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2018年06月11日 10:24:58
水泥粉磨工艺发展趋势及改造要点

邹伟斌 

0 前 言
    水泥系由水泥熟料、混合材、石膏及其它材料(如助磨剂)共同或分别磨细而成的具有水硬性的微米级粉体。现代水泥粉磨技术新观点认为:好水泥是“磨”出来的。当今世界水泥粉磨技术已呈现多元化趋势,且粉磨设备也向大型化、低耗高效及自动化方向发展。随着科学技术的不断进步,水泥粉磨机理已不再局限于传统的低效率球、段研磨方式,而是逐步向高效节能的辊磨过渡。

    就目前水泥粉磨工艺流程而言,有以下几种:即管磨机(开路或闭路)粉磨系统、立磨粉磨系统、筒辊磨粉磨系统及辊压机终粉磨系统等。粉磨过程电耗要占水泥总电耗的 70%以上,粉磨工艺的选择与应用直接影响到水泥的产、质量及生产成本,在水泥制备中占有举足轻重的地位。

    本文拟就水泥粉磨工艺发展趋势及改造要点进行相关的技术探讨,谬误之处,恳请业界各位同仁予以批评指正。

1 水泥粉磨工艺现状及发展趋势
   纵观现代水泥粉磨工艺,绝大部分工艺流程仍以管磨机作为粉磨设备。目前,国内水泥管磨机设计直径已到 !5m 左右,产量在 150t/h 以上。国际上已设计出 "5.8m 以上的大型管磨机,用于粉磨水泥,台时产量达 200t/h 以上。管磨机的粉磨机理是利用筒体旋转过程中将能量传递给衬板,由衬板提升、抛落研磨体对磨内物料进行冲击破碎、研磨而完成粉磨作业。管磨机内所用的研磨体形状多为传统的圆球和柱状段,圆球形研磨体对被磨物料以点接触方式进行冲击破碎,粉磨效率较低。尤其是当入磨物料粒度尺寸较大,易磨性差时,管磨机低效率、高电耗的矛盾更为突出。

    为了改善粉磨作业条件,提高磨机系统产量、降低粉磨电耗,水泥工程技术人员从缩小入磨物料粒度入手,通过优化设计衬板工作表面形状、改变磨内各仓研磨体的提升,抛落轨迹以及采用助磨剂等技术手段,在一定程度上,大幅度提高了磨机的生产效率。

    由管磨机的粉磨特性分析可知,这种工艺流程磨细功能有余,破碎能力不足,大粒度物料由磨机粗磨仓破碎是不合理的。所以,设置高效而稳定的磨前物料预处理工艺、缩小入磨粒度,将管磨机粗磨仓的部分或全部工作移至磨外完成,是实现磨机增产、降耗最有效的技术途径。

    入磨物料粒度d与磨机生产效率Kd的关系,可由下式计算得出:

  

    表1中数据说明:入磨物料粒度越小,磨机相对生产率越高。在其它工艺条件不变的前提下,缩小入磨物料粒度是管磨机增产、节电的关键因素。

    水泥粉磨工艺中,除管磨机流程外,20 世纪 80年代中期在德国问世的辊压机原主要用于水泥生料和水泥熟料的预粉碎,即半终粉磨。辊压机的粉磨机理为料床粉碎,现阶段已由过去的半终粉磨引申过渡到用于水泥制备的终粉磨。被两只高压对辊挤压的物料产生大量的裂纹和细粉。通过将挤压后的料饼打散分级分选后形成闭路循环,成品被选出,粗颗粒物料再入辊压机粉碎。辊压机系统的电耗虽低于管磨机粉磨系统,但采用辊压机终粉磨制得的水泥成品颗粒形貌呈多角形结构,标准稠度需水量增大,在混凝土制备过程中的工作性能不如管磨机粉磨的水泥好。

    立磨由于其系统产量高、电耗低而被广泛应用于生料制备过程。目前,国际上已有采用立磨粉磨水泥(终粉磨)的报道。立磨的粉磨机理与辊压机有相似之处,均为料床粉碎。所不同的是,立磨磨辊对物料的接触方式是柱面与平面,而辊压机辊子与物料间的接触方式为柱面与柱面。此外,立磨自身不须另外设置选粉分级系统,而辊压机则必须单独设置,系统比立磨复杂。现阶段世界上最大的立磨单产已在 600t/h,这是管磨机和辊压机粉磨系统所不能比拟的。同时,立磨粉磨系统电耗明显低于辊压机系统。

