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提高节能球磨机产质量的技术途径

发布时间:2008-10-06  浏览次数:0

提高节能球磨机产质量的技术途径

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提高节能球磨机产质量的技术途径
  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。“提高球磨机设备产量”,也是一个永恒的话题。十多年来,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,使这一进程大为加快。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,仍是一项长期工作。尤其是立窑水泥企业,随着全面管理的技术进步使立窑熟料台时产量不断提高和水泥新标准的实施对水泥的细度、比表面积和颗粒组成都提出了更高的要求,因此目前提出“提高磨机产量”的课题,具有更重要的现实意义。
1.1熟料台时产量的提高对生料需求量的增加
  近年来,许多立窑水泥企业由于采用了新的配料方案、入窑生料合格率的提高、应用小料球煅烧技术、采用节能型配套耐火材料、选择新型卸料篦子等,熟料台时产量明显提高。原先配套的生料磨机,已开始显得生产能力不足,有些企业出现了“现磨现烧”的现象。这样不仅限制了立窑熟料台时产量的提高,而且因生料储存量不足,无法搭配使用,严重地影响了立窑热工制度的稳定,进而导致熟料质量的下降。
1.2水泥新标准实施要求水泥粉磨质量提高
  水泥新标准实施后,水泥企业往往以降低混合材掺加量或提高水泥比表面积来提高水泥的强度。而要获得较高比表面积最简单的办法是降低磨机的产量和增加研磨时间,但带来的结果是出现“过粉磨现象”,使<3μm的微粉增多且颗粒组成状况不佳,强度提高不多,而粉磨电耗却大幅度上升。这种采用提高水泥成品细度或增加熟料含量来提高水泥强度的作法,势必会造成生产成本的上升。
1.3提高磨机产量是降低水泥综合电耗的有效手段
  生料粉磨和水泥粉磨是水泥生产过程中的两个重要环节。每生产一吨水泥大约需要粉磨2.7吨的物料,用于粉磨作业的电耗也占水泥综合电耗的三分之二以上。尽管目前水泥综合电耗的数值与前二、三十年相比已经下降了30%左右,但不断提高粉磨效率,降低粉磨电耗和生产成本仍然是我们不懈追求的重要目标。
1.4立窑水泥企业技术进步中不可忽视的环节
  不少立窑水泥企业对水泥粉磨过程的控制与检验尚不完善,对粉磨后的成品只测(细度)筛余量而不测比表面积。企业在技术和产品质量管理方面,片面强调“以窑为中心”、“煅烧决定一切”,技改的投入亦往往集中在立窑的烧成系统。片面认为只要熟料质量好,水泥质量必然会好。从而有不少厂将水泥粉磨过程中产生的质量问题,却要求从煅烧熟料方面去解决。总之,重视煅烧工艺,忽视粉磨工艺;重视配料,忽视磨机配球等等,这样的指导思想和管理方法,都十分不利于水泥企业的技术进步,应予澄清和扭转。
2粉磨工艺落后是水泥企业的突出问题 2.1粉磨能耗太高
  立窑水泥企业的生料磨和水泥磨,主要采用的是球磨机。球磨机是依靠冲击和研磨作用对物料实现粉碎和研磨的,这种作用通过研磨体表面传递给物料颗粒使其粉碎和研磨,单一颗粒的受力是偶然性的,而大量能量消耗在研磨体之间以及研磨体与衬板之间的碰撞与磨损,因此粉磨效率很低。一般来说,轴承、齿轮等纯机械损失占12.3%,随产品散失热量占47.6%,从磨机筒体表面散失的辐射热量占6.4%,空气带走的热量占31.4%,而用于粉碎和研磨的理论能量不足3%。一般来说,水泥的综合电耗中有60-70%用于生料和水泥粉磨,而其中的97%又作了无用功。因此,粉磨环节的节能依然是当前和今后相当长的时期内水泥企业的基本任务。
2.2水泥细度太粗
  我国水泥细度太粗是同国外水泥质量差别的突出问题。上世纪八十年代初,对美、英、德、法、日、泰以及香港等国家和地区的实物水泥的质量进行了系统研究,发现它们的水泥细度基本上都<1%,但未引起高度重视。八十年代末期,我国水泥大量出口,其质量引起强烈反映,其中一个很重要的原因在于水泥细度太粗,当时大多R0.08=3-5%。
1997-1999年,中国建材科学研究院在研究GB强度与ISO强度关系中发现,国外水泥和国内合资企业的水泥由GB强度过渡到ISO强度时下降很少,只有1-3MPa,而我国水泥则普遍下降10MPa,有的下降高达17 MPa。究其原因,细度太粗。若将合资企业的水泥熟料磨至比面积为300m2/kg,ISO强度与GB强度之差也要在6.5-11.4MPa之间,同我国水泥的两者之差接近;而合资企业和外国的水泥产品,比面积在361-396m2/kg时,ISO强度与GB强度之差大大缩小,只有2.2-5.7 MPa,与外国水泥的两者之差一样。因此可以说,提高水泥细度是缩小ISO强度与GB强度的差距、提高水泥ISO强度的有效途径。
2.3我国水泥粉磨技术落后的具体表现
我国水泥企业除少量新型干法生产线外,在粉磨技术方面大多还是相当落后的,主要体现在:
① 磨机规格太小。如Φ1.83×6.5m、Φ2.2×7.0m、Φ2.4×11m等都是普遍用的小型磨机,其粉磨效率比大磨低。
② 磨机内部结构落后,大多采用20世纪70年代以前的技术。
③ 粉磨工艺系统不完善,工艺条件不合理。
④ 从事粉磨工艺的技术力量薄弱。
3影响磨机产质量的主要因素
影响磨机产质量的因素很多,一般可分为工艺因素和机械因素两大类。
3.1影响磨机产质量的工艺因素
3.1.1入磨物料粒度
  由于磨机干法粉磨时的能量利用率仅为2~3%,国内外工程技术人员经过多年的科学研究和生产实践,提出了“多破少磨、以破代磨”的预粉碎工艺,使磨机的产量大幅度提高,粉磨电耗也明显降低,增产节能效果很好。
所谓“预粉碎工艺”,就是将入磨物料的粒度由原来的20-25mm缩小到3-5mm,将球磨机Ⅰ仓的工作内容转移到破碎机中完成,从而实现提高磨机产量的目的。按产品粒度来分,一般将产品粒度小于3-5mm的破碎机称之为细碎破碎机(简称为细碎机)。
磨机设计制造的铭牌产量(生产能力),是按入磨物料平均粒度为25mm时确定的,在其小于25mm的条件下,磨机产量可按
面的经验公式换算:
Qb=Qa(Da/Db)x
式中Qa为入磨物料粒度在Da、(mm)时的球磨机产量,t/h;
Qb为入磨物料粒度为Db (mm)时的球磨机产量,t/h;
X为产量变化系数0.1~0.145。
生产实践表明,当入磨物料平均粒度从25mm分别降至5、3和2mm时,则磨机产量可分别提高38%、53%和66%。
