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(guān)注的水泥質(zhì)量的內(nèi)容之一。人們?cè)?jīng)以為水泥細(xì)度是水泥早強(qiáng)的關(guān)鍵，而科學(xué)研究認(rèn)為，提高水泥早強(qiáng)不一定要走細(xì)磨道路，可以通過(guò)調(diào)整水泥顆粒分布達(dá)到最佳堆積密度，適當(dāng)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(qiáng)度和高密實(shí)性的混凝土（喬齡山語(yǔ)）。

在追求水泥細(xì)度的過(guò)程中，人們很容易發(fā)現(xiàn)，高細(xì)度會(huì)加大能耗、鋼耗，會(huì)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(shí)現(xiàn)水泥早強(qiáng)提高的要求，水泥制造商必然會(huì)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(lái)。

本文從水泥粒度控制理論依據(jù)出發(fā)，談?wù)勊嗔６确治黾夹g(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1水泥粒度控制的理論

關(guān)于水泥質(zhì)量的控制,我國(guó)較多的水泥企業(yè)采用控制80μm 篩余和比表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)踐證明，這些方法對(duì)于控制水泥性能和充分發(fā)揮水泥各組分的作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。細(xì)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(wú)法完全了解水泥顆粒的分布。眾所周知，即使篩分細(xì)度相同或比表面積相近，水泥的性能有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出較大的差異，其原因是粒度分布可能不同（當(dāng)然，顆粒形狀的因素也很重要）。勃氏透氣法比表面積實(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。激光計(jì)算比表面積值比較細(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。激光粒度儀能夠得出水泥行業(yè)原來(lái)無(wú)法測(cè)量的粒度分布，建立起粒度分布與強(qiáng)度的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外水泥性能研究人員的研究認(rèn)為，水泥顆粒大小對(duì)水化過(guò)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(duì)強(qiáng)度起主要作用，其中0~10μm 部分早期強(qiáng)度高，10~30μm 部分后期強(qiáng)度高。3~30μm 這部分顆粒含量越多，水泥質(zhì)量越好。粉磨過(guò)程中，不能完全消除>32μm 的顆粒（但應(yīng)盡量減少>60μm 的顆粒），同時(shí)又必然產(chǎn)生<3μm 的顆粒。最佳水泥顆粒級(jí)配是：3~32μm 的顆粒含量>65%，<3μm 的顆粒含量在10%左右。在適當(dāng)?shù)臈l件下，提高這一階段的含量，就可達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。

通過(guò)對(duì)粉磨方法及粉磨工藝的研究可知，調(diào)節(jié)選粉機(jī)產(chǎn)品的粒度分布可以提高水泥的強(qiáng)度，而不一定要由提高粉磨細(xì)度來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。這些研究成果已經(jīng)被很多從事水泥粉磨的技術(shù)人員和提供水泥粉磨咨詢服務(wù)的公司所認(rèn)可。在國(guó)內(nèi)的幾家水泥技術(shù)雜志的廣告上，不少的從事粉磨服務(wù)的公司都在倡導(dǎo)這一技術(shù)思想。

2 推廣水泥粒度測(cè)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(cè)試漸漸進(jìn)入水泥企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室。除了國(guó)外知名品牌的粒度測(cè)試儀器涌入我國(guó)以外，用于水泥粒度的國(guó)產(chǎn)測(cè)試儀也多了起來(lái)。幾年前，粒度測(cè)試在我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)《水泥顆粒級(jí)配測(cè)定方法――激光法》就足以說(shuō)明。

這種觀念的改變并非我們想像的那么快。目前粒度測(cè)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(guó)國(guó)際峰會(huì)上，張福根、曾學(xué)敏等認(rèn)為粒度測(cè)試儀器在水泥企業(yè)的普及率只達(dá)到2%）。筆者認(rèn)為其根本原因有二：一是國(guó)家的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)細(xì)度作了規(guī)定，而粒度只是推薦性標(biāo)準(zhǔn)；二是廣大的水泥生產(chǎn)企業(yè)及行業(yè)主管部門(mén)，對(duì)粒度測(cè)試還不夠重視，沒(méi)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(jiàn)的粒度測(cè)試儀器

