强度|水泥强度异常下降的原因及解决措施水泥|强度|原因

我公司现有一条6000t/d新型干法水泥生产线配置9MW纯低温余热电站，水泥粉磨配置为两台CLF180-120辊压机+Vx9620选粉机+Φ4.2 m×14.5 m磨机联合粉磨系统。设置6座水泥库和2座散装库，每座水泥库存储量为10 000 t ，每座散装库存储量为280t ，主要生产P·O42.5级和P·C42.5级水泥。自2016年8月投产以来，生产运行正常，水泥质量稳定，产品供不应求。但自2018年1月5日开始，库内P·C42.5级和P·O42.5级水泥相继出现了强度异常下降的问题。通过不断分析，查找原因，并采取相应措施，至4月下旬库内水泥强度恢复至以前的正常水平。现总结如下。
01
1水泥生产情况
1.1水泥库储存
根据各品种水泥的出厂量情况， 1#库、3#库及5#库存放P·O42.5级水泥， 4#库及6#库存放P·C42.5级水泥。2#库由于库壁结块严重，正在清理和维护，暂时停进水泥。为保证出厂水泥的均匀性，缩小标准偏差，各品种水泥出库时都要多库按一定比例搭配分别通过空气斜槽送入散装库和包装机稳料仓，然后散装或包装出厂。
我公司生产的水泥一直很畅销，水泥库料位一直较低，为控制一定的水泥料位，有时还要限量出厂，当天生产的水泥，第二天基本上就出空，水泥在库内存放的时间较短。
1.2原材料使用
我公司生产P·O42.5级水泥所用的混合材有粉煤灰、石灰石、粉石英，生产P·C42.5级水泥所用的混合材有粉煤灰、石灰石及少量黑石。为降低水泥生产成本，自2017年3月开始，使用脱硫石膏完全代替天然石膏生产水泥，并最终确定性价比较高的三家电厂作为脱硫石膏供应商。2017年10月以后，水泥市场销售一片大好，各水泥企业都开足马力生产，造成脱硫石膏货源紧缺，脱硫石膏进厂数量无法满足生产需要，甚至出现现进现用的情况，脱硫石膏无法根据产地搭配使用。粉煤灰、粉石英等混合材的供应同样出现类似情况。
我公司堆棚数量有限，作混合材用的石灰石及黑石只能露天堆放，加上进厂粉石英及脱硫石膏水分较高，使出磨水泥水分较高， P·O42.5级水泥水分在0.6%~0.8%范围内， P·C42.5级水泥水分在0.7%~0.9%之间。问题出现前水泥原料配比见表1 。
表1水泥原料配比%

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02
2问题的出现
2018年1月5日经取样检验，发现6#库P·C42.5级水泥强度异常下降， 1 d抗压强度较出磨水泥低4 MPa左右， 3 d抗压强度较出磨水泥低5 MPa左右，而在此之前，生产的出磨水泥强度正常。发现强度异常后，为保证P·C42.5级水泥质量，我们立即更改出库比例，临时采用P·O42.5级水泥与4#、6#库P·C42.5级水泥按1∶1∶1比例搭配出厂。
问题出现后，我公司及时查找原因，认为混合材及脱硫石膏水分较高，混合材掺量较多，出磨水泥水分较高，加上6#库库底流量阀故障，出料不正常，水泥在库内存放时间较长，水泥中熟料颗粒与水泥中的自由水发生预水化反应，而引起6#库水泥强度异常下降，并采取减少石灰石、粉石英及黑石掺量，适当提高粉煤灰掺量等措施， P·C42.5级出磨水泥水分降至0.4%~0.6% ， P·O42.5级出磨水泥水分降至0.3%~0.5% ，之后库内水泥强度与出磨水泥强度对应性一直较好。
但2018年2月6日开始，又发现库内P·C42.5级水泥强度异常下降，仅过5d ，即2018年2月11日，库内P·O42.5级水泥也出现强度异常下降现象。也就是说，除2月10日后生产入1#库P·O42.5级水泥强度正常外，其他库号水泥均出现强度异常下降问题。事故前后的质量数据见表2 。
表2问题期间出磨水泥与库内水泥强度对比分页标题

