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高细高产磨的技术创新与进展

浏览次数: 日期:2005年6月21日

高细高产磨的技术创新与进展

 

 金诚生 林仲玉 方海焱 杨春宝 马玉民

 

1 前 言

  水泥粉磨过程的高效率、低能耗运行,一直是生产企业追求的目标。十多年以来,国内外为之进行了大量的研究,立式磨、挤压磨等新型粉磨设备的应用,使实现这一目标的进程大为加快。但从我国的国情看,水泥生产仍以中小型规模为主,粉磨设备也以结构相对简单,操作和维护管理方便的球磨机占主导地位,并且不可能在短时间内得到根本改变。因此,提高球磨机的粉磨效率,最大幅度地达到高细、高产和低能耗运行,仍是一项长期的工作。随着我国水泥的结构调整、标准的更新和新型干法生产技术的全面应用,这项工作更显得十分迫切。
  球磨机主要存在的问题是电耗高、产品细度筛余量大。以前的研究多集中于磨机衬板、研磨体级配、隔仓板结构等,这些改进虽有成效,但未能从根本上解决上述问题。自上个世纪 70 年代末开始,合肥水泥研究设计院通过对球磨机研磨体与物料的运动规律和过粉磨现象进行深入地剖析,首次提出磨内筛分,进而实现高产节能粉磨的设想,开创出一条提高球磨机产量和产品细度的新途径,即高细高产磨技术。在历经国家“六五”重点科技攻关、“八五” 部级攻关研究之后,首台开流高细水泥磨于 1984 年投入运行,迄今已发展为开流高产水泥磨、开流高产生料磨、开流高细高产磨等多项技术与产品,并在国内数百家水泥企业推广应用,取得增产 30 ~ 50% ,节能 25 ~ 40% ,提高水泥比表面积 40 ~ 90m 2 /kg ,吨水泥粉磨电耗下降 8 ~ 12kWh , 降低研磨体消耗 25% 的整体效果,社会经济效益十分 显著。

2 发展进程概述

  开流高细高产磨技术取得的多项研究成果。对球磨机粉磨技术的扬长避短,设备及工艺更新和运行指标的提升等,都起到了积极的促进作用。其主要研究成果为:

2.1 新型高细磨技术
  1978 年 提出理论及结构设想, 1979 年 ~1984 年列入 国家 “六五”科技攻关项目, 1985 年 9 月 完成研究 并 通过国家科委组织的技术鉴定和验收。新型高细磨及其 磨内筛分技术,成为我国具有自主知识产权的一项 创新,被迅速在水泥企业中推广应用。
  新型 高细磨的研究重点是提高水泥磨的粉磨细度,改善水泥产品因细度过粗所致的强度偏低问题。由于球磨机通常的粉磨细度不足 300m 2 /kg , 在很大程度上限制了水泥性能的发挥。许多厂要提高水泥的产品等级或多掺混合材,只能依赖于降低磨机产量来实现。 新型 高细磨技术的应用,使开流球磨机出磨细度一般都能满足于 350m 2 /kg 以上 ,在相同条件下可提高水泥产品一个等级,或保持原强度不变,多掺混合材 8~15% 。 其 技术经济指标处于当时的国际先进水平。
2.2 开流高产水泥磨技术
  在高细磨的基础上, 1989 年开始进行 开流高产磨的研究, 列为建材行业“八五”重点科研项目。它是将 “磨内筛分”技术再次用于球磨机 高产型粉磨 作业 的一种新尝试。 1993 年完成研制并通过国家建材局组织的部级鉴定。这种开流高产水泥磨针对传统开流磨存在的严重过粉磨现象和产量低、电耗高等问题,通过磨内增设筛分装置等一系列的改造与设计,使粉磨过程更趋合理,粉磨效率更为提高,其增产幅度通常可达 30~50% ,平均节电 30% 。 磨机结构及其经济技术指标达到了领先于国际的新水平。满足了国内许多水泥厂增产节能的需要。
2.3 开流高产生料管磨机技术
  开流高产生料磨技术是开流高产水泥磨向生料粉磨的拓展。针对立窑水泥企业普遍存在原燃料烘干能力不足所致的窑、磨不平衡的现象,旨在加强生料粉磨质量和提高生料磨的粉磨效率。 1998 年 9 月完成研究,同年 12 月通过鉴定验收。这一技术使生料粉磨在无烘干设备的前提下实现了高产粉磨作业。在入磨物料综合水分不大于 3.5% ,生料细度 R 80 ≤ 8% , R 200 ≤ 0.8% 时,磨机台时产量提高 37.57% ,车间系统电耗下降 27.08% 。
2.4 大型开流高产水泥管磨机技术
  针对 Φ 3m 以上的大型磨机进行的开流高产水泥磨技术研究。从 1994 年到 1999 年 12 月,先后完成了磨机结构及其参数的适应性与配套研究, 2000 年通过国家建材局的成果鉴定。这项成果使开流高产水泥磨的运行效果和适用范围,由中小型磨发展为大型磨机,其应用市场进一步拓展。
2.5 高细高产磨技术
  1992 年之后,综合新型高细磨和开流高产磨的技术优势,进一步开发的一种集高细和高产两个功能的 高细高产磨技术 ,既保持了 球磨机结构简单,操作维护管理方便的 特点,也极大地改变了普通管磨机存在的产量低、能耗大、细度粗的缺陷,对提高产品品质和降低生产成本都起到明显作用。这项研究除对磨机结构、耐磨材质的更新外,既注重粉磨工艺的重组与优化,例如高细高产磨和挤压机组成的挤压联合粉磨、高细高产磨和高效选粉机组成的闭路粉磨等新工艺,都在生产中得到良好地应用,使这一技术无论在开流、闭路或者挤压粉磨工艺,都最大限度的体现出高产节能的价值。又将这一技术拓宽粉磨应用范围 ,如高细磁性材料的粉磨、高细矿渣(比表面积 450m 2 /kg )、高细粉煤灰(比表面积 650 ~ 750m 2 /kg )的粉磨。其应用效果按不同的生产要求综合为以下几个方面。
  粉磨水泥细度 R 80 为 3 ~ 5% ( 比表面积 320 ~ 350m 2 /kg) 时,磨机产量提高 30 ~ 50% ;系统电耗下降 25 ~ 40% ;吨水泥粉磨电耗下降 8 ~ 12kWh ,研磨体消耗降低 25% 以上;粉磨水泥细度 R 80 ≤ 3% ( 水泥比面积 > 350 ~ 400m 2 /kg) 时,与普通磨机粉磨水泥细度 R 80 ≤ 5% 时的相比,磨机产量提高 10 ~ 20% ;电耗下降 10 ~ 15% ;水泥强度提高 8 ~ 10 M pa ,相当于提高一个标号;粉磨硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥,比表面积可达 400 ~ 550m 2 /kg ;粉磨粉煤灰、矿渣、火山灰、复合类水泥,比表面积可达 400 ~ 700m 2 /kg ;若保证水泥强度不变,可充分利用地方资源及工业废渣,多掺混合材 8 ~ 15% ,相应减少熟料 8 ~ 15% ,增加水泥产量 15 ~ 25% ,从而大大降低水泥生产成本。或在混合材掺入量不变时,提高水泥标号,实现产品升级。
2.6 新型闭路粉磨系统
  借鉴闭路粉磨工艺特点,用开流高细高产磨和高效选粉机组成新型的闭路系统的研究。于 2001 年立项,目前已进入工业生产试验阶段。初步运行表明,其增产节能可比开流系统和普通闭路系统提高 30~80% 。
  以上已取得的技术成果,在各个研究、应用时期均受到广泛的关注并赢得了巨大的荣誉,为水泥厂的粉磨增产节能提供了广阔的发展空间。截止 2002 年,国内近 600 台不同规格的球(管)磨机通过改造,有效地改变了过去低效率运行的局面。

