基于国外的研究论点，对新型干法水泥熟料及配料进行试验实测对比。结果表明：熟料热工形成过程影响易磨性的主要因素是C2S含量，其他矿相、液相含量以及密度/升重的影响不明显；快冷熟料优于慢冷；水泥粉磨过程的影响取决于熟料及其配料原料的易磨性，挤压终粉磨、联合粉磨等工艺可以忽略所有影响易磨性的因素，易磨性试验可节能30%~60%以上。
熟料易磨性与粉磨系统的产量、电耗密切相关，自 20 世纪 50 年代以来，国内外对此进行了大量试验研究，有的已形成广泛共识并产生深远影响，但大多只停留于过去的干/湿法回转窑和立窑时代，随着技术发展而针对新型干法水泥熟料的易磨性研究很少，一些影响因素也随着立窑、湿法回转窑的淘汰和粉磨工艺的创新而发生改变，都有待进一步认识。本文基于实测试验，从水泥熟料的热工形成和粉磨控制两个方面分析易磨性的影响，并结合前人的观点，对不同窑型、粉磨工艺、水泥品种进行对比，探讨新型干法水泥熟料的易磨性特征和生产中的改善措施。
1 不同窑型的熟料易磨性特征
熟料易磨性是热工反应形成的原始属性。我国水泥工业在过去的很长时间内，熟料烧成主要以早期的干/湿法回转窑、立窑以及中空窑、立波尔窑为特征。20 世纪 50~60 年代建设的干/湿法回转窑生产线多为引进国外技术设备，立窑在 70~90 年代达到鼎盛，新型干法窑直到 90 年代后期才逐渐开始应用。不同窑型的熟料易磨性Wi按GB/T 26567试验方法（邦德法）实测统计对比见表 1。
由表 1 可见，以前的回转窑和立窑熟料Wi值都较高，平均Wi分别为 18.7 kWh/t、19.2 kWh/t，其中以湿法回转窑和立波尔窑熟料的难磨特征更为突出，Wi大多高于同类窑型的平均值。相比之下，新型干法水泥熟料易磨性Wi值较低且分布集中，平均Wi约为15.9 kWh/t，其中Wi低于平均值的占 52%，≤18 kWh/t占 81%以上。这意味着 3 种窑型熟料在相同粉磨条件下，新型干法窑熟料平均节电 2.8~3.3 kWh/t，最大值极差电耗降低 6~8 kWh/t。可见，新型干法水泥技术的先进性，也体现于熟料易磨性趋好，粉磨节能具有基础优势，而且是在生料普遍采用砂岩代替黏土和大量利用工业废渣配料以致平均Wi有所增大的条件下产生的，这种反差更显技术经济意义。
2 热工形成过程的影响
熟料热工形成过程的易磨性影响，一直是国内外试验研究的课题，论点主要集中于熟料矿物相、液相、体积密度、烧成质量（过烧或欠烧）以及冷却与储存等，很多研究还由此延伸到生料。尤其是有关对C2S、C3S等矿物的易磨性评价，至今被视为经典用以检验熟料的质量和粉磨难易程度。
2.1 熟料矿物与液相
国外研究认为，熟料易磨性随C2S含量增大呈直线降低，见图 1；熟料C3S含量越高易磨性越好，见图 2；熟料液相含量越多易磨性越差，见图 3。国内研究也证明熟料矿物由难磨到易磨的排序为：C2S＞C4AF＞C3A＞C3S，并认为熟料生成的液相过多或不均匀、矿物分解形成的蠕虫状结构，是影响易磨性的两个主要原因，其他一些组分如MgO、K2O、Na2O虽不直接影响易磨性，但会促进液相不均匀。还有试验认为，熟料C2S每增加 10%或C3S减少 10%，水泥（比表面积 350 m2/kg）粉磨电耗会升高 5 kWh/t左右。而对于水泥胶砂耐磨性的影响，则以C3S最好，C4AF和 C2S次之，C3A最差。