3.1.2入磨物料水分与温度
  物料的水分直接影响着配料的准确性和磨机的产量与电耗。其原因有二:首先,由于物料水分大而影响喂料的均匀性,并使喂料时间延长。实践证明,干料与湿料(水分≥2.5%)相比,喂料时间相差20-30秒。其次,由于湿物料喂入过多,就有可能造成饱磨或将磨内衬板粘上厚厚一层湿料,只好被迫停磨处理。其次,由于湿物料喂入过多,就有可能造成磨内糊球、糊衬板的现象发生,甚至出现“饱磨”而被迫停磨处理。一般来说,入磨物料综合水分每增加1%,磨机产量会降低8-10%;当水分大于5%时,干法磨机基本上无法进行粉磨作业了。
  需要指出的是并不是入磨物料越干越好,尤其是水泥磨。磨内研磨体对物料的冲击和摩擦过程中产生静电,使细小的颗粒带有电荷,水泥粉中的最小颗粒粘附在研磨体和衬板表面,温度越高、颗粒越小、研磨体越小,产生的静电量就越大,吸附作用也就越强。入磨物料温度超过80℃,磨内温度就有可能超过120℃,过高的磨内温度,较大的颗粒物料也会产生静电吸附作用。由于静电吸附作用,细磨仓中许多微小的颗粒会产生集聚现象,在研磨体的冲击作用下,细小的物料颗粒会被撞击在一起并压实在不平整的研磨体或衬板表面上,形成细小的颗粒层,实际上是一个衬垫,对研磨体的冲击和研磨起缓冲作用,这种现象很容易被误认为是由于物料潮湿引起的,实际上愈干燥的物料糊球现象愈严重。另一方面,当入磨物料水分过小时,粉磨过程中产生的热量无法通过水蒸气带出磨外,磨内温度升高,相对湿度降低,空气的导电性变差,静电吸附作用加强。正常情况下,入磨熟料温度≤60℃,入磨物料综合水分以控制在1.0-1.5%比较合适。
3.1.3入磨物料的特征与易磨性
  入磨物料的品种及其配比,直接关系到磨机的产、质量和单产电耗。目前水泥使用的任何混合材都会降低水泥的强度,只是混合材的活性不同,其降低的程度不同而已。在常用混合材中,矿渣的活性最好,但矿渣的比表面积在300m2/kg以下时,其对水泥强度的影响并没有反映出它的优势。
  物料的易磨性对磨机产量和产品质量的影响是显而易见的。这一点在立窑水泥企业,以往没有得到重视。国家标准规定,物料的易磨性系数以粉碎功指数表示。由于大多数企业没有专业检测设备,一般以试验小磨测物料与标准砂的相对易磨性系数,也能够作为确定粉磨工艺参数的参考。我们使用的原、燃材料的相对易磨性系数测得后,球磨机研磨体的装载量和级配设计计算及调整,就有了依据,提高磨机的产质量也就可以采用科学的手段和方法来调控。
  相对易磨性的测定与计算方法:先取3kg老的标准砂(平潭砂)置于化验室试验小磨(Φ500×500mm)中粉磨至比表面积为300±10m2/kg,如耗时为t分钟。再取3kg被测物料(如系大块的物料,则必须预先破碎至≤7mm)置于上述试验小磨中粉磨t分钟,测定其比表面积并以其除以标准砂的比表面积所得的商即为该物料的相对易磨性系数。
  易磨性系数与物料的结构有很大关系,即使是同一种物料,它们的易磨性系数也不尽相同。如结构致密、结晶好的石灰石,其易磨性系数就小,难磨。熟料的易磨性与其各矿物组成的含量、冷却环境有关。实践表明,熟料中KH和P值高、C3S量多、C4AF少、冷却得快,其质地较脆,则易磨性系数就大;如KH和P值较低、C2S和C4AF含量、经冷却缓慢或因还原气氛而结成大块的熟料必然致密,韧性大,易磨性系数小,很难磨。矿渣的易磨性系数相差也很大,刚出炉经水淬急冷处理的矿渣,疏松多孔,颗粒细小,其易磨性系数就大,约为1.2-1.3;如出炉矿渣明显降温后再水淬,则结晶颗粒致密,比重大,其易磨性系数就小,约为0.7-0.9,很难磨。
3.1.4粉磨工艺流程
  不考虑磨前的预粉碎,粉磨工艺流程可分为开路流程和闭路流程(简称开流和圈流)。在相同条件下,后者的产量比前者约高20~30%;实行新标准后,要求水泥出磨的筛余大大降低,圈流粉磨的水泥也要求较高的比表面积和合理的颗粒级配,因此,开流粉磨的水泥早期强度高的优势已经不很明显了,所以,建议有条件的水泥厂,尽量采用圈流粉磨的工艺流程,这样既可以避免开流粉磨的过粉磨现象,又能保证磨机的节能高产。
  过去对圈流粉磨的工艺控制,常采用“循环负荷率”和“选粉效率”两个技术参数来实现。实践证明,在出磨细度和成品细度基本不变的情况下,采用出磨细度和回粉细度来调控圈流粉磨系统,更为快捷、方便。
3.1.5对粉磨成品的比表面积要求
  不论是生料粉磨,还是水泥粉磨,成品的细度不同,对粉磨过程的产质量影响都很大。我们通过生产实践统计、试验、归纳和计算,得到了粉磨产品比表面积与磨机产量的经验计算公式:
QB=QA(FA/FB)X
式中QA 球磨机原来的产量,t/h
FA 原来粉磨产品的比表面积,m2/kg
QB 球磨机改变比表面积后的产量,t/h
FB 后来粉磨产品的比表面积m2/kg
X 产量变化系数1.1-1.6(平均1.35)
按此公式计算,磨机产品比表面积为300m2/kg时产量若为10 t/h,如果将产品比表面积提高到350m2/kg,则磨机产量将降低至8.1 t/h。
3.2影响磨机产质量的机械因素
3.2.1磨机筒体内的通风
  磨机内部通风状况的好坏,直接影响到粉磨效率的发挥,这是开流磨及采取自然拔风的磨机比较普遍存在的问题。当物料水分偏大而磨机通风不良时,磨内水蒸汽排放困难,不仅潮湿细粉粘附堵篦缝,降低了单位时间内物料的通过量及流速。同时,这些研磨体在研磨物料时由于静电原因还会在衬板工作表面附着形成“缓冲垫层”,从而导致研磨体对物料的冲击破碎功能大大减弱。当衬板表层粘附细粉厚度达1mm时,能使研磨体对物料的冲击力减至无料时的三分之一,进而导致磨机产量下降,粉磨电耗上升。比较简捷的解决办法是在 磨尾拔气筒上部增设轴流风机,同时对磨机回转筛、出料溜槽等部位进行密闭堵漏,防止因漏风而造成磨机通风短路。这样磨机内部通风顺畅,也彻底解决了磨头冒灰的问题。
磨内通风良好有利于降低磨内温度、排出水分、减少过粉磨现象和提高粉磨效率。经验证明,圈流粉磨的球磨机,磨内风速应保持在0.8-1.0m/s左右,而开流粉磨时应控制在1.0-1.2m/s左右,这样才能适应磨机节能高产的要求。我们也可以按磨机实际产量来进行通风机的选型,经验公式如下:
Q=400G
式中Q为球磨机通风量,m3/h
G为球磨机产量, t/h
400为经验系数。
3.2.2磨内结构
磨内结构是指磨机筒体内的衬板、篦板、隔仓板和进、出料装置等。
