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2018年05月14日 10:55:15
两种立磨终粉磨水泥如何解决物料适应性问题

 

 

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北武汉430070)


1  课题背景
    水泥作为最基本的建筑材料在我国国民经济的发展过程中占有重要地位,仅以2012年为例,当年实际生产水泥21.84 亿t,接近全球水泥总产量的57%,产值超过9000亿元人民币。然而水泥工业又是一个典型的高资源、能源消耗和高排放产业,环境负荷显著,节能减排任务巨大。如果将水泥生产的各个环节进行细分来看,其中传统的球磨机水泥粉磨过程则是具有极高的能耗与极低的粉磨效率为特点的一个突出的工艺环节,因而也使其成为人们最为关注的技术进步与节能改造重点。由于球磨机自身结构和内在粉磨原理所存在的局限性,使其能量利用率低的弊病无法完全从其本身的结构改进而得以真正有效的解决。为此近年来人们跳出了以往主要只是关注于球磨机系统本身改进的禁锢,提出并重点研发了以料床粉磨原理为基础的一系列新型水泥粉磨技术系统,其中水泥立磨终粉磨系统在近期作为一个典型的新技术代表,正在水泥行业中被重点宣传和推广。毋庸置疑,相比传统球磨系统而言,其对于提高粉磨效率、减少能耗具有独特的优势。
    从世界范围来看,第一台LM46.2+2C/S立磨终粉磨系统于1994年在中国台湾幸福水泥公司的普新厂投产以来,立磨终粉磨水泥的技术逐渐被各国越来越多的水泥工厂所认可并投入实际使用[1-3]。
    生产实践表明,立磨终粉磨系统在水泥粉磨过程中表现出了粉磨产能高、节电效果显著及粉磨运行参数易调整等优势。但是根据目前国内外实际情况的统计来看,作为世界水泥生产与消费的第一大国的中国而言,总体上将立磨作为水泥的终粉磨系统的实际应用还是相对较少的,不论是水泥企业还是市场用户对于以立磨为终粉磨设备制备的水泥产品的使用性能存有一些疑虑,尤其是对立磨终粉磨水泥的需水特性和强度发展等方面的情况争议明显。
    鉴于目前国内水泥生产中使用立磨终粉磨系统的情况较为少见,时间也不长,相应的实际生产经验还不丰富,而我国又具有地域广阔、资源条件复杂、生产企业众多的客观现实条件,使得不同企业生产的熟料品质和所选用的水泥组配及其相关原材料都存在很大的差异,因此必然在采用立磨进行水泥终粉磨时所得的水泥产品颗粒特性及其宏观性能上也会存在很大差别,进一步导致了对立磨水泥终粉磨的效果难以形成共识。因而,加强对于立磨与不同熟料及其水泥组份原料之间的相互适应性的深入研究,不断探索总结其中的内在规律,对加快立磨系统在水泥终粉磨环节的推广应用,实现高效节能和改善水泥性能两个方面都有重要的现实意义。
    根据上述思路,本文通过采用不同水泥企业实际生产的两种立磨终粉磨水泥,重点对其相应的颗粒特性进行研究。为了更好的突出立磨终粉磨水泥试样的相关特性,还按企业的实际生产情况从工厂取回相同的原材料,在实验室标准试验球磨条件下磨制成同样配比的水泥试样作为对比研究的基础,分别探讨立磨与球磨作为终粉磨装备,对相应粉磨产品的颗粒级配与形貌特征的不同影响,进而分析立磨进行水泥终粉磨时对不同物料的适应性规律。
2  试验材料及方法
2.1  试验材料
    试验研究中所选用的立磨终粉磨水泥和相应的原材料分别取自A、B两个水泥企业,球磨机终粉磨水泥则按照与实际取样的立磨终粉磨水泥的相同配比,分别将有关组分原料混配后在标准试验球磨机中粉磨50min制成。具体组配与原材料化学成分分别见表1、表2。两种工业立磨终粉磨水泥试样标为A1、B1,作为对比参照的两种球磨终粉磨水泥试样标为A2、B2。

 

 

 
2.2 试验方法
    水泥试样的细度检测依据GB 1345—2005 进行;水泥样品的比表面积测定采用FBT-9型全自动比表面积测定仪,测定方法依据GB/T8074—2008;水泥的颗粒微观形貌采用JSM-5610LV型扫描电镜(SEM)进行观察,并采用DS—5M图像分析仪进行圆度分析;各试样的颗粒粒径分布采用马尔文激光粒度分析仪测定。
3  结果分析与讨论
3.1 水泥试样易磨性分析与评价
    由于在实验室标准球磨机中磨制的两种不同配比的球磨终粉磨水泥试样的制备条件相同,因而其相应比表面积的大小可以间接表明两种组配水泥试样组合的相对易磨性,A2,B2两个试样的80 μm 筛余和勃氏比表面积分别为2.1%和2.84%,以及652和4130m2/kg。
    对比可以看出,在相同的粉磨条件下,A2试样的比表面积远远超过B2试样的相应值;此外A2试样的80μm筛余也要明显低于B2的。从这两个方面的情况充分说明,A组水泥试样配料的总体易磨性明显要优于B组的,也就是说在实际生产中,A厂水泥物料相对更为易磨。
3.2 两厂立磨终粉磨水泥颗粒特性对比分析
    水泥的粉磨总体上是一个物理变化过程,在这个加工环节中水泥颗粒的形貌和颗粒级配会随着粉磨过程的不断延续而不断发生改变,最终形成的产品颗粒级配和颗粒形貌会对水泥的各种宏观性能(诸如需水性、凝结速度、强度发展等方面)产生很大的影响[4-7]。对前述两种立磨终粉磨水泥试样的颗粒粒径分布进行测定,其检测结果如图1所示。
 