3 高细高产磨机结构原理与 创新

3.1 设备结构原理
  高细高产磨机的结构和工艺参数见图 1 。 其结构一是在磨内设置粗细物料筛分装置,以拦截较大的物料颗粒进入下一仓,并让其消除在球仓中;二是根据磨机的长径比和产品品质要求,合理设置仓位;三是依据物料特性及生产条件,合理分配各仓长度及研磨体载量和级配。同时注重尽量降低研磨体的尺寸,使研磨体以最大表面积与物料充分接触粉磨,从而起到强化粉磨效果和降低磨机使用功率的双重作用,即:磨机在同等装载量情况下的实际使用功率降低。
3.2 技术创新点
  相对于普通球磨机,开流高细高产磨设备结构具有以下不同。
  仓室个数不同。高细高产磨机比普通管磨机一般多增设一个仓室。仓室个数依据磨机尺寸的及长径比 ( L / D ) 及工艺流程确定。
  仓室比例不同。在粉磨相同物料的情况下,尽可能缩短球仓,增加段仓的长度。各仓长度的确定,取决于物料的性能和产品质量要求。设定某一仓室物料所要求达到的粉磨细度为 R i 、成品细度为 R ,则长度与细度的关系可用式( 1 )近似表示:

式中: l —磨机总有效长度, m ;
   l i — 某仓隔仓位置距磨头的有效长度, m ;
   R 0 —入磨物料的原始细度,%;
   R i —设定某仓的物料细度,%;
   R —产品要求的细度,%;
   n —指数,取决于物料性能和粉磨设备结构和工艺。

  隔仓板型式和有效面积不同。高细高产磨机各仓之间均用双层隔仓板分隔,各隔仓板的篦孔宽度、篦孔分布形式根据各仓物料的粒级分布、物料流速、研磨体等的不同而各不相同。球仓与段仓之间带有粗细物料筛分装置的双层隔仓板,其作用机理与选粉机类似,即在磨内按物料颗粒的直径大小来进行强机械方式选粉,达到某一设定粒级的细料顺利地进入下一仓,未达到这一粒径的粗料返回前仓继续粉磨,直至合格为止。
  研磨体尺寸、级配不同。通常一仓的平均球径相对偏大,以加强对物料的粗碎作用,确保进入下一仓的物料粒度≯ 4mm ;二仓用较小的钢球作进一步地细碎;三仓使用较大的钢段,将经过筛分装置筛分后的物料粉磨至成品率约达 80% 以上;四仓使用微型钢段再研磨至成品比表面积。
  高细高产磨的上述不同点,充分考虑物料过流量和细度变化后的一系列机械特性,使球磨机在各仓的粉磨阶段均由不同的研磨体和不同的筛分机理来实施,通过逐级粉碎、筛分、研磨而最终完成粉磨,有效地抑制了普通磨机的过粉磨现象和在粉磨高比表面积水泥时产生的糊球糊磨现象,从而为球磨机高产、高细和节能粉磨创造了条件,实践证明行之有效。
3.3 水泥的细度与强度对比
  高细高产磨技术的研究中,通过大量的生产实验得出水泥细度与强度的普遍规律。即: 强度> 55 M pa 的回转窑熟料生产的硅酸盐系列水泥,当比表面积由 300m 2 /kg 提高到 400m 2 /kg 时,水泥强度提高 10 M pa ,再由 400m 2 /kg 提高到 500m 2 /kg 时,水泥强度提高 8 ~ 10 M pa ,此时若再提高比表面积,强度增长率迅速下降甚至出现倒缩;强度偏低的立窑熟料,水泥强度增长率相对较差,倒缩现象也提前;相同熟料生产的普通水泥,其早期强度比硅酸盐水泥略低, 28d 以后的强度趋于一致。混合材及其掺量对水泥强度的影响则表现于:分别掺入 < 15% 和 30% 粉煤灰生产的水泥,较之熟料强度分别降低 10 M pa 和 20 M pa ,但若各自提高水泥比表面积 100 m 2 /kg 和 200m 2 /kg 后,则可保持熟料原有的强度。而矿渣的活性好于粉煤灰,故在相同掺量时的强度损失比粉煤灰小。但比面积与强度的增长规律与粉煤灰相似。 不同粉磨细度下的混合材及其掺量对水泥强度的影响见表 1 。

