立磨技術(shù)在水泥工業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展_圖文

1、 前言立磨又稱為輥磨(或輥式磨等,出現(xiàn)于1925年,至今已有80多年的歷史了。自20世紀60年代起,立磨用于水泥工業(yè)的生料粉磨,由于其顯著的節(jié)能效果,所以很快引起人們的興趣和注意。70年代立磨液壓加載技術(shù)出現(xiàn),使得磨機單機能力成倍增長,隨著懸浮預(yù)熱器窯和預(yù)分解窯的出現(xiàn),立磨在水泥工業(yè)生料粉磨方面得到了快速發(fā)展。80年代粉磨水泥熟料的工業(yè)立磨投產(chǎn),90年代至21世紀初,高細礦渣的立磨和水泥終粉磨的立磨逐步得到推廣,從此立磨在水泥廠應(yīng)用的數(shù)量越來越多,再加上輥壓機、筒輥磨等其他新型粉磨設(shè)備的出現(xiàn)與應(yīng)用,使得料床粉磨設(shè)備在水泥工業(yè)的應(yīng)用越來越興旺?，F(xiàn)在世界上水泥生料、礦渣和煤粉的立磨比例已大于球磨,

2、水泥立磨的運用也已達到一半左右,球磨機再也不能獨霸水泥廠的“粉磨天下”了。我國的立磨技術(shù)與世界發(fā)展趨勢相一致,水泥工業(yè)粉磨技術(shù)有了很大進步,設(shè)備逐步大型化,開始進入料床粉磨化時代。大家都知道,水泥工業(yè)是典型的能源和資源依賴型產(chǎn)業(yè),隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,我國水泥工業(yè)的節(jié)能環(huán)保任務(wù)日趨嚴峻,節(jié)能減排已成為我國水泥工業(yè)當前的重要課題。在水泥廠中,燃料成本與電力成本約各占一半,而水泥廠電力主要消耗在粉磨作業(yè)上,粉磨電耗約占全廠總電耗的70%,以往水泥綜合電耗為110kWh/t左右,隨著粉磨技術(shù)的進步,當今先進指標可降至85kWh/t以下。傳統(tǒng)的球磨機粉磨效率極低,能量利用率在3%以下,絕大部分輸入能轉(zhuǎn)化

3、成熱量而散失,因此粉磨技術(shù)的進步對我國水泥工業(yè)來說具有非常重要的意義。立磨采用料床粉磨機理,流程簡單、粉磨效率高、電耗低,現(xiàn)與輥壓機等新型料床粉磨設(shè)備等已成為水泥工業(yè)粉磨的發(fā)展方向。1粉磨作業(yè)與立磨1.1粉磨作業(yè)在粉體技術(shù)中,物料的粉磨是指通過外力擠壓、沖擊、研磨等作用克服其內(nèi)部質(zhì)點及晶體間的內(nèi)聚力,使之由塊粒狀變?yōu)榉哿畹倪^程。水泥工業(yè)屬于重化學(xué)工業(yè)的一種,它的主要工藝是對土石質(zhì)原料進行加工,從原料開采到制成水泥要經(jīng)過原料的破碎與生料的粉磨,以及水泥熟料的粉磨過程。水泥生產(chǎn)工藝主要分為熱工工程和粉體工程,在粉體工程中主要是粉磨工程,水泥廠中被粉碎的物料有:生料、煤、熟料、石膏及礦渣混合材等,

4、因此水泥廠中有煤磨、生料磨、水泥磨及礦渣磨等粉磨設(shè)備,過去一般用球磨機,現(xiàn)在已開始向無球化粉磨方向發(fā)展。每噸水泥綜合電耗約需80110kWh,每年水泥工業(yè)所消耗的電能占全國電能總消耗的6%,由此可見破碎與粉磨是不可忽視的重要工序。1.2立磨的特點立磨主要由磨輥與磨盤組成,圖1所示為用于水泥廠的一臺大型生料立磨,立磨集中碎、粉磨、烘干、選粉等工序于一體,其流程簡單、粉磨效率高、電耗低,現(xiàn)已成為生料粉磨的主導(dǎo)系統(tǒng),并且越來越多的水泥熟料粉磨作業(yè)開始選用立磨。立磨是利用料床粉磨的原理對物料進行粉磨,由于磨輥與磨盤之間存在速度差,故在輥壓的同時進行碾磨。物料從磨機上部或磨殼一側(cè)通過喂料裝置進入磨盤中心

