨，減少了過粉磨現象，提高了磨機的粉磨效率，助磨劑的分散作用可使磨內糊球、糊襯板現象得到很大的改善，從而減少了“糊層”的緩沖作用對粉磨效率的負影響，提高了磨機電能轉化為機械沖擊能的效率；在保持水泥顆粒分布不變的情況下，可使磨機產量得以提升，水泥粉磨電耗降低。助磨劑的提產效果明顯，且在相同混合材摻量時，還使水泥的強度有適度的增加。我公司于2010年開始逐步使用液體助磨劑，從小磨試驗開始直至大磨生產，統計得出使用助磨劑后平均臺效提高了3～5t/h，且在相同混合材摻加量，水泥強度提高了1～3MPa，粉磨效率提升明顯。

2.2 改善水泥流動性，減少水泥輸送能耗

由于助磨劑的分散作用，在水泥顆粒表面形成的薄膜削弱了水泥顆粒之間的團聚力和對水泥輸送、儲存設備的粘附力，水泥的流體力學性能得以改善。通用水泥在摻加助磨劑以后，其流動度有所提高。而隨著水泥流動性的改善變好，可帶來諸多優勢：①水泥流動阻力減小不易掛壁、結塊，增加了水泥庫的庫容，且不用經常清庫，節約清庫成本，提高了水泥庫的使用效率；②水泥流動阻力減小，可縮短水泥的輸送和裝卸時間，加快了水泥的運輸速度，我公司為此專門做過數理統計；③可減少長途運輸車輛的水泥掛壁和袋裝水泥的結塊現象而造成的浪費，尤其是袋裝水泥的結塊現象給用戶會造成不必要的浪費。

2.3 提高水泥比表面積，提升產品質量

高效復合水泥助磨劑可以提高水泥比表面積，加快水泥水化速度。我公司在使用助磨劑之前水泥平均比表面積在330m2/kg左右，使用助磨劑之后水泥平均比表面積提高到了345m2/kg左右；復合助磨劑的增強激發成分的作用，能夠有效提高水泥強度，提高產品質量，在水泥產量不變的情況下，摻用助磨劑的水泥與不摻加助磨劑的水泥相比，其早期和后期強度都有1～3MPa的提高。而隨著水泥強度的提高，可以滿足優質高標號水泥的生產要求，提高產品的競爭能力。由于助磨劑的增強作用，水泥配料時就可減少熟料用量，我公司經過計算熟料摻加量可減少3%到5%。這樣：①可以增加混合材料的摻量，有利于使用更多的低品位工業廢渣，減少環境污染，降低生產成本，增產增效并能獲得很好的環境效益；②隨著熟料用量的減少，在水泥總產量不變的情況下，可減少生產熟料所需的原料資源和煤炭、電力能源的消耗，減少CO2和粉塵的排放，具有很好的環境效益、能源效益和社會效益；③熟料用量的減少，能夠降低水泥水化熱，改善產品的使用性能，實現建筑物的節能降耗。

3 水泥助磨劑對水泥粉體性質及水化性能的影響

3.1 水泥助磨劑對水泥粉體性質的影響

在粉磨過程中加入水泥助磨劑后，不僅對水泥粉體本身性質如顆粒分布、流動性等產生影響，同時改變水泥水化進程、漿體性質及硬化后水泥石的各項性能。助磨劑的化學基團及結構的差異決定了其對粉末的顆粒級配、顆粒形貌、比表面積及休止角的改善差異，從而間接影響粉末流動性。

研究者研究了醇胺類及醇類助磨組分對水泥熟料粉磨的單位能量消耗（Specificenergyconsumption，E）c的影響，認為在Ec小于20kW·h/t時水泥細度增加呈線性的增加，粉磨過程符合Rittinger定律；而Ec超過20kW·h/t時，由于水泥結塊發生而出現能量損失。在采用助磨劑的情況下，比表面積測試比篩余量測試更適合精確評估細度變化，特別是較高的研磨能量；受助磨劑種類及Ec的影響，助磨劑的加入可提升磨機生產率16～72%。

3.2 水泥助磨劑對水泥水化過程及水泥性能的影響

助磨劑的使用除了導致水泥粉體性質的物理改性外，還間接影響了水泥顆粒的水化性能及水化產物的性質，主要集中于水泥顆粒分布變化而導致的水化進程的變化和化學組分在粉末顆粒的表面吸附所導致的顆粒表面與水接觸反應過程的變化兩方面，進而導致水泥水化過程及產物變化及最終水泥硬化漿體性能的變化。水泥顆粒在與水拌合后，其顆粒表面各種熟料礦物立即開始溶解并與水發生化學反應形成水化物；作為表面活性劑的助磨劑在顆粒表面吸附后，改善了拌合水在顆粒表面的潤濕與吸附過程，從而加速了各礦相在水中的溶解與水化進程。

另外，水泥助磨劑中的各類化學組分參與水泥水化過程（如C3A、C3S等的水化）而導致了水泥漿體和水泥石性能的變化。能夠促進AFt向AFm的轉化，優化孔隙結構和降低孔隙率。此外，部分助磨劑化學組分因改變了漿體中的離子環境或酸堿度而激發混合材的潛在活性，發生二次水化反應，從而改變了水泥石物理性能。不同助磨劑的引入改善了礦渣的水化活性，同時提高了水化體系中鈣、硅離子的溶出量。

4 結語

助磨劑能夠顯著提高粉磨效率、降低單位產品能耗，是實現水泥工業節能降耗的有效途徑。適量使用合適的助磨劑，可有效改善物料的易磨性，從而能夠達到提高粉磨效率、改善水泥顆粒組成，繼而能提升水泥品質，提高水泥的使用性能。隨著水泥助磨劑研究的不斷深入，很多新型、節能、高效、廉價的助磨劑將為水泥粉磨提供更加顯著的助磨效果，為水泥工業的節能減排發揮更加重要的作用。