工業(yè)廢渣超細(xì)粉磨的研究
2006-06-09 00:00
1 工業(yè)廢渣超細(xì)粉的性能
目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的超細(xì)無機(jī)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(jià)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(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)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(diǎn)。
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(shí)（大于50%），流動(dòng)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(xì)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(shí)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(qiáng)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(xì)粉磨后具有超高活性。現(xiàn)有研究成果證明，將礦渣粉磨至平均粒徑小于5µm的超細(xì)礦渣和平均粒徑小于10µm的中等細(xì)度的礦渣，有效提高了礦渣的水化活性，可配制大流動(dòng)性超高強(qiáng)混凝土。以粒徑小于5µm的超細(xì)礦渣取代10%～20%的水泥，可使水泥強(qiáng)度提高12%一23% ，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量降低0．014左右；可配制拌合物坍落度達(dá)20cm、28天抗壓強(qiáng)度達(dá)100MPa的大流動(dòng)性超高強(qiáng)混凝土。不僅顯著地改善了混凝土的流動(dòng)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(biāo)號(hào)提高一個(gè)等級(jí)。對(duì)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(jī)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(jìn)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(shí)將強(qiáng)度較低的Ca（OH）2晶體轉(zhuǎn)化成了強(qiáng)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)，今年又對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改并于2005年8月1日實(shí)施《用于水泥和混凝土中的粉煤灰）GB/T1956—2005新標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定和修改對(duì)粉煤灰的應(yīng)用起到了指導(dǎo)和推動(dòng)作用。根據(jù)粉煤灰細(xì)度（451~m篩余）、需水量比、燒失量等指標(biāo)分為I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)灰，其中細(xì)度為重要指標(biāo)之一。
由于電廠具有先天的資源優(yōu)勢(shì)．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(jìn)行了普通開路球磨機(jī)細(xì)磨加工試驗(yàn)。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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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)?huì)得到更廣泛應(yīng)用。
我國燃煤發(fā)電廠應(yīng)用的分選工藝主要有：?jiǎn)吸c(diǎn)或多點(diǎn)直抽閉路循環(huán)分選（見圖1）；單點(diǎn)或多點(diǎn)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(jī)典型的有動(dòng)態(tài)的“強(qiáng)制渦流式分選機(jī)”、靜態(tài)的“渦殼式分選機(jī)”等機(jī)型，單臺(tái)分選機(jī)處理量5t/h～50t/h。強(qiáng)制渦流式分選機(jī)吸收了日本小野田公司的O—Sepa技術(shù)．渦殼式分選機(jī)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(jī)開路粉磨或閉路粉磨工藝，采用單一分級(jí)工藝的不多。
由于粉煤灰原灰已經(jīng)含有一定量的合格細(xì)粉，采用開路細(xì)磨的工藝，過粉磨現(xiàn)象嚴(yán)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(jìn)入選粉機(jī)進(jìn)行分級(jí)，粗灰再人球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，最大限度地發(fā)揮選粉機(jī)的功能，系統(tǒng)粉磨效率最高（見圖3）。
合肥水泥研究設(shè)計(jì)院在粉煤灰分選技術(shù)方面進(jìn)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(jí)機(jī)，選粉效率可達(dá)到90%。對(duì)于單分級(jí)系統(tǒng)采用了有別于電力行業(yè)負(fù)壓抽吸的機(jī)械提升輸送進(jìn)料T藝，系統(tǒng)裝機(jī)功率降低，管道磨損減少。
2．2 礦渣粉
隨著國家對(duì)超細(xì)礦渣標(biāo)準(zhǔn)的制定，加快了礦渣微粉的應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)了超細(xì)礦渣生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展。
1998年國內(nèi)第一個(gè)礦渣微粉標(biāo)準(zhǔn)問世：《砂漿、混凝土用?；V渣微粉》（上海市地方標(biāo)準(zhǔn)）；1999年國內(nèi)第一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)）；2000年國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18046—2000（用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣微粉》頒布；《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑國家標(biāo)準(zhǔn)））2002年12月1日?qǐng)?zhí)行．在該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施標(biāo)志著礦物外加劑技術(shù)進(jìn)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(xì)礦渣制備技術(shù)目前主要有立磨生產(chǎn)技術(shù)、輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨或終粉磨生產(chǎn)技術(shù)、球磨機(jī)閉路生產(chǎn)技術(shù)、球磨機(jī)開流生產(chǎn)技術(shù)以及振動(dòng)磨生產(chǎn)技術(shù)。國際上以立磨和輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)為主。從國內(nèi)實(shí)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(xì)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(diǎn)與水泥生產(chǎn)基本相似．有變化或改進(jìn)的是粉磨或分級(jí)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(shí)除掉，不僅影響產(chǎn)量，對(duì)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(diǎn)