  磨机衬板主要是用来保护筒体,避免研磨体和物料对筒体的直接冲击和摩擦的,其次是可以用不同型式的衬板来调整各仓内研磨体的运动状态。物料在被粉磨过程中,由于第一仓物料粒度较大,要求研磨体以冲击作用为主,研磨体应呈抛落状态;而细磨仓物料较小,为使产品达到要求的粉磨细度,要求研磨体以研磨为主,研磨体应呈倾泻状态。研磨体的抛落状态或倾泻状态取决于磨机不同的转速,但磨机只有一个固定转速,这就与研磨体要求的运动状态发生了矛盾,为解决这个矛盾,就可以利用不同表面形状的衬板(如平衬板、压条板、突棱波形衬板、阶梯衬板、螺旋衬板、沟糟衬板等),使与研磨体具有不同的摩擦系数来改变研磨体的运动形态,以适应物料粉磨过程的要求,从而提高粉磨效率。
  磨机隔仓板的作用是:⑴将研磨体分隔开。在粉磨过程中,物料的粒径向磨尾的方向减少,对研磨体的运动状态的要求也由开始的以冲击作用为主而逐渐变为以研磨作用为主,使用隔仓板就可以将冲击作用为主的研磨体(如较大的钢球)和以研磨为主的研磨体(如钢段和小钢球)进行分级。同时也可以将以冲击作用为主的研磨体根据其冲击作用的大小而进行粗略的分级(如三仓磨的一、二仓);⑵防止大颗粒物料窜向出料端,隔仓板对物料有筛分作用,只允许小于筛孔的物料通过,防止过大颗粒进入冲击力较弱的区域;⑶控制磨内物料的流速,隔仓板上筛孔的数量、大小、排列方式都可以影响物料的通过能力;⑷能控制和改善磨机通风状况,因此也就决定了磨内物料的充填程度,控制了物料在磨内经受的粉磨时间,可起到统一产量和质量、稳定磨机正常生产的作用。
  目前立窑水泥企业使用规格为φ2.2m及其以下的球磨机,尽管磨机是新购置的,但制造磨机所使用的图纸,还在沿用二十世纪五、六十年代的设计资料。如:进料口为90°的直角进料、磨头进料螺旋叶片角度为37°、隔仓板位置和衬板形式等一律照旧。因此,出现进料口有物料滞留区、进料速度慢、影响通风面积、对预粉碎后的物料各仓位产生粉磨不均衡、粉磨效率低等现象,限制了球磨机的优质、节能、高产。进行适当的磨机结构调整,无疑是十分必要的。
3.2.3合理调整研磨体装载量与级配
  由于粉磨工艺条件的变化,传统的填充率设计和配球方法已很难适应目前磨机节能高产的需要。必须根据实际的入磨物料粒度、易磨性系数(或相对易磨性系数)、衬板及隔仓板的形式、安装位置、磨机功率、转速等,进行必要的各仓位研磨体动态试验、计算确定。
①研磨体装载量
  磨机内研磨体(钢球、钢段)的装载量一般根据磨机的有效直径、有效长度、填充系数和研磨体的比重等计算确定,较麻烦。现特推荐一个由黄有丰教授提出并经生产实践检验可使用的筒易公式:
研磨体装载量G=D2L t
式中:D为磨机的有效直径 m;
L为磨机的有效长度 m。
另还可根据研磨体装载量的吨数大致确定应配多大功率的电机。即1吨研磨体量要求配备约10-12kW的电机功率。
研磨体的级配与入磨物料的粒度有着直接的关系,入磨物料的粒度一旦有变化,研磨体的级配则应作相应的调整。
磨机填充率(系数)
  装入磨内研磨体之容积占磨机有效容积的百分比称为磨机的填充系数,又称填充率。它是反映磨内研磨体装载量多少的一种常用表示方法。其值与磨机的结构、转速、粉磨形式、粗或细粉磨以及研磨体材质等因素有关。管磨机和球磨机较低,一般为0.40以下。
  关于磨机各仓的填充率(系数)对磨机产量的影响己有许多文章、专著介绍,恕不在此赘述。但对每一台磨机而言,在工艺条件相对稳定的情况下,都存在有一个最佳的填充率,此时产量最高而电耗又最低。我国设计的中小型磨机,产品说明书中给定的填充率取值偏低,包括研磨体级配基本不适用,而配套的电机又有较多的富余。
  在粉磨容积不变的情况下,适当提高填充率(研磨体装载量),增大研磨体对物料的粉磨概率,不失为磨机高产、稳产的有效方法。但相同规格的磨机因采用不同的粉磨工艺流程,其填充率也不同。如开流磨,为必须达到和稳定出磨产品的细度指标,故Ⅱ仓(细磨仓)的填充率应大于Ⅰ仓(粗磨仓)1-4%,以使物料在磨内流速不致太快;而圈流粉磨工艺则为发挥选粉设备对出磨物料的分级作用而要求物料在磨内流速必须加快,此时Ⅱ仓(细磨仓)的填充率应小于Ⅰ仓(粗磨仓)。如为了提高水泥粉的比表面积,有意识地加大Ⅱ仓(细磨仓)的填充率,则是例外。
③研磨体级配
  为了使磨机的粉磨效率提高,不仅要考虑研磨体的装载量,而且还必须确定用那几种规格的研磨体及它们的用量,即研磨体的级配。
  磨机在进行粉磨时,物料一方面受到研磨体的冲击作用,另一方面也受到研磨体的研磨作用。显然,在单位时间内,研磨体与物料接触点越多,粉磨越容易完成。当磨机装载量一定时,要增加物料与研磨体的接触,则研磨体的尺寸越小越好。但另一方面,要想将较大物料块击碎,则研磨体必须有足够的冲击能力才行。磨机的任务是既要保证对较大的料块进行破碎,而又要将物料研磨到一定的细度,因此,在其它条件一定的情况下(如磨机各仓长度、入磨物料粒度等),这个任务只有通过选择大小适合的研磨体和将它们合理配比才能完成。
4球磨机优质节能高产的主要途径
  实践证明:“磨前增加预粉碎工艺、磨内进行结构改进、磨后选择高效选粉机”是实现球磨机优质、节能、高产的主要途径。其中磨前细碎是“前提”,磨内改造是“根本”,磨后优选是“保证”。
4.1预粉碎工艺
4.1.1预粉碎设备
球磨机是一种能量利用率较低的粉磨设备,尤其是研磨体以抛落状态为主的Ⅰ仓。用能量利用率较高的其它粉碎设备,来代替球磨机Ⅰ仓的工作,对磨机的优质节能高产是非常有效的。近十几年来,国外许多先进的装备技术被国内引进、消化、吸收,国产预粉碎设备出现一个新的制造高潮。先后用于立窑水泥企业的有:细碎颚式破碎机(PEX)、立轴反击式破碎机(PCXL)、高细锤式破碎机(PCX)、立式冲击式破碎机(PLJ)、筛分滚压破碎机(SCP)、喷射式破碎机(PSL)等等。选择细碎破碎机时,首先要看它的结构、工作原理是否先进?物料进入破碎机后,运动轨迹是否合理?能否在破碎腔内实现多功能复合粉碎?然后,还必须考虑其单产电耗是否经济?金属消耗量是否较低?环保指标能否达标?总之一句话,要使生产可靠性与技术先进性较好地统一起来。此外,挤压机(辊压机)、立式磨、棒磨机也都可以作为预粉碎设备,效果都很好。
4.1.2预粉碎工艺流程
  根据预粉碎物料的情况来分,工艺流程可分为:单物料预粉碎和配合料预粉碎。前者是单一的减小某种物料的粒度;而后者不仅减小了物料粒度,而且使配合料的各组分进一步混合均化,有利于粉磨产品的优质高产。
