水泥粉磨系统高产节能降耗的技术分析

水泥粉磨系统高产节能降耗的技术分析作者:单位:[2008-9-3]关键字:磨机-节能摘要:水泥颗粒是一种人工粒体，水泥的群体颗粒具有高比表面积（单位质量物质的二相界面面积）与多分散性（某一样品中每一颗粒都不尽相同）的两大特征。水泥的粉体状态的一般表达：磨细程度（细度和比表面积）、颗粒分布和颗粒形貌。1、水泥细度水泥的粒度就是水泥的细度。水泥细度直接影响着水泥的凝结、水化、硬化和强度等一系列物理性能。我国水泥标准规定水泥产品的细度80μm方孔筛筛余不得超过10%。控制细度的方法简单易行，在一定的粉磨工艺条件下，水泥强度与其细度有着一定关系。水泥的筛余量越小表示水泥越细，强度越高。但用这一方法进行水泥质量控制还存在较多问题：⑴当水泥磨得很细时，如80μm方孔筛筛余小于1%，控制意义就不大了。国外水泥普遍磨得很细，所以在国外水泥标准中几乎全部取消了这一指标。⑵当粉磨工艺发生变化时，细度值也随之变化。如开流磨筛余值偏大，圈流磨筛余值偏小，有时很难根据细度来控制水泥强度。⑶细度值是指0.08mm筛的筛余量，即水泥中≥80μm颗粒含量（%）。众所周知，≥64μm的水泥颗粒的水化活性已很低了，所以用≥80μm颗粒含量多少进行水泥质量控制还不能全面反映水泥的真实活性。2、水泥的平均粒度在水泥粉磨过程中，不是均匀的单颗粒，而是包含不同粒径的颗粒体—粒群，所以在评述水泥细度时若只用筛余这一简单的表示方法，差不多有90%多的水泥颗粒都通过筛孔成了筛下物，然而这些筛下物的颗粒大小并不清楚，故筛余量相同时比表面积也会出现很悬殊的现象。平均粒度有几种表示法，如算术平均直径、几何平均直径、调和平均直径等。水泥颗粒的平均粒度是表征水泥颗粒体系的重要几何参数，但所能提供的粒度特性信息则非常有限，因为两个平均粒度相同的粒群，完全可能有不一样的粒度组成（颗粒级配）。3、水泥比表面积国外水泥标准大多规定比表面积指标，一般都采用勃氏比表面积仪测定水泥比表面积，我国的硅酸盐水泥和熟料的国家标准规定已与国外标准一致。水泥比表面积与水泥性能已存在着较好的关系。但用比表面积控制水泥质量时，主要还有下述两方面的不足：⑴比表面积对水泥中细颗粒含量的多少反映很敏感，有时比表面积并不很高，但由于水泥颗粒级配合理，水泥强度却很高。⑵掺有混合材料的水泥比表面积不能真实反映水泥的总外表面积，如掺有火山灰质混合材料，水泥比表面积往往会产生偏高现象。4、水泥的颗粒级配（粒度分布）众所周知，即使筛分细度相同或比表面积相近，水泥的性能有时也会表现出较大的差异，其原因是粒度分布可能不同（颗粒形状的因素也很重要），因此研究水泥粒度的表征、探索与水泥强度更精确的定量关系，有着非常重要的意义。国内外长期试验研究证明，水泥颗粒级配是水泥性能的决定因素，目前比较公认的水泥最佳颗粒级配为：3-32μm颗粒对强度的增长起主要作用，其粒度分布是连续的，总量应不低于65%；16-24μm的颗粒对水泥性能尤为重要，含量愈多愈好；小于3μm的细颗粒，易结团，不要超过10%；大于64μm的颗粒活性很小，最好没有。此外，水泥粒度分布（颗粒级配）不当还会影响水泥水化时的需水量（和易性），若为了达到水泥砂浆的标准稠度而提高了用水量，则最终会降低硬化后的水泥或混凝土的强度。因此掌握水泥颗粒级配的指标是很重要的。表示水泥粒度分布即颗粒级配的方法有列表法、作图法、矩阵法和函数法。20世纪90年代，人们开始研究水泥颗粒形貌对水泥性能的影响。水泥颗粒如果放在电子显微镜下观察，它的形貌并不是圆的，犹如破碎堆积的石灰石，有棱角小的，有棱角大的，有片状的，有针状的。水泥颗粒的形貌与粉磨工艺有关。水泥颗粒形貌通常用圆度系数(f)表示，圆形颗粒的圆度系数等于1，其它形状则都小于1。国外水泥的圆度系数，大多在0.67左右。中国建材科学研究院测定的我国部分大、中型水泥企业水泥的圆度系数平均值为0.63，波动在0.51-0.73之间。