硅酸盐水泥熟料的易磨性及其影响因素 - 建筑人工程人网上交流互动社区 -

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如何经济有效地增加水泥粉磨细度，是水泥生产企业关注的问题。目前普遍使用的方法是改进粉磨工艺和使用外加剂。从硅酸盐水泥熟料的组成与结构入手，研究探讨了硅酸盐水泥熟料的易磨性及其影响因素，以期从熟料制备工艺的角度，改善硅酸盐水泥熟料的易磨性。结果表明，通过调整熟料组成，改进水泥生产工艺，来生产容易粉磨的硅酸盐水泥熟料，可较经济地达到增加硅酸盐水泥熟料粉磨细度的目的。

硅酸盐水泥熟料的粉磨涉及到水泥生产能耗和水泥性能两个重要的问题，因此，如何经济有效地提高水泥熟料的粉磨细度，得到广泛关注。尤其是在采用新水泥强度检验方法的情况下，水泥熟料的粉磨问题显得更为重要。

硅酸盐水泥熟料组成等特性对其易磨性的影响，国外已经开展过许多基础性的研究。但国内尚无有关的研究报道，更无直接生产易磨硅酸盐水泥熟料的工厂试验。显然，通过调整熟料组成制备易磨性好的硅酸盐水泥熟料，比其它方法更方便、经济。为此，本文拟从硅酸盐水泥熟料的化学组成、矿物组成对其易磨性的影响入手，探讨制备易粉磨硅酸盐水泥熟料的途径。

1 物料易磨性的几种表征方法

物料易磨性的表示方法主要有以下几种：

（1）粉磨功指数。GB9964-88中规定，以粉磨功指数表示各种原材料的易磨性。这一指数是模拟干法闭路粉磨系统，将物料用标准试验磨研磨至平衡状态，以磨机每转获得的成品量计算而得的，表示物料从初始粒度粉磨至平衡态成品粒度时的功耗（kWh/t)。在实际研究中9常以物料粉磨至平衡状态时试验磨机每转所产生的成品量 G（g/min）来表示物料的易磨性。G值越高，表明物料的易磨性越好。

（2）易磨性系数。易磨性系数表示不同物料之间易磨性程度的相对高低，其基础是规定湿法回转窑熟料的易磨性系数为1.0。对于不同物料，易磨性指数越高，表明其易磨性越好。水泥生产中几种典型物料的易磨性系数见表1。

易磨性系数常用于计算球磨机粉磨物料的生产能力。根据磨机规格及系统流程差异，在计算磨机生产能力时分别乘以不同的系数。

（3）粉磨时间。以一定量的物料粉磨至一定细度要求时所对应的粉磨时间 t来表示物料的易磨性。这是一种最直接、最直观的试验方法。该方法特别适合于水泥干法开路粉磨系统。这种表示方法中，对应的粉磨时间越短，表明物料的易磨性越好。该方法也经常应用到实验研究中。在相同的粉磨时间内，物料粉磨得越细，说明该物料越容易粉磨，易磨性越好。

2 熟料矿物组成与易磨性的关系

熟料的 4 种主要矿物C3S,C2S(指β-C2S,下同),C3A,C4AF的易磨性直接决定了熟料的易磨性。而这4种水泥熟料主要矿物的易磨性却相差很大。C3S是熟料矿物中最易磨的矿物。随着粉磨时间的延长，其比表面积近似地呈直线增加，C3A的情况与之相类似；C2S最难粉磨。在相同粉磨时间内，各矿物比表面积变化与粉磨时间的关系见图1。据此不难看出，4种矿物的易磨性由易到难的顺序依次为：C3S,C3A,C4AF和C2S。

有计算表明，4种矿物C3S,C3A,C4AF和C2S的脆性系数分别是4.7,2.9,2.0和 2.0。从材料的脆性系数与材料的粉磨特性关系来看，4种矿物的易磨性由易到难的顺序与实验结果基本相同。但据此推断C4AF和C2S的易磨性可能更接近些。

熟料中，由于硅酸盐矿物含量在80%左右，因此C3S和C2S比例变化将明显影响熟料的易磨性，即C3S含量增加或C2S含量减少，熟料的易磨性系数都将增加（见图2，图3及表2）。

有关熟料SM与其易磨性关系的研究结论有所差异。但不同研究者对不同厂家熟料的研究均表明，SM增加，熟料的易磨性均将下降或粉磨功指数增加。

熟料的易磨性随我w（AI2O3）的增加而增加，尤其是w(AI2O3)＞6%后，熟料易磨性增加得更为明显。

一般认为，熟料形成过程中出现的液相量越多，所得熟料的易磨性越差，见图4。这可能是由于熟料的液相量高，硅酸盐矿物将被包裹并因此而连接紧密，熟料结构密实造成的。但 M.Tokyay的统计结果表明，熟料中液相量越多，粉磨所需能量越少。

图5说明w(f-CaO)对熟料的易磨性有显著影响，显然，两者研究结果并不相同。

硅酸盐矿物与熔剂矿物之间的比例[E=w(C3S+C2S)/w(C3A+C4AF)]，也影响熟料的易磨性,见图 6。由图6可知，当E=3.7时，熟料的粉磨功指数最小；E＞4.0后，粉磨功指数随该比例的增加略有降低。