  无论是单物料还是配合料的预粉碎,都可以分为开路和闭路两种流程。与普通粉磨工艺一样,开路流程简单,一次性投资省,但产品粒度波动大,对球磨机节能高产幅度有一定限制,使隔仓板的位置及研磨体的级配不可能始终处于十分合理的状态;而闭路流程较复杂,设备投资较多,但产品粒度均齐,细度容易调节、控制,更有利于研磨体的级配优化和球磨机的优质、节能、高产。采用挤压机(辊压机)作预粉碎设备时,选择闭路流程更为重要。因为,国产挤压机出料中未被真正挤压的漏料,约占总量的15%左右。这些漏料与挤压机真正产品料饼的物理性能(粒度、易磨性等)差异很大,对球磨机的产、质量有明显影响。所以,选用打散分级机与挤压机组成预粉碎闭路流程十分必要。打散分级机可以将挤压机的漏料和粒度不合格的粗料选出,待其返回挤压机喂料仓后,既解决了挤压机的边缘效应(漏料)的负面影响,又缓解了挤压机过饱和喂料的需求;同时,依靠打散分级机对预粉碎产品的把关,挤压机可以采用“低压大循环”的运行机制,以减轻辊面磨损、提高安全运转率、延长设备使用寿命。
4.1.3球磨机工艺参数调整
当球磨机粉磨系统增加预粉碎工艺后,必须及时调节粉磨工艺参数。
  ①钢球级配:在维持装载量不变的情况下,要降低各仓的平均球径。Ⅰ仓以60±5mm为宜。如果入磨物料粒度均齐,则应将大规格的钢球拣出;如果入磨物料粒度不均齐,则也应减少大球,增补相同装载量的小球。
  ②隔仓板位置:入磨物料粒度减小后,粉磨所需要的破碎能力与空间相应减小,因此根据磨内筛析曲线,适当向磨头方向移动隔仓板位置,有利于保持粉磨速度的均衡和仓位的匹配。
  ③圈流磨出磨物料细度:入磨物料经过预粉碎后,不仅粒度减小,而且易磨性也不同程度地得到了改善,导致出磨物料中的细粉更细且含量更多。为此,应将出磨物料细度指标(筛余),由原来的R0.08=40±3%调整到R0.08=30±3%。
  ④系统循环负荷率:增加预粉碎工艺的圈流粉磨系统,应选择高效选粉机来完成产品分级任务,尽量减少粗粉回料量,增加成品细粉量。系统循环负荷率应控制在100%以下,以较高的选粉效率实现球磨机的优质节能高产。
4.2磨机内部结构的改进
  球磨机的机型、直径、长度、转速、内部结构和研磨体选择都应根据物料特性来确定,最好事先通过模拟试验找出最佳参数。对现有设备,由于机型、规格已经确定,可供优化选择的除改变物料品种、粒度、水分外,主要是内部结构和研磨体等的优化,控制合适的物料流速。
4.2.1加强磨内通风
  磨内通风对产质量都有明显影响,通风好,不仅可将细粉及时排出磨机,以免形成过粉磨,而且还可以带走粉磨热量,降低磨内温度,减少石膏脱水和尾仓糊球堵篦。一般圈流磨内风速为0.8-1.0m/s,而开流磨由于磨内温度高,风速要比圈流磨的高些。有些厂采用的是90年代以前设计的球磨机,在结构上一般都存在风路不畅的问题,可以通过在进料口处开通风口、进料口螺旋的改进、下料溜子作成阶梯形、放大隔仓板和出料篦板的中心孔以及卸料口加强锁风等措施加以改进,不仅解决了堵料现象,而且加大了通风面积。
4.2.2隔仓板和出料篦板
早期设计的隔仓板及出料篦板,只是为了按功能划分仓室、隔离大小钢球和阻挡研磨体不被排出,而今则具有控制物料流速、平衡首尾仓的粉磨能力、提高料球比和防止反分级的作用,由此增大了研磨体动能的有效利用,从而提高了产量。对老式球磨机便可按物料特性选择带筛分功能的隔仓板和出料篦板。筛分隔仓板是一种能对通过隔仓板的物料进行粗细分级的新型隔仓板,其主要作用是对进入细磨仓的物料进行筛分,阻止粗颗粒进入细磨仓,为细磨仓使用比表面积大、粉磨效率高的微型研磨体创造了条件,即新型隔仓板不仅增加了控制料流及平衡各仓粉碎能力的功能,而且可以实现粗细颗粒的分级和强制提升物料的作用,使较细的物料及早进入细磨仓进行粉磨。
4.2.3活化装置
  为充分发挥磨机的粉磨潜力,磨内还可增设活化装置,为微介质创造三维的运动条件,强化研磨能力,使研磨体的动能得以更充分利用,从而使粉磨效率大幅度地提高。活化装置的主要结构是在磨机衬板上安装与磨机轴向成一定角度的梯形装置,其高度约为磨机筒体直径的20-30%,厚度为40mm左右,宽度同衬板宽度。视产品的不同要求,沿磨机轴向安装2-5道,纵向与磨机衬板每隔一块安装一块。由于活化装置的作用,研磨体在磨内除沿着磨机衬板作圆周运动外,还作轴向运动。与此同时,离筒体衬板较远的研磨体因磨机衬板不能有效带动而运动程度减弱的滞留区因活化装置的作用可得到消除。
4.2.4衬板
  衬板除起防护作用外主要是用来调节研磨体的动态分布和运动轨迹,它的形式要与磨机转速、物料特性相匹配。各种新型衬板的使用,对研磨体运动状态的调节以及对物料的适应性都有了较大的改善。磨机尾仓选用双曲面衬板,在轴向和圆周方向均有倾斜曲面,不仅能够增加钢球的横向分级,还能提高钢段、钢球的研磨效率。
分级衬板可使磨机内研磨体实现分级,形成大球打大料、小球打小料的理想状态。
  球磨机工况的最佳化,即是指磨内对物料的破碎能力与研磨能力相匹配与平衡。其关键在于磨内研磨体的填充率与级配。传统的球磨机工艺参数,都是以当时的机、电条件和粉磨理论为依据而确定的。如今进相机、变频调速器的使用和大型滚动轴承代替轴瓦,生产实践早已突破了传统的工艺规范:磨内填充率由29-31%提高到36-40%,磨机转速也提高了5-10%,有的甚至接近临界转速,研磨体装载量也相应增加等等,磨机优质、节能、高产十分明显。
4.2.5适当加快磨机转速
  适当提高转速对直径较小的磨机比较有效,因为这些磨机由于直径小,钢球的冲击力不强,加快转速后可强化磨机的粉碎能力,这是因为:①加快转速就是增加了磨内每个研磨介质的冲击次数。②使磨内研磨介质之间、研磨介质与衬板之间的摩擦、研磨作用加强。

4.3圈流粉磨与高效选粉机
  圈流粉磨工艺是球磨机优质、节高产的重要途径。与之配套的选粉机也因技术进步的需要,由传统的第一代离心式选粉机、第二代旋风式选粉机发展到第三代笼式高效选粉机。
通过对粉磨方法及粉磨工艺的研究可知,调节选粉机产品的粒度分布可以提高水泥的强度,而不一定要由提高粉磨细度来实现这个目的。因此通过对水泥细度与产品质量关系的研究及选择性能更为优越的选粉机,可以探索更节能的粉磨方法。
4.3.1圈流粉磨工艺
  圈流粉磨系统是利用选粉机将粉磨后的合格细粉分选出来,不合格的粗粉返回磨机重新粉磨,来进行粉磨作业的。在我国常用“循环负荷率”和“选粉效率”这两个技术参数来调控圈流粉磨系统的工况。“循环负荷率”是指选粉机的回料量(粗粉)与成品量(细粉)之比;“选粉效率”是指选粉机选取的成品量与选粉机喂料中的细粉量之比;它们都可以用出磨物料细度、回料细度、成品细度的筛余检测值,计算而得:

K=T/Q=(A-C)/(B-A)
E=[(100-C)/(100-A)][1/(1+K)]
式中 K 循环负荷率,%
T 选粉机回料量,t/h
Q 选粉机成品量,t/h
E 选粉效率,%
A 选粉机喂料(出磨物料)细度,R0.08%
B 选粉机回料细度,R0.08%
C 选粉机成品细度,R0.08%
从以上公式分析可得:
①当出磨物料细度A和选粉机成品细度C基本不变时,循环负荷率K越高,则选粉效率E越低;