常見(jiàn)的粒度測(cè)試儀器有：激光粒度儀、沉降粒度儀、電阻法顆粒計(jì)數(shù)器、顆粒圖像儀以及動(dòng)態(tài)光散射儀等。其中動(dòng)態(tài)光散射儀的測(cè)量范圍主要在亞微米和納米級(jí)，顯然不適合水泥的測(cè)量；沉降儀、電阻法計(jì)數(shù)器和圖像儀的測(cè)量范圍雖然主要在微米級(jí)，但它們的動(dòng)態(tài)范圍不夠。所謂動(dòng)態(tài)范圍就是粒度儀器在一個(gè)量程內(nèi)能測(cè)量的最大與最小粒徑之比。前述三種儀器的動(dòng)態(tài)范圍均在20:1左右，而一個(gè)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(cè)試需要。在上世紀(jì)七、八十年代，我國(guó)水泥行業(yè)嘗試過(guò)推廣沉降天平，最終沒(méi)有成功。原因有很多，其中原理性的原因就是動(dòng)態(tài)范圍不夠。激光粒度儀適合測(cè)量水泥的粒度分布，首先因?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)范圍可以達(dá)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(jìn)行水泥粒度分布測(cè)量的突出優(yōu)點(diǎn)是速度快，操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性好。激光法是國(guó)內(nèi)外水泥行業(yè)首選的一種新的粒度分布測(cè)定方法。

4 水泥粒度分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于那些明白水泥粒度分布（顆粒級(jí)配）對(duì)水泥強(qiáng)度、混凝土性能的影響及其帶來(lái)方方面面效益的企業(yè)，在實(shí)驗(yàn)室改造和新線建設(shè)時(shí)就很重視粒度測(cè)試儀器的配置。

激光法用于水泥粒度測(cè)試常見(jiàn)的形式有離線測(cè)定和在線測(cè)定，在線測(cè)定因能提供比人工取樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(shì)。最為先進(jìn)的自動(dòng)化在線測(cè)定已經(jīng)在豪西蒙（Holcim ）的Obourg公司使用。

4.1在線測(cè)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(shí)間的調(diào)查后，選用了英國(guó)Malvern 公司的Insitec 在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)在線監(jiān)控水泥的粒徑分布。因?yàn)镮nsitec 系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)控質(zhì)量，提供連續(xù)的數(shù)據(jù)，使實(shí)時(shí)生產(chǎn)優(yōu)化成為可能。生產(chǎn)優(yōu)化是終極目標(biāo)，通過(guò)生產(chǎn)監(jiān)控來(lái)決定哪些參數(shù)需要優(yōu)化，如何進(jìn)行優(yōu)化。

在使用Insitec 以前，每小時(shí)測(cè)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(shí)人工比表面積并不能及時(shí)地反映粉磨系統(tǒng)操作狀態(tài)的變化。有時(shí)生產(chǎn)很平穩(wěn)，人工比表面積值卻波動(dòng)較大，有時(shí)生產(chǎn)已出現(xiàn)較大波動(dòng)，人工比表面積值卻沒(méi)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(shí)調(diào)整選粉機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)對(duì)水泥在線粒徑分布的更佳控制來(lái)提高對(duì)水泥質(zhì)量的控制力度。

?? Insitec 在線分析系統(tǒng)的工作過(guò)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(jí)取樣系統(tǒng)。利用Eductor，次級(jí)取樣系統(tǒng)每小時(shí)取樣量可達(dá)20kg。Eductor通過(guò)陶瓷管吸入樣品并將其輸送到流動(dòng)池做激光衍射粒徑測(cè)量。當(dāng)顆粒通過(guò)激光光束時(shí)，前散射光被接收鏡接收并聚焦到圓環(huán)孔環(huán)形檢測(cè)器，被高速掃描、記錄和數(shù)字化，用于連續(xù)實(shí)時(shí)分析。測(cè)量結(jié)束（瞬時(shí)測(cè)量）后，樣品通過(guò)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(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供閉合回路并使用根據(jù)粒徑分布計(jì)算而得的關(guān)鍵參數(shù)去自動(dòng)控制選粉機(jī)的可能性。Insitec 系統(tǒng)每秒測(cè)量一次，但我們選擇30 秒鐘的平均值來(lái)控制選粉機(jī)。

利用選粉機(jī)速度微調(diào)的性能，可以對(duì)選粉機(jī)的轉(zhuǎn)速做細(xì)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(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化以及變化大小，好像一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室儀器搬到了現(xiàn)場(chǎng)。而目前現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量粒徑和比表面積儀器，由于取樣的局限性，不能及時(shí)、真實(shí)的反應(yīng)生產(chǎn)線上的實(shí)際情況。在線水泥細(xì)度監(jiān)控使操作員能將水泥細(xì)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(rèn)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(jí)配；（2）實(shí)驗(yàn)室每天的工作量減少22 次；（3）實(shí)驗(yàn)室每天只需測(cè)試一次一天平均細(xì)度值，來(lái)驗(yàn)證細(xì)度在設(shè)定范圍；（4）水泥細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)偏差更小，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)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(jí)配更加合理，分散性更好，早強(qiáng)高，后期增進(jìn)好，質(zhì)量更穩(wěn)定等特性，更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 自動(dòng)化在線測(cè)定水泥粒度的案例

