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1、.华南理工大学 工业装备与控制工程学院 胡小芳博士第一部分. 水泥颗粒及其分析的基本理论1. 绪论2. 什么叫分布、什么叫颗粒分布？3. 测量水泥颗粒分布的基本方法、当前国内外主要颗粒测试仪器情况、测试中存在的问题、选用时的注意事项4. 颗粒分布测量数据的解析变筛孔法5. 水泥颗粒分布的基本特征6. 哪些参数能较好地描述水泥颗粒的分布特征7. 当前国家标准设定的颗粒分布特征测量细度和比表面的特点和存在的问题8. 颗粒球形化：水泥球形化颗粒形成的途径及其意义9. 水泥粉体流动性的测量与意义以华工颗粒稿件为主,水泥及其相关物料的流动性与散装设备、料仓结拱等方面的关系. 水泥颗粒分析的应用1. 理想
2、的水泥颗粒分布应该是什么样的？ 2. 什么叫窄分布水泥,性能如何？如何生产？3. 利用水泥颗粒分布数据寻求经济效益的途径（1） 水泥越细越好吗？给出细度同但De等不同的例证？为什么有的比表面低的水泥的强度高于某些比表面高的水泥？（2） 用颗粒分布特征参数进行磨机生产控制的探索（3） 南方某大型水泥厂45微米筛余物的分析l 45微米筛余物的X衍射分析l 45微米筛余物的化学全分析l 讨论 注 0.08mm=80,0.045mm=45第一部分. 水泥颗粒分析的基本理论1. 绪论水泥行业历来十分关注产品质量和粉磨工序的效率。但以往更多的工作集中在水泥的物理化学性质方面,在提高磨机产量的各种努力中,也
3、并为包含水泥颗粒分布方面的考虑。对于水泥颗粒集合体水泥粉体的几何形态性质粉体粒子的大小、分布、粒子形状以及堆积状态等和粉体的力学性质静力学性质和动力学性质,包括粉体的休止角、流动性等等方面的问题,因测试技术等原因而关注不多。水泥的颗粒测试是一个难题。例如清华大学粉体同时拥有激光粒度仪、计算机化的沉降粒度仪和图像法粒度仪,但我们在那里却从不用来测试水泥颗粒分布,因为都不能保证测量的可靠性,至少是无法实现同一仪器和同一样品的测试重复性。水泥行业研究机构普偏使用沉降天平,其测试的重复性更加没有保障。直到最近几年,国产颗粒测试设备有了一些进步,同一仪器对同一样品在一定条件下有了测试上的重复性,这才形成
4、进一步讨论的基础。事实上,国外在这方面的工作已经产生了积极的结果,例如斯密斯公司向珠江水泥厂和XX水泥厂提供的康必丹磨机系统、XX华润粉磨系统的转子选粉机等,就充分体现了水泥颗粒分析的成就。拥有康必丹磨机系统的XX水泥厂仍积极地与我们合作研究水泥颗粒分布,他们亦在改造旧线磨机方面取得了成绩。他们的水泥质量很好,但在降低粉磨耗电方面人有很多工作要作。我们最近几年的水泥粉体研究工作重点很明确,一是通过各方面的工作提高水泥颗粒分析数据的可靠性,二是研究如何用水泥颗粒分析服务于现有各类磨机,指导国内各种类型的现有磨机及其选粉机的配置、调节和操作,以提高磨机产量、降低粉磨消耗、优化水泥性能包括混凝土性能
5、。初步结果显示这方面有巨大的潜力,特别是有可能同步实现提高磨机产量和水泥质量,如水泥粉磨电耗降低的同时,较大幅度地提高水泥强度并改善混凝土性能。我最近多次前往各厂讲学,希望逐步普及这方面的知识,促使水泥企业关注磨机颗粒分布问题。如同水泥工艺和设备的各项进展一样,有超前意识的厂家应善于在这一次的发展中占得先机。全面讨论水泥颗粒分布及测试中的各方面的问题不一定是在座各位关心的问题。我在这里将围绕现有磨机如何分析和应用颗粒分析进展这个主题,介绍颗粒分布和测试方面的基础知识和最新的一些工作。虽然仍不可避免地将涉及一些相关的理论内容,但已经尽可能地压缩和简化。2.什么叫分布、什么叫粒度分布？分布的严格定
