水泥強度異常下降原因分析及解決措施

劉翠

我廠有一條4 500t/h新型干法水泥生產(chǎn)線，配備一臺LGM5024生料磨、RP-120輥壓機+兩臺φ 4.2m×13m水泥磨，目前主要生產(chǎn)P·O42.5及M32.5水泥。2019年6月我公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥突然出現(xiàn)庫內(nèi)強度異常下降現(xiàn)象，通過分析查找到原因，采取了有效控制措施，確保了出廠水泥的質(zhì)量穩(wěn)定。

1 問題描述

2019年6月中旬，客戶反映P·O42.5水泥凝結(jié)時間偏短，采取措施提高SO3控制指標(biāo)后，生產(chǎn)批次為A、B、C的P·O42.5出磨水泥1d抗壓強度為10.3～11.0MPa，根據(jù)經(jīng)驗推算，3d抗壓強度應(yīng)在29MPa左右，但實際檢測只有25MPa左右。對相應(yīng)庫內(nèi)水泥取樣檢測，發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)水泥1d抗壓強度只有6～7MPa，比出磨水泥低約4MPa；3d抗壓強度只有17MPa左右，比出磨水泥低約8MPa，具體檢驗數(shù)據(jù)如表1所示。發(fā)現(xiàn)異常后，為保證水泥質(zhì)量，將此庫存水泥降級作為P·C32.5R水泥搭配出廠。

2 問題原因分析

2.1 混合材含水量

我廠使用的混合材有煤渣、錳渣、黑石、石灰石，石膏有煙氣脫硫石膏、磷石膏，各物料含水量如表2所示。

庫內(nèi)水泥取樣檢測，3d強度比出磨水泥低約8MPa，說明水泥在庫內(nèi)存放過程中不斷被水化。水泥中水分的主要來源是混合材，當(dāng)P·O42.5水泥的入磨物料綜合水分在0.8%～1.0%時，同一天轉(zhuǎn)產(chǎn)的P·C32.5R水泥的入磨物料綜合水分為1.9%左右，比P·O42.5水泥的入磨物料綜合水分高1.0%左右。從P·O42.5出磨水泥的檢測情況來看，其3d強度只有25MPa左右，低于正常預(yù)測值。如果僅僅是由于混合材的水分高造成水泥強度異常降低，那么在同一天轉(zhuǎn)產(chǎn)的低標(biāo)號P·C32.5R水泥，即表1中的D批次水泥，應(yīng)該也會出現(xiàn)強度急劇下降的情況。而實際上，D批次水泥出磨時3d強度為20.1MPa，庫內(nèi)取樣3d強度為20.3MPa，比庫內(nèi)P·O42.5水泥的3d強度高4MPa，并沒有出現(xiàn)強度在庫內(nèi)異常下降的情況。

由此可見，混合材含水量對強度的影響在出磨水泥檢測時就已反映出來，是水泥強度降低的一個原因，但不是這次水泥庫內(nèi)強度異常下降的主要原因。

2.2 石膏摻量

石膏具有調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的作用，適當(dāng)?shù)氖鄵搅坑欣谒鄰姸鹊陌l(fā)揮，但是石膏摻量過多，會使不同齡期的水泥強度有所下降，可通過對強度和有關(guān)性能進行試驗來確定最佳石膏摻量[1]。我廠自投產(chǎn)以來一直使用煙氣脫硫石膏與磷石膏，經(jīng)過試驗及調(diào)整，煙氣脫硫石膏與磷石膏按3:1搭配使用，水泥凝結(jié)時間與強度基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過大的波動?？蛻舴从衬Y(jié)時間偏短后，再生產(chǎn)時即將SO3的控制指標(biāo)從2.2%±0.2%提高至2.6%±0.2%，生產(chǎn)A、B、C這三個批次水泥時，石膏的摻入量為7.0%～8.0%，單點取樣檢測SO3最高值為2.78%，石膏摻量比平時偏高。

2.3 出磨水泥溫度

由于當(dāng)時水泥磨輥壓機輥面磨損，產(chǎn)量相對偏低，生產(chǎn)散裝P·O42.5水泥時，產(chǎn)量在190t/h左右，出磨水泥平均溫度在110℃～115℃，最高為117℃。生產(chǎn)P·C32.5R水泥時，產(chǎn)量在190t/h左右，出磨水泥平均溫度98℃，最高100℃。當(dāng)時P·O42.5和P·C32.5R出磨水泥水分檢測結(jié)果為0.1%～0.3%，相差不大，說明混合材帶入的水分大部分已被熱風(fēng)帶走。水泥在存放過程中發(fā)生水化，除了混合材帶入的水分，就只有石膏中的結(jié)晶水。將本廠石膏放入烘箱內(nèi)進行試驗，溫度在100℃持續(xù)烘24h，石膏脫水率即達(dá)到70%以上。另外，P·O42.5水泥的出磨溫度高達(dá)110℃，出磨后進入水泥庫密閉環(huán)境中得不到散熱，使石膏嚴(yán)重脫水，石膏摻入量偏高，使得脫出的結(jié)晶水增多。兩個因素疊加，脫出的結(jié)晶水與水泥中的熟料顆粒發(fā)生預(yù)水化反應(yīng)，這部分熟料對水泥后續(xù)強度將失去作用，從而造成強度異常下降。而生產(chǎn)P·C32.5R水泥時，出磨溫度≯100℃，水泥在庫內(nèi)存放過程中石膏的脫水沒有P·O42.5庫內(nèi)水泥那么嚴(yán)重，所以P·C32.5R水泥在庫內(nèi)沒有發(fā)生強度異常下降的情況。