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从表2可以明显看出，自1月31日起，生产的出磨水泥抗压强度正常，但对应的库内水泥1 d抗压强度较正常值下降3~5 MPa ， 3 d及28 d较正常值下降5~7 MPa 。当出现这一现象后，为确保出厂水泥质量合格，我们立即更改出库库号和比例， P·C42.5级水泥采用3#库、5#库与6#库按2∶2∶1比例搭配出厂， P·O42.5级水泥则采用1#库与3#库按3∶1比例搭配出厂。在后续的生产中，适当降低P·O42.5级水泥混合材掺量，并指定入1#库，直至把3#、5#库水泥搭配出空。
2018年1月下旬开始，随着春节的临近，大量建设工地相继停工，水泥销售逐渐趋于缓和，水泥库料位不断增加，水泥在库内存放时间也随之延长。从表2数据可以看出，水泥在库内存放时间超过4 d时，水泥强度就开始出现异常下降，而且随着储存时间的延长，强度下降的幅度增大，但存放时间超过7 d后，水泥强度基本上不再下降。
从表2数据还可以看出，问题期间出磨水泥水分并不是很高，因此我们认为出磨水泥水分并不是影响库内水泥强度异常下降的唯一因素。
03
3库内水泥强度异常下降的影响因素
3.1温度对脱硫石膏脱水率的影响
据资料介绍，脱硫石膏处于80 ℃的储存温度下，即可缓慢脱水，随着温度的升高，脱水速率也愈来愈快。我们对不同产地的脱硫石膏，分别在不同温度下的烘干箱烘干一定时间，检测其脱水率。不同温度下各电厂脱硫石膏的脱水率见表3 。
表3不同烘干温度对脱硫石膏脱水率的影响%

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从表3可以看出，在不同烘干温度下，不同产地的脱硫石膏，其发生脱水的温度变化点及脱水程度有很大的差异性，在80 ℃时， A电厂和C电厂脱硫石膏就开始脱水，而B电厂脱硫石膏却没发生脱水现象，至90℃时三家电厂脱硫石膏脱水速率逐渐提高，到100 ℃时脱水速率大幅增加，开始失去大量结晶水。110 ℃时C电厂脱硫石膏脱水速率最快，脱水率高达96.45% ，较脱水率较低的B电厂脱硫石膏高出8.96% 。而我公司库内水泥温度一般在103~108 ℃范围内，最高达110℃ 。脱硫石膏脱水率的试验结果表明，在库内，水泥中脱硫石膏特别是C电厂脱硫石膏脱水很严重，从脱硫石膏脱除出来的结晶水与部分熟料颗粒发生了预水化反应，这部分熟料的消耗对后续的水泥水化的贡献将丧失。这是造成库内水泥强度异常下降的主要原因。
3.2温度对水泥预水化速率的影响
为分析温度对水泥预水化的影响规律，在混合材种类及掺量基本不变的情况下，单一用C电厂脱硫石膏作缓凝剂生产P·O42.5级水泥2个班，并单库存储。将出磨水泥样品分为两等份，一份（F0）按标准规定进行检验，一份（F1）样桶密封保存7d 。F2是与出磨水泥相对应并在库内存放7d的样品，取样时的温度为103 ℃ 。试验样品的检验结果见表4 。
表4新生产和储存后的水泥理化性能

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从表4数据可以看出，样品F1和F2存放7 d后其附着水已完全被水泥中的fCaO吸收而测定值为0 。样品F1在样桶存放7 d后结晶水含量基本上没有发生变化。样品F2在库内存放7 d后，因脱硫石膏已完全脱水为硬石膏而检测不到结晶水。在强度数据方面， F1和F0强度基本上一致，而F2强度较F0降低了6.5 MPa 。分页标题
为鉴别试验样品的矿物组成与结构特征的差异性，将3个水泥样品分别进行X射线衍射分析。由XRD图（图略）可以看到，三者均含有很强的C3S、C2S、C3A、C4AF熟料矿物衍射峰， F0和F1还可以看到较强的CaSO4·2HO2衍射峰，但F2却看不到CaSO4·2HO2衍射峰。F0与F1没有Ca（OH）2衍射峰出现，而F2却出现了比较微弱的Ca（OH）2衍射峰。在水泥体系中， Ca（OH）2属于典型的水化产物相，说明在这期间，库内水泥中的部分熟料细粉发生了预水化反应。
