合肥水泥研究设计院 郑青

 

　　1　工业废渣超细粉的性能

　　对工业废渣超细粉磨的研究，主要集中在原料选择和细度两个方面。目前，国内工业生产排放的废渣或副产品种类有：矿渣、粉煤灰、钢渣和沸石微粉、硅灰等。硅灰虽然适应于制备高性能混凝土，但其价格昂贵、产量少，不能满足大量制备高性能混凝土的要求。而矿渣、粉煤灰为主要原料超细粉磨资源丰富，生产应用比较广泛。

　　粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，高钙灰则含有较多的CaO。早在1914年，美国人Anon发表了“煤灰火山特性的研究”，首先发现粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。而对用于水泥和混凝土的研究，是由美国伯克利加洲理工学院的RE维斯在1933年后开始的。由于水泥和混凝土中可以大批量用粉煤灰，因此，其应用一直是我国水泥界研究的重点。粉煤灰在混凝土的利用，主要产生三种效应：火山灰活性效应，即水泥水化产生的Ca(OH2)将激发粉煤灰的活性，使之反应生成以C-S-H凝胶为主的胶凝物质;形态效应，即粉煤灰的颗粒形态所决定的，当微珠含量大于50%时，流动性提高，减少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性质;微集料效应，即小于45μm筛余的微粉可填充混凝土中的孔隙，与Ca(OH2)反应生成的凝胶也可填充微小孔隙，使混凝土更加致密。粉煤灰细磨后，不但可以加快熟料颗粒的水化速度，还可以提前破坏粉煤灰密实的球形外壳，加快粉煤灰的火山灰反应，从而提高水泥早期强度。

　　矿渣是炼铁高炉排出的水淬废渣，其主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO，与水泥成分接近。超细粉磨后具有超高活性。现有研究成果证明，将矿渣粉磨至平均粒径小于5μm和小于10μm，可有效提高其水化活性，适宜配制大流动性超高强混凝土。以粒径小于5μm的超细矿渣取代10～20%的水泥，可使水泥强度提高12～23%，标准稠度需水量降低0.014左右，适宜配制坍落度达20cm、28天抗压强度达100MPa的大流动性超高强混凝土。同时还具有显著地改善抗渗、抗冻、抗碳化等耐久性。作为水泥混合材掺加10～20%，可使水泥标号提高一个等级。对硅酸盐水泥、矿渣水泥、普通水泥均有良好的适应性。其作用机理是活性SiO2、Al2O3与水泥中C3S和C2S水化产生的Ca(OH)2反应，进一步形成水化硅酸钙产物，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，同时将强度较低的Ca(OH)2晶体转化成强度较高的水化硅酸钙凝胶，从而使水泥混凝土的一系列性能得到显著改善。

　　2　粉煤灰和矿渣超细粉生产

　　(1)粉煤灰

　　自1991年国家颁布《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准后，2005年又进行了修订(GB/T1956-2005)。标准根据粉煤灰细度(45μm筛余)、需水量比、烧失量等指标分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级灰，细度为重要指标之一。目前我国有1/3的燃煤发电厂均采用分选的方式生产商品粉煤灰，收到良好的社会效益和经济效益。随着黄河小浪底水利工程、长江三峡水利工程等水利工程大量使用分选粉煤灰，我国粉煤灰分选技术得到逐渐发展。燃煤发电厂应用的分选工艺主要有：单点或多点直抽闭路循环分选(图1);单点或多点直抽开路分选(图2)。

　　

 

　　

 

电力行业应用的分选粉煤灰的主要设备—— 分选机，典型的有动态的“强制涡流式分选机” 、静态的“涡壳式分选机”等机型，单台分选机处理量5t/h ~ 50t/h。强制涡流式分选机吸收了日本小野田公司的O-Sepa技术，涡壳式分选机则来自于美国Ge公司的Buell分选技术。 建材行业生产商品粉煤灰一般采用球磨机开路粉磨或闭路粉磨工艺，采用单一分级工艺的不多。由于粉煤灰原灰已经含有一定量的合格细粉，采用开路细磨的工艺，过粉磨现象严重，系统效率低，电耗高。随着分选技术和装备的发展，采用闭路粉磨工艺系统效率更高。与水泥的闭路粉磨系统有区别的是，粉煤灰闭路粉磨原灰应先进入选粉机进行分级，粗灰再入球磨机进行粉磨，最大限度地发挥选粉机的功能，系统粉磨效率最高(见图3)。

 

　　

 

合肥水泥研究设计院在粉煤灰分选技术方面进行了研究和开发，开发出了处理能力为25t/h、35t/h、45t/h、60 t/h的DS(F)高效分级机，选粉效率可达到90%。对于单分级系统采用了有别于电力行业负压抽吸的机械提升输送进料工艺，系统装机功率降低，管道磨损减少。

 