②当出磨物料细度A和选粉机成品细度C基本不变时,选粉机回料细度B越大,则循环负荷率K越小,选粉效率E越高。
因此,在圈流粉磨工艺中,可以利用此结论,来调控系统工况和评价选粉机工作性能的优劣。即:维持出磨物料细度A和选粉机成品细度C基本不变,如果回料细度(筛余)越大,说明选粉机选粉效率越高,分级性能越好;反之如回料细度越小,则选粉效率越低。
4.3.2选粉机的结构优化
选粉机的关键技术是“分散”、“分级”和“收集”。“分散”是指进入选粉机的物料要尽可能地抛撒开来,物料颗粒之间要形成一定的空间距离。因此,撒料盘的结构、转速、撒料空间大小、物料水分及物料流量都直接影响着布料的分散率;“分级”是指物料分散后,在选粉室停留的有限时间内,要充分利用气流各种形式的分选功能,把物料的粗、细颗粒尽可能地分开,并送至各自的出口。因此,气体流量、气流速度、气流方式、气固交汇点和流场分布以及选粉室数量、结构等对分级效率影响很大;“收集”是捕捉粗粉和细粉的能力,这与收集方式和收集部件的结构形式有关。
  1979年日本小野田公司开发了O-Sepa选粉机,它不仅保留了旋风选粉机外循环的优点,而且采用笼型转子平面螺旋气流选粉原理,从而大幅度提高了选粉效率。以它为代表的笼式选粉机称之为高效选粉机,也被称为继离心式选粉机、旋风式选粉机之后的第三代选粉机。它的选粉效率一般在80%以上,但它不带细粉收集装置,需要配备处理风量较大的袋收尘器或电收尘器,这增加了设备投资和工艺布置复杂的程度,在一定程度上限制了它的推广和应用。转子式旋风选粉机也简称为转子式选粉机。它是上世纪90年代,将笼型转子选粉原理嫁接于旋风选粉机而形成的一种实用于立窑水泥厂的中、小型高效选粉机。针对“分散”、“分级”和“收集”三个关键技术,它在结构上比旋风式选粉机有了突破性的改进。
①采用高抛撒能力的撒料盘,使物料分散均匀、充分。主轴传动选用了调速电机,可改变撒料盘转速,调节产品细度更加方便。
  ②在撒料盘上方增加了一个笼形转子,其倒锥形的表面旋转产生的旋流及切向剪力,强化和稳定了离心力分级力场,增大了分散能力和提高了分级效率。
  ③采用高效低阻的旋风筒收集细粉,增大了进风涡旋角,延长了含尘气流在旋风筒内的停留时间,从而提高了各级细粉和超细粉的收集量。
  转子式旋风选粉机在一台设备中,串联上、中、下三个选粉室,根据物料在选粉过程中的粗、细粉比例变化,合理安排分级气流的方向、速度和流量,将涡流分级、惯性分级、离心分级等科学地组合于一体,更加适应新标准下的粉磨工艺要求,给球磨机优质、节能、高产提供了有效手段。
  盐城科行建材环保有限公司在选粉机进风管道上增设一旁路支凤管作为二次风管,并设置一机外调节的调节风阀,二次风气流切向进入选粉室内,再次进行分级,在风机风量不变的情况下,对产品细度的控制更加灵活方便,相同细度时,比表面积可提高30-40m2/kg,成品的颗粒组成得到改善,水泥早期强度也有所提高。
4.3.3新型圈流粉磨系统
  借鉴圈流粉磨工艺特点,合肥水泥研究设计院于前年开始研究用开流高细高产磨和高效选粉机组成新型的圈流粉磨系统,经生产实践表明,效果十分显著,其增产节能可比开流粉磨系统和普通圈流粉磨系统提高30-80%,为水泥厂的粉磨增产节能提供了新的技术途径
4.3.4开流改圈流粉磨后的工艺调整
开流改为圈流粉磨后应作必要的工艺调整,主要有:
①钢球级配。一仓钢球平均球径要适当增大。
②隔仓板的篦孔孔隙尺寸应适当地放大,以增加物料在磨内的流动速度。
③加大磨头中空轴的喂料绞刀,以增加喂料量。
 ④细度控制,生料磨可适当放宽,80μm孔筛余可控制在10%以下。水泥磨细度要提高,比原开流粉磨时要细2-3%左右,以确保水泥的强度。

4.4合理调整研磨体级配
4.4.1研磨体合理调整的依据
研磨体的合理调整,主要根据被粉磨物料的物理化学性能、粉磨方式以及要求的产品细度等因素来确定。筛余曲线分析又是判断研磨体级配是否合理的有效手段。研磨体合理调整的依据:
①入磨物料粒度
  在钢球装载量一定时,小钢球比大钢球的总表面积大,与物料接触的机会多,而单个大钢球的能量大,冲击粉碎大。被粉磨的物料平均粒度大、硬度大时,选用钢球的平均球径应当大些,反之应小些。磨机直径小的,钢球平均球径也小些。另外生料磨比水泥磨的钢球平均球径要大些。
②入磨物料的易磨性
入磨物料的易磨性好,可选用小钢球;易磨性差,则必须选用大钢球。
③磨内单位容积物料通过量
  选用钢球直径大小还与磨内单位容积物料通过量有一定的关系。闭路粉磨时,选粉机的回磨粗粉使磨内单位容积物料通过量增加,使钢球在冲击时受到一定的缓冲作用,循环回料量多,因此钢球的直径要选用得大些,反之则小。
④出磨物料的细度要求
对出磨物料的细度要求较细时,应适当选用小钢球,反之则大。
⑤单仓磨一般都用钢球而不用钢段;二仓磨一般前仓用钢球,后仓用钢段。
⑥研磨体必须大小搭配,钢球的规格通常用3-5级,钢段一般用2-5级。
⑦各级钢球的比例可按两头小,中间大的原则配合,用两种钢段时,各占一半即可。
⑧在满足物料粒度要求的前提下,平均粒径应竟尽可能小些,以增加接触面积和单位时间的冲击次数,钢段的直径与长度比要小些,因为径向磨损快,钢段长度与直径之差以5mm为宜。
4.4.3合理调整回粉率和钢段级配
  一般在闭路粉磨中,为了减少过粉磨现象,往往填充率I仓高于Ⅱ仓,使物料在磨内流速加快,适当提高回粉率。回粉率为100-150%时,往往台时产量最高。回粉率过高,虽然细度合格,但比表面积降低。这次改动时将Ⅱ仓的填充率高于Ⅰ仓,并适当降低钢球平均球径和钢段直径,减慢磨内流速,同时调整选粉机大、小风叶数量,从而降低了回粉率。仍以上述的水泥磨为例,在台时产量和筛余值不变的情况下,仅仅调整钢段级配和选粉机的回粉率,即能明显提高了水泥比表面积和早期强度。
生产过程中,随着钢球、钢段的磨损,填充率降低,首先观察到的不是台时产量的下降,而是回粉率的提高、水泥比表面积的减小、水泥3d抗压强度的下降。当回粉率太高以后,会引起饱磨,此时才导致台时产量的下降。所以,必须根据回粉率的多少、比表面积的大小来确定是否补充研磨体。一旦台时产量下降很多,则应倒仓重新进行研磨体级配。
4.4.4水泥细磨仓的研磨体
  研磨体是磨机优化的主要措施之一。目前国外水泥磨机在细磨仓趋向于使用小钢球代替钢段,因为使用钢段的能耗较高,一般约高20-30%。优质小钢球的磨耗比钢段小得多,钢球磨出的水泥颗粒形貌多呈球形,又比钢段磨出的要好。但使用钢段也有好的方面,如物料流速较快、能防止水泥在磨内结团。
   近年来,对于水泥细磨仓的研磨体究竟采用钢段还是采用钢球好,已有不少文章发表。有的主张用钢段,有的主张用钢球。对此不能一概而论,应从粉磨角度进行具体分析。