6、义是：随机变量的取值范围和这些值的相应概率,称为随机变量的概率分布。这是对任何随机变量最为完善的描述。可以用正态分布密度函数表示其分布密度函数的分布称为正态分布。工程中的随机变量多遵循或近似遵循正态分布规律。对于正态分布,只要知道标准偏差和数学期望,就可以得到随机变量出现在指定区间的概率。水泥企业的化验室实际上每天都在与正态分布打交道,化验室数据的标准偏差就是正态分布中的标准偏差。我们用粒径表征单个颗粒的大小。大量的不同尺度的颗粒则需要用分布的概念来描述。粒度分布指样品中各种粒径的颗粒所占的比例。粒度分布能确切地描述样品颗粒的粗细情况。在表示方法方面,粒度分布可以用微分分布、累积分布等表示。其
7、数据可列成表格,也可以用曲线表示。设有15名篮球队员,身高如下表：1.71.61.51.81.91.61.61.71.71.72.12.01.71.81.8这样就是一种分布,是一种列表法表示分布的方式。3. 测量水泥颗粒分布的基本方法与仪器3.1 筛分法筛分法是一种古老而又实用的颗粒分析方法。理论上讲,能通过筛孔的圆球颗粒中,最大颗粒的直径等于筛孔的直径。由于通常的筛均为方形孔,同时水泥颗粒绝大多并非理想圆球,而是不规则的,情况就变得复杂了。如果方形筛孔的边长为L,则颗粒某一方向尺度小于或等于L的颗粒均可通过。此外,方孔对角线方向的孔径为L2,在某些情况下,大于1.4L的颗粒也将通过筛孔。所以
8、通过某一孔径筛的颗粒直径当介于L和L2之间。筛分误差来源包括筛孔孔径的大小误差、操作过程引入的误差、颗粒形状的不可预见性等等,这些误差将对整个分布形态产生重要的影响,虽然可以仔细校正筛孔孔径、严格控制筛分过程,但筛分误差仍较大,一般约在7%17%之间,套筛误差尤其显著。对于水泥行业,筛分法得到的结果仅是一个颗粒分布上限的局部信息,以下将有具体的例子解释其结构性的缺陷。3.2 沉降法沉降法比其他任何测定粒度的方法都更符合自然情况,因为测定沉降速度较之沉积物颗粒几何大小,因此沉降法被认为比筛析得到的粒度值更具动力学意义。沉降法的基本原理就是利用颗粒沉降速度来划分粒级分布。沉降分析法目前在所测特性的
9、显著性和测量技术的精确性等方面还受到某些限制：1颗粒的阻力系数必须由实验确定,而这又与另一个重要的变量流体粘度相关。粘度并不是个别流体的一种绝对不变的性质,它不仅有自己固有的分子之间力,同时还因温度和可溶盐类存在而变化。流体中悬浮物质增加,粘度也将增大等等；2被测量颗粒并非球形,测定出的粒度仍是等效粒径,即相当于同样沉速的球的直径,这种误差对于依赖与颗粒沉降过程的测试是非常严重的；3斯托克斯定律只对在无限流体中的单个颗粒才严格有效。浓度即使低到1时也能够阻碍沉降。沉降测试实际上是远离这种理想条件的；4很小的颗粒总是趋向于凝聚。为避免凝聚现象发生,常在样品中加少量的分散剂,而这又产生了新的干扰。
10、由于上述原因,沉降天平等沉降法仪器不能做到这一点故不能用于水泥颗粒测试,当然,沉降法在特定场合有其特定用途,只是仪器已经现代化了XX仪表研究所、XX百特仪器厂3.3 激光法光是一种电磁波。它在传播过程中遇到颗粒时,将与之相互作用,其中的一部分将偏离原来的行进方向,称之为散射,如下图所示：光的散射现象示意图当颗粒是均匀、各向同性的圆球时,可以根据Maxwell电磁波方程严格地推算出散射光场的强度分布Mie散射理论。该理论原则上适用于任意大小的颗粒,但是对于略大一些的颗粒,通常采用较为简单的Fraunhoff衍射公式描述。某激光粒度仪的工作示意图：3.4 计算软件法华南理工大学装备学院创立了两级筛