     从图1的两种立磨水泥试样的具体粒径分布规律可以看出,虽然两个水泥试样中颗粒粒径都主要集中在20μm处,但是仔细分析仍然可以发现其中存在的内在差异。相对而言易磨性较好的A1试样,其颗粒分布范围明显更宽,从粒径分布图中可以看到其在0.7μm和2μm处也表现出较为明显的集中分布状态。这说明A1试样较B1试样的颗粒粒径分布更为均匀,各种不同粒径的颗粒组成更为合理。
    显然从满足最紧密堆积的基本条件而言,A1样要优于B1样。这在一定程度上可以推断,A1样的颗粒组成特性对相应的水泥宏观性能具有更好的影响。图2为两种立磨终粉磨水泥试样的SEM照片。仔细观察图2可以发现,A1和B1水泥试样的颗粒形貌上存在一定的共同特点,即:水泥颗粒表面都有明显的凹凸面与棱角存在。进一步将两者做对比则可看出,B1试样颗粒的长宽比相对更大一些,也即颗粒形态更偏向片状、棱柱状,说明其颗粒形貌的球形度更差,相反A1试样的球形度则相对较优。为了更为准确的判断和评价两种立磨终粉磨水泥试样的形貌特点,又依据以上两个SEM照片中的颗粒状况分别进行A1和B1试样的圆度定量分析,结果见表3。

 
    颗粒圆度可用以下圆度公式表征:R = C2/(4πS) 。式中,R 为颗粒圆度,其值越接近于1表明颗粒越圆;C 为图像中颗粒周长;S 为图像中颗粒面积。由表3中的数据可以更明显的看出,无论是颗粒的平均圆度还是圆度在1~2范围内颗粒的比例大小均体现出A1试样更接近于球形,也即其具有更优的颗粒形貌。相对而言,B1试样颗粒的圆度明显不如前者。这种定量的表征无疑能够进一步证明A1水泥试样具有更高的球形度,因而从物理条件上来讲其更有利于满足流动性和紧密堆积的要求,由此可能使得水泥的标准稠度、浆体内部结构都会有所改善,进而也更有利于水泥强度的发展。
    综合以上分析可以认为,易磨性较优的A厂水泥粉磨后在颗粒级配与颗粒形貌方面均要优于易磨性较差的B厂水泥。也就是说入磨物料的相对易磨性越好,其在立磨终粉磨条件下所得到的粉磨产品具有更优的颗粒级配与颗粒形貌。
3.3 立磨与球磨系统的适应性比较
    根据前述研究结果可知物料的易磨性不同时,粉磨后产品的颗粒特性就会存在明显的差异性。相对于球磨机终粉磨和立磨终粉磨条件下相应粉磨产品的颗粒特性会有怎样的变化,非常值得重点探讨,这对于更好的发展立磨终粉磨水泥节能技术具有现实意义。以下通过对比球磨和立磨两种终粉磨方式在粉磨A厂与B厂的水泥试样时所得到的产品颗粒特性,分别探讨不同易磨性的入磨物料对不同粉磨条件的相互影响规律,从而判断粉磨系统和物料之间的相互适应性。分别对两种立磨终粉磨水泥试样A1、B1和两种实验室球磨终粉磨水泥试样A2、B2进行粒径分布检测和圆度检测,所得试样颗粒粒径部分分布情况见表4,圆度情况见表5。

     按照表4中的具体数据分别对4种水泥试样的粒径分布进行RRB方程拟合,计算出各试样相应的均匀性系数及特征粒径,结果见表6。

     由表5中不同试样的颗粒圆度比较情况可以看出,不论是试样颗粒的平均圆度还是圆度为1~2的颗粒所占比例的大小两个方面来评价,球磨终粉磨所得的两种水泥试样A2、B2之间的差值均比立磨终粉磨水泥试样A1、B1的差值要小,而差值小表明其受物料易磨性变化的影响程度小。这也从另一个角度说明了当物料的易磨性改变时,粉磨后产品的颗粒圆度的变化程度仍旧是球磨机系统影响较小。
    通过以上终粉磨水泥试样的颗粒粒径分布与颗粒形貌特征的对比研究可以看出,球磨系统对于所粉磨物料易磨性变化的适应性要明显优于立磨系统,当物料易磨性发生改变时,经立磨系统粉磨所得的水泥产品颗粒特性变化较显著,进而可能会导致水泥性能产生更大的变化。
    由表6所示的各种参数情况可看出,在粉磨两种易磨性不同的水泥时,以立磨终粉磨方式所制得的A1、B1两种水泥试样均匀性系数的差值为0.37,而两种球磨终粉磨方式制成的水泥试样A2、B2之间的均匀性系数差值只有0.3。均匀性系数差值越大,表明粉磨过程受物料易磨性的影响越显著。因此上述结果说明,对于易磨性不同的物料而言,球磨机粉磨系统对物料易磨性的敏感性相对较弱,粉磨产品的颗粒分布变化也较小,而立磨系统对物料的易磨性更为敏感,当物料易磨性改变后,其粉磨产品的颗粒分布变化较大。


4 结 语
    通过对立磨与球磨终粉磨水泥样品颗粒特性的研究可以发现,进行水泥终粉磨作业时,以颗粒级配及颗粒形貌为参照指标,立磨终粉磨系统与球磨机相比对入磨物料的适应性方面还存在一定差距。当物料的易磨性较差时,则立磨终粉磨水泥的颗粒级配和颗粒形貌明显较差;相反若入磨物料的易磨性越好,立磨终粉磨水泥与球磨终粉磨水泥在颗粒特性方面的差距就会越小。

参考文献

作者:陈袁魁,朱龙飞,袁龙华   出处:水泥工程  
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