    还有一种高效的水泥粉磨系统,采用法国 FCB公司研制开发的 Horomil(l筒辊磨),配用高效选粉机组成闭路水泥粉磨工艺,系统产量高、电耗低于25kWh/t。牡丹江水泥厂采用 Horomill 闭路粉磨系统,配用 TSVR4500HF 选粉机,台时产量最高达166.6t/h(设计120t/h,经调试后达130t/h),水泥比表面积 366m2/kg。冀东水泥公司二分厂,则采用Ф2.6m 筒辊磨预磨新型干法窑熟料,预磨后的熟料< 0.9mm 颗粒占 50%左右,切割粒径大致在2mm,与 Ф3×11m 闭 路 管 磨 机 配 套 (配 用O-SepaN1000 选粉机),生产比表面积 350m2/kg 的P·O32.5 级水泥,粉磨系统增产 30%,电耗下降24%。

    综上所述,今后一段时间内,水泥工业高耗能粉磨设备(如管磨机)的选用将会逐步减少,而具有高效低耗的辊磨将成为水泥粉磨领域主机设备的首选方向。

2 水泥粉磨工艺改造要点
    在此着重探讨对现有水泥管磨机系统的改造。管磨机粉磨工艺分为开路和闭路两种系统,其中闭路系统一般以一级居多。由于水泥的胶凝活性与其自身的磨细程度和颗粒级配、形貌密切相关,故在对现有粉磨工艺进行改造时可以采取针对性措施。

2.1 大型管磨机的改造(Ф4m 以上)
    当今水泥工业生产中,管磨机仍占粉磨设备的主导地位。如前所述,管磨机电能利用率低,粉磨电耗高于辊压机、立磨及筒辊磨系统。为了降低粉磨电耗,多数企业在管磨机前增设物料预处理工艺,通过预处理设备缩小入磨物料粒度,在大幅度提高磨机产量(30%~50%)的同时,显著降低粉磨系统电耗(20%~30%)及生产成本,提高水泥实物质量。以辊压机 + 打散分级+ 管磨机预处理粉磨系统(闭路) 为 例 , 粉 磨 新 型 干 法 窑 熟 料 , 电 耗 在28~32kWh/t,比单独采用管磨机,不设置预处理工艺时的电耗要低 8~12kWh/t。由此可见,强化对入磨物料的预处理,才能使粉磨系统长期保持较高而稳定的粉磨效率及较低的粉磨电耗。同时,由于入磨物料粒度缩小,可优化设计磨内研磨体级配、降低研磨体平均尺寸,更有利于显著提高水泥的磨细程度(比表面积)和胶砂强度。

    大型管磨机内部应采用提升、分级衬板、筛分装置、活化装置、研磨体防串装置。基于大型管磨机研磨体装载量多的缘故,为使系统能够长期保持稳产、高产,要求采用质量优良的硬质合金研磨体,如高、中铬合金材质(磨耗< 50g/t、破损率< 1.0%)。同时,磨内其它部位易损件,如衬板、隔仓板等,也宜选用与研磨体相同的材质与其匹配,以获得最佳抗磨效果和良好的表面光洁度,为稳定系统产、质量创造条件。

    为了提高出磨水泥的圆形度,部分企业在细磨仓内全部采用为了提高出磨水泥的圆形度,部分企业在细磨仓内全部采用Ф8~12mm 的微形球,使用效果良好。大型管磨机有多个仓位,各仓内所用的研磨体规格不同,一般规律是自进料端向出料端各仓的研磨体规格逐渐缩小,以增强研磨体对物料的磨细功能。研磨体的填充率一般< 32%,大多在 26%~30%之间选取。

    总而言之,最佳的水泥粉磨工艺,是由多项实用技术组合而成的系统工程。作为水泥工程技术人员,不可忽视技术细节对整个系统带来的不利影响,只有不断改进与创新,才能使粉磨系统始终处于良性循环状态。