　　(2)矿渣

　　1998年国内第一个矿渣微粉标准《砂浆、混凝土用粒化矿渣微粉》(上海市地方标准)问世;1999年国内第一个矿渣微粉应用技术规程《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》(上海市地方标准)问世;2000年和2002年国家相继颁布《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣微粉》(GB/T18046-2000);《高强、高性能混凝土用矿物外加剂国家标准》等标准，正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组分。国家标准的制定和实施，标志着矿物外加剂技术进入了成熟的应用阶段，是国家引导的发展产业。

　　超细矿渣制备技术目前主要有立磨、辊压机联合粉磨或终粉磨、球磨机闭路、球磨机开流以及振动磨等生产工艺。国际上以立磨和辊压机终粉磨系统为主，从国内实际应用情况来看，以立磨和球磨两种生产工艺占大多数。上述工艺流程特点基本相似，只是粉磨或分级装备不尽相同。各种粉磨工艺都需布置除铁装置，如果聚集在磨床或磨内的铁不能及时除掉，不仅影响产量，对设备的磨损特别大。

　　立磨系统的特点是效率高，电耗低;粉磨、选粉、烘干同时在磨内完成，系统简单(图4)。

　　

 

　　图4　立磨工艺系统流程　　 物料在磨机内部呈悬浮状以及粗粉的多次循环，热交换充分，因此烘干能力强。料床的稳定防止震动，磨盘及磨辊的磨损是立磨进行矿渣粉磨的难点;另外系统投资较大，非一般小企业所年承受的。 辊压机粉磨系统的特点是：料层高压粉碎原理特别适合处理矿渣类脆性物料，效率高，特别是终粉磨系统(图5)，效率更高，电耗更低。

　　

 

　　相对于立磨，辊压机本身不能起烘干作用，需另设烘干系统。辊压机对矿渣的水份要求比较高，水份过低，反而容易产生设备震动，水份应控制在比较合适的水平。由于矿渣的磨蚀强，因此对辊面的耐磨性能要求高，维护费用较高。 球磨机闭路系统的特点是：设备和工艺成熟可靠，对物料的适应性较强，成品细度控制范围较广，电耗较开路系统低，但系统相对复杂，要求配置高性能的选粉机，系统投资适中。球磨机开路系统的特点是：工艺系统简单，操作简便，投资低。但系统效率低，电耗高，成品温度高，成品细度调整不便。振动磨系统可以采用开路或闭路工艺，振动磨在细磨上具有一定的优势，但由于大型化振动磨的开发未能形成突破，因此限制了该项技术的推广和应用。各种生产工艺的主要技术经济指标比较见表1。

 

　　表1　各种生产工艺的主要技术经济指标比较

 

系统	立磨系统	辊压机系统		球磨机闭路系统	球磨机开流系统
		联合	终粉磨
投资（%）	120	130	100	100	90
电耗（%）	50～70	55～75	40～60	100	120
维修（%）	115	130	120	100	80

 

　　笔者认为还有一点也应引起注意的是矿渣粉的颗粒分布以及颗粒的形态，不同工艺得到的结果是有区别的。特别是在配置混凝土时，对混凝土的性能会产生不同的影响。立磨和辊压机终粉磨磨制的矿渣粉颗粒级配较集中，且颗粒的球型度差。而采用了球磨机磨制的矿渣粉颗粒的球型度好。采用球磨机闭路磨磨制的矿渣粉颗粒级配分布适中，采用球磨机开路磨磨制的矿渣粉颗粒级配分布较广。特别是球磨机闭路磨可以通过研磨体的级配和选粉机多手段来调整产品的最佳颗粒分布。由于颗粒级配分布和颗粒形状的不同，成品的性能产生一定的变化。见表2、表3。

　　表2 立磨和球磨机制备的矿渣微粉性能比较

 

粉磨工艺	比表面积（m2/kg）	活性指数 /%		备注
		A7	A28
立磨	398.4	69.7	96.4	工业生产
球磨	389.7	70.1	98.0	实验小磨

 

　　表3 球磨机闭路磨制的矿渣粉与国家标准的比较

 

项 目	密 度（g/cm3）	比表面积（m2/kg）	活性指数 / %		流动度 %	含水量 %	SO3 %	Cl- %	Loss %
			7d	28d
GB/T18046 S95级	≥2.8	≥350	≥75	≥95	≥90	≤1.0	≤4.0	≤0.02	≤3.0
A公司	2.86	476	92	110	98	0.4	1.9	0.01	1.3

 

　　国际上采用立磨生产矿渣较广泛，在应用球磨机系统粉磨矿渣时，一般采用烘干兼粉磨工艺，当矿渣水份在6~8%时，可以不设预烘干。当矿渣水份超过10%时，需要设预烘干，以防被磨物料部分预水化，降低水泥强度。 立磨粉磨矿渣国际上比较著名的公司有来歇的LM磨、伯力鸠斯的RM磨、非凡的MPS磨、神户制钢的OK磨、川崎的CK磨。国内合肥院、天津院亦开始采用立磨粉磨矿渣。

