[十年]水泥及礦渣微粉高效粉磨工藝探討
摘要：本文以大量工業(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探討了傳統(tǒng)的水泥及礦渣微粉粉磨工藝與高效節(jié)能的“料床粉磨工藝”的比較，認(rèn)為：目前應(yīng)用廣泛的擠壓聯(lián)合粉磨工藝將會(huì)逐步向立磨粉磨工藝過渡。
關(guān)鍵詞：料床粉磨 立磨 輥壓機(jī) 筒輥磨
導(dǎo)言
自1883年磨機(jī)問世以來，已被廣泛用于水泥及其它行業(yè)的物料粉磨，在目前仍占有主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的水泥及礦渣微粉制備多采用管磨機(jī)粉磨工藝，由于其粉磨空間開放、四周不限，無法形成穩(wěn)定的料床，故粉磨效率低、單位粉磨電耗高、粉磨成本高。
隨著科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，以粉磨時(shí)間短、粒度均勻的“料床粉磨”技術(shù)為代表的高效低能耗粉磨工藝及設(shè)備已成為當(dāng)今水泥工業(yè)粉磨技術(shù)發(fā)展的主流。輥壓機(jī)、立磨、筒輥磨等高效率料床粉磨設(shè)備，正在逐步取代傳統(tǒng)的管磨機(jī)，用于水泥生產(chǎn)線中的生料、煤粉制備及水泥、礦渣微粉的終粉磨，并獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
本文探討了水泥及礦渣微粉傳統(tǒng)粉磨工藝與料床粉磨工藝的比較，文中不妥之處，懇望各位同仁予以批評(píng)指正。
不同粉磨工藝及其特點(diǎn)比較
如前所述，以管磨機(jī)為代表的傳統(tǒng)粉磨工藝，已有一百多年歷史，粉磨過程將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的同時(shí)，產(chǎn)生的聲和熱，消耗了大量電能，導(dǎo)致單位產(chǎn)品電耗居高不下，尤其是當(dāng)入磨物料粒度大、易磨性差或水份大時(shí)，磨機(jī)粉磨效率顯著降低，更加劇了這一惡性循環(huán)。所以，管磨機(jī)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用已受到高效能料床粉磨設(shè)備的挑戰(zhàn)，并將會(huì)逐步退出粉磨領(lǐng)域。
表1 管磨機(jī)與立磨、輥壓機(jī)、筒輥磨粉磨特性對(duì)比
※指聯(lián)合粉磨系統(tǒng)電耗；輥壓機(jī)終粉磨電耗在21~22Kwh/t；
從表1中數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：采用料床粉磨設(shè)備終粉磨水泥（或礦渣）時(shí)，其電耗基本相當(dāng)，但比管磨機(jī)系統(tǒng)節(jié)電約30%以上，除輥壓機(jī)工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜外，立磨與筒輥磨工藝系統(tǒng)比管磨機(jī)系統(tǒng)更簡單些。
從目前國內(nèi)新建的新型干法水泥生產(chǎn)線來看，大多數(shù)生料制備系統(tǒng)采用立磨工藝，單位粉磨電耗<15kwh/t；同時(shí)，立磨自身集烘干、破碎、粉磨、選粉、收集、輸送功能于一體、占地面積小、粉磨效率高、電耗低且運(yùn)行穩(wěn)定而成為首選機(jī)型。輥壓機(jī)用于生料終粉磨，單位電耗低于立磨，因系統(tǒng)復(fù)雜程度及技術(shù)含量高，維護(hù)管理工作量大，國內(nèi)采用的廠家極少。筒輥磨多用于水泥粉磨系統(tǒng)，但國內(nèi)應(yīng)用廠家也很少。
采用料床粉磨工藝終粉磨產(chǎn)品性能
就當(dāng)前而言，立磨、輥壓機(jī)、筒輥磨三種料床粉磨設(shè)備都可以用于水泥及礦渣微粉的終粉磨。現(xiàn)以立磨為例，世界各知名公司的立磨都有其自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，磨機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同、各有千秋。國外立磨結(jié)構(gòu)形式見表2:
表2 國外立磨基本結(jié)構(gòu)形式
國內(nèi)天津院、合肥院及中信重機(jī)、沈重等科研院所及大形設(shè)備制造廠家都推出了各自研發(fā)的立磨并應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)線，近悉：天津院的TRM5341立磨成功用于遼寧富山5000t/d線生料系統(tǒng)、合肥院的HRM4800立磨成功用于浙江虎山集團(tuán)5000t/d線生料制備，前幾年沈重生產(chǎn)的MLS4531立磨用于銅陵海螺
(228.3元/噸，-0.43%)5000t/d線磨制生料、中信重機(jī)也推出了LGMS4624立磨（磨制礦渣粉為90t/h、粉磨水泥熟料為120t/h）等，標(biāo)志著我國大型水泥粉磨設(shè)備的研發(fā)、制造能力已同步于世界先進(jìn)水平。
料床粉磨技術(shù)發(fā)展過程中，尤其在水泥終粉磨初期，曾經(jīng)遇到磨細(xì)后的水泥成品，顆粒級(jí)配范圍窄、均勻性系數(shù)大、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大、凝結(jié)時(shí)間過快等，立磨和輥壓機(jī)的終粉磨均經(jīng)歷過此現(xiàn)象。筒輥磨問世較晚，在研發(fā)過程中鑒于前兩種設(shè)備終粉磨出現(xiàn)的問題，在生產(chǎn)中加大了循環(huán)量，并通過調(diào)節(jié)其他工藝參數(shù)，較好地解決了這些問題。
墨西哥某廠采用Polysuis RMC-51/26立磨配用Sepol RMC435高效選粉機(jī)磨制純硅酸鹽水泥，系統(tǒng)電耗25.2Kwh/t，比閉路磨系統(tǒng)節(jié)電50%以上，水泥質(zhì)量良好。
表3 水泥性能檢測結(jié)果
FLS公司引進(jìn)小野田和神戶制鋼聯(lián)合開發(fā)并改進(jìn)的OK立磨廣泛用于粉磨水泥及礦渣微粉，其磨輥呈曲面，帶曲面凹槽的磨盤及磨輥在粉磨過程中可及時(shí)排出料床中的壓縮空氣，穩(wěn)定料床及減少磨振。檢修時(shí)，磨輥可通過操作磨體外油缸將其翻至磨外，便于維護(hù)。
表4 臺(tái)灣某廠OK19-3立磨生產(chǎn)的水泥性能
表中數(shù)據(jù)說明：在凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量基本相同的前提下，OK磨磨制的水泥28d抗壓強(qiáng)度比球磨水泥高出15%，同時(shí)，水泥的早期強(qiáng)度也高，可進(jìn)一步增加混合材摻量，降低水泥生產(chǎn)成本。
OK磨工作時(shí)，可通過調(diào)節(jié)磨盤轉(zhuǎn)速、輥壓、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、氣流速度及磨內(nèi)擋料圈高度等工藝技術(shù)參數(shù)達(dá)到調(diào)節(jié)水泥顆粒級(jí)配的目的，操作非常方便。采用OK磨制備比表面積400～500m
2/kg礦渣微粉時(shí)，與管磨機(jī)系統(tǒng)相比，OK磨粉磨電耗降低35～45%，節(jié)能潛力巨大，生產(chǎn)成本顯著下降。
國內(nèi)某公司采用進(jìn)口立磨粉磨新型干法窯熟料制備不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥，其實(shí)物質(zhì)量數(shù)據(jù)見表5：
表5 立磨生產(chǎn)的水泥質(zhì)量檢測結(jié)果
表5數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了國內(nèi)現(xiàn)階段采用立磨終粉磨，已解決了水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量過大、顆粒級(jí)配范圍窄（均勻性系數(shù)n值偏大）等相關(guān)技術(shù)問題。
關(guān)于礦渣微粉粉磨工藝
