立磨技术在水泥工业的应用与发展_图文

1、 前言立磨又称为辊磨(或辊式磨等,出现于1925年,至今已有80多年的历史了。自20世纪60年代起,立磨用于水泥工业的生料粉磨,由于其显著的节能效果,所以很快引起人们的兴趣和注意。70年代立磨液压加载技术出现,使得磨机单机能力成倍增长,随着悬浮预热器窑和预分解窑的出现,立磨在水泥工业生料粉磨方面得到了快速发展。80年代粉磨水泥熟料的工业立磨投产,90年代至21世纪初,高细矿渣的立磨和水泥终粉磨的立磨逐步得到推广,从此立磨在水泥厂应用的数量越来越多,再加上辊压机、筒辊磨等其他新型粉磨设备的出现与应用,使得料床粉磨设备在水泥工业的应用越来越兴旺。现在世界上水泥生料、矿渣和煤粉的立磨比例已大于球磨,

2、水泥立磨的运用也已达到一半左右,球磨机再也不能独霸水泥厂的“粉磨天下”了。我国的立磨技术与世界发展趋势相一致,水泥工业粉磨技术有了很大进步,设备逐步大型化,开始进入料床粉磨化时代。大家都知道,水泥工业是典型的能源和资源依赖型产业,随着国民经济的发展,我国水泥工业的节能环保任务日趋严峻,节能减排已成为我国水泥工业当前的重要课题。在水泥厂中,燃料成本与电力成本约各占一半,而水泥厂电力主要消耗在粉磨作业上,粉磨电耗约占全厂总电耗的70%,以往水泥综合电耗为110kWh/t左右,随着粉磨技术的进步,当今先进指标可降至85kWh/t以下。传统的球磨机粉磨效率极低,能量利用率在3%以下,绝大部分输入能转化

3、成热量而散失,因此粉磨技术的进步对我国水泥工业来说具有非常重要的意义。立磨采用料床粉磨机理,流程简单、粉磨效率高、电耗低,现与辊压机等新型料床粉磨设备等已成为水泥工业粉磨的发展方向。1粉磨作业与立磨1.1粉磨作业在粉体技术中,物料的粉磨是指通过外力挤压、冲击、研磨等作用克服其内部质点及晶体间的内聚力,使之由块粒状变为粉粒状的过程。水泥工业属于重化学工业的一种,它的主要工艺是对土石质原料进行加工,从原料开采到制成水泥要经过原料的破碎与生料的粉磨,以及水泥熟料的粉磨过程。水泥生产工艺主要分为热工工程和粉体工程,在粉体工程中主要是粉磨工程,水泥厂中被粉碎的物料有:生料、煤、熟料、石膏及矿渣混合材等,

4、因此水泥厂中有煤磨、生料磨、水泥磨及矿渣磨等粉磨设备,过去一般用球磨机,现在已开始向无球化粉磨方向发展。每吨水泥综合电耗约需80110kWh,每年水泥工业所消耗的电能占全国电能总消耗的6%,由此可见破碎与粉磨是不可忽视的重要工序。1.2立磨的特点立磨主要由磨辊与磨盘组成,图1所示为用于水泥厂的一台大型生料立磨,立磨集中碎、粉磨、烘干、选粉等工序于一体,其流程简单、粉磨效率高、电耗低,现已成为生料粉磨的主导系统,并且越来越多的水泥熟料粉磨作业开始选用立磨。立磨是利用料床粉磨的原理对物料进行粉磨,由于磨辊与磨盘之间存在速度差,故在辊压的同时进行碾磨。物料从磨机上部或磨壳一侧通过喂料装置进入磨盘中心

5、,磨盘水平运转产生离心力,磨盘上的物料从中心被甩至粉磨区域,当磨辊被加载装置置于辊道上的物料上面时,由于磨盘的转动,磨辊对物料产生一个竖向垂直力,且和物料之间有一个摩擦力。磨辊的转动是从动运转,从磨盘周围挡料圈溢出的物料被磨盘外风环中的上升气流带入上部立磨技术在水泥工业的应用与发展韩仲琦(天津水泥工业设计研究院有限公司,天津300400立磨专题VERTICAL MILL的选粉机中,经选粉分级后,粗颗粒返回磨盘与新加入的物料一起重磨,细粉随气流排出磨机作为产品,可用旋风收尘器或电收尘器分离收集,小型立磨的磨辊与磨盘之间压力用弹簧加压,大型立磨用油压加压。2水泥生料、熟料与其他物料的粉磨2.1生料