同时在对水泥颗粒形貌的研究中还发现：水泥磨机的研磨能力愈强，f值愈大；高细磨水泥f最大；带辊压机预粉碎的磨机磨制的水泥f值也较大。试验研究表明，将水泥颗粒的圆度系数由0.67提高到0.85时，水泥砂浆28d抗压强度可提高20-30%。实施ISO强度方法后，水泥细度的提高是在大多数企业粉磨工艺比较落后和采用80μm方孔筛筛余控制细度的条件下取得的，其颗粒组成多数处于不合理的状态。水泥的合理颗粒组成是指该组成能最大限度地发挥水泥熟料的胶凝性和具有最紧密的体积堆积密度。熟料胶凝性与颗粒的水化速度和水化程度有关，而堆积密度则由颗粒大小含量比例所决定。采用45μm筛余可以使企业了解水泥中有效颗粒的含量，而使用比表面积可以及时掌握与水泥需水性等密切相关的微细颗粒的含量。二者相结合进行粉磨工艺参数控制，将使水泥性能达到最优化。1＞45μm的熟料颗粒全水化时间很长，对水泥强度贡献很小熟料与水作用生成的水化产物是水泥产生胶凝性的根本原因。水泥颗粒的水化程度决定水泥胶凝性的发挥。熟料的水化程度与矿物种类和颗粒大小有关。根据研究，硅酸盐水泥的水化深度与时间的关系可用下式表达：X=2t0.25式中：X-水化深度，μm；t-水化时间，d。20μm的颗粒全部水化需要1年多的时间，而2μm的颗粒全水化只需1.5h，45μm颗粒28d大约水化了50%，＞45μm的颗粒对水泥性能的贡献也就更小了。目前比较公认的水泥最佳性能的颗粒级配为：3-32μm颗粒总量不能低于65%，3μm细颗粒不要超过10%，＞65μm颗粒最好为0，1μm的颗粒最好没有。因为3-32μm颗粒对强度增长起主要作用，特别是16-24μm颗粒对水泥性能尤为重要，含量越多越好；3μm的细颗粒容易结团，1μm的小颗粒在加水搅拌中很快就水化，对混凝土强度作用很小，且影响水泥与外加剂的适应性，易影响水泥性能而导致混凝土开裂，严重影响混凝土的耐久性；＞65μm的颗粒水化很慢，对28d强度贡献很小。2、比表面积数值主要反映5μm以下的颗粒含量把1个直径为80μm假定为球形的水泥颗粒的表面积当作1，然后将其变成直径分别为45、30、20μm、……的颗粒，其总体积不变，但相应的表面积却发生了很大的变化。1个80μm的颗粒全部变成5μm时，已变成4096颗，表面积也增加至80μm时的16倍。因此水泥比表面积的变化主要与5μm以下的颗粒含量有关。3用45μm筛余和比表面积控制细度操作简便、控制有效、无需大量试验投资以球形颗粒推算出来的，与水泥颗粒的实际情况有差别，但可以看出，在固定的工艺条件下，使水泥的45μm筛余量和比表面积控制在一个合理的水平上时，可限制3μm以下和45μm以上的颗粒，以此获得良好的水泥性能和较低的生产成本。这种细度控制方法与其它方法相比，具有操作简便、控制有效的优点。只要取样进行筛析试验和比表面积测定，就可以为磨机的操作提供依据。水泥粉磨系统提高产量、降低电耗历来是人们关注的焦点，尤其是ISO标准实施后，对于多数水泥企业来说，都感到既要使产品适应新标准的质量要求，又不影响磨机产量、增加生产成本，对水泥粉磨系统进行优化改造无疑是首选措施。1、粉磨工艺改造的原则以往进行粉磨工艺的研究主要注重提高磨机产量和降低粉磨电耗。事实上，粉磨工艺对产品的质量有着很大影响，因此今后在研究和进行粉磨工艺改造时，应全面考虑产量、质量和能耗的关系。⑴节能原则由于传统的球磨机粉磨工艺能源利用率太低，水泥生产中70%的电耗都用于生料和水泥的粉磨，因此节能是改造粉磨工艺的基本任务。⑵高产原则提高粉磨设备的产量是改造和完善粉磨工艺的基本目标。⑶优质原则产品不仅达到一定细度和比表面积，并有合理的颗粒级配和尽可能高比例的球形颗粒，是改造和完善粉磨工艺的重要任务。2、采用预粉碎技术预粉碎是球磨机粉磨系统大幅度提高产量的主要措施，按粉碎理论可分为预破碎和预粉磨。2.1预破碎预破碎一般是指在球磨机前设置一台细碎机，使入磨粒度降低，将原来球磨机粗磨仓坦负的部分粗碎任务交由效率较高的细碎机来完成，即所谓的“多破少磨”。