隨著高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，礦渣微粉已成為混凝土制備中不可或缺的第六組分材料（人工礦物摻合料）。粒化高爐礦渣系冶煉生鐵時(shí)排出的工業(yè)廢渣，每生產(chǎn)一噸生鐵，大約排出300～1000kg礦渣，其礦物成份在Cao-Sio2-Al2o3三元相圖中處于C2AS、CAS2、CS、C2S結(jié)晶區(qū)，大致化學(xué)成份為CaO34～46%、SiO222～40%、Al2O35～15、MgO2～13%,并含有少量FeO、MnO、S及TiO2和金屬鐵。礦渣出爐時(shí)經(jīng)水淬急冷，保留了微晶態(tài)的高活性玻璃體結(jié)構(gòu)，其有較高的潛在物理化學(xué)活性，在含有硫、堿成份的水化環(huán)境中可激發(fā)出良好的水硬活性（如前蘇聯(lián)研究的堿－礦渣高強(qiáng)水泥屬此類），可將礦渣看作是一種經(jīng)過高溫煅燒的高硅、低鈣熟料。礦渣采用機(jī)械力活化，磨細(xì)制得的微米級(jí)粉體，具有潛在水硬性礦物的晶格產(chǎn)生畸變，發(fā)揮出優(yōu)良的水化膠凝活性。磨細(xì)礦渣微粉摻入水泥中的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6:
表6 磨細(xì)礦渣微粉摻入水泥中的膠砂強(qiáng)度
由表6數(shù)據(jù)可以看出：在含有礦渣配比20%的425礦渣水泥中摻入磨細(xì)礦渣微粉取代等量水泥后，水泥的早、后期強(qiáng)度非但沒有降低，反而有顯著的提高，充分說明磨細(xì)礦渣微粉具有優(yōu)良的潛在水硬活性，在水泥生產(chǎn)過程中對(duì)改善產(chǎn)品的物理力學(xué)性能具有重要意義。近年來，磨細(xì)礦渣微粉作為高活性礦物摻合料，已廣泛應(yīng)用于高性能、高強(qiáng)混凝土，并對(duì)其技術(shù)機(jī)理的研究逐步微觀化、系統(tǒng)化、深入化。不同比表面積磨細(xì)礦渣微粉應(yīng)用于混凝土中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7:
表7 不同比表面積礦渣粉砼的物理性能
由表7可知：在水泥用量基本相同的混凝土中，當(dāng)?shù)V渣微粉的摻入量也基本相同時(shí)，混凝土的強(qiáng)度隨礦渣微粉比表面積的提高而提高。
摻有磨細(xì)礦渣微粉的水泥及混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能和抗硫酸鹽侵蝕性能，后期增進(jìn)率高，大幅度提高了水泥石及混凝土的致密程度，尤其適用于潮濕環(huán)境中及大體積水工混凝土的制備。國外，在海工混凝土配制過程中就大量摻用磨細(xì)礦渣微粉，可以顯著提高混凝土抵抗有害化學(xué)離子侵蝕能力及混凝土的耐久性與使用壽命。當(dāng)磨細(xì)礦渣微粉取代等量水泥摻入混凝土后，混凝土水化體系放熱明顯減少，內(nèi)、外部溫差進(jìn)一步縮小，降低了混凝土產(chǎn)生開裂的機(jī)率。同時(shí)，由于整個(gè)水化體系中堿含量降低，為有效防止混凝土堿-骨料反應(yīng)（AAR）的發(fā)生創(chuàng)造了良好的先決條件。
礦渣微觀屬高活性玻璃體結(jié)構(gòu)，顯微硬度大（HV650左右）、韌性好、易磨性差，即易碎難磨細(xì)。采用管磨機(jī)粉磨工藝制備的比表面積≥430m
2/kg礦渣微粉時(shí)，不僅單位粉磨電耗>70kWh/t，而且研磨體消耗量大，以中鉻合金材質(zhì)研磨體為例，噸礦渣粉的球、鍛磨耗>250-300g/t，如采用φ3.2×13m開流管磨機(jī)，磨機(jī)主電機(jī)功率為1600kW，生產(chǎn)比表面積≥430m2/kg礦渣微粉，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量也只有28t/h左右,單位粉磨電耗達(dá)72kWh/t，生產(chǎn)成本明顯高于立磨。
近年來，國內(nèi)建設(shè)的大型礦渣微粉生產(chǎn)線，如長鋼瑞昌、萊鋼魯碧、四川