   更重要的是,相同比面积下的水泥强度, 高细高产磨粉磨的水泥高于普通球磨机粉磨的水泥。两种磨机在 相同比面积下的水泥强度和粒度对比分见表 2 、表 3 。

表 2 不同磨机的粉磨细度、比表面积与水泥强度对比

磨 机

混合材%

比面积 m 2 /kg

筛余%

抗折 / 抗压强度 MPa

28d 压强比

80 μ m

64 μ m

40 μ m

3d

28d

普 通 磨

35.4

352

5.2

9.8

19.6

4.1/20

7.8/57

100

高细高产磨

35.5

355

2.4

4.2

8.6

4.5/22

8.0/61

107

35.5

394

1.2

2.8

8.1

4.7/24

8.5/66

116

普 通 磨

39.1

377

4.6

12.0

25.6

3.9/19

7.0/54

100

高细高产磨

41.2

376

1.8

6.2

12.2

4.1/20

8.1/61

113

41.5

439

0.8

2.1

6.6

5.0/24

8.3/65

120

普 通 磨

41.0

388

5.8

12.2

27.8

4.2/20

7.4/53

100

高细高产磨

42.9

379

2.2

9.2

13.4

4.7/22

8.1/58

110

  注:混合材为矿渣∶页岩 =4 ∶ 1 ;熟料为旋窑∶立窑 =2 ∶ 1

表 3 相同比表面积下高细高产磨机与普通磨机的水泥颗粒级配对比

磨机

比面积 m 2 /kg

颗粒组成 μ m %

> 60

60 ~ 40

40 ~ 30

> 30

30 ~ 20

20 ~ 10

10 ~ 5

< 5

普 通 磨

355

9.43

4.58

9.25

23.26

18.41

23.35

12.69

22.29

高细高产磨

360

5.37

4.32

8.02

17.71

15.15

27.93

19.83

19.38

  由表可见,两种磨机在相同的混合材掺量和比表面积时,高细高产磨的粉磨产品 > 40 m m 的筛余量成倍数降低, 5 ~ 30 μ m 的颗粒量明显增加,< 3 μ m 和> 30 μ m 的颗粒减少,这种颗粒分布更适应于水泥水化的结构要求,因而更有利于水泥强度的发 挥,其 28d 强度通常比普通开流磨高 6 ~ 12% 。此时高细高产磨的粉磨产量提高幅度可达 30 ~ 50% ;若保持粉磨产量不变,借助产品细度和比表面积、尤其是颗粒级配的改善,强度提高率则可达 20% 。这是高细高产磨设备结构特性决定的粉磨产品性能上的不同之处。

4 不同工艺条件下的 应用

4.1 开流磨机的改造
  高细高产磨用于 开流系统 的磨机改造,不改变原工艺流程,只对磨机结构如仓位、篦板、隔仓板等进行局部改动。不同生产条件下的部分开流系统改造效果见表 4。

