工業(yè)廢渣超細粉磨的研究
2006-06-09 00:00
1 工業(yè)廢渣超細粉的性能
目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的超細無機摻合料（亦稱礦物外加劑）種類有：礦渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰等。硅灰雖然適應(yīng)于制備高性能混凝土，但由于其價格昂貴，產(chǎn)量少，不能滿足大量制備高性能混凝土的要求。以資源豐富的礦渣、粉煤灰為主要原料礦渣微粉和粉煤灰微粉的生產(chǎn)應(yīng)用比較廣泛。
粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐煙道氣體中收集的粉末。其主要化學(xué)成分為SiO2 、AI 2O3 和Fe2O3 ，高鈣灰則含有較多的CaO。早在1914年，美國人Anon發(fā)表了“煤灰火山特性的研究”，首先發(fā)現(xiàn)粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。而對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用進行比較系統(tǒng)的研究，是由美國伯克利加洲理工學(xué)院的RE維斯在1933年后開始的。
由于水泥和混凝土中可以大批量用粉煤灰。因此，粉煤灰在水泥和混凝土中應(yīng)用也一直是我國科技界研究的重點。
粉煤灰在混凝土的利用，主要是利用它的三種效應(yīng)：火山灰活性效應(yīng)，即水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2將激發(fā)粉煤灰的活性．使之反應(yīng)生成以C—S—H凝膠為主的膠凝物質(zhì)；形態(tài)效應(yīng)，即粉煤灰的顆粒形態(tài)所決定的，當(dāng)微珠含量較高時（大于50%），流動性提高，減少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性質(zhì)；微集料效應(yīng)，即小于45µ m篩余的微粉可填充混凝土中的孔隙，與Ca（OH）2 反應(yīng)生成的凝膠也可填充微小孔隙，使混凝土更加致密。
粉煤灰細磨后，不但可以加快熟料顆粒的水化速度，還可以提前破壞粉煤灰密實的球形外殼，加快粉煤灰的火山灰反應(yīng)。從而提高水泥早期強度。
礦渣是煉鐵高爐排出的水淬廢渣，其主要化學(xué)成分為SiO2 、AI2O3 和CaO，其成分與水泥成分接近。超細粉磨后具有超高活性?，F(xiàn)有研究成果證明，將礦渣粉磨至平均粒徑小于5µm的超細礦渣和平均粒徑小于10µm的中等細度的礦渣，有效提高了礦渣的水化活性，可配制大流動性超高強混凝土。以粒徑小于5µm的超細礦渣取代10%～20%的水泥，可使水泥強度提高12%一23% ，水泥標準稠度需水量降低0．014左右；可配制拌合物坍落度達20cm、28天抗壓強度達100MPa的大流動性超高強混凝土。不僅顯著地改善了混凝土的流動性、減少坍落度損失．還 著地改善了抗?jié)B、抗凍、抗碳化等耐久性。作為混合材，摻加10%～20% ，可使水泥標號提高一個等級。對硅酸鹽水泥、礦渣水泥、普通水泥均有良好的適應(yīng)性。
其作用機理是活性的SiO2 、AI2 O3 即可與水泥中C3S和C2S水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)，進一步形成水化硅酸鈣產(chǎn)物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同時將強度較低的Ca（OH）2晶體轉(zhuǎn)化成了強度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而使水泥混凝土的一系列性能得到顯著改善。