星船城等均采用了萊歇立磨粉磨工藝。如前所述，立磨集烘干、破碎、粉磨、選粉、收集、輸送功能于一體，占地面積少，大大簡化了生產(chǎn)線工藝布置。據(jù)了解，這些立磨生產(chǎn)線的單機(jī)產(chǎn)量一般都在150t/h以上，礦渣微粉比表面積≥450m
2/kg，單位粉磨電耗<50 kWh/t，甚至<45kWh/t ，而且磨耗也遠(yuǎn)低于管磨機(jī)系統(tǒng)，節(jié)電幅度>30%。
國內(nèi)由天津院研制開發(fā)的第一臺(tái)礦渣磨TRM3131S，用于杭州紫恒公司制備礦渣微粉，配用高效籠式選粉機(jī)，成品細(xì)度可在400～600m
2/kg范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，當(dāng)控制礦渣微粉比表面積450m
2/kg時(shí)，立磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)52t/h，系統(tǒng)電耗為37.3kWh/t，制備的礦渣微粉性能見表8：
表8 TRM3131S立磨生產(chǎn)的礦渣微粉性能
以上事實(shí)證明：無論水泥及礦渣微粉的制備過程，傳統(tǒng)的粉磨工藝將逐步向料床粉磨工藝過渡，立磨、輥壓機(jī)、筒輥磨等高效粉磨設(shè)備，必將在不同場合取代現(xiàn)行管磨機(jī)，具有廣闊的增產(chǎn)、節(jié)電前景。
擠壓聯(lián)合粉磨和筒輥磨系統(tǒng)
在輥壓及問世之初，主要用于預(yù)粉磨流程，其功效尚不能完全發(fā)揮，加之輥壓機(jī)自身存在一定的技術(shù)缺陷：輥面磨損過快、液壓系統(tǒng)泄漏、邊緣效應(yīng)等，經(jīng)過二十余年的發(fā)展改進(jìn)以及新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，輥壓機(jī)的技術(shù)性能不斷得到完善，現(xiàn)階段輥壓機(jī)輥面工作壽命可達(dá)20000h以上，其他方面的問題也迎刃而解。
輥壓機(jī)作為終粉磨設(shè)備，其電耗較低，比球磨系統(tǒng)節(jié)電30%以上。但存在水泥顆粒級(jí)配范圍過窄、均勻性系數(shù)n值偏大、水泥凝結(jié)時(shí)間過快（石膏分布不均勻緩凝效果差所致）、成品顆粒形貌為多角形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量過大等。采用擠壓聯(lián)合粉磨工藝，主要是充分發(fā)揮輥壓機(jī)的預(yù)粉磨功能，必須使輥壓機(jī)多做功，才能增加擠壓料中細(xì)粉的含量，輥壓機(jī)多做功1kwh，后續(xù)管磨機(jī)可節(jié)省2-3kwh,管磨機(jī)能夠真正發(fā)揮其特有的研磨功能，在使系統(tǒng)獲得高產(chǎn)低耗的同時(shí)，對(duì)入磨粗粉水泥的多角形結(jié)構(gòu)顆粒進(jìn)行“整形”，改善水泥的顆粒級(jí)配，降低需水性，以確保提高水泥的使用性能。
采用擠壓聯(lián)合粉磨工藝可在原粉磨系統(tǒng)基礎(chǔ)上增產(chǎn)50～150%，單位粉磨電耗較普通管磨機(jī)粉磨工藝可節(jié)省30%以上。擠壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的后續(xù)管磨機(jī)有開流和圈流兩種形式，同一企業(yè)采用擠壓聯(lián)合粉磨工藝，后續(xù)均為φ3.2×13m管磨機(jī)，開流、圈流兩種不同系統(tǒng)制備的水泥性能見表9：
表9 擠壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)水泥質(zhì)量檢測結(jié)果
從表9得知，在相同熟料配比條件下，采用擠壓聯(lián)合粉磨工藝后續(xù)管磨機(jī)為開流系統(tǒng)時(shí)，所磨制的強(qiáng)度等級(jí)P.O52.5水泥早、后期強(qiáng)度略高于圈流系統(tǒng)粉磨的水泥。同時(shí)，凝結(jié)時(shí)間也要短些，水泥顆粒級(jí)配范圍更寬些，開流系統(tǒng)單位粉磨電耗為25.7Kwh/t，圈流系統(tǒng)單位粉磨電耗為27.4Kwh/t。此外，圈流系統(tǒng)工藝略復(fù)雜些，這也許是部分企業(yè)選用開流粉磨工藝的真正原因。