5、,磨盤水平運轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力,磨盤上的物料從中心被甩至粉磨區(qū)域,當磨輥被加載裝置置于輥道上的物料上面時,由于磨盤的轉(zhuǎn)動,磨輥對物料產(chǎn)生一個豎向垂直力,且和物料之間有一個摩擦力。磨輥的轉(zhuǎn)動是從動運轉(zhuǎn),從磨盤周圍擋料圈溢出的物料被磨盤外風(fēng)環(huán)中的上升氣流帶入上部立磨技術(shù)在水泥工業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展韓仲琦(天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司,天津300400立磨專題VERTICAL MILL的選粉機中,經(jīng)選粉分級后,粗顆粒返回磨盤與新加入的物料一起重磨,細粉隨氣流排出磨機作為產(chǎn)品,可用旋風(fēng)收塵器或電收塵器分離收集,小型立磨的磨輥與磨盤之間壓力用彈簧加壓,大型立磨用油壓加壓。2水泥生料、熟料與其他物料的粉磨2.1生料

6、粉磨的意義水泥熟料的燒成基本上是一種固相反應(yīng),生料中含有的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分要通過高溫煅燒才能生成C3S、C2S、C3A、C4AF等礦物,而生料粉磨就是要滿足生料煅燒反應(yīng)的接觸面積要求。物料粉磨得越細則固相反應(yīng)速率越快,反應(yīng)速率快意味著煅燒時可以節(jié)省熱能,但粉磨得越細則粉磨電耗越高。生料配料的不同,要求的粉磨細度也不同,為此合宜的細度應(yīng)通過易燒、易磨性試驗,并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。一般生料粉磨的細度要求是:>70m90m的篩余為9%22%,且>200m的顆粒<3%。但一般生產(chǎn)企業(yè)則要求80m篩余,<12%且>200m的顆粒<1.5

7、%。生料立磨的粉磨特點是粉磨產(chǎn)品粒度比較均勻,能滿足生料煅燒反應(yīng)的增大接觸面積要求,因此在水泥生料的粉磨上發(fā)展很快,現(xiàn)在天津水泥設(shè)計研究院開發(fā)的國產(chǎn)最大生料立磨TRM5341,已用于遼寧福山水泥公司等水泥企業(yè)的5000t/d熟料生產(chǎn)線上。2.2水泥熟料粉磨的意義水泥熟料的粉磨是因為水化反應(yīng)所要求的,在水泥礦物內(nèi)占有相當比例的礦物是C3S,顆粒越細C3S的水化速度越快。具有一定粒度分布的細粉和不含粗顆粒的粒度構(gòu)成對水泥的水化和強度最有利。因為水泥不是由單一的熟料粉磨而得到的,還要添加一定百分比的石膏及其他外加劑,所以要保證粉磨到一定細度,以便水泥與砂或砂礫混合后加水反應(yīng)時,不單希望水泥的水化強度

8、高,而且希望混凝土的施工性能好,即希望它的容積變化小,表面龜裂小。水泥熟料的粉磨就是最大程度滿足水泥適宜的粒度分布和細度要求,水泥粉體是大量固體顆粒的集合體,各顆粒間存在著一定作用,普通硅酸鹽水泥的顆粒范疇約在0.1m100m之間,為準細粉和細粉,具有很強的團聚性和很差的流動性。對于超細水泥來說,不是指真正的超細顆粒,它的含義是廣義的,一般指30m以下顆粒占有的百分數(shù)比普通水泥顯著得多,平均粒徑約為3m5m。截止目前,雖然有很多人在這一領(lǐng)域進行了研究,但定性的多,定量的少,還未能把水泥顆粒特性與水泥性能之間建立起有機的定量關(guān)系。究竟什么樣的顆粒分布才是最佳的顆粒分布?調(diào)整的依據(jù)和條件是什么?還

9、需要進一步研究。一般來說3m30m顆粒決定著水泥強度,特別是早期強度,3m顆粒的比例越大,一天的強度也越大。>60m 的顆粒起著微集料的作用,若盡可能降低60m的顆粒,則一方面可減少能源的浪費,一方面可提高水泥的強度。對于硅酸鹽水泥來說其細度要求是:>80m的篩余5% 8%,比表面積>300m2/kg。水泥立磨的粉磨產(chǎn)品細度完全可以滿足要求,但有人擔(dān)心立磨的產(chǎn)品粒度分布較窄,水泥顆粒級配不當會影響水泥的需水量與和易性,但這可通過提高選粉機的效率和提高細粉量解決。2.3礦渣及其他物料的粉磨礦渣是一種活性混合材,早已在水泥行業(yè)得到普遍應(yīng)用,以往應(yīng)用方式是與熟料和石膏等原料配合后進