2 粉煤灰和礦渣超細粉生產(chǎn)
2．1 粉煤灰
1991年國家就頒布了《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的標準，今年又對原標準進行了修改并于2005年8月1日實施《用于水泥和混凝土中的粉煤灰）GB/T1956—2005新標準。標準的制定和修改對粉煤灰的應(yīng)用起到了指導(dǎo)和推動作用。根據(jù)粉煤灰細度（451~m篩余）、需水量比、燒失量等指標分為I級、Ⅱ級、Ⅲ級灰，其中細度為重要指標之一。
由于電廠具有先天的資源優(yōu)勢．因此生產(chǎn)商品粉煤灰的企業(yè)主要以電廠為主。早期有部分電廠進行了普通開路球磨機細磨加工試驗。目前我國有三分之一的燃煤發(fā)電廠均采用分選粉煤灰的方式生產(chǎn)商品粉煤灰．收到良好的社會效益和經(jīng)濟效益。隨著黃河小浪底水利工程、長江三峽水利工程等水利工程大量使用分選粉煤灰，我國粉煤灰分選技術(shù)也隨著從無到有、從小到大發(fā)展起來。分選粉煤灰在水利工程、建筑工程等各工程領(lǐng)域?qū)玫礁鼜V泛應(yīng)用。
我國燃煤發(fā)電廠應(yīng)用的分選工藝主要有：單點或多點直抽閉路循環(huán)分選（見圖1）；單點或多點直抽開路分選（見圖2）。電力行業(yè)應(yīng)用的分選粉煤灰的主要設(shè)備一分選機典型的有動態(tài)的“強制渦流式分選機”、靜態(tài)的“渦殼式分選機”等機型，單臺分選機處理量5t/h～50t/h。強制渦流式分選機吸收了日本小野田公司的O—Sepa技術(shù)．渦殼式分選機則來自于美國Ge公司的Buel1分選技術(shù)。
建材行業(yè)生產(chǎn)商品粉煤灰一般采用球磨機開路粉磨或閉路粉磨工藝，采用單一分級工藝的不多。
由于粉煤灰原灰已經(jīng)含有一定量的合格細粉，采用開路細磨的工藝，過粉磨現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)效率低，電耗高。隨著分選技術(shù)和裝備的發(fā)展，采用閉路粉磨工藝系統(tǒng)效率更高。與水泥的閉路粉磨系統(tǒng)有區(qū)別的是，粉煤灰閉路粉磨原灰應(yīng)先進入選粉機進行分級，粗灰再人球磨機進行粉磨，最大限度地發(fā)揮選粉機的功能，系統(tǒng)粉磨效率最高（見圖3）。
合肥水泥研究設(shè)計院在粉煤灰分選技術(shù)方面進行了研究和開發(fā)．開發(fā)出了處理能力為25t/h、35t/h、45t/h、60t/h的DS（F）高效分級機，選粉效率可達到90%。對于單分級系統(tǒng)采用了有別于電力行業(yè)負壓抽吸的機械提升輸送進料T藝，系統(tǒng)裝機功率降低，管道磨損減少。
2．2 礦渣粉
隨著國家對超細礦渣標準的制定，加快了礦渣微粉的應(yīng)用，同時也促進了超細礦渣生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展。
1998年國內(nèi)第一個礦渣微粉標準問世：《砂漿、混凝土用粒化礦渣微粉》（上海市地方標準）；1999年國內(nèi)第一個礦渣微粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)程問世：《粒化高爐礦渣微粉在水泥混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（上海市地方標準）；2000年國家標準GB/T18046—2000（用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣微粉》頒布；《高強、高性能混凝土用礦物外加劑國家標準））2002年12月1日執(zhí)行．在該標準中正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組份。國家標準的制定和實施標志著礦物外加劑技術(shù)進入了成熟的應(yīng)用階段，是國家引導(dǎo)的發(fā)展產(chǎn)業(yè)。