國內(nèi)牡丹江水泥公司2003年引進(jìn)法國FCB公司研制的HoRo mill3800筒輥磨用于粉磨水泥（國內(nèi)第一臺(tái)應(yīng)用），裝機(jī)功率2400kw，配用TSV4500選粉機(jī)，設(shè)計(jì)能力120t/h，輥筒工作轉(zhuǎn)速36r/min，單位粉磨電耗為24.5kwh/t。筒輥磨生產(chǎn)的水泥與球磨磨制的水泥物理性能對(duì)比見表10：
表10 筒輥磨與球磨磨制的水泥性能對(duì)比
表中數(shù)據(jù)可以看出：相同混合材配比條件下，與球磨水泥相比，筒輥磨磨制備的水泥有更高的早、后期強(qiáng)度，與立磨磨制的水泥性能基本相似，說明仍能進(jìn)一步提高混合材摻量，降低生產(chǎn)成本。筒輥磨單位粉磨電耗比立磨更低些，顯示出其特有的技術(shù)優(yōu)勢。在水泥物理性能方面，筒輥磨生產(chǎn)的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量仍略大于球磨機(jī)磨制的水泥，這可能是筒輥磨水泥顆粒形貌大部分為扁針狀，水化過程比球形顆粒更快的緣故。
結(jié)束語
5.1傳統(tǒng)的管磨機(jī)粉磨工藝，其粉磨空間四周不限，難以形成料床，故效率低、單位粉磨電耗高、研磨體消耗大、生產(chǎn)成本高。目前應(yīng)用廣泛的擠壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)部分引入了料床粉磨工藝，屬成熟的節(jié)能工藝技術(shù)，但工藝系統(tǒng)布局較為復(fù)雜，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)逐步向立磨終粉磨過渡。
5.2立磨、輥壓機(jī)、筒輥磨均為料床粉磨的高效節(jié)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了無球化終粉磨，用于制備水泥和礦渣微粉，相對(duì)傳統(tǒng)管磨機(jī)粉磨工藝而言，節(jié)電幅度達(dá)30～40%以上，更有利于節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，功在當(dāng)代，利在千秋。
5.3立磨集烘干、破碎、粉磨、選粉、收集、輸送于一體，并已率先實(shí)現(xiàn)大型化，工藝流程簡單、占地面積小，單位粉磨電耗和金屬磨耗低，是當(dāng)前大、中型水泥及礦渣微粉制備企業(yè)首選的高效粉磨工藝設(shè)備。
5.4立磨、筒輥磨與傳統(tǒng)管磨機(jī)粉磨工藝所制備的水泥力學(xué)性能相比，具有更高的早、后期強(qiáng)度，可以增加混合材摻加量、降低噸位水泥制造成本，綜合提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，由于大量摻用工業(yè)廢渣，有利于凈化環(huán)境、消除廢渣污染。
5.5無論磨制水泥或礦渣微粉，要求磨前設(shè)置多道強(qiáng)力除鐵，由于單質(zhì)鐵粒具有鐵磁性和可塑性，難以磨細(xì)的同時(shí)在磨內(nèi)產(chǎn)生富集，加劇設(shè)備磨損，必須予以除去。以使粉磨系統(tǒng)保持較高而穩(wěn)定的粉磨效率，有效降低主機(jī)設(shè)備磨損，延長工作壽命。
說明:本文撰寫過程中，參考并引用了水泥界老師們著作中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，在此向各位老師致以深深的謝意！
參考文獻(xiàn)
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摘自：中國建材工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究會(huì)水泥專業(yè)委員會(huì) 鄒偉斌
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