10、行混合粉磨。根據(jù)我國水泥標準,普通水泥礦渣摻量15%,礦渣水泥最高摻量為70%,實際生產(chǎn)中礦渣水泥摻量一般只有30%40%。影響礦渣摻量的主要原因是熟料和礦渣混合粉磨時,由于礦渣相對難磨(礦渣的易磨性比熟料高30%左右,水泥中的礦渣組分比熟料組分粗,活性難以提高,從而影響水泥強度。如果將礦渣單獨粉磨至450m2/kg以上的細度再與硅酸鹽水泥混合,則可以提高礦渣的摻量,而且可改善水泥或混凝土的物化性能。從上世紀90年代中期起,隨著粉磨技術(shù)的發(fā)展,越來越多的水泥企業(yè)開始采用單獨粉磨工藝制備礦渣粉。礦渣粉比表面積高、細度細、活性好,如與水泥混合,其摻量可以達到50%或更高,同時礦渣粉作為外加劑直接摻

11、入到混凝土中,進而改變混凝土的性能?，F(xiàn)在立磨已成功用于礦渣粉磨,因其工藝簡單、烘干能力強、電耗低等優(yōu)點而發(fā)展最快。我國已有20多條礦渣立磨生產(chǎn)線投入運行,過去多為進口礦渣輥磨設(shè)備,天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院幾年前開發(fā)了首臺TRM型國產(chǎn)礦渣立磨,大幅度降低了投資和維護費用。成品比表面積可以在400600m2/kg范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。將礦渣高細粉磨后替代水泥熟料,實現(xiàn)了礦渣資源化利用。此外,石膏是與水泥熟料共同粉磨的,因為摻入量很小,石膏又比較容易粉磨,一般沒有什問題。但石膏有時脫水程度不夠,影響緩凝作用,主要是因為機內(nèi)作業(yè)溫度低, CaSO4·2H2O轉(zhuǎn)化成CaSO4·12H2O的比

12、例太少。解決辦法是替代原燃材料提高作業(yè)溫度,調(diào)整摻量。水泥廠粉磨煤粉是為了煅燒熟料,煤粉的細度是保證燃燒速度和穩(wěn)定燃燒的控制因素。立磨發(fā)明后不久便用于煤的粉磨,無煙煤的細度一般控制在>90m的篩余3%5%,用立磨粉磨煤粉時可以利用窯尾的廢氣進行烘干作業(yè)。3顆粒形貌與立磨顆粒形貌是指一個顆粒的輪廓或由表面上各點構(gòu)成的圖象,可以定性或定量分析顆粒的形狀,顆粒的形狀是影響粉體性質(zhì)的重要參數(shù)之一。不同粉磨設(shè)備的粉磨產(chǎn)品,顆粒形狀是不一樣的,有橢圓扁球形、三角片形、條柱形、棒形和類球形等。通常描述顆粒形狀的參數(shù)有形狀指數(shù)、形狀系數(shù)、球形度、圓形度和粗糙度等,一般常使用球形度s和圓形度。立磨專題VE

13、RTICAL MILL表1OK立磨與球磨在粉磨水泥時的比較水泥品種磨機型式比表面積(cm2/g產(chǎn)量(t/h電耗(kWh/t水泥球形度s是指顆粒接近球體的程度,因?qū)嶋H顆粒大部分是不規(guī)則的,測定其表面積比較困難,可以采用實用球形度,實用球形度可以用掃描電鏡求出。實用球形度=與顆粒投影面積相等的圓的直徑顆粒投影的最小外接圓的直徑(1水泥的顆粒形貌與水泥的性能有很密切的關(guān)系,球形度低摩擦阻力大,使水泥的流動度變小,水泥砂漿的標準稠度需水量增大,水泥強度減少。但另一方面,水泥強度的產(chǎn)生主要是由于水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間的相互關(guān)聯(lián)、搭接,從而可以抵抗外力的作用。水泥球形度高,雖然使得標準稠度需水量減少,避免

