關(guān)于水泥結(jié)塊、流動性問題以及助磨劑在降低水泥裝卸和運(yùn)輸成本中的作用

  1. 簡介

  從20世紀(jì)30年代開始，人們已經(jīng)開始使用按配方制作的水泥助磨劑。格雷斯的"TDA"產(chǎn)品是于20世紀(jì)30年代初開始研發(fā)，在1935年取得了專利權(quán)。而"HEA2"產(chǎn)品是于1965年獲得了專利保護(hù)，時(shí)至今日，仍是世界上使用最廣泛的一種助磨產(chǎn)品。從20世紀(jì)70年代起，人們開始逐漸使用增強(qiáng)型助磨劑，而格雷斯最近新開發(fā)出的 "CBA" 系列專利產(chǎn)品，即為增強(qiáng)型助磨劑，它在增加水泥中混合材方面有越來越多的應(yīng)用。

  助磨劑的作用是在最大程度降低水泥的制造成本和優(yōu)化水泥質(zhì)量方面提供幫助。在過去大概60年的時(shí)間內(nèi)對此進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作，這些研究也包含了助磨劑在水泥研磨過程中以及后續(xù)產(chǎn)品性能的影響等方面。

  人們能夠從許多方面降低成本，例如：通過降低研磨過程中的單位耗能量；提高生產(chǎn)率；縮短運(yùn)行時(shí)間；降低維修和維護(hù)成本；提高水泥的性能；提高熟料的替代率：以及通過提高干粉的"流動性"和降低"結(jié)塊"等措施來實(shí)現(xiàn)成本的降低。

  2  "結(jié)塊"和"流動性"

  術(shù)語"結(jié)塊"是指散裝水泥"開始流動"被抑制時(shí)的一種狀態(tài)。隨著水泥貿(mào)易量的不斷增大，人們需要使用更大容量的儲存和運(yùn)輸設(shè)備，并且儲存和運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和距離也在延長，因此，"結(jié)塊"現(xiàn)象出現(xiàn)的越來越普遍。這種現(xiàn)象可能會在水泥廠里以及運(yùn)輸之后出現(xiàn)。

  "流動性"這一術(shù)語指的是水泥在其"運(yùn)動"時(shí)，流動的難易程度。"流動性"所引發(fā)的問題可能會比"結(jié)塊"的要少一些，但它們通常是相互關(guān)聯(lián)的。

  實(shí)際上，"結(jié)塊"就是指水泥的壓實(shí)狀態(tài)，而"流動性"與之相反，是指水泥的未壓實(shí)狀態(tài)。因此，"結(jié)塊"可以被視為水泥的靜摩擦力，而"流動性"可以被看作是水泥的動摩擦力。

  此外，結(jié)塊與"結(jié)庫"或"自然硬化"不盡相同，后者是指在存儲過程中脫水石膏發(fā)生水化作用(如存在堿性氧化物)和形成鉀石膏時(shí)，所發(fā)生的現(xiàn)象。但是，"結(jié)塊"和結(jié)庫或自然硬化可能會同時(shí)發(fā)生。

  在很多情況下，"結(jié)塊"在一定較小的機(jī)械外力的作用下，可以被克服，但如今在越來越多的情況下，這種外力的強(qiáng)度已經(jīng)變得非常大，所需要的代價(jià)也很高。特別是在今天，隨著水泥貿(mào)易和終端作業(yè)的大量增加，對這個性質(zhì)的研究也變得越來越重要。

  3. "結(jié)塊"的產(chǎn)生原因

  "結(jié)塊"的發(fā)生與許多條件相關(guān)。其中最重要的是振動，隨著振動的時(shí)間和程度的增加，對壓實(shí)狀態(tài)的作用也有所不同。我們已經(jīng)非常清楚地了解到振動在許多運(yùn)輸方式中所產(chǎn)生的影響，但對在儲存設(shè)施中的發(fā)生機(jī)制并不太清楚。然而，這些條件往往受到外部振動，例如其他機(jī)械運(yùn)動或車輛運(yùn)動的影響。