由于水泥生產(chǎn)商致力于降低日常運(yùn)營(yíng)相關(guān)成本，建立自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室成為日漸興起的趨勢(shì)。完全自動(dòng)化可以使分析過(guò)程與日常操作更緊密地集合在一起，從而提高了對(duì)業(yè)務(wù)需求的響應(yīng)。此外，分析變成了生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一部分而不是服務(wù)設(shè)施，其坐落位置通常會(huì)更接近實(shí)際生產(chǎn)線。

據(jù)國(guó)外某水泥專業(yè)媒體報(bào)道， Holcim的Obourg(比利時(shí))水泥廠進(jìn)行了化驗(yàn)室改造，使其能夠進(jìn)行日常水泥成分和粒徑分析的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室。所選用的顆粒表征的系統(tǒng)是來(lái)自馬爾文儀器公司的Insitic ALISS，它能夠滿足以最少的維護(hù)工作實(shí)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(yīng)商之一，業(yè)務(wù)遍及全球70多個(gè)國(guó)家。比利時(shí)的Obourg工廠每年生產(chǎn)約160萬(wàn)砘水泥，產(chǎn)品分為十個(gè)不同的級(jí)別。由于水泥質(zhì)量主要取決于化學(xué)成分和細(xì)度，因此成分分析和顆粒大小測(cè)量是日常操作所需的常規(guī)功能。

Obourg工廠對(duì)礦渣、石膏、無(wú)水硫酸鈣、粉煤灰及高爐礦渣的混合物進(jìn)行研磨，制造成相應(yīng)的顆粒大小，用以生產(chǎn)各種不同級(jí)別的水泥。顆粒大小很重要，因?yàn)樗鼪Q定了在進(jìn)行水化時(shí)水泥的活性，從而會(huì)直接影響抗壓強(qiáng)度，這是水泥用戶非常關(guān)心的參數(shù)。

在生產(chǎn)地，用兩臺(tái)獨(dú)立的球磨機(jī)生產(chǎn)水泥。這兩臺(tái)球磨機(jī)的下游均具有分級(jí)機(jī)和收塵器，用以從磨粉機(jī)出口物質(zhì)獲取最終產(chǎn)品，并將粗料回收取到磨粉機(jī)。對(duì)各種成分的進(jìn)料速率會(huì)被進(jìn)行控制，以獲得理想化學(xué)成分的產(chǎn)品，同時(shí)結(jié)合研磨機(jī)和各種分級(jí)機(jī)來(lái)控制顆粒大小。

在安裝自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分析試驗(yàn)。取樣、傳輸、制備和后續(xù)分析會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，但設(shè)備會(huì)逐漸老化，而且需要每天進(jìn)行清潔/維護(hù)。實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)流水線間的距離很近，因而并不適合進(jìn)行樣品運(yùn)送。兩年前，工廠決定通過(guò)設(shè)計(jì)、安裝自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室對(duì)已有的設(shè)施進(jìn)行升級(jí)，以滿足日常分析對(duì)成分和粒徑要求。

新設(shè)備的安裝為Obourg團(tuán)隊(duì)提供了一次機(jī)會(huì)，讓他們能夠解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室以滿足用最少的手動(dòng)輸入獲得相同分析結(jié)果的發(fā)展需求。對(duì)于新安裝的儀器，關(guān)鍵要求是幾乎不需要清潔、或清潔工作全部自動(dòng)化，高可靠性以及能夠在少量維護(hù)的情況下全天候運(yùn)行的能力。隨著控制自動(dòng)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(tái)的集成也變得很重要。

Holcim的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室是一間接近主控制區(qū)域的專用房間；白天由一個(gè)人負(fù)責(zé)運(yùn)行，正常工作時(shí)間以外基本上無(wú)需值守。實(shí)驗(yàn)室的中心位置有一個(gè)機(jī)器人，用以對(duì)樣品進(jìn)行分配，在樣本制備和分析過(guò)程中運(yùn)送樣品，并在測(cè)量后清洗樣品罐。機(jī)器人周圍是相連的操作單元：樣品接收區(qū)；兩臺(tái)磨機(jī)和一臺(tái)碾壓機(jī)用于為XRD和XRF制備樣品；兩臺(tái)傳送裝置，用于將數(shù)據(jù)磁盤(pán)運(yùn)送到相關(guān)的分析儀；以及用于測(cè)量細(xì)度的Insitec ALISS。