立磨系統(tǒng)的特點(diǎn)：采用料床粉磨，效率高，電耗低；粉磨、選粉、烘干同時(shí)在磨體內(nèi)部完成，系統(tǒng)簡(jiǎn)單（見圖4）；物料在磨機(jī)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(qiáng)。料床的穩(wěn)定防止震動(dòng)，磨盤及磨輥的磨損是立磨進(jìn)行礦渣粉磨的難點(diǎn)；另外系統(tǒng)投資較大．非一般小企業(yè)所能承受的。
輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)的特點(diǎn)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(duì)于立磨，輥壓機(jī)本身不能起烘干作用，需另設(shè)烘干系統(tǒng)。輥壓機(jī)對(duì)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(dòng)，水分應(yīng)控制在比較合適的水平。由于礦渣的磨蝕強(qiáng)．岡此對(duì)輥面的耐磨性能要求高，維護(hù)費(fèi)用較高。
球磨機(jī)閉路系統(tǒng)的特點(diǎn)是：設(shè)備和工藝成熟可靠，對(duì)物料的適應(yīng)性較強(qiáng)，成品細(xì)度控制范圍較廣，電耗較開路系統(tǒng)低．但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。要求配置高性能的選粉機(jī)．系統(tǒng)投資適中。
球磨機(jī)開路系統(tǒng)的特點(diǎn)是：丁藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，投資低。但系統(tǒng)效率低，電耗高，成品溫度高，成品細(xì)度調(diào)整不便。
振動(dòng)磨系統(tǒng)可以采用開路或閉路工藝．振動(dòng)磨在細(xì)磨上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但由于大型化振動(dòng)磨的開發(fā)未能形成突破，因此限制了該項(xiàng)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(jì)指標(biāo)比較（見表1）。
上述比較的是各種工藝系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，也是大家比較關(guān)心的。筆者認(rèn)為還有一點(diǎn)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(duì)混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。立磨和輥壓機(jī)終粉磨磨制的礦渣粉顆粒級(jí)配較集中，且顆粒的球型度差。而采用了球磨機(jī)磨制的礦渣粉顆粒的球型度好。采用球磨機(jī)閉路磨磨制的礦渣粉顆粒級(jí)配分布適中．采用球磨機(jī)開路磨磨制的礦渣粉顆粒級(jí)配分布較廣。特別是球磨機(jī)閉路磨可以通過研磨體的級(jí)配和選粉機(jī)多手段來調(diào)整產(chǎn)品的最佳顆粒分布。由于顆粒級(jí)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(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等措施基本解決了終粉磨的顆粒分布及細(xì)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(jī)系統(tǒng)粉磨礦渣時(shí)，一般采用烘干兼粉磨工藝，當(dāng)?shù)V渣水分在6%一8%時(shí)，可以不設(shè)預(yù)烘干。當(dāng)?shù)V渣水分超過10%時(shí)，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(qiáng)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(jìn)行過試驗(yàn)．據(jù)報(bào)道天津院亦進(jìn)行過立磨粉磨礦渣試驗(yàn)。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(diǎn)。磨輥一小一大配對(duì)，小輥以低壓高速運(yùn)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(duì)產(chǎn)品細(xì)度比生料或水泥更細(xì)的物料的粉磨通過對(duì)輥可使料床的形成容易控制。磨盤設(shè)計(jì)了專門的除鐵排渣孔．除鐵更加有效及時(shí)。
另外．各家公司都推出了效率更高的立磨用選粉機(jī)，以提高粉磨效率。來歇公司LM磨的LSKS選粉機(jī)、非凡公司MPS磨的SLS選粉機(jī)、LVT選粉機(jī)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(jī)閉路或開路為主且生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較?。?0萬t/a以下）。
采用立磨生產(chǎn)礦渣粉。系統(tǒng)電耗指標(biāo)可達(dá)到35—40kWh/t。表4為LM46．2+2磨在西班牙Carboneras廠、印度Raigangpur廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
輥 輥壓機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)終粉磨及預(yù)粉磨皆有成功應(yīng)用實(shí)例，生產(chǎn)能力一般為50—70t/h，輥壓機(jī)設(shè)備本身與生產(chǎn)水泥時(shí)沒有區(qū)別。輥壓機(jī)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(jī)，而洪堡公司采用了兼有烘干和打散功能的V型選粉機(jī)。礦渣終粉磨系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例（見表5）。
采用球磨機(jī)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(jì)院發(fā)揮在高效選粉機(jī)和開流高細(xì)磨研究和開發(fā)應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，在球磨機(jī)粉磨礦渣粉做了大量的工作。對(duì)Ф3m*11m磨機(jī)進(jìn)行改造，采用DS（K）型高效選粉機(jī)閉路系統(tǒng)，生產(chǎn)純礦渣粉，細(xì)度為450m2/kg，產(chǎn)量18～20t/h，電耗68～70kWh/t；Ф2．6m*13m磨機(jī)采用高細(xì)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(xì)粉的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)做出更大的貢獻(xiàn)。因此工業(yè)廢渣超細(xì)粉的制備技術(shù)也將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。
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