  然而，即使在相同的裝卸和存儲條件下，不同的水泥表現(xiàn)出來的性能也不盡相同。因此，"結(jié)塊性"也屬于水泥的一個內(nèi)在性能指標(biāo)。隨著水泥細(xì)度的增加，粒度分布的增加和新鮮度的增加， "結(jié)塊性"也就更大。

  現(xiàn)在有很多證據(jù)表明，"結(jié)塊"現(xiàn)象與導(dǎo)致顆粒凝聚的表面化學(xué)密切相關(guān)。因此，凝聚現(xiàn)象可能是當(dāng)存在少量的水分和/或顆粒間的靜電吸引力時(shí)，生成的微小晶體橋而產(chǎn)生。而顆粒間的靜電吸引力可能是由于剛斷裂的水泥表面的不平衡原子價(jià)力而產(chǎn)生，而這種原子價(jià)力也因此被稱為"表面能"。

  凝聚作用最初會導(dǎo)致相連顆粒間的一種開鏈結(jié)構(gòu)。然而，隨著壓實(shí)度的不斷增加，凝聚作用將最終導(dǎo)致一種非常嚴(yán)密的剛性結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。因此，"結(jié)塊"從本質(zhì)上可以被視為是機(jī)械搗固（振動）和顆粒間的吸引力（不平衡的原子價(jià)力）共同作用的一種結(jié)果。表面新鮮度的影響可以因此而得以解釋，因?yàn)閷?dǎo)致凝聚的作用力和"結(jié)塊性"將會由于對大氣中水分和二氧化碳的吸附，隨著時(shí)間的變長而降低。

  因此我們可以得出結(jié)論，"結(jié)塊"能夠通過對表面能的控制而被大幅度降低甚至消除，而它最好在不平衡的原子價(jià)力產(chǎn)生的過程中，即在研磨過程中得以實(shí)現(xiàn)。

  除了"結(jié)塊"之外，顆粒間的吸引力也將導(dǎo)致對磨機(jī)內(nèi)部構(gòu)件（糊球） 凝聚和粘合，從而降低了研磨效率。

  助磨劑對水泥中的各種顆粒起到了包裹的作用，屏蔽了顆粒間的吸引力，因此也減少了團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生。實(shí)際上，它們提供了一種干性分散。因此這些助磨劑將會提高研磨效率，降低結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生。但是，我們還需要注意，結(jié)塊的降低程度，雖然與研磨效率的提高程度有關(guān)，但不是直接成正比關(guān)系。

  4. 對"結(jié)塊"的測評

  在研究在大量粉狀物質(zhì)，如水泥中的流動狀態(tài)如何開始出現(xiàn)時(shí)，自由屈服強(qiáng)度這一參數(shù)具有非常重要的意義。這一參數(shù)是指在一個自由表面上導(dǎo)致聚合力破裂所必需的正切壓力，它也是聚合力的一個函數(shù)。術(shù)語"破裂函數(shù)"和"流函數(shù)"被用來描述聚合力和自由屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系。

  "Jenike剪切盒測定方法"是一種為眾人所知的測定"破裂函數(shù)"的方法。而其他人，如威廉，伯克斯和巴恰塔亞還通過壓縮一個圓柱樣品，制定了直接測量"破裂函數(shù)"的簡化方法。這種單軸類型的測試機(jī)后來由其他人，如約翰遜和莫爾特比 / Enstad進(jìn)行了進(jìn)一步的研發(fā)。

  對于"結(jié)塊"實(shí)際測評，格雷斯使用了2種室內(nèi)測試方法。第一個測試是在一個錐形瓶里，對100克的水泥進(jìn)行振動凝聚。然后，我們將錐形瓶進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，來破壞其壓實(shí)狀態(tài)。每旋轉(zhuǎn)半圈計(jì)數(shù)一次，旋轉(zhuǎn)的總次數(shù)稱之為"結(jié)塊指數(shù)"。

  第二種方法更接近于上面所述的單軸方法，我們將制作一個圓柱型的水泥樣品。但是，我們并不是通過施加一個壓力，來確定自由屈服強(qiáng)度，而是通過轉(zhuǎn)籠振動篩來確定"破裂函數(shù)"。通過篩子的時(shí)間，即為測量"結(jié)塊"的一個指標(biāo)。