国内采用水泥磨前加细碎机的措施已有数十年历史，但受设备材质的局限，该技术一直未能得到大量使用。当前有些机械厂推出了新一代细碎机，使用寿命有一定提高，但关键部件磨损的问题仍没有根本改善。出库物料的除铁问题必须重视，往往是铁块或其它金属杂质对细碎机造成致命的伤害。增设预破碎后，球磨机内部结构也要进行相应调整，尤其是一仓应以提高研磨能力为目标。有的厂曾尝试过提高磨机转速来提高产量，但效果不好。从理论上分析，加预破碎后入磨物料粒度降低，一仓的破碎作用与研磨作用已退居次要地位。磨速提高，研磨体提升高度增加，破碎能力增大而研磨能力降低，这显然不符合要求。采用预破碎系统进行提高磨机产量的改造，低投资是其最大优势，它主要适合于磨机辅助设备和输送设备富裕能力有限，以及大幅度升级成本效益不合理的厂家。2.2预粉磨预粉磨是指球磨机前增设一台粉磨设备，使原有的粉磨系统大幅度增产的措施。用于预粉磨的设备主要有短球磨、辊磨、辊压机、筒辊磨等。上述四种预粉磨设备的能量利用率由低到高依次为短球磨、辊磨、筒辊磨、辊压机。采用球磨机作为预粉磨设备，建议采用半终粉磨流程，即预粉磨球磨机与选粉机组成闭路系统，使进入后续球磨机的物料粒度更加均匀，一般2mm的占90%左右，最大粒度控制在5mm，可缩短物料在磨内的停留时间，避免出现“饱磨”现象。球磨机预粉磨工艺提高产量的幅度可达50%以上，不过节能效果较差，对于有闲置设备的厂家较为适宜。对于采用辊磨、辊压机、筒辊磨作预粉磨设备，由于投资大，工艺相对复杂，一般在立窑水泥企业很少采用。3、开流磨的技术改造开流高细、高产磨技术主要用于水泥粉磨。对原有磨机进行改造时，应具备以下工况条件：⑴磨机直径可大可小，即Φ1.5-3.8m均可，但磨机的长径比至少要＞2.5；⑵入磨物料综合水分2%；⑶入磨物料粒度、研磨体装载量、磨机运行等正常稳定；⑷磨机通风良好，收尘与计量设备完好。3.1开流磨技术改造的主要内容⑴衬板经过长期生产实践的检验，目前仍在使用的球磨机筒体衬板主要有11种形式。国外公司推出的衬板有逐渐统一的趋势。一仓一般采用提升衬板即所谓的阶梯衬板，二仓则采用分级衬板。但这种分级衬板不是国内常见的锥形分级衬板或平衬板加锥形分级衬板，而是两种甚至三种衬板的组合或复合体。经过优化组合或复合，一种衬板可发挥不同形式衬板的优势，从而保证了最大限度地将能量输入装球区，并尽量消除磨内死区。建议有关单位加大研究力度，为水泥厂提供性能更优越的衬板。在目前开流磨进行技术改造时，段仓一般都安装活化衬板，有效地消除了“滞留带”，激发和强化了研磨体的运动。⑵隔仓板对于隔仓装置的改进，国内企业仍关注于篦板的耐磨、耐冲击及防堵等方面，而对于隔仓装置对磨内料、气流的影响和控制作用重视不够。以Φ2.2m球磨机为例，隔仓板有效通风面积为0.38m2，中心件面积0.33m2，中心件有效通风面积0.03m2，可见仅中心件的面积就相当于隔仓装置有效通风面积的87%，同时也表明此形式的中心件有效通风面积是相当小的。通过分析比较，加大中心件通风面积对于加大整个隔仓装置通风面积的影响最大，也是最可行的方案。因为无论加大篦板孔尺寸或增加开孔数量，都将对篦板强度及其对料球的控制作用产生较大影响。此外，改造老式中心件的另一个目的在于通过它来实现对物料流速的控制，从而方便灵活地调节磨内各仓中的料球比，控制物料磨内停留时间。开流磨进行技术改造时，尾仓更换带内筛分装置的隔仓板，严格控制进入尾仓的小颗粒，使前仓的钢球和尾仓的小段各自最大限度地发挥破碎和研磨作用。⑶研磨体研磨体尺寸基于粉磨能力和喂料粒度，比较通用的是“两头小，中间大”的级配方案。因为各厂实际情况不同，磨内研磨体和物料运动情况极为复杂，以及物料性能的差异，很难找出普遍不平适用的规律，长期在实践中摸索才是获得合适级配的有效途径。稳定的粉磨工艺条件在很大程度上取决于研磨体的材质。由于磨损消耗，研磨体的级配在磨机运转过程中是不断变化的，不同尺寸研磨体的磨损规律也不同。补球（段）只能保持装载量相