3 微量元素

硅酸盐水泥熟料中4种基本化学组分CaO,SiO2,AI2O2,Fe2O3的总质量分数在 94%～98%之间，另外还含有2%～6%的微量组分，如MgO,K2O,Na2O等。微量元素从以下几个方面影响熟料的易磨性：一是改变熟料结构，微量元素固溶到熟料矿物中，将改变其结构与表面物理状态；二是改变熟料形成过程中产生的液相量，并因此改变熟料的物理结构，如致密度和孔结构等；三是改变熟料形成过程，熟料形成温度有所变化。不同种类的微量元素会产生不同的效果。例如，w(MgO)超过2%时，就会导致熟料的易磨性下降。表3列出了某些过渡元素（以氧化物状态掺入，掺量2%）对熟料易磨性的影响。

从表3知，过渡元素Cr和Mn具有增加熟料易磨性的积极作用，而其他种类的过渡元素则降低熟料的易磨性。

4 熟料的物理结构

立升重是反映熟料结构致密程度的常用参数。一般说来，由于熟料的体积质量波动不大，熟料内部空隙的多少是影响熟料立升重的关键因素。有关研究表明，不同粉磨阶段，熟料空隙率对易磨性的影响不同。粗粉磨阶段（比表面积≤150㎡/kg），熟料空隙率增加可以有效提高熟料的易磨性；而在细粉磨阶段，两者没有什么关系。熟料中孔径为1μm～4μm范围内的孔数增加时，熟料在微细化阶段（比表面积150～300㎡/kg）的易磨性将显著提高。运用SEM法分析熟料孔隙率与其易磨性的关系表明，粉磨功指数越低的熟料，其孔隙率越高。熟料的孔结构与易磨性也可能无关。

熟料结粒尺寸也影响其易磨性。在粉磨相同比表面积（300㎡/kg）熟料的情况下，结粒尺寸＜0.5mm的熟料和结粒尺寸约8mm的熟料相比，以原始颗粒入磨，前者的粉磨能耗将增加25%左右。熟料结粒尺寸在6.5mm左右的颗粒数量较多时，熟料的易磨性较好。表4列出了出窑熟料结粒尺寸对熟料易磨性的影响。

5 矿物晶体尺寸

熟料中C3S和C2S晶体尺寸是影响熟料易磨性的主要因素之一。两种主要矿物晶体尺寸越大，熟料的粉磨功指数越大，熟料的易磨性越差。文献给出了上述2种矿物晶体尺寸影响熟料易磨性的数学表达式：

矿物晶体尺寸与熟料易磨性线性相关的研究说明，随着C3S,C2S两种矿物晶体尺寸的增大，熟料的粉磨功指数减小，其易磨性相应提高。

成堆聚集的簇晶形式分布的C2S，其易磨性较差。在粗粉磨后，这种聚集形式的C2S一般仍保持原状，并在粉料中以尖角片状大颗粒形式存在。

6 生料细度、煅烧温度与熟料冷却速率

生料细度与熟料烧成温度有直接关系。生料越细，熟料的烧成温度越低。在熟料化学组成一定的情况下，最高烧成温度越高，熟料在高温带停留时间越长，熟料煅烧过程中出现的液相量越多，矿物形成反应程度越充分，结晶度越高，熟料的致密度越大，结粒尺寸和硅酸盐矿物晶体尺寸越大，这样势必影响熟料的易磨性。因此，控制生料细度，降低熟料烧成温度可以改善硅酸盐水泥熟料的易磨性。一般认为，熟料冷却速率较快的熟料，其易磨性明显优于冷却速率慢的熟料。

7 结论

（1）硅酸盐水泥熟料的易磨性不仅取决于熟料的化学组成，且取决于其煅烧工艺条件。真正掌握影响硅酸盐水泥熟料易磨性的因素是非常困难。这也

是众多研究结论难得一致的原因。

（2）以往研究的主要内容只涉及了基础性的问题，缺少行之有效的改善措施。

（3）改变熟料化学组成及其矿物晶体的结构尺寸，是改善硅酸盐水泥熟料易磨特性的有效方法。这方面的研究已经受到国外学者的重视。例如，制备熟料时掺入含有金属粒子的工业废弃渣，可明显改善熟料的易磨性；通过控制熟料形成过程中的熔融反应，能改善高贝利特硅酸盐水泥熟料的岩相特征，从而改善熟料的活性和易磨性。我们的研究表明，提高熟料中C3S量，降低熟料烧成温度，可以制备易磨性好的硅酸盐水泥熟料。这种熟料（w(C3S)≥70%），在相同实验条件下，其粉磨效率比一般硅酸盐水泥熟料（w(C3S)=54%）增加40%，3d抗压强度提高13MPa，28d抗压强度与普通硅酸盐水泥熟料持平。

（4）在熟料生产过程中，改善生料制备、煅烧工艺操作条件和冷却制度，探讨它们与所得水泥熟料易磨性的关系，据此调整生产控制工艺，也会不同程度地提高生产熟料的易磨性。

总之，通过改变硅酸盐水泥熟料的组成，优化生产工艺条件，是可以制备易磨性好的硅酸盐水泥熟料的，可从根本上降低硅酸盐水泥熟料的粉磨能耗，提高水泥熟料的物理性能。与改进粉磨工艺和掺加粉磨用工艺外加剂比优势明显。

中国建筑材料科学研究院张文生，郭随华，王宏霞，张洪滔，唐润荣，陈益民

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