  磨机的粉磨功能总体上包括破碎与研磨两个部分,磨机工况的最优化即是使破碎与研磨能力达到平衡,从而提高粉磨效率,此时产量与成品细度均在较好水平,这也是解决粉磨问题的最基本原则。正确分析不同工况下破碎与研磨能力的匹配情况,才是决定细磨仓的研磨体采用钢段还是采用钢球的判断依据。
①球与段的研磨功能差异
  磨机各仓实际上都具有破碎及研磨功能,只是主次及程度不同而已。细磨仓的主要功能是研磨,而小钢球与小钢段的研磨能力是不同的。物料填充在研磨介质之间,研磨效率的高低主要取决于研磨介质与物料之间的接触表面积。若接触表面积大,则研磨机会多,单位时间内的成品生成率就高。等质量的球与段相比,由于段的线接触方式,从而明显比球具有更高的接触表面积。对于单仓而言,同样的研磨体装载量和同样的喂入细料量,单位时间内钢段仓的成品生成量比钢球仓要高,这是粉磨理论及应用实践所证明了的。需要指出的是,目前细磨仓的研磨介质尺寸相对物料而言都太大,这里有篦缝宽度限制等原因。丹麦的康必登磨和我国开发的高细磨都较好地解决了这一问题,在细磨仓成功地应用了微细钢段,显著地提高了研磨效率。当然采用高效能的筛分隔仓板及磨尾回段装置是成功的关键。因此应当明确,对于细磨和超细磨,段比球的研磨效率要高。

②细磨仓选用小钢球的必要充分条件
a.圈流粉磨
  开流粉磨,磨机内物料一次性通过,出磨料即为成品,因此对研磨的能力要求较高。圈流粉磨则需保证一定的物料循环量,无论采用离心或高效选粉机,磨尾卸料的细度筛余(80μm)一般控制在30-40%,所以对研磨能力的要求相对低于开流磨。为保证成品细度,开流磨的细磨仓一般应采用钢段。圈流磨的细磨仓可采用小钢球,一方面可加快物料流速,增加通过量;另一方面入细磨仓的物料筛余(200μm)要比开流磨高,对保证有一定的小钢球冲击有好处。但这是总的选择原则,还视具体工况而定。
b.预粉碎
  磨前的预粉碎有一级或多级和开流或圈流,它决定了入磨物料的粒度。目前高效细碎机、辊压机等可明显降低入磨粒度,甚至80%左右的物料在2mm以下,这实际上已完成了磨机Ⅰ仓的大部分功能,缓解了磨机的负担。预破碎效果好,则钢球的平均球径可下降,研磨功能增强,进入细磨仓的物料筛余降低,从而细磨仓的研磨负担减轻。若入料粒度稳定在很好的水平上,则开流磨的细磨仓也可采用小钢球,既能保证细度,又提高了产量。相反,若预粉碎环节很差,磨机Ⅰ仓完全成了破碎仓,则细磨仓的研磨负担加重,即使圈流磨也不能轻易使用小钢球。尽管调节选粉机能控制细度,但可能因研磨能力不足而无形中牺牲了产量。
c.磨机长度
  这主要针对开流磨而言。目前水泥厂使用十几米开流长磨的为数不少,一般分三至四仓。磨机长度决定了物料的粉磨路径即粉磨时间的长短,长磨机内物料的有效粉磨时间自然要长。况且较双仓短磨,长磨机的合理多仓使粉磨功能更加明确,研磨体级配易于合理,粉磨效率大为提高。由于细磨仓的负担减轻,对研磨要求降低。若预破碎好,则采用小钢球为宜。如此时再使用钢段,一方面会减缓物料流速,降低产量;另一方面容易造成过粉磨现象,产生糊段及逆粉碎效应,反而降低研磨效率。而开流短磨一般首选钢段。
d.仓长比例
  这主要针对圈流磨而言。目前双仓圈流磨的Ⅰ、Ⅱ仓长度各厂并非完全相同。有比例为1:2的,也有接近1:1的。1:2的比例为正常范围,此时Ⅱ仓选用小钢球比较合适。若两仓长度相近,则易造成Ⅰ仓粗磨能力过剩而Ⅱ仓细磨能力不足。Ⅰ仓的钢球级配不可能过多,这就制约了其研磨能力,此时Ⅱ仓的研磨负担加重。若再使用小钢球,则Ⅱ仓在相对减少的粉磨容积中难以完成所需的研磨任务,最后导致产量下降。出现这种情况,应在Ⅱ仓中换上钢段,同时加强预粉碎,尽可能降低Ⅰ仓的钢球直径。必要时根据磨内筛余曲线分析,调整隔仓板的位置,挪动一块或半块衬板的距离,加强Ⅱ仓的研磨。对细度要求高的水泥,应多选用小钢段。
e.粉磨水泥的品种
  这主要针对水泥而言。水泥的品种不同,则对粉磨的细度要求也不同。兹举两种:快硬(或超细)水泥和多混合材掺量水泥。前者要求水泥水化快、早强高。除矿物组成有要求外,对水泥的细度控制也很严格。这也对磨机的粉磨提出了更高要求。此时无论开流长磨还是圈流磨都应考虑在细磨仓使用小钢段,而对钢球的使用一定要慎重。从目前的应用实践看,用钢段磨制的超细水泥效果较好。对于第二种水泥,为降低生产成本,工厂尽可能地多掺混合材,矿渣甚至达到40-50%的比例。矿渣的易磨性差,因此已有采用单独粉磨的工艺。对于共同粉磨时,磨机的研磨功能必须很强。若掺量很高,则喂料中细矿渣及循环回磨的细料之和比例很高,而粗磨仓对这些料的研磨作用有限,主要在细磨仓中完成。很明显细磨仓应优先使用小钢段,否则即使高效选粉机也难以提高产量,因为磨机研磨能力不足,磨尾卸料中成品量有限,若再提高磨机循环负荷,则磨机更适应不了。
f.水泥颗粒的球形化
如前所述,水泥颗粒的球形化程度越高,则水泥的强度越高。随着水泥新标准的实施,对强度尤其是早期强度的要求更高。为此应创造条件,在水泥磨的细磨仓提倡使用小钢球。
4.4.5研磨体的合理补充
确定研磨体补充量的方法一般为:
①用单位产品的研磨体磨损量(同类研磨体年耗量/磨机年产量)乘以磨机阶段产量;
②用单位时间的研磨体磨损量(同类研磨体年耗量/磨机年运转时间)乘以磨机阶段运转时间;
  ③在必要的空磨后停磨,测量磨内球(段)面距磨机中心线的高度除以磨机有效内径可简易算得当时的填充率,与原配球时填充率对比,计算补球量。
  此外还有根据空磨时的主电动机电流表值与经验值比较确定研磨体补充量等多种方法。以上的各种方法事实上都有一定的局限性,这是因为磨机的运转过程是一个不断变化的复杂过程,影响因素很多,容易出现判断失误而造成盲目补球,反而影响磨机的产量。因此,管理较好的水泥企业是采用定期清仓的传统办法。
4.4.6研磨体填充率和级配合理与否的判断依据和方法
  研磨体装载量和级配虽有些公式可以参考,但一般还是靠经验调配。钢球级配还是以多级配球较多,在使用分级衬板时,磨仓长度各点处的物料平均粒径是逐渐降低的,钢球在各点处的平均球径也应该是逐渐降低,两条曲线的走势应该是一致的。调整钢球级配时要考虑到钢球尺寸的减小并不是一致的。例如有文献介绍,通过试验和计算得出,当90mm的钢球磨损至80mm时,80mm的钢球变为71.11mm,70mm的钢球变为63.20mm,60mm的钢球变为56.20mm。显然,若只补大球,则平均球径必然有变大的趋势。
研磨体装载量和级配是否合理,可通过下述四种方法在生产实践中进行检验和调整。
a.当磨机出现产量低、产品细度粗时,说明研磨体装载量不足或研磨体磨耗太大,此时应添加研磨体。