表1 強度異常時出磨水泥與庫內(nèi)水泥檢驗數(shù)據(jù)對比

表2 物料含水量

綜上分析認(rèn)為，石膏摻量過多，水泥在庫內(nèi)存儲溫度高造成石膏脫水，脫出的結(jié)晶水與水泥中的熟料顆粒發(fā)生預(yù)水化反應(yīng)，是造成庫內(nèi)水泥強度異常下降的主要原因。

3 試驗驗證

3.1 溫度對石膏脫水的影響

分別對本廠脫硫石膏、磷石膏進行脫水試驗，稱1g樣品放入恒溫干燥箱烘24h，檢測其脫水情況。由表3試驗數(shù)據(jù)可見，不論是脫硫石膏還是磷石膏，在80℃時已經(jīng)開始脫水。不同廠家的脫硫石膏的脫水情況也不相同，Y廠家80℃時的脫硫石膏脫水率比T廠家的低，T廠家80℃時脫硫石膏脫水率最高達(dá)到17%。在100℃時兩個廠家的脫硫石膏脫水率均＞70%；溫度達(dá)到110℃～120℃時，脫硫石膏脫水率均＞95%，最高達(dá)到99%。

3.2 石膏摻量對水泥強度的影響

相同的熟料保持配比80%不變，將石膏配比從3.1%增加到9.1%，要求石膏、混合材不烘干，盡量模擬實際生產(chǎn)狀態(tài)進行小磨試驗，試驗配比情況如表4所示。

按表4中的配料比例，在實驗小磨粉磨至細(xì)度≤3.0%，比表面積350±15m2/kg時，將磨得的水泥進行檢驗，檢驗結(jié)果見表5。

高港節(jié)制閘過閘流量自動控制成功運用后，對高港泵站下層流道自流引江的自動控制進行了研發(fā)。高港泵站自流引江時，將內(nèi)河側(cè)下道閘門全開，通過調(diào)節(jié)長江側(cè)下道閘門開高實現(xiàn)流量控制。控制策略和實現(xiàn)方式與節(jié)制閘類似，但在實際運用中發(fā)現(xiàn)，因下層流道的閘門啟閉速度太快，達(dá)2.64m/min，閘門經(jīng)常不能在設(shè)定的高度自動停止，出現(xiàn)自動控制失靈，且啟閉機剎車磨損較快。為此，通過對啟閉機電機加裝變頻器，使閘門升降速度降至1.32m/min，實現(xiàn)了自動控制的可靠運行。

適量的石膏在水泥水化過程中與C3A生成一定數(shù)量的鈣礬石針狀晶體，交錯填充于水泥石的孔隙中，從而增加水泥石的致密性，因此石膏不僅可以起到調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的作用，適當(dāng)?shù)氖鄵搅窟€有利于水泥強度的發(fā)揮[1]。但若石膏摻量過多，在水泥凝結(jié)后仍有一部分石膏繼續(xù)與C3A水化生成鈣礬石，體積膨脹，影響水泥強度。由表5試驗結(jié)果可以看出，相同的熟料，配比不變，隨著石膏摻量由3.1%增加到9.1%，水泥的抗壓強度先增長后下降，石膏摻量為5.1%的水泥強度最高。由此可見，我廠石膏（煙氣脫硫石膏：磷石膏=3:1）最佳摻量在5%左右，以SO3含量計算為2.1%左右。

表3 不同溫度石膏的脫水情況

表4 小磨試驗配比情況

表5 石膏對水泥強度的影響

3.3 溫度對水泥強度的影響

按表4中的配料比例，將水泥在實驗小磨粉磨至細(xì)度≤3.0%、比表面積350±15m2/kg后，一部分進行常溫水泥檢測，一部分裝入鐵桶密封后放入相應(yīng)溫度的恒溫干燥箱內(nèi)烘24h，模擬水泥在密封水泥庫內(nèi)的狀態(tài)，然后取出檢測，檢測結(jié)果如表6所示。

從表6所示的試驗結(jié)果來看：

（1）同一石膏摻量，隨著溫度由90℃上升到120℃，水泥強度下降幅度隨著溫度的升高而上升?？傮w來說，溫度越高，水泥強度下降越明顯。水泥在水化時溫度越高，結(jié)合水量越多，水化越快[1]，石膏脫出的結(jié)晶水與熟料顆粒結(jié)合的越快，損失的熟料顆粒越多，所以強度下降越明顯。