该试验结果证明，库内水泥预水化速率随着温度的变化而变化，温度越高，反应越快，这与董继红等人[1]的研究结果相一致。在较高温度下，从脱硫石膏全部脱除的结晶水，在较短的时间内迅速发生预水化反应，这就是在库内存放超过7 d后的水泥强度不再继续下降的原因。
由此认为，只有降低水泥的储存温度才能从根本上解决当前的库内水泥强度异常下降问题。
3.3理化指标对水泥预水化程度的影响
我公司水泥粉磨采用开路粉磨系统，水泥过粉磨现象比较严重，出磨水泥比表面积控制较高，微细粉占比较高，＜3 μm的超细颗粒含量在22%左右，最高时甚至高达24% 。按照化学反应动力学的一般原理，在其他条件相同的情况下，反应物的表面积越大，其反应速率越快[2] 。水泥中过多超细熟料微粒的存在会加速库内水泥的预水化反应，而使部分强度提前损失。
为提高水泥的早期强度，出磨水泥SO3指标值控制较高，脱硫石膏掺量较多，相应带入水泥中的结晶水会增多，增加了二水石膏脱水成半水石膏和硬石膏的几率和数量，脱除的结晶水会消耗更多的熟料颗粒，导致预水化程度增加，从而使库内水泥强度下降明显。
04
4采取的措施
4.1加强脱硫石膏及各种混合材的质量控制
（1）严格控制进厂脱硫石膏及各种混合材的水分，所有进厂原材料要存放在堆棚内，杜绝露天堆存，让物料水分在堆棚内自然蒸发，并做到先进厂的先用，后进厂的后用。
（2）不同产地的脱硫石膏要分区存放，采购部门要根据实际生产用料情况控制进厂量，各产地脱硫石膏要有合理的贮存量，也不能因脱硫石膏进厂太多而出现混杂堆放现象。
（3）在条件允许情况下，尽可能地减小入磨物料中水分高的物料的比例，控制入磨物料综合水分在1.3%以下。
4.2改变脱硫石膏使用比例，调整出磨水泥质量控制指标
（1）A电厂脱硫石膏与B电厂脱硫石膏按1∶1搭配使用，或A电厂脱硫石膏与C电厂脱硫石膏按3∶1搭配使用，任何情况下都不能单独使用C电厂脱硫石膏，当A电厂及B电厂脱硫石膏存储量充足时，尽量少用或不用C电厂脱硫石膏。
（2）出磨水泥质量控制指标：SO3由（2.5±0.2）%降至（2.2±0.2）% ，比表面积P·O42.5级由（375±15）m2/kg降至（360±15）m2/kg ， P·C42.5级由（415±15）m2/kg降至（400±15）m2/kg 。出磨水泥水分＜0.6% 。
（3）调整磨机研磨体级配，优化工艺参数，加强磨内通风，缩短物料在磨内停留时间，减少过粉磨现象，控制出磨水泥＜3 μm的超细颗粒含量在15%左右。
4.3降低入库水泥温度
（1）严格控制入磨熟料温度，超过100 ℃的熟料不能运送到配料站。
（2）修改磨内智能雾化装置喷水温度及喷水量参数，出磨水泥温度达120 ℃时，自动喷水系统开启，由磨尾喷枪喷出的雾化水，喷至离出磨端2 m前范围内的物料上，以此来降低三仓内水泥的温度，使出磨温度始终在120 ℃以下。
（3）在入库提升机前空气斜槽增加收尘器，提高水泥在输送过程中的降温效果。
（4）确保水泥出磨到入库空气输送斜槽各收尘器正常运行，将水泥在入成品库之前进行冷却。由于各收尘器全部使用新鲜空气，对水泥具有很好的冷却效果，出磨温度120 ℃的水泥入库时的温度降至100 ℃ 。分页标题
4.4降低水泥的储存温度，缩短水泥库内存放时间
（1）保持每座水泥库库顶收尘器及库底罗茨风机长期开启，使库内水泥继续得到有效冷却。
（2）入库水泥料位适当控制，水泥库最高料位不能超过70% ，低料位更有利于库内水泥冷却，水泥宜少进快出，缩短库内水泥储存时间。
05
5效果验证
实践证明，所采取的措施是有效的。主要表现在：出磨水泥温度由原来平均126 ℃降低至118 ℃ ，入库水泥温度由原来平均110 ℃降低至100 ℃ ，出库水泥温度由105 ℃左右降至93 ℃左右，最低为88 ℃ 。2018年5~6月期间，由于雨水偏多，水泥有所滞销，水泥在库内储存时间达10 d以上，但库内水泥强度并没有出现异常下降现象，库内水泥强度与出磨水泥强度对应性好。混合材掺量恢复到正常水平，脱硫石膏掺量减少，有效地降低了水泥生产成本，稳定了产品质量。至此库内水泥强度异常下降问题得以彻底解决。