图2中，KM为金德（Kind-Modulus）石灰饱和系数，Sychev认为：生料KM值越高，熟料易磨性越好，其影响作用与C3S相似，与C2S和液相含量相反。Nieginski 针对回转窑熟料给出C2S含量与易磨性的函数值见表2。这都表明熟料矿相、液相对粉磨及其水泥性能有重要影响。
上述研究均以标准值 1.00 作对比的相对系数表示易磨性，系数越大即易磨性越好。本文采用邦德易磨性Wi试验和DX-2700X射线衍射仪分析，得出不同W（ikWh/t）与矿相、液相含量的关系见表 3。表 3 中均为新型干法纯熟料，细度为 80 µm筛筛余1.2%~1.5%，粉磨模拟闭路系统将入磨量的 96%以上制成试样，经混合、缩分取样用于检测。试验分析引入的条件相同，结果具有可比性。表 3 显示，熟料随C2S含量增大，易磨性Wi逐渐升高，试验磨每转产量G随之减少，能够印证C2S难磨的观点，但三者间的线性关系较差，见图 4。对比可见，Wi由 13.76 kWh/t上升到 19.19 kWh/t，增幅为39.5%时，C2S含量仅相差不到 6 个百分点，都没达到图 1、表 2 那样的含量跨度。其他次难磨组分与Wi的对应关系也无规律，如C样C3S多、液相量少，Wi反而较高，A样和B样则与之相反，都未形成图 2、图 3 的线性关联。对此采用化学分析方法计算矿相，结果也是各有异同。这似乎表明：C2S含量对新型干法熟料的易磨性影响更敏感一些，其他单一组分及液相的影响则显得迟钝混乱。图 4 的线性较差或许有它们的共同作用。因此，有关矿相对熟料易磨性的影响，还值得深入探讨，重新认识。
巧合的是，未经过挤压的熟料当C2S含量为 15%时，表 2 的相对易磨性系数对应为标准值 1.00，表 3的邦德易磨性Wi则近于平均值 15.9 kWh/t，两种方法在此点上的对应值都具有参照值的作用，表明熟料的易磨性以C2S=15%为界，可进行大致判断；而挤压后的熟料，易磨性受C2S的影响则大幅减弱。表中B-1和C-1 分别是熟料B、C的挤压对比，可见同一熟料挤压前后的矿相含量基本不变而只是Wi值降低，说明挤压工艺可以弱化C2S的难磨影响，主要是通过改变颗粒结构的疏密程度来改善易磨性，从而降低粉磨电耗。实际生产中HFCG辊压机系统的降低幅度普遍可达 30%~60%以上，本试验模拟挤压由于受辊径、压力、料层厚度等诸多因素的限制，降低率仅为12%~18%左右。
2.2 冷却方式与存放时间
冷却速率由于影响熟料晶体结构和矿物形成，故而也影响易磨性。Petzold 1960年通过单筒冷却机和富勒篦冷机冷却对比得出，前者在相同比表面积下的粉磨电耗都较高，当比表面积=350m2/kg时，约高于篦冷机熟料近 10 kWh/t，原因就在于单筒冷却机的冷却速率太低，促使熟料矿物晶体增大；H.L.Ehmann、S.Transtel和P.J.Jacob等人1962年试验认为，出窑先缓慢冷却至1250℃紧接着再快冷的熟料最好；S.S.Rehsi和A.J.Majumdar1969 年报道了快冷熟料对粉磨的有利影响，认为快冷熟料因MgO晶体小、C2S含量低、C3S和中间相含量高而易于粉磨；T.K.Chatterjee 和 S.N.Ghosh1980 年的研究也表明，快冷熟料所需的粉磨能量小于慢冷，并定义冷却速率 4~5 ℃/min为慢冷，18~20 ℃/min为快冷。类似的试验结论还可追溯到更早（B.Nordbsrg1938 年~1939年、O.Schwachheim 1936 年），只是采用的冷却方式各有不同，如水淬、风冷、自然冷却等，受其影响的也不仅仅是易磨性，还包括水硬活性、强度、安定性、抗硫性以及熟料的颗粒形状、颜色等。