2.2 中小型水泥粉磨工艺的改造(Ф4m以下)
    对于中小型管磨机而言,无论是开路还是闭路粉磨系统,必须设置磨前物料预处理工艺。可选用的预处理方式有预破碎、预粉碎和预粉磨,三种预处理工艺中,以预粉磨(即采用短粗型棒磨或筒辊磨)技术效果最好,电耗低、长期运行可靠,经处理后的物料最大粒度均稳定在 2mm 以下,其中尚含有 30%左右的成品。预处理工艺的设置,部分或全部取代了磨机粗磨仓的功能,相当于延长了磨机的细磨仓,更有利于提高长径比较小(L/D ≈3)的中长磨或短磨的系统产量(30%~50%)、降低粉磨电耗(10%~30%)。现就采用预处理后的几种粉磨流程的改造进行探讨。

2.2.1 预处理开路高细磨系统
    众所周知,水泥成品中 30μm 以下颗粒所占比例决定胶砂强度的发挥,特征粒径 16~24μm的含量越多越好。中小型磨机一般磨身较短,物料在磨内停留被粉磨的时间也短,完全依靠磨内研磨体对物料的破碎与粉磨,物料往往不易被磨细,导致成品中粗颗粒含量偏多,严重制约水泥水化活性的发挥。预处理工艺的设置对开路粉磨系统的增产、节电及提高水泥的磨细程度意义重大。

    入磨物料经过预处理,磨机一仓的功能由预处理设备完成,磨内研磨体平均尺寸缩小,增强了对物料的细磨能力,水泥成品中 30μm以下颗粒比例显著增加。

    预处理开路高细磨工艺形成后,宜对磨内进行相应改造,安装筛分分级隔仓板,同时对细磨仓衬板进行活化处理,以充分激活微形研磨体的粉磨能量,显著提高水泥的磨细程度和胶凝活性。经开路工艺磨细后的水泥颗粒级配中某一粒径的含量相对集中,即通常所说的“窄级配水泥”。磨内隔仓板及出料篦板篦缝一般≤6mm。

    开路高细磨系统必须强化通风与收尘措施,磨内风速保持 0.5~0.8m/s,宜选择布袋收尘工艺。如果出现研磨体表面因静电吸附细物料而影响粉磨效率时,可考虑引入助磨剂解决,该工艺粉磨电耗一般在 30~33kWh/t。

    采用开路高细磨技术磨制的矿渣水泥强度见表3。

    表3数据表明:采用开路高细磨工艺,提高水泥的磨细程度后,即使矿渣掺量在30%左右,仍能制备物理力学性能优良的525号水泥。混合材掺量增加,水泥成本降低。

2.2.2 预处理闭路粉磨工艺
    闭路粉磨工艺是在开路粉磨基础上通过增设高效选粉设备改造而成。闭路粉磨工艺最重要的技术环节是所选用的选粉机的分级精度一定要高(如选粉效率达 85%以上)、性能稳定、长期运行可靠,否则难以达到最佳技术效果。该工艺最佳配置为:磨前预处理 + 磨内筛分 + 磨外高效选粉,可以避免闭路粉磨水泥颗粒级配变宽的现象,力求使特征粒径的粉体含量更多些,利于水泥水化活性及力学强度的进一步发挥。闭路粉磨系统电耗低于开路系统,一般为≤28kWh/t。

    山东建材学院研究人员曾对某厂Ф2.2×6.5m闭路水泥磨系统采用预处理技术进行改造,入磨物料平均粒度由 9.7mm 降至 5.3mm,同时优化设计磨内研磨体级配、调整两仓填充率、改进选粉机内部结构,适当降低系统循环负荷率。改造后,出磨水泥成品比表面积提高 70%、3d 抗压强度提高 65%,具体数据见表 4。

     表4数据得知:经过改造后的粉磨系统,由于一仓、二仓研磨体平均尺寸缩小,对物料的研磨能力大大增强,虽然 80&m筛余基本相同,但水泥的比表面积却提高了 175m2/kg,3d 抗压强度较原方案增长 14.7MPa,磨机台时产量增加 1.7t/h,取得了显著的技术经济效果。