超細礦渣制備技術(shù)目前主要有立磨生產(chǎn)技術(shù)、輥壓機聯(lián)合粉磨或終粉磨生產(chǎn)技術(shù)、球磨機閉路生產(chǎn)技術(shù)、球磨機開流生產(chǎn)技術(shù)以及振動磨生產(chǎn)技術(shù)。國際上以立磨和輥壓機終粉磨系統(tǒng)為主。從國內(nèi)實際應(yīng)用情況來看，以立磨和球磨兩種生產(chǎn)工藝占大多數(shù)。由于超細礦渣生產(chǎn)技術(shù)是從水泥生產(chǎn)技術(shù)借鑒來的．因此工藝流程特點與水泥生產(chǎn)基本相似．有變化或改進的是粉磨或分級裝備。采用立磨和閉路磨工藝要特別注意除鐵的問題，如果聚集在磨床或磨內(nèi)的鐵不能及時除掉，不僅影響產(chǎn)量，對設(shè)備的磨損特別大。因此要從工藝和設(shè)備兩方面來解決除鐵的問題。
·各種生產(chǎn)工藝的特點
立磨系統(tǒng)的特點：采用料床粉磨，效率高，電耗低；粉磨、選粉、烘干同時在磨體內(nèi)部完成，系統(tǒng)簡單（見圖4）；物料在磨機內(nèi)部呈懸浮狀以及粗粉的多次循環(huán)．熱交換充分，因此烘干能力強。料床的穩(wěn)定防止震動，磨盤及磨輥的磨損是立磨進行礦渣粉磨的難點；另外系統(tǒng)投資較大．非一般小企業(yè)所能承受的。
輥壓機粉磨系統(tǒng)的特點是：料層高壓粉碎原理特別適合處理礦渣類脆性物料，效率高，特別是終粉磨系統(tǒng)（見圖5），效率更高，電耗更低。相對于立磨，輥壓機本身不能起烘干作用，需另設(shè)烘干系統(tǒng)。輥壓機對礦渣的水分要求比較高，水分過低，反而容易產(chǎn)生設(shè)備震動，水分應(yīng)控制在比較合適的水平。由于礦渣的磨蝕強．岡此對輥面的耐磨性能要求高，維護費用較高。
球磨機閉路系統(tǒng)的特點是：設(shè)備和工藝成熟可靠，對物料的適應(yīng)性較強，成品細度控制范圍較廣，電耗較開路系統(tǒng)低．但系統(tǒng)相對復(fù)雜。要求配置高性能的選粉機．系統(tǒng)投資適中。
球磨機開路系統(tǒng)的特點是：丁藝系統(tǒng)簡單，操作簡便，投資低。但系統(tǒng)效率低，電耗高，成品溫度高，成品細度調(diào)整不便。
振動磨系統(tǒng)可以采用開路或閉路工藝．振動磨在細磨上具有一定的優(yōu)勢，但由于大型化振動磨的開發(fā)未能形成突破，因此限制了該項技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
各種生產(chǎn)工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟指標比較（見表1）。
上述比較的是各種工藝系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標，也是大家比較關(guān)心的。筆者認為還有一點也應(yīng)引起注意的是礦渣粉的顆粒分布以及顆粒的形態(tài)，不同工藝得到的結(jié)果是有區(qū)別的。特別是在配置混凝土?xí)r。對混凝土的性能會產(chǎn)生不同的影響。立磨和輥壓機終粉磨磨制的礦渣粉顆粒級配較集中，且顆粒的球型度差。而采用了球磨機磨制的礦渣粉顆粒的球型度好。采用球磨機閉路磨磨制的礦渣粉顆粒級配分布適中．采用球磨機開路磨磨制的礦渣粉顆粒級配分布較廣。特別是球磨機閉路磨可以通過研磨體的級配和選粉機多手段來調(diào)整產(chǎn)品的最佳顆粒分布。由于顆粒級配分布和顆粒形狀的不同，成品的性能產(chǎn)生一定的變化（見表2、表3）。目前立磨通過調(diào)節(jié)擋料圈高度、風(fēng)環(huán)出口速度、輥壓及選粉機結(jié)構(gòu)的改進等措施基本解決了終粉磨的顆粒分布及細粉含量的問題。