Insitec? ALISS使用激光衍射技術(shù)測(cè)量顆粒大小，該技術(shù)已為水泥及其它行業(yè)所公認(rèn)。在Obourg，使用激光衍射分析技術(shù)已經(jīng)很多年——馬爾文的Mastersizer是一套很有用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。為自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室選擇分析儀時(shí)，Holcim從馬爾文得到的技術(shù)支持和Goffin Meyvis（Holcim公司在比利時(shí)的供應(yīng)商）的經(jīng)驗(yàn)起到了重要作用。這兩家公司總是提供的非常模范的服務(wù)，Holcim團(tuán)隊(duì)深知在遇到任何有關(guān)新實(shí)驗(yàn)室的問(wèn)題時(shí)，他們可以信賴這一點(diǎn)。此外，以前使用其它馬爾文系統(tǒng)的體驗(yàn)也讓他們信心倍增。

最新開(kāi)發(fā)的Insitec ALISS是一款現(xiàn)場(chǎng)粒徑分析儀，為手動(dòng)或全自動(dòng)分析而設(shè)計(jì)，為技能相對(duì)不熟練的人員在生產(chǎn)工藝環(huán)境中操作。它設(shè)計(jì)穩(wěn)健，不受周圍環(huán)境中的粉塵和振動(dòng)的影響，且易于使用——只要簡(jiǎn)單裝載樣品并啟動(dòng)分析過(guò)程即可。可以輕松地設(shè)定數(shù)據(jù)顯示以滿足用戶的需求，而且擁有技術(shù)完善的軟件包，能夠直接與現(xiàn)有控制平臺(tái)進(jìn)行通信。

Insitec ALISS提供了大量對(duì)于Holcim自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室水泥應(yīng)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(cè)量時(shí)間，少于一分鐘。不需要進(jìn)行樣本制備，只要機(jī)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(dòng)或手動(dòng)控制研磨過(guò)程。

從兩條磨粉機(jī)流水線出口處獲得的樣品，每隔一小時(shí)會(huì)被定期送入自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室。通常每隔12min從最終產(chǎn)品傳送裝置上進(jìn)行一次取樣用于分析。這樣可以得到前一小時(shí)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(diǎn)樣。然而，對(duì)于日常操作，通過(guò)一個(gè)小時(shí)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(guò)氣動(dòng)線路傳送到自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，在這里將其等分并進(jìn)行分析。250g樣品中的80g用于顆粒大小測(cè)量，其余部分則用于其它分析，并用作24h的組合樣品來(lái)進(jìn)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(huì)將信息傳送至操作員，用于對(duì)工藝進(jìn)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(duì)其它參數(shù)進(jìn)行報(bào)告，包括比表面積。

對(duì)于每一級(jí)別的水泥，Holcim建立了相應(yīng)的控制模型，對(duì)怎樣根據(jù)次優(yōu)或超出規(guī)格的粒徑測(cè)量結(jié)果更改不同工藝變量進(jìn)行了描述。這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃诎惭b了Insitec ALISS之后，利用該新型分析儀測(cè)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(jī)進(jìn)料速率、分級(jí)機(jī)速度和過(guò)濾器的氣體流速，以確保粒徑不會(huì)超標(biāo)。這一自動(dòng)化控制由操作員密切監(jiān)控，而且在必要時(shí)可以輕松予以干預(yù)。

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室滿足了項(xiàng)目的簡(jiǎn)化要求，只需要很少的手動(dòng)干預(yù)便可全天候運(yùn)行。維護(hù)工作，特別是清潔過(guò)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(yǔ)

隨著我國(guó)水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，水泥工作者的節(jié)能視線必然會(huì)從主機(jī)工藝轉(zhuǎn)向生產(chǎn)細(xì)節(jié)。精細(xì)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(xì)管理的一環(huán)。水泥行業(yè)甚至?xí)絹?lái)越普遍地將在線顆粒大小分析與全自動(dòng)化控制相結(jié)合，使用自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)分析也能夠獲得良好的控制能力。自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室讓分析過(guò)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到能夠以最少的人工輸入工作量實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室全天候的測(cè)量。分析系統(tǒng)（例如Insitec ALISS）設(shè)計(jì)為可在工藝環(huán)境中運(yùn)行，并與現(xiàn)有控制平臺(tái)集成，促進(jìn)了使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化控制的策略。在Holcim的水泥廠的應(yīng)用表明方法非常有效，并且說(shuō)明了從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型工藝集中分析方法之后，水泥企業(yè)將獲益更多。