有关熟料存放时间的影响，资料均指出：熟料存放时间较长或经过一段时间存放，易磨性变好。因为熟料在陈化过程中的游离CaO消解作用有削弱或破坏熟料结构的倾向。国外有试验在相同条件下粉磨陈化熟料的比表面积要比新产熟料高106.5m2/kg。但上述所谓的陈化、存放时间都很抽象，也未给出具体的易磨性量化指标。本文根据不同时期对熟料冷却方式和存放时间（装袋室内自然存放）进行的易磨性对比见表 4。
由表 4 可见，（1）篦冷机冷却熟料相对于自然冷却，Wi约降低 16.3%，且冷却方式对易磨性的影响大于存放时间。（2）熟料出窑 7~20 d的Wi都较高，这与资料“新生产的熟料在 1~2 周内要难磨得多”的观点相印证。随着存放时间延长，Wi在 40~180 d内约有 9%~12%的降低，至 240 d后又缓慢回升，其变化呈“U”形特征。实际生产中熟料从出窑到粉磨的存放周期不至于这样长，但对分析熟料矿物结构变化具有参考意义。（3）上述试验包含立窑和新型干法窑熟料，表明冷却方式和存放时间对不同窑型熟料的易磨性影响大体相似。
2.3 体积密度
国外 70 年代发表的研究认为，体积密度（g/cm3）较大的熟料易磨性更好，其影响见图 5。本文按生产控制常用的升重（kg/L）得出熟料易磨性的影响见图 6。
图5和图6的试验磨平均每转产量均由邦德易磨性试验产生，熟料体积密度与升重互为正比。对比可见，相同密度/升重的熟料试验产量分布都很宽，纵坐标上的同一个值可以对应横坐标的若干值，并不具有严格的相关关系，虽然两图的线性趋势相似，但图 6产量越大的试样分布面越宽，这也表明新型干法水泥熟料的易磨性整体上好于 20 世纪 70 年代，受密度或升重的影响十分微弱，同时还与以下因素有关。
2.3.1 熟料和粉磨工艺的区别
图 6 中，平均每转产量≤0.6g/r的框点为铝酸盐和硫铝酸盐水泥熟料，≥1.25g/r的框点为辊压机挤压后的熟料，其余均为常规试验的硅酸盐水泥熟料，都不乏升重相近而产量悬殊的实例，并非密度大的易磨性就好，甚至有的白水泥熟料升重最小（1.08 kg/L），试验产量却高达 2.8 g/r。都表明不同生产条件下的熟料密度/升重对易磨性的影响并不重要，而熟料类型和粉磨工艺的影响更为明显。
2.3.2 受生料的影响
Kannewurf 认为，熟料易磨性随生料体积密度的增加而降低；贾华平教授的试验认为，把生料100µm筛筛余由 20%降至10%，水泥（比表面积350m2/kg）粉磨电耗会下降 4kWh/t。本文对生料与熟料之间的易磨性影响缺少数据论证，但生料之间似乎有密度上的关联。现在广泛采用页岩、硬质砂岩代替黏土的配料Wi普遍增大，电石渣代替石灰石的配料Wi普遍偏小，即可理解为这些原料的密度不同，而实质则是因其易磨性差异太大（如：黏土Wi=3~7 kWh/t，页岩、砂岩Wi=11~23 kWh/t）。若按生料、熟料的平均Wi值来看两者的依存关系，由表 1 可大致推算出：新型干法熟料Wi约为生料Wi的 1.18 倍，立窑和传统回转窑熟料约为 1.47~1.50 倍，有的非正常状态或一些特种水泥可达 2 倍以上，由此可见，降低生料Wi对改善熟料易磨性也有实际意义。
3 粉磨过程的影响
