水泥“结块”、流动性在水泥运输成本中的影响

水泥 2008-05-27

　　1、简介

　　水泥助磨剂在二十世纪三十年代就已经开始使用了。格雷斯的产品”TDA”在三十年代早期就开发出来并在1935年取得了专利。HEA2系列助磨剂在1965年获得专利并是当今世界范围内使用最广泛的助磨剂之一。七十年代开始，质量改进型产品的使用量逐渐增加。近二十多年来，格雷斯相继开发了新系列的质量改进型产品“CBA”，“ESE” 和“Synthro”, 它们已在通用硅酸盐水泥中得到广泛的应用。

　　当今，使用助磨剂的目的是为了帮助水泥生产降低成本同时提高水泥的质量。在过去的70多年的时间里，一直有关于助磨剂对水泥粉磨及由此带来的性能影响研究，并且这些研究得到了发展。

　　水泥生产成本的降低来自于几个方面。举例来说体现为粉磨能耗的降低，生产效率的提高，操作时间的减少，设备维修和维护成本的降低，水泥性能的提高，熟料被混合材替代率的提高，二氧化碳排放的降低，同时也包括水泥流动性的改善，“结块”的减少。

　　“结块”和流动性

　　本文所介绍的“结块”这个术语表示大块水泥阻止“流动的开始”的状态。随着水泥贸易的增加，由于有高质量、长距离、长时间的储存和运输，水泥“结块”现象变得越来越普遍了。它可以发生在制造商自己的工厂里，也可以发生在发货后流程中。

　　“流动性”这个术语表示了水泥能够流动的能力。较“结块”而言，它可能不会引起太多问题，但是在一定程度上它与“结块”有关。

　　“ 结块”的本质在于水泥粉体处于受压实的状态。所以“结块”可被看作是受静摩擦力的影响，而“流动性”可认为是受动摩擦力的影响。此外，“结块”与所谓的“水泥库结块”有质的不同，“水泥库结块”可能是由于有湿气所造成的水泥预水化，或水泥储存时，存在石膏、碱氧化物和水份，形成钾石膏而造成的。尽管如此，本文所指的“结块”在库存和自由堆存状态下会同时发生。正常情况下，水泥难于从水泥库内放出，一般是“水泥库结块”所致；普通的挂壁现象，一般是“结块”和水泥与冷凝水预水化所致。

　　在多数情况下，通过一些机械手段可以克服“结块”，但是如果“结块”比较严重，这些机械方法和次数不断增加和累积，它就变得相当可观的耗费了。在当今水泥贸易和水泥使用量增加的情况下，这种耗费要引起我们的重视。

　　造成“结块”的因素

　　“结块”的发生有多方面的原因。其中最重要的起因是振动，振动时间和振动程度都能明显的加剧粉体间挤压密实的程度。振动所产生的“结块”在很多运输过程中都是可以被相互消除的，但是在储存的过程中，振动所产生的“结块”就不那么容易被消除了。因为这些常常是由于外部的振动造成的，例如来自其它机器和车辆的运动，很难再来破坏已发生的“结块” 。然而，即使是在相同的输送和储存过程中，不同的水泥能表现出不同的结块方式，所以“结块”也依赖于水泥本身。在这种情况下，水泥细度的增加，颗粒分布的变宽和水泥新鲜程度的增加都能加剧“结块”。

　　有证据表明，结块这种现象与水泥表面化学能有关，它导致了颗粒团聚。颗粒团聚是由于在湿气出现的情况下产生微小晶桥的增加，或者是由于静电颗粒之间的相互吸引。后者是由于水泥颗粒新形成表面上的不均衡电荷引力引起的。

　　团聚最初是相连颗粒间的敞型结构。然而，当一些团聚物遭受挤压密实后产生了强刚性的结构。所以，“结块”可以看作为一个机械堆积（由于振动）和颗粒间相互吸引（不均衡的电荷力）的共同的结果。颗粒表面新鲜度对团聚和“结块”的作用变可以解释为导致团聚和“结块”的表面力随着时间的延长，因吸收水气和CO2而减弱。