14、產(chǎn)生泌水現(xiàn)象,但同時水泥的多角形顆粒數(shù)也減少,不利于顆粒間的搭接,從而使其強度降低。使用球磨粉磨系統(tǒng),水泥產(chǎn)品的球形度較高,但其他物理性能不好,而立磨系統(tǒng)的產(chǎn)品球形度較低,但力學(xué)性能比球磨好。4粉磨功耗理論與粉磨機理4.1關(guān)于料層粉碎理論眾所周知,粉碎能耗理論有經(jīng)典三理論,即表面積理論、體積理論和Bond第三理論,近年來人們發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代工業(yè)中眾多的粉碎實踐都含有料層粉碎(或稱料床粉碎的因素,如立磨、輥壓機、振動磨等,它們的粉碎機理已超過單顆粒粉碎的性質(zhì),加深研究料層粉碎機理,對于改造舊有的粉碎設(shè)備和粉碎工藝,設(shè)計新型節(jié)能粉碎機械具有很大的意義,目前對輥壓機的料層粉碎研究較多,實踐證明,在能夠?qū)崿F(xiàn)

15、2m 3m粒度分級的條件下,在多次擠壓料層粉碎條件下,生產(chǎn)微細產(chǎn)品的能耗遠遠低于通常的粉磨工藝。我國粉碎理論的研究最近幾年有了一定進展,但是突破不大。我國學(xué)者早在上世紀90年代初提出的“關(guān)于粉碎能耗與能量效率”論文中,認為粉碎能耗浪費很大,工業(yè)上的粉碎設(shè)備幾乎都是借助接觸力作用的,即通過給固體顆粒輸入機械能來實現(xiàn),實際上粉碎機的能耗除了用于顆粒破裂外,還包含許多與粉碎本身無關(guān)的消耗,如顆粒之間的摩擦損失,顆粒與機件之間的摩擦損失,介質(zhì)中的能量損失等,對于處理量大的水泥粉碎作業(yè),若能提高能量效率所帶來的經(jīng)濟效益是相當可觀的。立磨是應(yīng)用料床粉磨原理來粉磨物料的機械,不論其結(jié)構(gòu)如何改變,其基本工作原

16、理相同,由于磨盤的旋轉(zhuǎn)帶動磨輥轉(zhuǎn)動,當物料處于磨輥、磨盤、碾磨裝置的作業(yè)區(qū)時,大塊物料直接被壓碎,細粒物料受擠壓后形成料床,進行粒間粉碎。在顆粒床中間,一個顆粒與另一個顆粒擦擠引起棱角和邊緣的掉落并被粉碎,粉碎后的細粉集團越過盤環(huán)立刻暴露在高速氣流中,密集的細粉被沖散,被帶入分級機或折回,因此過細的細粉軟墊層的緩沖作用減到最低。料床粉磨大大降低了粉磨無用功。加之大量的再循環(huán)減少了過粉磨的緩沖作用,從而提高了粉磨效率。4.2關(guān)于粉磨節(jié)能問題從節(jié)能與滿足水泥工藝的要求來看,生料粉磨與水泥粉磨的工藝與設(shè)備,應(yīng)該采用不同的考慮方法。目前,國外在新裝備的水泥廠中,生料幾乎都是在立磨中粉磨的,當然也有采用

17、輥壓機的。與管磨相比,立磨有很多優(yōu)點,因為有較好的應(yīng)力狀態(tài),單位電耗比球磨(管磨要小很多,帶外部物料循環(huán)系統(tǒng)的立磨電耗更省。從電力使用角度來看,立磨還有更多優(yōu)點。管磨的電耗與物料通過量關(guān)系較小,決定因素主要為粉磨介質(zhì)填充率,而立磨的電耗卻與物料通過量成正比,由于電力與物料流量有關(guān),立磨操作時可以在很大物料流量范圍內(nèi)達到最佳電耗。大型立磨可以處理直徑較大的物料,立磨最近幾年也可被用來粉磨礦渣,立磨還成功的被用來粉磨熟料。選粉機的改進也達到很好的節(jié)能目的,一種可變速的籠形轉(zhuǎn)子選粉機也與立磨配合的很好。在新型干法水泥技術(shù)發(fā)展中,水泥的預(yù)粉磨技術(shù)的出現(xiàn),大大提高了水泥粉磨效率。預(yù)粉碎或預(yù)粉磨技術(shù)可有如