水泥粉磨过程依赖于降低物料易磨性Wi来获得最大的粉磨效率，其中设备与工艺、原料与配比是最具多样性、影响也最大的两个因素，其影响甚至大于热工形成过程而直接关系到磨机产量和电耗，国内外对此研究较多，但缺乏与原料易磨性Wi建立明确的数据关联。
3.1 原料与配比
原料与配比的多样性在于混合材品种多，配料形式千差万别，特别是一些工业废渣的掺入，使得水泥配料的易磨性由熟料Wi整体增大。见表 5。
对比表1和表5可见，硅酸盐水泥熟料经过配料，平均Wi由熟料的 15.9 kWh/t增大到 17.5 kWh/t，相比于单独粉磨熟料需要多耗电 1.6 kWh/t，最大值可达5.4 kWh/t以上；铝酸盐和硫铝酸盐水泥熟料Wi原本就很高，配料后随着混合材的粉磨难度增大变得更加难磨；白水泥Wi总体偏低，有熟料和混合材相对易磨的一面，但极差电耗仍然较大，都表明水泥配料的易磨性Wi既取决于熟料，也取决于混合材及其配比。从这个角度看，德国研究开发石灰石含量高达 50%的水泥，对改善易磨性也非常有利。国内以混合粉磨方式配料的典型实例见表 6。
表 6 表明：当混合材Wi越小或者Wi值虽大但配入量不高（通常＜5%）时，相对于熟料Wi的增幅就小甚至有可能负增长，反之则更难粉磨。其中像特种水泥常用的熟矾土、矾钛渣和硅酸盐水泥常用的矿渣、磷渣、钢渣等Wi值绝大多数远高于熟料，因而配料Wi的增幅也大；而且同一类型的混合材在难磨程度上的不同，即使其配比较低也可能导致配料Wi很高，如A、B、C三厂就是因为矿渣同类不同质而使其配入量与Wi的增幅成逆向发展，此时即便三个厂的粉磨工况相同，系统产量或电耗也不具有可比性。各种工业废渣几乎都具有这种同类不同质的特征，无论是混合粉磨还是分别粉磨，也无论是熟料还是生料配料，其影响都存在，一方面是注重工艺和原料的优化，另一方面是不同粉磨系统的对比应首先建立在原料易磨性对等的基础之上。
石膏作为水泥配料不可或缺的原料，国外的易磨性研究较多。J.P.Bombled1980 年提出，熟料与石膏配料的粉磨细度反比于它们的易磨性，其中配入的石膏约90%以上是以＜ 40µm的粒径存在于成品中；B.Osbaeck和E.S.Jons采用回归分析估算，在相同动力消耗下，每 1%石膏约为水泥成品提供10 m2/kg的比表面积；I.Ohara、T.Iwabuchi、H.Okaue和S.Takeuchi 通过对比试验证明，二水石膏比半水石膏（经 130 ℃煅烧 24 h）更容易粉磨，并得出石膏掺量及其矿物形态影响易磨性的结论。另有研究发现：（1）石膏有阻止物料在研磨体上形成包裹层的倾向，而脱水石膏则相反；（2）石膏的最佳掺量有可能随粉磨工艺或细度不同而明显高于正常水泥；（3）比表面积越大（574~1903 m2/kg），水泥凝结时间不随SO3 含量和需水量的成倍增大而延长，初凝时间反而缩短 1/3~2/3 。以上论点均无法从表 6 得到反映，但从易磨性分析，天然石膏Wi仅为 7~10 kWh/t左右，与熟料混磨应该有利于降低配料Wi和提升出磨比表面积，只是因为其掺量有限（3%~7%），这些有利因素容易被其他难磨混合材的不利影响所掩盖。因此，石膏对易磨性的影响远不如对水泥凝结时间、水化强度及其安定性的影响更为直观和重要。
能够从试验得到证实的是，现在普遍采用的脱硫石膏以及脱硫派生的其他工业废渣的确难磨很多。在相同比表面积或 45 µm筛筛余条件下，脱硫石膏要比天然石膏多耗时 7~12 min；脱硫粉煤灰则比正常粉煤灰多耗时 60~80 min，有的还出现筛余和比表面积停滞甚至倒缩。从试验过程看，单独粉磨脱硫石膏或脱硫粉煤灰，往往都存在糊球糊磨现象，这可能是阻碍粉磨的直接原因。但与熟料混合粉磨，其有限掺量产生的不利影响基本可以忽略。