  所有這些方法都能是很好的評測水泥"結(jié)塊"難易的方法，并且它們已經(jīng)證明，由于使用了水泥助磨劑，"結(jié)塊"程度得到了明顯的降低。

  5. 降低結(jié)塊和增加流動性所帶來的益處

  我們上面已經(jīng)討論過，在水泥研磨過程中，使用助磨劑能夠有效地促進(jìn)干性分散，從而降低"結(jié)塊"，增加"流動性"和容積密度。

  而這些改進(jìn)后的性能將在隨后的物料裝卸過程中展現(xiàn)出很多優(yōu)勢，從而顯著地降低成本。

  與物料傳送操作相關(guān)的主要成本包括：在研磨流程內(nèi)的輸送，從研磨系統(tǒng)到工廠的儲庫，從儲庫提貨并裝載，通過公路、鐵路或船只運(yùn)輸，與卸貨、回收和再次裝載有關(guān)的裝卸作業(yè)。

  在這些操作過程中，由于使用助磨劑而降低的"結(jié)塊"和提高的"流動性"，將會縮短裝卸時(shí)間，增加存儲容量，并降低泵送成本。而它們對最終的水泥成本所產(chǎn)生的作用，將取決于實(shí)際的材料裝卸業(yè)務(wù)內(nèi)容。例如，水泥也可能只是通過公路直接從工廠運(yùn)輸過來?；蛘?，可能會使用一個中轉(zhuǎn)站，水泥通常會從工廠通過鐵路或有時(shí)通過船只，運(yùn)送至該中轉(zhuǎn)站。在某些情況下，也可能會有兩個中轉(zhuǎn)站。水泥的運(yùn)送，可能從工廠至第一個中轉(zhuǎn)站會使用公路或鐵路，然后，在兩個中轉(zhuǎn)站之間使用船只，從第二個中轉(zhuǎn)站到客戶之間使用公路。

  在運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的成本因此可能具有很大的差別，可能占銷售價(jià)格的比例很大。人們對所涉及的經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行了研究并就相對較短距離，通常為每噸8 - 10美元的總分銷成本與較長距離的每噸23-27美元的總分銷成本進(jìn)行了探討(1993年)。

  在所有的交通方式中，有一個與裝卸有關(guān)的時(shí)間因素。由于"結(jié)塊"問題而引起的較長裝卸時(shí)間，將會導(dǎo)致更高的裝卸成本，甚至?xí)p少每天的裝載次數(shù)，并進(jìn)一步增加整體的配送成本。

  例如，我們規(guī)定，道路運(yùn)輸所涉及的固定成本每天大約為225美元。對于使用了助磨劑的水泥，用卡車的裝卸費(fèi)用可能大約只有公路往返費(fèi)用的15%。但是，如果是未經(jīng)處理的水泥，該費(fèi)用可能增加到25%。如果每天兩次裝卸這種未經(jīng)處理的水泥，該費(fèi)用將等于每噸4.96美元。而如果每天能夠裝卸使用助磨劑的水泥三次，每噸成本將降至3.30美元。因此，隨著每天往返次數(shù)的

  增加，該配送成本將會明顯降低，也許每噸最多能減少1 .66美元。在使用鐵路配送的裝卸作業(yè)過程中，表現(xiàn)出來的是對裝卸時(shí)間的節(jié)省。因?yàn)槊看窝b卸只能有幾個車廂同時(shí)進(jìn)行（通常情況下，對于需要30個車廂的2000噸的水泥，每次只能裝運(yùn)1-3個車廂）。一般情況下，對于裝卸30個車廂的2000噸的水泥的固定成本為每分鐘1.60美元。而對于使用過助磨劑的水泥而言，裝卸速度大約為400噸/小時(shí)，但對未使用助磨劑的水泥而言，裝卸速度大約為50 - 150噸/小時(shí)。因此，由于受到 "結(jié)塊"的明顯影響，裝卸時(shí)間可能會占到往返時(shí)間的50%以上，而對于單一車廂的運(yùn)輸，該卸貨時(shí)間占往返時(shí)間的比例可能高達(dá)75%。