　　所以，进一步的研究证实可以通过控制表面能的方式，使“结块”的现象能明显减弱以致最终消失。如在水泥粉磨过程中，我们最好地做到了这个效果。

　　除了产生“结块”外，颗粒间的相互吸引会产生磨内颗粒团聚和磨内糊球现象，造成了磨机粉磨效率的降低。
助磨剂包覆在水泥颗粒外层，阻止或减弱了颗粒间的相互吸引力，所以减少了团聚。它们具有一种干性分散的作用，所以助磨剂的使用提高了粉磨效率减少了结块。但必须值得注意的是，结块减少的程度并不与磨机效率的提高成比例。

　　“结块”的评价

　　考虑到水泥粉状物料一般在体积较大时它才开始流动，这时未受确定的流动屈服力大小就变得很重要了。它是沿自由表面切线方向的应力，促使颗粒稳定堆积状态瓦解，克服使颗粒密实而“结块”的应力。力学上的“破坏方程”和“流动方程”可以被用来描述密实应力和未被确定的屈服力的关系。

　　Jenike的剪切模型是一个用于确定破坏方程的著名模型。其他的例如William Burks和Bhattacharya等人建立了一个简化的模型，它依靠对圆柱体试样的挤压直接测量破坏方程。这种单轴的测试方法又得到了其他的研究者如Johanson和Maltby、Enstad等人的进一步发展。

　　美国格雷斯公司发明2种的实验室方法用于实际评估“结块”。我在此介绍一下主要的常用而简单的方法，即是在圆锥瓶中装入100g水泥，以一定的频率加以振动至密实状态。然后翻转圆锥瓶180°，使水泥密实层处于垂直状态，保持水泥密实层在一个垂直面上旋转圆锥瓶直到水泥密实层垮塌，记录旋转的半圈数以此表明结块指数。

　　上述的这种方法能很好的测量水泥的“结块”程度，它们被经常用于评估使用水泥助磨剂后显著减少“结块”效果的程度。
如下两个表中举例的是“结块”指数（PSI）、水泥助磨剂添加量和泵送率之间相互关系的实验数据。

　　　　1）菲律宾某工厂　　　　　　2）美国某工厂

* 50+：表示“结块”指数大于50

　　减少“结块”增加流动性的好处

　　正如已经提到过的一样，助磨剂在水泥粉磨的过程中起到一个干分散的作用，这能减少水泥“结块”，提高流动性和体积密度。

　　这些被改善的性能能给材料运输带来很多好处，最终体现为成本的显著下降。材料运输的花费实际上发生在每个物料流程环节中，从粉磨设备到工厂储存，从存储到装载公路、铁路和轮船运输，以及可能最终的卸载，存储和进一步的运输等。

　　在这种运输的操作过程中，因为使用助磨剂而带来的“结块”现象降低、流动性的提高能加快装载和卸载的速度，增加储存量和降低泵送费用。这些对水泥最终成本的影响将依赖于实际材料运输的状况。举例来说，水泥可能通过公路直接从厂里运出，或者是通过铁路和轮船直接运输到客户。但对于远距离或出口国外的水泥，在很多情况下，水泥都是通过两种或两种以上的运输方式运送水泥的，从工厂到终端1是通过公路和铁路运输的，在终端1到终端2可能是靠轮船运输的，从终端2到客户是通过公路运输的。

　　因此，水泥销售中的成本可以变化很大，并且它能占销售价格中相当大的一部分。一些经济分析指出，每吨水泥短距离运输成本大约为人民币20到100元之间，而长距离运输成本每吨可高达人民币数百元。

　　在所有的运输中，都有一个与装载和卸载有关的时间因素。如果出现“结块”的现象，那么这样的装卸时间就会变长，这会直接导致高的运输成本，甚至会减少每天装载的总数量，由此而来，销售的总成本就会增加。

　　举例来说，每辆公路水泥散装运输车，它每天的固定成本其本上是一定的。在一个来回运载的周期中，装卸时间会占着一定的时间比例，我们测定了一个城市郊区的水泥企业向市内运输散装水泥，发现使用助磨剂的水泥装载成本平均占总运输成本的15％，而没使用助磨剂的水泥装载成本平均占总运输成本能占到25％。没使用助磨剂的水泥，罐装车每天只装载3次，而运送使用助磨剂的水泥，罐装车每天装载了4次。所以，每天来回装载次数的增加能显著降低销售成本。当然，成本节约的大小，还与运输距离长短有关。