3.2 粉磨工艺及设备
国内外针对辊压机挤压粉磨工艺的高产节能分析，多是从颗粒裂缝进行推导或生产效果对比来证明。表 7 将同一原料进行挤压前后Wi的实测对比表明，挤压工艺的高产节能源于易磨性Wi的大幅度改善。
表 7 中，挤压前的入磨粒度由试验室颚式破碎机产生，代表传统球磨工艺；挤压后的物料取自生产并直接入磨试验（预粉磨工艺含有的大颗粒经试验室颚式破碎机）。对比可见，挤压后的Wi相对于挤压前都有不同程度的降低，且随原料和挤压工艺不同在各自的范围集中分布。从原料分析，结构致密的像铜矿石、铁矿石、钢渣、铝矾土等的耐压力较强，挤压对其颗粒结构的破坏作用减弱，故而Wi降低率较小，约为 20%~25%左右；生料、熟料配料的降低率较高，大多在 30%~60%，这其中也包含因原料结构而异的影响因素；从挤压工艺分析，早期的预粉磨是一次完成挤压，颗粒受压程度有限加之磨辊边缘有大颗粒溢出，难免存在漏压和挤压不充分的现象，因而Wi降低幅度有限。而终粉磨、半终粉磨、联合粉磨等工艺均
由打散机、选粉机构成回路，粗颗粒在挤压、选粉的循环过程中被反复挤压，因而挤压充分，使其颗粒结构疏松易磨，故而Wi大幅度降低。
表 7 的对比试验还同时表明，不同挤压工艺的Wi降低率与其生产的实际节电率普遍一致。由此可以认为，现在广泛应用的终粉磨、半终粉磨、联合粉磨等工艺的高产节能，正是源于充分挤压产生的易磨性改善作用，挤压对Wi的降低幅度越大，粉磨节能贡献率越高。通过挤压前后的易磨性对比试验，可以准确地预测不同挤压系统的增产节电能力。
4 结论
（1）新型干法窑熟料相对于以前的回转窑和立窑熟料，易磨性Wi较低，具有良好的粉磨节能基础。热工形成过程影响熟料易磨性的主要因素是C2S含量，其他矿相及液相含量的影响不明显，与前人的结论差别较大，有待深入研究。与此相关的问题是：熟料的挤压过程只是改变颗粒尺寸而并不改变矿物组成，在同样C2S含量下，挤压何以能够大幅度降低其难磨影响，其中的机理也很是值得探讨。表 3 的实测或许能够证明熟料颗粒结构的疏密程度才是决定易磨性的关键，而挤压过程则促使其结构由致密变为疏松，其影响远远大于热工形成过程。
（2）无论C2S等矿相的影响如何，通过优化热工制度和粉磨工艺来改善熟料易磨性，仍是质量管理控做重要方面。现在发展的新一代干法生产技术、篦冷机技术和辊压机挤压粉磨技术，工艺装备更成熟可靠，以改善易磨性为标志的粉磨节能空间更大。据某厂优化前后的实测对比，熟料Wi可从 21.8 kWh/t下降到 15.8 kWh/t，显然是一种付出小、潜力大的节能途径。
（3）采用辊压机终粉磨、半终粉磨和联合粉磨工艺，几乎可以忽略所有影响易磨性的因素而使粉磨节能达到 30%~60%以上。通过辊压机挤压前后的Wi值对比，能够准确预判挤压工艺的增产节电幅度。而易磨性Wi基数越小，粉磨系统的高产节能基础优势越扎实，选材配料的范围也越宽，这就是研究和注重改善熟料易磨性的意义之所在。
——作者：罗帆
——单位：合肥水泥研究设计院有限公司，中建材(合肥)粉体科技装备有限公司
——来源：《水泥》2019年1期
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