6、粉磨的意义水泥熟料的烧成基本上是一种固相反应,生料中含有的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分要通过高温煅烧才能生成C3S、C2S、C3A、C4AF等矿物,而生料粉磨就是要满足生料煅烧反应的接触面积要求。物料粉磨得越细则固相反应速率越快,反应速率快意味着煅烧时可以节省热能,但粉磨得越细则粉磨电耗越高。生料配料的不同,要求的粉磨细度也不同,为此合宜的细度应通过易烧、易磨性试验,并经技术经济比较来确定。一般生料粉磨的细度要求是:>70m90m的筛余为9%22%,且>200m的颗粒<3%。但一般生产企业则要求80m筛余,<12%且>200m的颗粒<1.5

7、%。生料立磨的粉磨特点是粉磨产品粒度比较均匀,能满足生料煅烧反应的增大接触面积要求,因此在水泥生料的粉磨上发展很快,现在天津水泥设计研究院开发的国产最大生料立磨TRM5341,已用于辽宁福山水泥公司等水泥企业的5000t/d熟料生产线上。2.2水泥熟料粉磨的意义水泥熟料的粉磨是因为水化反应所要求的,在水泥矿物内占有相当比例的矿物是C3S,颗粒越细C3S的水化速度越快。具有一定粒度分布的细粉和不含粗颗粒的粒度构成对水泥的水化和强度最有利。因为水泥不是由单一的熟料粉磨而得到的,还要添加一定百分比的石膏及其他外加剂,所以要保证粉磨到一定细度,以便水泥与砂或砂砾混合后加水反应时,不单希望水泥的水化强度

8、高,而且希望混凝土的施工性能好,即希望它的容积变化小,表面龟裂小。水泥熟料的粉磨就是最大程度满足水泥适宜的粒度分布和细度要求,水泥粉体是大量固体颗粒的集合体,各颗粒间存在着一定作用,普通硅酸盐水泥的颗粒范畴约在0.1m100m之间,为准细粉和细粉,具有很强的团聚性和很差的流动性。对于超细水泥来说,不是指真正的超细颗粒,它的含义是广义的,一般指30m以下颗粒占有的百分数比普通水泥显著得多,平均粒径约为3m5m。截止目前,虽然有很多人在这一领域进行了研究,但定性的多,定量的少,还未能把水泥颗粒特性与水泥性能之间建立起有机的定量关系。究竟什么样的颗粒分布才是最佳的颗粒分布?调整的依据和条件是什么?还

9、需要进一步研究。一般来说3m30m颗粒决定着水泥强度,特别是早期强度,3m颗粒的比例越大,一天的强度也越大。>60m 的颗粒起着微集料的作用,若尽可能降低60m的颗粒,则一方面可减少能源的浪费,一方面可提高水泥的强度。对于硅酸盐水泥来说其细度要求是:>80m的筛余5% 8%,比表面积>300m2/kg。水泥立磨的粉磨产品细度完全可以满足要求,但有人担心立磨的产品粒度分布较窄,水泥颗粒级配不当会影响水泥的需水量与和易性,但这可通过提高选粉机的效率和提高细粉量解决。2.3矿渣及其他物料的粉磨矿渣是一种活性混合材,早已在水泥行业得到普遍应用,以往应用方式是与熟料和石膏等原料配合后进

10、行混合粉磨。根据我国水泥标准,普通水泥矿渣掺量15%,矿渣水泥最高掺量为70%,实际生产中矿渣水泥掺量一般只有30%40%。影响矿渣掺量的主要原因是熟料和矿渣混合粉磨时,由于矿渣相对难磨(矿渣的易磨性比熟料高30%左右,水泥中的矿渣组分比熟料组分粗,活性难以提高,从而影响水泥强度。如果将矿渣单独粉磨至450m2/kg以上的细度再与硅酸盐水泥混合,则可以提高矿渣的掺量,而且可改善水泥或混凝土的物化性能。从上世纪90年代中期起,随着粉磨技术的发展,越来越多的水泥企业开始采用单独粉磨工艺制备矿渣粉。矿渣粉比表面积高、细度细、活性好,如与水泥混合,其掺量可以达到50%或更高,同时矿渣粉作为外加剂直接掺

11、入到混凝土中,进而改变混凝土的性能。现在立磨已成功用于矿渣粉磨,因其工艺简单、烘干能力强、电耗低等优点而发展最快。我国已有20多条矿渣立磨生产线投入运行,过去多为进口矿渣辊磨设备,天津水泥工业设计研究院几年前开发了首台TRM型国产矿渣立磨,大幅度降低了投资和维护费用。成品比表面积可以在400600m2/kg范围内灵活调节。将矿渣高细粉磨后替代水泥熟料,实现了矿渣资源化利用。此外,石膏是与水泥熟料共同粉磨的,因为掺入量很小,石膏又比较容易粉磨,一般没有什问题。但石膏有时脱水程度不够,影响缓凝作用,主要是因为机内作业温度低, CaSO4·2H2O转化成CaSO4·12H2O的比