（2）水泥在90℃、100℃烘后與常溫對比，石膏配比增加，強度沒有明顯下降，反而還有小幅回升。

（3）水泥在110℃、120℃烘后與常溫對比，從表4、表6中可見，從1號樣品至5號樣品，隨著石膏配比的增加，帶入的結(jié)晶水也相應(yīng)增加，強度下降的幅度由1.9%增至25.1%，但是強度下降的幅度與石膏帶入的結(jié)晶水并非呈線性關(guān)系，而是在石膏配比達(dá)到7.0%之后，降幅突然急劇增大。

4 改進措施

4.1 加強石膏的質(zhì)量控制

（1）選用脫水溫度較高的石膏，暫停使用80℃脫水率較高的T廠脫硫石膏。

4.2 控制SO3含量，控制石膏的摻量

下調(diào)SO3控制指標(biāo)，由2.6%±0.2%調(diào)至2.2%±0.2%，在滿足凝結(jié)時間的情況下再下調(diào)至2.0%±0.2%左右。我廠石膏采用的是脫硫石膏與磷石膏搭配使用，磷石膏對水泥具有明顯的緩凝作用，適當(dāng)使用磷石膏能提高水泥3d強度及28d強度[2]，隨著磷石膏pH值的升高，水泥強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[3]。在實際使用過程中，若水泥凝結(jié)時間偏短，可以適當(dāng)增加磷石膏的使用比例，但石膏總量不變，盡量控制在最佳摻量±1%左右。

經(jīng)過一段時間的調(diào)整，生產(chǎn)散裝P·O42.5水泥SO3控制在1.6%～2.2%，石膏總摻入量在6%以下，凝結(jié)時間可以滿足客戶需求，水泥強度沒有發(fā)生明顯的下降情況。

表6 溫度對水泥3d抗壓強度的影響（烘后與常溫對比）

表7 采取措施后P·O42.5出磨水泥與對應(yīng)庫內(nèi)水泥強度對比

4.3 控制出磨水泥溫度

（1）對1號磨輥壓機磨損的輥面進行堆焊，將2號磨輥壓機輥子更換為合金輥，提高輥壓機的做功，水泥磨產(chǎn)量由原來的190～200t/h提高到200～210t/h，提高了約10t/h。

（2）加大磨尾、輥壓機循環(huán)風(fēng)機的拉風(fēng)，優(yōu)化磨機工藝參數(shù)，改善水泥磨內(nèi)通風(fēng)，減少水泥在磨內(nèi)的停留時間。

（3）加強對篦冷機的操作，保證熟料的冷卻效果，確保出窯熟料溫度＜100℃，避免高溫熟料送入磨內(nèi)。

（4）合理搭配水泥出庫，縮短水泥在庫內(nèi)停留時間。

5 改進效果

采取以上措施后，對出磨水泥與庫內(nèi)水泥進行了持續(xù)跟蹤對比，檢驗數(shù)據(jù)如表7所示。

從表7的對比數(shù)據(jù)可以看出，生產(chǎn)散裝P·O42.5出磨水泥平均溫度在100～108℃，比原來下降了約10℃左右；石膏摻量基本在4.6%左右，出磨水泥1d強度9.6～9.8MPa，3d強度27.8～28.3MPa，庫內(nèi)取樣檢測水泥強度沒有出現(xiàn)下降，反而略有回升；出磨1d強度10.2～14.7MPa，庫內(nèi)取樣檢測3d強度，除個別批次下降0.6～0.7MPa之外，沒有出現(xiàn)大幅下降?？紤]檢驗帶入的誤差，總體來說，出磨水泥與庫內(nèi)水泥強度基本保持穩(wěn)定，徹底解決了水泥在庫內(nèi)強度異常下降的問題。

6 結(jié)語

（1）煙氣脫硫石膏與磷石膏按3：1的比例搭配使用，石膏最佳摻量為5%左右，以SO3計算為2.1%左右。

（2）煙氣脫硫石膏與磷石膏按3：1的比例搭配使用，當(dāng)大量石膏發(fā)生嚴(yán)重脫水時，水泥強度會出現(xiàn)急劇損失，這種損失隨著石膏摻入量的增加而增加，當(dāng)石膏摻量增加到7.0%之后，強度損失幅度突然增大。實際生產(chǎn)中可以通過減少石膏摻入總量的方式減少石膏脫水對強度的影響，如果水泥凝結(jié)時間偏短，可以適當(dāng)增加磷石膏的比例，但石膏總量保持不變，以延長凝結(jié)時間，石膏摻入總量控制在6.0%以下。

（3）水泥儲存溫度不同對水泥強度的影響也會不同。當(dāng)水泥儲存溫度≥110℃，水泥強度會發(fā)生明顯的損失，在實際生產(chǎn)中可以通過降低出磨水泥溫度來減少石膏脫水造成的強度損失。當(dāng)水泥儲存溫度在90～110℃時，水泥強度略有回升，其儲存時間及反應(yīng)機理還有待進一步研究。