　　在铁路散装运输过程中，装载卸载所耗时间要占运输时间的很大一部分比例。因为铁路运输只能同时装载卸载少部分的火车箱（如2000吨的火车，每次只装30节车厢中的1－3节）。一列30节车厢2000吨的火车来举例，如卸载未使用助磨剂的水泥的速率是每小时75吨，并只能同时卸载2节车厢，卸载总计耗时13.3小时。而使用助磨剂的水泥，其卸货速率大概可以达到每小时150吨，卸货所需的时间缩短为6.7小时，这样的卸载成本可能会下降一倍。

　　以轮船作为运输方式来看，其运输成本中很大来自于轮船的租用费用、港口停泊费用以及货物装载和卸载的费用。这样的话，如果出现水泥“结块”现象，卸载速度慢将会延长货物的运输周期，最终体现各个方面总成本的上升。

　　水泥“结块”引起的卸货速度下降造成总的运输周期延长，如果加上轮船为了避免潮汐而选择时间，这将变得更为复杂。以一艘25000吨的国际运输轮船为例，其轮船租用费用折合到水泥运输成本中假设为每天每吨0.5美元。如果运输时间延长6小时，每吨水泥的运输成本将增加0.12美金，另外没有助磨剂的水泥，其每吨水泥的卸货成本也会增加，大约要每吨增加1美金左右。与此同时，如果因为运输延期而带来的港口停泊费用增加也会给水泥的销售成本带来显著的影响。

　　水泥“结块”除了可能给水泥生产商造成供货延期或者是销售成本的上升外，同时，它也会给客户的使用成本带来负面影响。例如，流动性差，差的物料处理性能，造成每次计量时间延长，需要额外增加机械力来消除流动性差的问题，而这必将增加劳动力成本，最终将增加客户产品的使用成本。

　　水泥的“结块”，也是水泥库挂壁的重要原因之一，一方面要占据很大的水泥库空间，挂壁时间长了，所挂壁的水泥强度有很大的下降，造成实物损失；另一方面，水泥生产企业需要定期清理挂壁，增加劳动力的成本，如果发生人身安全事故，损失将不可估量。

　　水泥助磨剂的经济性

　　水泥助磨剂的成本依赖于助磨剂的种类及其掺量。以掺量为0.02％的普通助磨剂为例将增加每吨水泥成本1.5到2.5元人民币。但是，一般情况下，每吨水泥粉磨所需的电耗以及设备维护成本的降低最终会抵消助磨剂的成本，甚至是超过使用助磨剂带来的成本上升。水泥产量的提高，可以增加销售，满足客户高峰需求。另外，可能有进一步的效益可以从水泥成分的改变中获得（如质量提高时，可以提高石灰石、矿渣、火山灰物质和粉煤灰的掺量）。

　　所以，使用水泥助磨剂往往可以带来很高的经济效益。如果运输成本占很大的销售成本时，使用助磨剂能很容易地改善水泥的“结块”现象，这样可以减少运输成本。前文的论述已表明，由于水泥“结块”所造成的成本上升将超过使用水泥助磨剂的费用。

　　因此，水泥添加剂的使用能降低水泥的运输成本，同时也能降低水泥的生产成本。

　　结论

　　1、使用水泥助磨剂能带来很多好处，它们包括通过提高体积密度带来的储存能力增进，减少“结块”现象，提高水泥流动性。
　　2、水泥的“结块”对应压实状态，主要是由于机械挤压和颗粒间的相互吸引造成的。水泥结块指数可以通过实验室测试方法有效评估。
　　3、流动性对应非压实状态。水泥助磨剂减小了颗粒间的相互吸引，使水泥颗粒处于一种干分散状态中。
　　4、水泥的销售成本依赖于卡车、火车和轮船装载卸载货物的时间。水泥助磨剂的使用能减少整个运输过程中装载卸载的，因而使销售的总成本降低。在一些情况下，仅靠运输成本的节省就可以补偿助磨剂的使用费用。

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