11、余的软件分析法,在各种分布分析方面独树一帜。4. 颗粒分布测量数据的解读与水泥颗粒分布的基本特征为了方便水泥行业理解颗粒测试数据,我将颗粒测试数据与传统筛余在表示上的差异归结为固定筛孔与变筛孔的差异。所谓变筛孔是一种思维方式,设想有一种筛子,它的筛孔孔径是可以变动的,例如,当筛孔变成可以让38.6%的颗粒留在筛上,则这个筛孔直径就定义为特征粒径,当筛孔变成可以让10%和90%的颗粒留在筛上时,相应筛孔直径就分别定义为两个边界粒径D10和D90,有了这种理解,颗粒测试数据的解读基本上就解决了。例如平均粒径,可定义当筛孔变成可以让50%的颗粒留在筛上时的筛孔直径。当然,不同的平均粒径加权方式,将形
12、成不同的筛孔,除上述D50之外,还有重量加权平均平均径D、体积加权平均径D等几种平均粒径。其中,D十分重要,颗粒分析仪的比表面积就是由这个平均径计算出来的。以下详细讨论。4.1颗粒分布数据的数字特征一个样品的颗粒分析可得到数百个数据,但只需位置和分布宽度两个参数就能描述其颗粒分布特点。相同的分布宽度并不一定具有相同的颗粒分布,还要依赖某种特征粒径分布在粒径轴的位置。位置特征参数可以是样品中所有颗粒的粒径的平均值。根据关注的侧重点不同,计算平均粒径时会采用不同的加权方法而得出不同的平均粒径,例如D、D等以下另行解释。加权的概念仍可用上述篮球队员身高分布表的例子来解释：设有15篮球队员,身高表如下
13、1.71.61.51.81.91.61.61.71.71.72.12.01.71.81.8容易计算出平均身高为1.75米此时相当于全部数据的权重为1。作为篮球队,这样的平均身高显然是偏低。但有代表性的数据应反映出身高2.0米以上的队员2人这样的信息,因此,可将身高2.0米的加权,例如加权为2,其余数据仍保持权重为1,则平均身高将变为2.02米。由此例可见,加权突出数据某方面特性的一种方式,这一概念对于颗粒分布数据的分析十分重要。以下有关于平均粒径加权的详细介绍。 离散特征参数分布宽度表征数据的分散程度参考极差的概念或曰表征样品粒径的均匀程度。分布宽则颗粒的粗细不均匀。一般用一对边界粒径来表示分
14、布宽度,例如：D10,D90。还有一类重要的宽度表征值n、Nx。表1 水泥颗粒数据实例粒 径m微分分布%累积分布%粒 径m微分分布%累积分布%粒 径m微分分布%累积分布%0.200.25 0.50 1.00 2.00 3.00 7.5010.0012.5015.0017.5020.0022.5023.760.00 0.00 0.00 0.00 0.18 0.2910.24 5.24 4.55 6.06 6.11 6.03 5.72 2.66100.00100.00100.0099.8299.5389.2884.0479.5073.4467.3361.3055.5850.0046.7932.5035.0040.0042.5045.5047.5050.0056.0060.0065.0070.0075.006.13 4.12 3.61 3.28 5.19 1.88 1.94 1.19 1.83 4.71 3.03 3.20 2.71 2.3142.6639.0536.8030.5928.7126.7725.5823.7419.0316.0012.8010.09 7.78 5.8580.0085.0090.0095.00100.00110.00120.00130.00140.00150.00160.00170.00180.00200