  例如，對于運(yùn)輸2000噸水泥的30個車廂的列車而言，如果是未經(jīng)處理的水泥，一次裝卸2個車廂，每小時(shí)裝卸75噸，卸貨時(shí)間則為13.3小時(shí)。那么得出的固定成本則為每噸0.64美元。而對于使用了助磨劑的水泥而言，每小時(shí)可達(dá)到150噸的裝卸速度，裝卸時(shí)間因此會減少到6.7小時(shí)，由此得出固定成本為每噸0.32美元。當(dāng)然，水泥配送的實(shí)際減少成本，將根據(jù)每年交貨總數(shù)，由節(jié)省的裝卸時(shí)間決定。

  對于船舶運(yùn)輸，其很大一部分的成本，都來自租船費(fèi)率、港口費(fèi)和碼頭裝卸成本。因此"結(jié)塊"問題也會造成嚴(yán)重的延遲，從而大幅度增加在這些方面產(chǎn)生的成本。延誤可能因"結(jié)塊"問題而導(dǎo)致的較低卸貨率產(chǎn)生，并且，如果受潮汐影響，這個問題將更加突出。對于25噸的船只而言，租船費(fèi)率大約為每噸0.35美元，所以延遲6個小時(shí)可能增加的成本約為每噸0.09美元。另外，在一般情況下，裝卸成本為每噸2.25美元，此時(shí)大概也會每噸增加0.50美元。如果船舶是在港口內(nèi)延遲，港口費(fèi)用對每噸水泥的成本也會產(chǎn)生明顯影響。

  除了在生產(chǎn)商的工廠和配送過程中導(dǎo)致延誤和成本增加，"結(jié)塊"現(xiàn)象也會在用戶的工廠中造成對成本的影響。例如，不理想的材料裝卸將會增加物料裝載時(shí)間、增加使用機(jī)械外力造成流動性的需求（和成本），從而增加了客戶的生產(chǎn)成本。

  6. 水泥助磨劑的經(jīng)濟(jì)意義

  水泥磨助磨劑的成本將取決于助磨劑的種類和使用的摻量。在一般情況下，添加量為0.02%左右，使用成本為每噸0.10美元-0.30美元左右。如果使用該范圍的低端數(shù)值，在例如千瓦時(shí)/噸、維修和維護(hù)成本的降低方面所產(chǎn)生的收益，將大大超過使用助磨劑的成本。如果使用該范圍的高端數(shù)值，將能通過水泥的成分變化獲得收益（即提高了石灰石、礦渣、火山灰或粉煤灰的摻入量)。

  因此，水泥助磨劑的使用具有充分的經(jīng)濟(jì)意義。然而，一般在配送成本為成本的主要影響因素時(shí)，我們會使用助磨劑，可以輕松地減少"結(jié)塊"現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而降低配送成本。從前面的討論，我們可以很明顯地看出，"結(jié)塊"問題所導(dǎo)致成本的增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥助磨劑的總體使用成本。

  因此我們得出結(jié)論，使用水泥助磨劑可以對顯著的降低水泥配送成本進(jìn)而降低水泥的生產(chǎn)成本都產(chǎn)生非常顯著的影響。

  7. 結(jié)論

  1.使用水泥助磨劑能夠使我們在很多方面獲得收益，其中包括通過增加容積密度、減少"結(jié)塊"和增強(qiáng)流動性來增加存儲容量。

  2.  "結(jié)塊"是指壓實(shí)狀態(tài)，主要是由于機(jī)械壓實(shí)和顆粒間的吸引力而引起。"結(jié)塊"值能夠通過一系列實(shí)驗(yàn)室測評方法，其中包括剪切盒和單軸測試儀而成功測量得出。

  3.  "流動性"是指未壓實(shí)狀態(tài)。 水泥磨助磨劑將會降低顆粒之間的吸引力，促進(jìn)水泥粒子的干性分散。

  4. 公路卡車、列車車廂和船只的裝卸時(shí)間將對水泥的配送成本產(chǎn)生明顯影響。如果水泥使用了助磨劑，這些時(shí)間將會明顯降低，因而整體配送成本也將顯著降低。事實(shí)證明，在某些情況下，只針對配送而言，助磨劑的使用成本遠(yuǎn)小于在配送中所節(jié)省的費(fèi)用。