  b.当磨机出现产量高、产品细度粗时,说明磨内研磨体的冲击力太强,研磨能力不足,物料的流速过快所致。此时应适当减少大球,增加小球和钢段以提高研磨能力,同时减少研磨体之间的空隙,使物料在磨内的流速减慢,延长物料在磨内的停留时间,以便得到充分的研磨。
  c.如磨机出现产量低、产品细度细时,其原因可能是:小钢球太多,大钢球太少,致使磨内冲击破碎作用减弱,而相对研磨能力增强。
d.若磨机产量高、产品细度又细时,说明研磨体的装载量和级配都是合理的。
②根据磨音判断
  在正常喂料的情况下,一仓钢球的冲击较强,有哗哗的声音。若第一仓钢球的冲击声音特别洪亮时,说明第一仓钢球的平均球径过大或填充率较大,若声音发闷,说明第一仓钢球的平均球径过小或填充率过低了,此时应提高钢球的平均球径和填充率,第二仓正常时应能听到研磨体的唰唰声。
③检查磨内物料情况
  在磨机正常运转、正常喂料的情况下,根据生产经验,球仓中的钢球应露出半个钢球于料面上。如钢球外露太多,说明装载量偏多或钢球平均球径太大;反之,说明装载量偏少或钢球平均球径太小。在细磨仓,研磨体应以覆盖着10-20mm的薄料层为宜。若盖料过厚,说明研磨体装载量不足或研磨体尺寸太小。
④根据筛析曲线判断
  研磨体级配合理、操作良好的磨机,其筛析曲线的变化应当是:在第一仓比较陡,靠近卸料端应平滑下降。如曲线中出现斜度不大或有较长的一段接近水平线,则表明磨机的作业情况不良,物料在这一段较长距离过程中细度变化不大。其原因可能是研磨体的级配、装载量和平均球径大小等不合适,应适当改变研磨体级配或清仓剔除碎、小球段;如果隔仓板前后的筛余百分数相差很大,说明两仓能力不平衡,此时应首先检查隔仓板篦孔宽度是否符合要求,若过宽且超过规定数值2mm以上时,即应更换或堵补;若有堵塞现象,应剔除堵物。也可能由于磨机各仓的长度比例不当,前后仓破碎与研磨能力不匹配。先调研磨体的级配、装载量和平均球径,若无效,则应改变仓的长度、比例。
4.4.7出磨物料中的“粒子”现象
  在磨机产量、质量正常时出磨物料中含有少量颗粒,如每班有10kg以下,则是正常现象。如粒子过多,则应分析原因并采取相应措施。其原因一般为:
  ①一仓冲击能力不够。解决的办法是向一仓加部分直径比较大的钢球一加Φ80或Φ90mm的钢球200-500kg即可,粒子多时加多些。
  ②一仓的填充系数较二仓大很多。一仓的填充系数较二仓大很多,使物料流速过快,料块来不及被击碎就进入了第二仓,未被充分破碎的颗粒就很多,这时,应考虑增加二仓的填充系数,如总装载量有限,则应适当减少一仓的球装载量,使一仓的填充系数降低,保持物料在磨内的流速适当。

③入磨物料水分太大。
④磨内通风不良。
⑤隔仓板篦缝太宽。
4.5助磨剂在水泥粉磨中的应用
  在粉磨过程中,加入少量的外加剂,以消除细粉粘附和聚集现象,加快物料的粉磨速度,提高粉磨效率,还能提高3-30μm含量10-20%,有利于球磨机优质、节能、高产。这类外加剂统称为“助磨剂”。使用助磨剂在大多数情况下能提高磨机产量,特别是水泥需要细磨的情况下更显重要。在国外助磨剂的应用十分普遍,95%的水泥磨机都使用助磨剂。在国内有些水泥厂,以前也使用过助磨剂,如:三乙醇胺、乙二醇、丙二醇、石油酸钠皂等一类化工厂下脚料,但由于来源短缺、价格增涨,渐渐停用。
  从外加剂作用机理看,我们可以把助磨剂分为两类:工艺型助磨剂和功能型助磨剂。工艺型助磨剂是降低物料表面能、减弱分子引力所产生的聚合作用、帮助外力作功时颗粒裂纹的加速扩展,从而提高粉磨效率和产品的比表面积,实现球磨机优质、节能、高产;功能型助磨剂则是利用化学物质特有的功能,激发材料活性、提高水泥强度、缩短凝结时间等实现磨机高产。因此,后者含有一部分碱性物质。在建筑施工中,如果再使用混凝土外加剂,容易产生不兼容现象,造成水泥制品、水泥构件质量下降,特别在钢筋锈蚀、混凝土开裂等方面,危害较为严重。
  由此可见,在使用助磨剂时,尽量选择工艺型助磨剂,如:HY-1高效水泥助磨剂等,该助磨剂是由石油精炼所得磺化芳烃的醇酸盐、植物油等原材料,经特殊工艺加工而成的中性物质,不含Cl-、K+、Na+等对混凝土耐久性不利的成分,掺量0.6~0.8%,提高产量10~30%,增加比表面积20~80 m2/kg。如果粉磨工艺不得不添加功能型助磨剂时,那么,就在小磨试验前、后,都应该请权威部门严格检验认定,方可投入批量使用。
使用助磨剂,可以获得比表面积较高的粉磨产品,并减少过粉磨现象。同时,物料在磨内的流速会加快,在磨内停留时间缩短,引起出磨细度(筛余)的变化。对于开流粉磨来说,必须调节磨内工况,适应粉磨产品的细度要求;对于圈流粉磨则要控制出磨细度(筛余)在正常范围之内,决不允许有筛余值逐渐增大的现象发生。否则,不仅磨机产量会降低,而且,还会引起循环负荷率增加、磨尾提升机过载、堵塞,甚至造成停产事故。总之,选择和使用助磨剂是一项科学严谨的技术工作,必须认真做到以下五点:
①考虑入磨物料性质,进行小磨比较试验:由助磨机理所决定,助磨剂对物料的适应性是各有差异的,要想得到最佳助磨效果,必须按要求的技术条件,先进行小磨试验,然后优选方案到大磨实施。
  ②注意粉磨工艺条件,选择不同种类的助磨剂:助磨剂有气、固、液三种状态、几十个品种;除了对物料适应性、助磨功能不同之外,对干法磨、湿法磨、开流磨、圈流磨、烘干磨等使用的要求都不完全一样,需要仔细试验、使用。
  ③使用助磨剂,应对下续作业无不良影响:在生料磨使用助磨剂时,要考虑对烧成工艺的影响;在水泥磨使用助磨剂时,要考虑对包装、散装工艺以及建筑施工、水泥制品构件质量的影响。
  ④要重视助磨剂来源和成本:助磨剂给用户带来的经济效益与其价位、市场供应有着密切关系,企业可通过综合评估、核算后,再进行优化选择。
 ⑤助磨剂必须满足环保要求:许多外加剂都是利用化工厂的下脚料配制的,经常残留着一些不利于环境保护的物质。在选用助磨剂时,不要被低价位所迷惑,必须保证使用的助磨剂不污染环境,不危害员工身体健康。
5水泥粉体状态与控制方法
  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。
水泥的粉体状态包括:磨细程度(细度和比表面积)、颗粒分布和颗粒形貌。
5.1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大问题:
① 当水泥磨得很细时,如小于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。
② 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。
③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,