表 4 开流 高细高产水泥磨技术的应用效果

产厂

磨机规格 m

改造前

改造后

混合材 %

细度 R 80 %

产量

t/h

电耗 kWh/t

混合材 %

细度

R 80 %

比面积 m 2 /kg

产量 t/h

电耗 kWh/t

四川大竹

φ 2.2 × 7.5

粉煤灰 15

≤ 7

11

35

粉煤灰 15

≤ 3.5

≥ 350

15

24.5

安徽安庆 *

φ 2.2 × 6.5

混合料 25

≤ 3

13.8

33

混合料 30

≤ 4

≥ 360

14

≤ 26

福建南平

φ 2.2 × 13

矿渣 15

7.4

16.1

36.25

矿渣 15

≤ 6

≥ 330

22.36

26.84

西藏高争

2 - φ 2.2 × 11

河砂 20

≤ 9

~ 12

≥ 45

河砂 20

≤ 3

≥ 350

17.5

≤ 30

上海金山

φ 2.4 × 13

矿渣 30

4.2

18.69

39.96

矿渣 30

3.5

24.8

30.11

安徽宁国

φ 2.4 × 13

矿渣 15

7.7

18.92

42.42

矿渣 15

≤ 6

≥ 330

24.2

33.05

甘肃永登

2- φ 2.4 × 13

矿渣≤ 15

3.6

16.84

40.3

矿渣≤ 15

2.3

≥ 360

21.34

33.21

吉林松江 *

7- φ 2.4 × 12

矿渣 27.63

6.5

16.4

45.8

矿渣 37.77

2.4

387

20.24

43.5

黑龙江兴隆

Φ 2.6 × 13

煤矸石 25

≤ 5

23

≤ 45

煤矸石 25

≤ 3

≥ 350

35

≤ 27.5

辽宁鸡西

Φ 3.0 × 11

矿渣 15

≤ 7

25

52

矿渣 15

≤ 3

≥ 350

≥ 35

≤ 33.0

* 松江厂电耗值为系统综合电耗, 改造前后水泥 28d 抗压强度分别为 53.2/55.2 Mpa 和 49.3/49.2 Mpa ;安庆厂为闭路系统改造为开路的生产效果,其混合材为矿渣、煤矸石、石灰石的混合料。

4.2 闭路改开流
  用高细高产磨直接取代原有的选粉机闭路系统,使之形成开流生产工艺, 也具有同样的增产节能作用。这种改造多针对 选粉机系统设备老化、性能落后或规格偏小等原因引起效率低下、 生产成本偏高或 磨机和选粉机生产能力的失衡。 例如:年产 50 万吨的四川峨眉山佛光水泥公司,原Φ 2.2m 、Φ 2.4m 、Φ 2.6m 和Φ 3.2m 共 4 台水泥磨与旋风选粉机分别构成闭路系统。全部改为开流高细高产磨,其Φ 2.4 × 10m 磨改造前后情况对比如表 5 。
4.3 新建水泥厂或粉磨站
  部分水泥厂或粉磨站在新建过程中直接采用高细高产磨作为粉磨设备的应用效果见表 6 。

表 6 高细高产水泥磨在新建生产线的应用

生产厂

台数

磨机规格

m

混合材

细度 R 80 %

比面积 m 2 /kg

研磨体

t

单产 t/h

电耗 kWh/t

品种

江苏扬州

2

φ 2.4 × 12

粉煤灰 15

≤ 3.5

≥ 390

64

~ 31

≤ 25

PO42.5

湖南华中

1

φ 2.4 × 12

矿渣 15

≤ 2.4

≥ 350

61

24.9

≤ 30

PO42.5

安徽铜陵

2

φ 2.4 × 12

矿渣≤ 15

≤ 3

≥ 350

64

25.0

≤ 31

PO42.5

海螺明珠

2

φ 2.2 × 11

矿渣~ 30

≤ 3

≥ 330

≤ 45

≥ 18

≤ 29

PO42.5

郑州金龙

2

Φ 2.6 × 13

粉煤灰 30

≤ 4

≥ 370

72

35.5

≤ 28

PO42.5

山东章丘

1

Φ 2.6 × 13

矿渣≤ 15

≤ 5

≥ 330

78

~ 33

≤ 30

PO42.5

安徽金寨

 