2.2.3 物料分别粉磨工艺
    物料分别粉磨工艺可最大限度地发挥水泥成品的胶凝活性,为大量利用高活性工业废渣,净化生态环境创造了良好的条件。经分别粉磨再“勾兑配制”的水泥,有更多的混合材掺量。同时由于熟料掺量减少,制得的水泥中不仅碱含量低,而且水化热也低,可显著提高混凝土制品的耐久性。

    分别粉磨工艺制备的水泥颗粒级配更合理,强度增进率高,制造成本低,粉磨电耗居中,一般在40~50kWh/t,是粉磨工艺发展和改造的方向之一。

    同济大学材料学院研究人员采用分别粉磨工艺制备低热 P·S525R 水泥,在熟料:矿渣:石膏 =48:48:4 配比条件下,生产出物理力学性能优良的高掺量高强矿渣水泥,见表 5。

2.2.4 开路与闭路串联粉磨工艺
    在现有闭路粉磨工艺流程中串联一台开路磨机作为二级磨,专门用来粉磨经一级闭路磨选粉后的粗粉(回料),经串联的开路磨磨制的水泥比表面积可达 400m2/kg 以上,使水泥的胶凝活性得以充分发挥。串联粉磨工艺系统产量高、电耗低、两台磨机的平均粉磨电耗在 25~28kWh/t。采用串联粉磨工艺,可最大限度地挖掘一级闭路磨及二级开路磨机的生产潜力,在相同熟料掺入量的条件下,经二级磨生产的水泥,具有比一级磨更合理的颗粒级配,胶砂强度要比一级磨产品高出一个强度等级。

    采用开路、闭路串联粉磨工艺制备的水泥克服了两种流程单独使用时颗粒级配方面的缺陷,见表 6。

     实际生产过程中,采用串联粉磨工艺时,必须在二级磨前设置一个容量为 200~400t 的过渡仓,用以储备一级磨粗粉。二级磨可充分利用低谷电生产。考虑到粗粉状物料的流动性较差,可以选用调速螺旋秤作为二级磨的计量进料设备。经闭路磨选粉后进入二级磨的粗粉中绝大部份是煅烧质量优良的水泥熟料及少量不易磨细的活性混合材,经二级磨磨细后,制得的水泥物理性能良好。

    串联粉磨后的成品水泥,既可单独包装(散装)销售,亦可将两台磨机生产成品混合均匀后再包装(散装)销售。由于二级磨的产品要高出一级磨产品一个强度等级,单独包装销售,经济效益更好。

3 结束语
    (1)缩小入磨物料粒度是提高粉磨系统产质量、降低电耗最有效的技术途径。合理选取磨前物料预处理设备至关重要,技术上要求预处理设备性能稳定、长期处理效果好、运行可靠、处理电耗低。大型管磨机可考虑采用辊压机或筒辊磨,中小型磨机可选用棒磨机作为磨前预处理设备。

    (2)在确保入磨物料粒度< 5mm 的同时,应优化设计磨机内部衬板的工作表面形状。粗磨仓宜选用提升能力较好的阶梯衬板,细磨仓采用分级衬板。安装筛分型隔仓板及篦板,篦缝≤6mm。

    (3)衬板及研磨体宜选用硬质耐磨材料(如高、中铬合金),提高衬板及研磨体的表面光洁度,降低磨耗,使磨机始终保持较高而稳定的粉磨效率。

    (4)中小型两仓磨机研磨体填充率的选择:一仓应低于二仓 2~4 个百分点,提高研磨体的粉磨能力,确保水泥具有良好的磨细程度和力学强度。

    (5)中小型磨机磨内改造时,应注重对细磨仓衬板进行活化处理,消除最外层研磨体切向滑动造成的低效率粉磨状态,以充分激活研磨体对物料的粉磨功能。

    (6)上述四种粉磨流程,各企业均可视各自条件选用。如磨内出现包球、包段现象而影响粉磨效率时,可引入助磨剂予以解决。

    无论大型还是中小型水泥磨机,改造过程中必须设置磨前物料预处理工艺。只有不断对粉磨系统进行技术创新和改进,才能获得长期稳定的优质高产低消耗技术经济效果。

作者:邹伟斌   出处:四川水泥  
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