12、例太少。解决办法是替代原燃材料提高作业温度,调整掺量。水泥厂粉磨煤粉是为了煅烧熟料,煤粉的细度是保证燃烧速度和稳定燃烧的控制因素。立磨发明后不久便用于煤的粉磨,无烟煤的细度一般控制在>90m的筛余3%5%,用立磨粉磨煤粉时可以利用窑尾的废气进行烘干作业。3颗粒形貌与立磨颗粒形貌是指一个颗粒的轮廓或由表面上各点构成的图象,可以定性或定量分析颗粒的形状,颗粒的形状是影响粉体性质的重要参数之一。不同粉磨设备的粉磨产品,颗粒形状是不一样的,有椭圆扁球形、三角片形、条柱形、棒形和类球形等。通常描述颗粒形状的参数有形状指数、形状系数、球形度、圆形度和粗糙度等,一般常使用球形度s和圆形度。立磨专题VE

13、RTICAL MILL表1OK立磨与球磨在粉磨水泥时的比较水泥品种磨机型式比表面积(cm2/g产量(t/h电耗(kWh/t水泥球形度s是指颗粒接近球体的程度,因实际颗粒大部分是不规则的,测定其表面积比较困难,可以采用实用球形度,实用球形度可以用扫描电镜求出。实用球形度=与颗粒投影面积相等的圆的直径颗粒投影的最小外接圆的直径(1水泥的颗粒形貌与水泥的性能有很密切的关系,球形度低摩擦阻力大,使水泥的流动度变小,水泥砂浆的标准稠度需水量增大,水泥强度减少。但另一方面,水泥强度的产生主要是由于水泥颗粒及水化产物之间的相互关联、搭接,从而可以抵抗外力的作用。水泥球形度高,虽然使得标准稠度需水量减少,避免

14、产生泌水现象,但同时水泥的多角形颗粒数也减少,不利于颗粒间的搭接,从而使其强度降低。使用球磨粉磨系统,水泥产品的球形度较高,但其他物理性能不好,而立磨系统的产品球形度较低,但力学性能比球磨好。4粉磨功耗理论与粉磨机理4.1关于料层粉碎理论众所周知,粉碎能耗理论有经典三理论,即表面积理论、体积理论和Bond第三理论,近年来人们发现在现代工业中众多的粉碎实践都含有料层粉碎(或称料床粉碎的因素,如立磨、辊压机、振动磨等,它们的粉碎机理已超过单颗粒粉碎的性质,加深研究料层粉碎机理,对于改造旧有的粉碎设备和粉碎工艺,设计新型节能粉碎机械具有很大的意义,目前对辊压机的料层粉碎研究较多,实践证明,在能够实现

15、2m 3m粒度分级的条件下,在多次挤压料层粉碎条件下,生产微细产品的能耗远远低于通常的粉磨工艺。我国粉碎理论的研究最近几年有了一定进展,但是突破不大。我国学者早在上世纪90年代初提出的“关于粉碎能耗与能量效率”论文中,认为粉碎能耗浪费很大,工业上的粉碎设备几乎都是借助接触力作用的,即通过给固体颗粒输入机械能来实现,实际上粉碎机的能耗除了用于颗粒破裂外,还包含许多与粉碎本身无关的消耗,如颗粒之间的摩擦损失,颗粒与机件之间的摩擦损失,介质中的能量损失等,对于处理量大的水泥粉碎作业,若能提高能量效率所带来的经济效益是相当可观的。立磨是应用料床粉磨原理来粉磨物料的机械,不论其结构如何改变,其基本工作原

16、理相同,由于磨盘的旋转带动磨辊转动,当物料处于磨辊、磨盘、碾磨装置的作业区时,大块物料直接被压碎,细粒物料受挤压后形成料床,进行粒间粉碎。在颗粒床中间,一个颗粒与另一个颗粒擦挤引起棱角和边缘的掉落并被粉碎,粉碎后的细粉集团越过盘环立刻暴露在高速气流中,密集的细粉被冲散,被带入分级机或折回,因此过细的细粉软垫层的缓冲作用减到最低。料床粉磨大大降低了粉磨无用功。加之大量的再循环减少了过粉磨的缓冲作用,从而提高了粉磨效率。4.2关于粉磨节能问题从节能与满足水泥工艺的要求来看,生料粉磨与水泥粉磨的工艺与设备,应该采用不同的考虑方法。目前,国外在新装备的水泥厂中,生料几乎都是在立磨中粉磨的,当然也有采用