　　来歇公司的LM2+2或3+3磨的特点是磨辊一小一大配对，小辊以低压高速运行，执行预备粉磨料床的功能;大辊位于小辊后面，执行粉磨工作。对产品细度比生料或水泥更细的物料的粉磨通过对辊可使料床的形成容易控制。磨盘设计了专门的除铁排渣孔，除铁更加有效及时。另外，各公司都推出了效率更高的立磨用选粉机，以提高粉磨效率。来歇公司LM磨的LSKS选粉机、非凡公司MPS磨的SLS选粉机、LVT选粉机改造技术都各具特色。在国内由于立磨工艺投资比较大，因此采用立磨生产矿渣粉主要以大中型企业为主且生产规模较大(40万吨/年以上)，而水泥企业或其它企业新建或改建矿渣粉生产线一般以球磨机闭路或开路为主，生产规模相对较小(30万吨/年以下)。立磨生产矿渣粉，系统电耗指标为35~40 KWh/t。表4为LM46.2+2磨在西班牙Carboneras厂、印度Raigangpur厂的运行数据。

　　表4 　LM46.2+2磨在两工厂的运行数据

 

工厂		Carboneras厂		Raigangpur厂
参数	单位	保证值	实际运行值	保证值	实际运行值
产量（干态）	t/h	58	84	82	101.0
比表面积	m2/kg	450	500	4500	4520
45μm筛余	%	5	＜0.3
系统单位电耗	KWh/t	47.2	35.0	38.8	38.7

 

　　辊压机终粉磨及预粉磨制备矿渣粉以伯力鸠斯公司和洪堡公司最为著名。国内已有武汉某公司引进洪堡公司生产能力为80t/h系统成套设备;合肥院在江苏某公司采用自主开发的辊压机以联合粉磨工艺生产，产量为60 t/h;终粉磨尚无应用。

　　国际上辊压机终粉磨及预粉磨皆有成功应用实例，生产能力一般为50~70t/h，辊压机设备本身与生产水泥时没有区别。辊压机终粉磨以伯力鸠斯公司与洪堡公司有所不同，伯力鸠斯公司采用料饼打散机，而洪堡公司采用兼有烘干和打散功能的V型选粉机。矿渣终粉磨系统应用实例见表5。

　　表5 　矿渣终粉磨系统应用

 

序 号	主机设备			产量 t/h	成品细度 m2/kg	单位电耗 kWh/t	备注
	烘干	辊压机	选粉机
1	φ0.92×25m	17/10,2×850KW		40.8	5145	46.4	Pol.系统
2	φ1.0×24m	17/10,2×1200KW		50	4700	52	Pol.系统 台湾
3	V型选粉机	R.P.1.6/1.4 2×900KW	SKS2250 1180kW	50	4500		KHD系统 新加坡

 

　　采用球磨机生产矿渣粉，闭路系统电耗为65～75kWh/t，开路系统电耗为70～90 kWh/t。合肥水泥研究设计院发挥在高效选粉机和开流高细磨研究和开发应用方面的经验，在球磨机粉磨矿渣粉做了大量的工作。对φ3×11m磨机进行改造，采用DS(K)型高效选粉机闭路系统，生产纯矿渣粉，细度为450 m2/kg，产量18～20t/h，电耗68～70kWh/t;φ2.6×13m磨机采用高细磨技术改造后，生产纯矿渣粉细度为450 m2/kg，产量12～12.5t/h，电耗70～75kWh/t。

　　3　结束语

　　随着国家政策的引导以及研究的深入和技术的发展，工业废渣超细粉的应用将会更加广泛，为国民经济建设和发展循环经济做出更大的贡献。因此工业废渣超细粉的制备技术也将会进一步发展。粉煤灰细粉的制备技术主要是分选技术，因此分级机技术将随着粉煤灰应用的发展进一步提高。在分级设备方面主要是进一步提高分级效率和分级精度，以及的大型化、高可靠性的设备开发;系统方面主要是配套装备的完善以及工艺流程的优化。矿渣细粉的制备，随着生产规模的扩大，今后立磨技术将进一步凸显其优势，会得到进一步发展，特别是大型和特大型立磨。在技术方面主要集中在料床稳定控制、分级技术、耐磨材料的改进。辊压机终粉磨矿渣技术以其明显的节能优势经进一步完善后将会得到较快的发展和广泛的应用。球磨机闭路矿渣粉磨系统由于其投资低、对物料的适应性强、改换产品有更大的灵活性、细度和颗粒分布的可控制性等特点，以及粉磨和分级技术的改进和提高，短期内该项技术还将有一定的发展。