Φ 2.6 × 13

矿渣~ 30

≤ 2

≥ 350

75

~ 36

≤ 28

32.5 级

重庆腾辉

1

Φ 2.6 × 13

粉煤灰 30

≤ 3

≥ 350

75

~ 35

≤ 28

PF 42.5

辽宁铧子

1

φ 3.0 × 11

矿渣 30

≤ 4

≥ 360

100

≥ 36

≤ 29

PS32.5

浙江何家山

1

φ 3.0 × 11

混合料~ 40

≤ 3

≥ 400

100

38~42

≤ 29

32.5 级

山东兖州

1

φ 3.0 × 13

页岩 15

≤ 2.8

≥ 350

98

35.4

34.23

PO 52.5

注:熟料除铧子厂为立窑与旋窑混合熟料外 , 其余均为回转窑熟料

4.4 与挤压机组成的联合粉磨系统
  开流高细高产磨与挤压机、打散分级机组成的联合粉磨系统,是近年来开发的一种新型粉磨工艺。其流程如图 2 所示。在这一流程中,高细高产磨既保持了开路流程的操作维护简单易行的特点,也使挤压机通常采用的双闭路或半终粉磨系统的装机容量与系统投资大为减少。国内首例应用这种粉磨系统的大庆同源水泥公司 1997 年新建年产 10 万吨水泥粉磨站,系统主机由 HFCK800/200 挤压机、 SF400/100 打散分级机和Φ 2.2 × 7m 开流高细高产磨组成。系统完成的技术经济指标为:生产 PS42.5 矿渣水泥,液态增钙渣掺量 30% 以上,水泥比表面积 400 ~ 450m 2 /kg ,系统台时产量为 16.1t/h ,由原料库底配料至水泥库顶螺旋输送机的系统电耗 < 30.4kWh/t 。

  甘肃窑街水泥厂 2- Φ 2.4 × 13m 水泥磨也采用这一工艺生产 PO42.5R 水泥,在矿渣掺量 15% 时,水泥比表面积≥ 340m 2 /kg ,系统产量达到 61.5 ~ 66.0 t/h ,电耗≤ 31.2kWh/t 。这种新型联合粉磨系统 为粉磨技术的发展开拓了新的思路,为进一步实现水泥粉磨的高产节能提供了有效的技术支持。目前进行的高细高产磨与高效选粉机新型闭路系统的研究,正是基于这一思路,为丰富球磨机粉磨工艺的一种创新。

4.5 磨机串联粉磨系统
  多台磨机进行串联组成开流或闭路粉磨系统,是一些厂 利用闲置设备或分别粉磨熟料、混合材的一种工艺形式。 图 3 所示的西安某粉磨站两台Φ 1.83 × 7m 高细高产磨组成的串联粉磨系统,为这种工艺提供了借鉴。其生产 PO42.5R 和 PO32.5R 水泥中, 一级磨选粉机的成品细度为 R 80 ≤ 3% ,比面积 310 m 2 /kg ,台产 5 ~ 5.5t/h ;二级磨出磨细度 R 80 ≤ 3% ,比表面积≥ 360 m 2 /kg ,台产≥ 10 ~ 10.5t/h 。系统的成品细度 R 80 ≤ 3% ,比表面积≥ 340 ㎡ / ㎏,台产≥ 15t/h ,系统产品电耗≤ 30kWh/t 。比改造前平均提高比表面积 40m 2 /kg ,增产 2.5t/h ,系统节电 8kWh/t 。
  值得注意的是,这种磨机串联粉磨系统一级磨的规格应比二级磨偏大,选粉机性能也不能过低,否则将影响系统平衡。

5  

  我国在水泥标准更新后,许多厂在现行控制细度下的水泥强度普遍降低 8 ~ 10Mpa 。虽减少混合材和提高产品细度是弥补强度损失的通行作法。但受生产的多种因素制约,粉磨过程往往以牺牲产量和增加电耗为代价,因而直接导致生产成本的增加。二十年来的发展和应用,可以认为高细高产磨近技术是提高球磨机的粉磨效率,降低生产成本和改善产品性能的有效的措施。
  需要指出,高细高产磨技术应用中对混合材的水分相对于普通磨敏感,当掺量较大时,应严格按照工艺管理要求控制其入磨水分;对矿渣、钢渣类混合材应采取除铁工艺。此外,钢段仓尽可能不使用分级衬板,也无须使用挡料环之类的衬板。上述应当引起生产注意。

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