17、辊压机的。与管磨相比,立磨有很多优点,因为有较好的应力状态,单位电耗比球磨(管磨要小很多,带外部物料循环系统的立磨电耗更省。从电力使用角度来看,立磨还有更多优点。管磨的电耗与物料通过量关系较小,决定因素主要为粉磨介质填充率,而立磨的电耗却与物料通过量成正比,由于电力与物料流量有关,立磨操作时可以在很大物料流量范围内达到最佳电耗。大型立磨可以处理直径较大的物料,立磨最近几年也可被用来粉磨矿渣,立磨还成功的被用来粉磨熟料。选粉机的改进也达到很好的节能目的,一种可变速的笼形转子选粉机也与立磨配合的很好。在新型干法水泥技术发展中,水泥的预粉磨技术的出现,大大提高了水泥粉磨效率。预粉碎或预粉磨技术可有如

18、下的意义:把水泥磨一仓的工作移到前处理装置去做,用工作效率高的粉磨设备代替效率低的球磨机一部分工作,另一方面将入磨熟料的粒径减少,可以提高粉磨系统的产量和降低电耗。辊压机自1985年问世以来,由于实现了高压条件下的料床粉碎,缩小了出料粒度,而且物料的岩相结构也受到破坏,从而使物料易磨性得到提高,有利于磨机的增产节能,所以辊压机成了水泥粉磨的首选预粉磨设备。之后,以联合粉磨形式出现的辊压机与球磨系统在我国取得一定进展,即利用料床粉磨节能的优点,又保证了水泥质量。几乎与此同时,以日本为代表,又开发了立磨作为预粉磨装置,这种装置是在立磨内去掉了选粉装置,由于 表2辊压机、立磨的水泥终粉磨与球磨机的水

19、泥终粉磨比较序号30m筛余(%标准稠度水量(%129.0比较系统比表面积(cm2/g辊压机终粉磨3240辊压机预粉磨+球磨3240辊压机终粉磨3400226.0球磨机系统34005(%循环负荷(%2.370080032003001.5立磨在稳定性和使用寿命上具有优势,所以立磨预粉磨系统有了一定发展。在20世纪80年代初,日本开发了用于水泥终粉磨的立磨,如秩父小野田公司和神户制钢共同开发了OK Roller mill,秩父小野田与川崎重工开发了CK Roller mill等。德国莱歇公司也开发了粉磨水泥的立磨,Pfeiffer公司开发了粉磨水泥的MPS磨。现以OK立磨为例,说明这种磨作为水泥终粉

20、磨的情况。OK磨是Onoda(小野田水泥公司与Kobe steel(神户制钢合作开发的磨机,如日本、韩国、印度、希腊等都有这种系统,日本一水泥公司还用这种磨机粉磨生态水泥的熟料。OK磨与球磨的比较见表1,OK磨的工艺流程见图2,磨内配OKS高效选粉机,有磨辊翻转装置。在图2中的OK立磨,可以由外部通入热风或冷风调节磨内温度,以适应工艺的要求。由于立磨粉磨水泥动力消耗较低,磨出的水泥不需要辅助冷却,并且物料在磨内的停留时间很短,能很快从一种品种转换成另一品种,不需要将大量磨内物料倒出,还能在生产过程中迅速改变成品的颗粒组成。立磨的声压也小,一般低于10分贝,所以从以上情况来看使用立磨作为水泥的终

21、粉磨设备是有利的。根据有关资料介绍,用辊压机或立磨进行水泥终粉磨时的水泥粒度分布和标准稠度的水量见表2。由表2可知,辊压机的终粉磨水泥粒度分布较窄,而标准稠度水量增加了2%3%,循环负荷达700%800%时,才能保证一定粒度的粉碎产品,但立磨的水泥终粉磨其粒度分布、标准稠度水量与球磨差别不大,立磨的循环负荷仅为200%300%,即为辊压机的1/3。5立磨技术的发展趋势5.1原料的适应性因为有些物料多孔水分大(水分可达12%25%,所以新设计的立磨对原料的适应性进一步扩大。由于新结构立磨解决了热应力分布不均匀的问题,可以通入600的高温气体,从而满足了烘干要求。为了处理高磨蚀性物料,除了改进耐磨材质以外,改变辊型设计,加大了辊径和辊宽比,从而减少辊盘之间的相对速度差,有利于减少磨损。5.2物料全部外循环为了降低辊磨的通风阻力,立磨由全风扫操作变成了部分外循环,近年来又开发出了物料全部外循环系统。物料由提升机提升至外部选分机分选,磨内不设风环,因此磨机压降很小,解决了辊磨通风电耗大的问题。5.3立磨结构(1施力体形状对粉碎效率有较大影响,如柱双柱组合型式、板板