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。
建议与国外一样,用45μm筛筛余进行内部质量控制。
5.2水泥的平均粒度
  在水泥粉磨过程中,不是单颗粒的粉碎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,所以采用“平均粒径”是另一种表示水泥细度的方法。它是描述水泥群体颗粒的一项指标,可用统计数学的方法求得,即将粒群分为若干个窄级别,任意一粒级的粒度为d,设该粒级的个数为n或占总粒群的质量比为w,再用加权平均法得总粒群的平均粒度。
  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。水泥工业常用的是中位径,即是对应粒度函数曲线50%处颗粒直径,用D50或Dmod表示。通常用筛分法求出各级粒径的累积百分数,然后在对数概率纸上用作图法很容易求出平均粒度。
  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)。
5.3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。其方法是根据一定量的空气透过含有一定孔隙率和设定厚度试样层时所受到的阻力,经计算而得。粉料越细,比表面积值越大,空气透过时的阻力也越大。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:
①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。
②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。
5.4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。
水泥颗粒级配的测定方法,上世纪80年代以前大多采用沉降法,由于它的测定时间长,精度低,比重不同的混合料不适应,所以80年代以后大多采用激光粒度分析仪测定水泥颗粒级配,这种方法测定时间短、精度高、适应性强,已被广泛采用。
表示水泥粒度分布,即水泥颗粒级配的方法有列表法、作图法、矩阵法和函数法。
5.5水泥颗粒形貌
  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。
  日本北村昌彦等试验研究表明,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%,配制砼的水灰比可降低6-8%,达到相同坍落度时的单位体积用水量可减少14-30%,减水剂掺量也减少三分之一,水泥早期水化热约降低25%。
  1999年黄有丰等将水泥圆度系数由0.47提高到0.73时,28d抗压强度可由49.8MPa提高到66.4MPa;2001年王昕等将水泥圆度系数由0.65提高到0.73时,28d和60d抗压强度提高值为6-10MPa。
6水泥粉体状态与水泥性能的关系
6.1磨制细度与磨机产量和水泥强度的关系
当筛余由8.5%降至2.4%时,28dISO强度由38.5MPa提高到58.2MPa,升了近两个强度等级,而磨机产量则由30t/h降至20t/h。
6.2水泥颗粒级配与水泥性能的关系
水泥颗粒级配对水泥性能产生的各种影响,主要是因为不同大小颗粒的水化速度不同。
中国建材科学研究院施娟英的测定结果是:0-10μm 颗粒,1d水化达75%,28d接近完全;10-30μm颗粒,7d水化接近一半;30-60μm颗粒, 28d水化接近一半;大于60μm颗粒,3个月水化还不到一半。
学者Meric认为,1μm以内的小颗粒,在加水拌和中就很快水化了,对强度作用影响很小,反而造成混凝土较大收缩。而一个 32μm的水泥颗粒加水拌和后一个月,只水化了 54%,水化深度才5.48μm,余留的熟料核只能起骨架作用,其潜在活性还没有充分发挥。
  对我国部分大、中、小型企业不同粉磨工艺情况下的实物水泥进行了颗粒级配测定后发现3-32μm颗粒含量偏少,3264μm颗粒含量偏多,因此大多数水泥企业都有提高水泥活性即强度的很大潜力。
6.3水泥粉体状态与混合材料掺加量的关系
  混合材料在水泥中主要起三个作用:活化效应,与混合材料的活性和细度有关;填料作用,与水泥水化产物结合在一起,起骨架作用;最紧密堆积效应,当混合材料的粒径很小如<5μm,可以明显提高水泥石的密实度,改善水泥混凝土的性能和提高强度。
如何提高水泥中混合材料的掺加量,其关键技术即是大幅度地提高水泥熟料和所掺用混合材的细度。
①提高熟料粉磨细度
  早在上世纪六十年代,中国建材科学研究院为了提高矿渣水泥的强度,将熟料比表面积磨制到450-550m2/kg,熟料颗粒<30μm含量达到 80%以上,在矿渣掺加量为35%和45%的条件下,可以生产出早期和后期强度都很高的矿渣水泥。上世纪70-80年代,中国建材科学研究院在研究沸石—石灰石水泥和粉煤灰—石灰石水泥中,将熟料比表面积磨制到400m2/kg,粒径<20μm的含量达60-70%时,混合材掺量为30%时,仍能生产出早期和后期强度都较高的优质水泥,获得了节能10%、增产水泥20%的效果。
②提高矿渣的细度
  1999年中国建材科学研究院在制订GB/T18046-2000“用于水泥和混凝土中的矿渣粉”国家标准的试验研究中发现,将矿渣细磨到400-600 m2/kg比表面积后,大量掺入到水泥中时,不但不降低水泥强度,反而能大幅度提高水泥强度。
③提高钢渣的细度
  众所周知,钢渣是一种活性不太高的混合材料,用它生产的钢渣水泥早期和后期强度都较低。近年来,中国建材科学研究院将钢渣细磨成钢渣粉,然后再与熟料粉制成水泥,试验结果表明钢渣粉磨得愈细,活性愈高;当钢渣的比表面积达到460-800m2/kg、掺量为30%时,水泥早期和后期强度基本达到了纯水泥的强度,特别是3d强度,即使钢渣粉掺量达到50%,钢渣水泥的强度还超过了纯水泥强度。

④提高粉煤灰细度
  粉煤灰的特点是早期活性很低,后期活性很高,因此在通常水泥细度的情况下,限制了粉煤灰混合材料的掺入量。如果将粉煤灰细磨,也可以提高粉煤灰的早期活性,采用振动磨细磨粉煤灰后的试验结果表明粉煤灰经超细化后,其活性有显著提高,并随着比表面积的增加,早期活性也明显提高。粉煤灰的比表面积提高到466-700m2/kg后,即使水泥中粉煤灰掺量高达30%,仍可获得很高的早期和后期强度。
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