18、下的意義:把水泥磨一倉的工作移到前處理裝置去做,用工作效率高的粉磨設(shè)備代替效率低的球磨機一部分工作,另一方面將入磨熟料的粒徑減少,可以提高粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)量和降低電耗。輥壓機自1985年問世以來,由于實現(xiàn)了高壓條件下的料床粉碎,縮小了出料粒度,而且物料的巖相結(jié)構(gòu)也受到破壞,從而使物料易磨性得到提高,有利于磨機的增產(chǎn)節(jié)能,所以輥壓機成了水泥粉磨的首選預(yù)粉磨設(shè)備。之后,以聯(lián)合粉磨形式出現(xiàn)的輥壓機與球磨系統(tǒng)在我國取得一定進展,即利用料床粉磨節(jié)能的優(yōu)點,又保證了水泥質(zhì)量。幾乎與此同時,以日本為代表,又開發(fā)了立磨作為預(yù)粉磨裝置,這種裝置是在立磨內(nèi)去掉了選粉裝置,由于 表2輥壓機、立磨的水泥終粉磨與球磨機的水

19、泥終粉磨比較序號30m篩余(%標準稠度水量(%129.0比較系統(tǒng)比表面積(cm2/g輥壓機終粉磨3240輥壓機預(yù)粉磨+球磨3240輥壓機終粉磨3400226.0球磨機系統(tǒng)34005(%循環(huán)負荷(%2.370080032003001.5立磨在穩(wěn)定性和使用壽命上具有優(yōu)勢,所以立磨預(yù)粉磨系統(tǒng)有了一定發(fā)展。在20世紀80年代初,日本開發(fā)了用于水泥終粉磨的立磨,如秩父小野田公司和神戶制鋼共同開發(fā)了OK Roller mill,秩父小野田與川崎重工開發(fā)了CK Roller mill等。德國萊歇公司也開發(fā)了粉磨水泥的立磨,Pfeiffer公司開發(fā)了粉磨水泥的MPS磨?，F(xiàn)以O(shè)K立磨為例,說明這種磨作為水泥終粉

20、磨的情況。OK磨是Onoda(小野田水泥公司與Kobe steel(神戶制鋼合作開發(fā)的磨機,如日本、韓國、印度、希臘等都有這種系統(tǒng),日本一水泥公司還用這種磨機粉磨生態(tài)水泥的熟料。OK磨與球磨的比較見表1,OK磨的工藝流程見圖2,磨內(nèi)配OKS高效選粉機,有磨輥翻轉(zhuǎn)裝置。在圖2中的OK立磨,可以由外部通入熱風(fēng)或冷風(fēng)調(diào)節(jié)磨內(nèi)溫度,以適應(yīng)工藝的要求。由于立磨粉磨水泥動力消耗較低,磨出的水泥不需要輔助冷卻,并且物料在磨內(nèi)的停留時間很短,能很快從一種品種轉(zhuǎn)換成另一品種,不需要將大量磨內(nèi)物料倒出,還能在生產(chǎn)過程中迅速改變成品的顆粒組成。立磨的聲壓也小,一般低于10分貝,所以從以上情況來看使用立磨作為水泥的終

21、粉磨設(shè)備是有利的。根據(jù)有關(guān)資料介紹,用輥壓機或立磨進行水泥終粉磨時的水泥粒度分布和標準稠度的水量見表2。由表2可知,輥壓機的終粉磨水泥粒度分布較窄,而標準稠度水量增加了2%3%,循環(huán)負荷達700%800%時,才能保證一定粒度的粉碎產(chǎn)品,但立磨的水泥終粉磨其粒度分布、標準稠度水量與球磨差別不大,立磨的循環(huán)負荷僅為200%300%,即為輥壓機的1/3。5立磨技術(shù)的發(fā)展趨勢5.1原料的適應(yīng)性因為有些物料多孔水分大(水分可達12%25%,所以新設(shè)計的立磨對原料的適應(yīng)性進一步擴大。由于新結(jié)構(gòu)立磨解決了熱應(yīng)力分布不均勻的問題,可以通入600的高溫氣體,從而滿足了烘干要求。為了處理高磨蝕性物料,除了改進耐磨材質(zhì)以外,改變輥型設(shè)計,加大了輥徑和輥寬比,從而減少輥盤之間的相對速度差,有利于減少磨損。5.2物料全部外循環(huán)為了降低輥磨的通風(fēng)阻力,立磨由全風(fēng)掃操作變成了部分外循環(huán),近年來又開發(fā)出了物料全部外循環(huán)系統(tǒng)。物料由提升機提升至外部選分機分選,磨內(nèi)不設(shè)風(fēng)環(huán),因此磨機壓降很小,解決了輥磨通風(fēng)電耗大的問題。5.3立磨結(jié)構(gòu)(1施力體形狀對粉碎效率有較大影響,如柱雙柱組合型式、板板