06
6结论
（1）出磨水泥水分会影响水泥的强度，但当水泥水分（2）C电厂脱硫石膏在库内严重脱水是造成库内水泥强度异常下降的主要原因，其影响机理有待进一步研究。
（3）库内水泥强度异常下降的影响因素较多，各种因素之间又相互关联。水泥预水化速率与水泥细度及水泥储存温度有关，减少水泥过粉磨现象，降低水泥储存温度，可以减少库内水泥预水化现象的发生。
（4）库内水泥储存温度超过100 ℃ ，但储存时间小于4 d时不会对水泥的强度产生不良影响。
作者单位：广西都安西江鱼峰水泥有限公司#水泥#库内#电厂收藏
1.2原材料使用
我公司生产P·O42.5级水泥所用的混合材有粉煤灰、石灰石、粉石英，生产P·C42.5级水泥所用的混合材有粉煤灰、石灰石及少量黑石。为降低水泥生产成本，自2017年3月开始，使用脱硫石膏完全代替天然石膏生产水泥，并最终确定性价比较高的三家电厂作为脱硫石膏供应商。2017年10月以后，水泥市场销售一片大好，各水泥企业都开足马力生产，造成脱硫石膏货源紧缺，脱硫石膏进厂数量无法满足生产需要，甚至出现现进现用的情况，脱硫石膏无法根据产地搭配使用。粉煤灰、粉石英等混合材的供应同样出现类似情况。
我公司堆棚数量有限，作混合材用的石灰石及黑石只能露天堆放，加上进厂粉石英及脱硫石膏水分较高，使出磨水泥水分较高， P·O42.5级水泥水分在0.6%~0.8%范围内， P·C42.5级水泥水分在0.7%~0.9%之间。问题出现前水泥原料配比见表1 。
表1水泥原料配比%
02
2问题的出现
2018年1月5日经取样检验，发现6#库P·C42.5级水泥强度异常下降， 1 d抗压强度较出磨水泥低4 MPa左右， 3 d抗压强度较出磨水泥低5 MPa左右，而在此之前，生产的出磨水泥强度正常。发现强度异常后，为保证P·C42.5级水泥质量，我们立即更改出库比例，临时采用P·O42.5级水泥与4#、6#库P·C42.5级水泥按1∶1∶1比例搭配出厂。
问题出现后，我公司及时查找原因，认为混合材及脱硫石膏水分较高，混合材掺量较多，出磨水泥水分较高，加上6#库库底流量阀故障，出料不正常，水泥在库内存放时间较长，水泥中熟料颗粒与水泥中的自由水发生预水化反应，而引起6#库水泥强度异常下降，并采取减少石灰石、粉石英及黑石掺量，适当提高粉煤灰掺量等措施， P·C42.5级出磨水泥水分降至0.4%~0.6% ， P·O42.5级出磨水泥水分降至0.3%~0.5% ，之后库内水泥强度与出磨水泥强度对应性一直较好。
但2018年2月6日开始，又发现库内P·C42.5级水泥强度异常下降，仅过5d ，即2018年2月11日，库内P·O42.5级水泥也出现强度异常下降现象。也就是说，除2月10日后生产入1#库P·O42.5级水泥强度正常外，其他库号水泥均出现强度异常下降问题。事故前后的质量数据见表2 。分页标题
表2问题期间出磨水泥与库内水泥强度对比
从表2可以明显看出，自1月31日起，生产的出磨水泥抗压强度正常，但对应的库内水泥1 d抗压强度较正常值下降3~5 MPa ， 3 d及28 d较正常值下降5~7 MPa 。当出现这一现象后，为确保出厂水泥质量合格，我们立即更改出库库号和比例， P·C42.5级水泥采用3#库、5#库与6#库按2∶2∶1比例搭配出厂， P·O42.5级水泥则采用1#库与3#库按3∶1比例搭配出厂。在后续的生产中，适当降低P·O42.5级水泥混合材掺量，并指定入1#库，直至把3#、5#库水泥搭配出空。
2018年1月下旬开始，随着春节的临近，大量建设工地相继停工，水泥销售逐渐趋于缓和，水泥库料位不断增加，水泥在库内存放时间也随之延长。从表2数据可以看出，水泥在库内存放时间超过4 d时，水泥强度就开始出现异常下降，而且随着储存时间的延长，强度下降的幅度增大，但存放时间超过7 d后，水泥强度基本上不再下降。