國際上．采用立磨生產(chǎn)礦渣較廣泛，在應(yīng)用球磨機系統(tǒng)粉磨礦渣時，一般采用烘干兼粉磨工藝，當(dāng)?shù)V渣水分在6%一8%時，可以不設(shè)預(yù)烘干。當(dāng)?shù)V渣水分超過10%時，需要設(shè)預(yù)烘干，以防被磨物料部分預(yù)水化，降低水泥強度。
立磨粉磨礦渣國際上比較著名的公司有來歇的LM磨、伯力鳩斯的RM磨、非凡的MPS磨、神戶制鋼的OK磨、川崎的CK磨。國內(nèi)合肥院的HRM磨進行過試驗．據(jù)報道天津院亦進行過立磨粉磨礦渣試驗。各種采用立磨的生產(chǎn)工藝基本相同（見圖4）。
來歇公司的LM2+2或3+3磨比較有特點。磨輥一小一大配對，小輥以低壓高速運行，執(zhí)行預(yù)備粉磨料床的功能；大輥位于小輥后面，執(zhí)行粉磨工作。對產(chǎn)品細度比生料或水泥更細的物料的粉磨通過對輥可使料床的形成容易控制。磨盤設(shè)計了專門的除鐵排渣孔．除鐵更加有效及時。
另外．各家公司都推出了效率更高的立磨用選粉機，以提高粉磨效率。來歇公司LM磨的LSKS選粉機、非凡公司MPS磨的SLS選粉機、LVT選粉機改造技術(shù)都各具特色。
在國內(nèi)由于立磨工藝投資比較大，因此采用立磨工藝生產(chǎn)礦渣粉的公司以大中型鋼廠為主且生產(chǎn)規(guī)模較大（40萬t/a 以上），而水泥企業(yè)或其它企業(yè)新建或改建礦渣粉生產(chǎn)線一般以球磨機閉路或開路為主且生產(chǎn)規(guī)模相對較?。?0萬t/a以下）。
采用立磨生產(chǎn)礦渣粉。系統(tǒng)電耗指標可達到35—40kWh/t。表4為LM46．2+2磨在西班牙Carboneras廠、印度Raigangpur廠的運行數(shù)據(jù)。
輥 輥壓機終粉磨及預(yù)粉磨制備礦渣粉以伯力鳩斯公司和洪堡公司最為著名。國內(nèi)目前預(yù)粉磨系統(tǒng)已有武漢某公司引進洪堡公司生產(chǎn)能力為80t/h系統(tǒng)成套設(shè)備；合肥院在江蘇某公司采用自主開發(fā)的輥壓機以聯(lián)合粉磨工藝生產(chǎn)，產(chǎn)量為60t/h：終粉磨尚無應(yīng)用。國際上輥壓機終粉磨及預(yù)粉磨皆有成功應(yīng)用實例，生產(chǎn)能力一般為50—70t/h，輥壓機設(shè)備本身與生產(chǎn)水泥時沒有區(qū)別。輥壓機終粉磨流程伯力鳩斯公司與洪堡公司有區(qū)別，伯力鳩斯公司采用料餅打散機，而洪堡公司采用了兼有烘干和打散功能的V型選粉機。礦渣終粉磨系統(tǒng)應(yīng)用實例（見表5）。
采用球磨機生產(chǎn)礦渣粉，閉路系統(tǒng)電耗為65~75kWh/t，開路系統(tǒng)電耗為70～90kWh/t。合肥水泥研究設(shè)計院發(fā)揮在高效選粉機和開流高細磨研究和開發(fā)應(yīng)用方面的經(jīng)驗，在球磨機粉磨礦渣粉做了大量的工作。對Ф3m*11m磨機進行改造，采用DS（K）型高效選粉機閉路系統(tǒng)，生產(chǎn)純礦渣粉，細度為450m2/kg，產(chǎn)量18～20t/h，電耗68～70kWh/t；Ф2．6m*13m磨機采用高細磨技術(shù)改造后，生產(chǎn)純礦渣粉比表面積為450m2/kg，產(chǎn)量l2～12．5t/h，電耗70～75kWh/t。
隨著國家政策的引導(dǎo)以及研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)廢渣超細粉的應(yīng)用將會更加廣泛，為國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟做出更大的貢獻。因此工業(yè)廢渣超細粉的制備技術(shù)也將會進一步發(fā)展。
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