从表2数据还可以看出，问题期间出磨水泥水分并不是很高，因此我们认为出磨水泥水分并不是影响库内水泥强度异常下降的唯一因素。
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3库内水泥强度异常下降的影响因素
3.1温度对脱硫石膏脱水率的影响
据资料介绍，脱硫石膏处于80 ℃的储存温度下，即可缓慢脱水，随着温度的升高，脱水速率也愈来愈快。我们对不同产地的脱硫石膏，分别在不同温度下的烘干箱烘干一定时间，检测其脱水率。不同温度下各电厂脱硫石膏的脱水率见表3 。
表3不同烘干温度对脱硫石膏脱水率的影响%
从表3可以看出，在不同烘干温度下，不同产地的脱硫石膏，其发生脱水的温度变化点及脱水程度有很大的差异性，在80 ℃时， A电厂和C电厂脱硫石膏就开始脱水，而B电厂脱硫石膏却没发生脱水现象，至90℃时三家电厂脱硫石膏脱水速率逐渐提高，到100 ℃时脱水速率大幅增加，开始失去大量结晶水。110 ℃时C电厂脱硫石膏脱水速率最快，脱水率高达96.45% ，较脱水率较低的B电厂脱硫石膏高出8.96% 。而我公司库内水泥温度一般在103~108 ℃范围内，最高达110℃ 。脱硫石膏脱水率的试验结果表明，在库内，水泥中脱硫石膏特别是C电厂脱硫石膏脱水很严重，从脱硫石膏脱除出来的结晶水与部分熟料颗粒发生了预水化反应，这部分熟料的消耗对后续的水泥水化的贡献将丧失。这是造成库内水泥强度异常下降的主要原因。
3.2温度对水泥预水化速率的影响
为分析温度对水泥预水化的影响规律，在混合材种类及掺量基本不变的情况下，单一用C电厂脱硫石膏作缓凝剂生产P·O42.5级水泥2个班，并单库存储。将出磨水泥样品分为两等份，一份（F0）按标准规定进行检验，一份（F1）样桶密封保存7d 。F2是与出磨水泥相对应并在库内存放7d的样品，取样时的温度为103 ℃ 。试验样品的检验结果见表4 。
表4新生产和储存后的水泥理化性能
从表4数据可以看出，样品F1和F2存放7 d后其附着水已完全被水泥中的fCaO吸收而测定值为0 。样品F1在样桶存放7 d后结晶水含量基本上没有发生变化。样品F2在库内存放7 d后，因脱硫石膏已完全脱水为硬石膏而检测不到结晶水。在强度数据方面， F1和F0强度基本上一致，而F2强度较F0降低了6.5 MPa 。
为鉴别试验样品的矿物组成与结构特征的差异性，将3个水泥样品分别进行X射线衍射分析。由XRD图（图略）可以看到，三者均含有很强的C3S、C2S、C3A、C4AF熟料矿物衍射峰， F0和F1还可以看到较强的CaSO4·2HO2衍射峰，但F2却看不到CaSO4·2HO2衍射峰。F0与F1没有Ca（OH）2衍射峰出现，而F2却出现了比较微弱的Ca（OH）2衍射峰。在水泥体系中， Ca（OH）2属于典型的水化产物相，说明在这期间，库内水泥中的部分熟料细粉发生了预水化反应。分页标题
该试验结果证明，库内水泥预水化速率随着温度的变化而变化，温度越高，反应越快，这与董继红等人[1]的研究结果相一致。在较高温度下，从脱硫石膏全部脱除的结晶水，在较短的时间内迅速发生预水化反应，这就是在库内存放超过7 d后的水泥强度不再继续下降的原因。
由此认为，只有降低水泥的储存温度才能从根本上解决当前的库内水泥强度异常下降问题。
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6结论
（1）出磨水泥水分会影响水泥的强度，但当水泥水分（2）C电厂脱硫石膏在库内严重脱水是造成库内水泥强度异常下降的主要原因，其影响机理有待进一步研究。
（3）库内水泥强度异常下降的影响因素较多，各种因素之间又相互关联。水泥预水化速率与水泥细度及水泥储存温度有关，减少水泥过粉磨现象，降低水泥储存温度，可以减少库内水泥预水化现象的发生。
（4）库内水泥储存温度超过100 ℃ ，但储存时间小于4 d时不会对水泥的强度产生不良影响。
【强度|水泥强度异常下降的原因及解决措施】作者单位：广西都安西江鱼峰水泥有限公司