?鋼渣?
鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼和電弧爐煉鋼產(chǎn)生的以硅酸鈣、鐵酸鈣等為主要成分的工業(yè)固廢，產(chǎn)率約為粗鋼產(chǎn)量的14%。2014年我國(guó)鋼渣產(chǎn)生量已超過1億噸。鋼渣主要可用作水泥混合材或混凝土摻合料、道路材料、回填材料等，目前我國(guó)鋼渣綜合利用率約33%，距德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家近100%利用率相差甚遠(yuǎn)。鋼渣中含有約50%的硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)等礦物，具有一定的水硬膠凝性，長(zhǎng)期以來我國(guó)一直視鋼渣為一種輔助性膠凝材料，目前將鋼渣磨細(xì)作為水泥混合材或混凝土摻合料是實(shí)現(xiàn)鋼渣高附加值利用的重要途徑。但鋼渣由于含有鐵酸鈣、ＲO相、金屬鐵等難磨物相，在進(jìn)一步磨細(xì)至400 m2/kg以上時(shí)，采用傳統(tǒng)的球磨機(jī)使得粉磨能耗大幅增加，因此，國(guó)內(nèi)一直在嘗試采用更為節(jié)能的粉磨技術(shù)和裝備。
1鋼渣的粉磨特性
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鄒興芳認(rèn)為:鋼渣形成溫度較高(在1 580℃以上)，且在過高溫度下溶入較多的FeO、MgO等雜質(zhì)并形成完整粗大的晶體。巖相分析表明:鋼渣中的主要礦物成分為板狀硅酸三鈣和圓形及類圓形的硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣和RO相。其中，硅酸三鈣最大尺寸可達(dá)到1998μm，硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑為142~271μm;鋼渣中的金屬鐵主要呈球粒狀嵌布，粒度一般為100~300μm，最大可達(dá)3mm;硅酸二鈣粒徑也達(dá)到943μm。
侯貴華等比較研究了鋼渣的難磨相組成及其膠凝性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了鋼渣中難磨組分為鐵鋁酸鈣和鎂鐵相固溶體，且它的水化反應(yīng)活性很低，而鋼渣中硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)具有較好的易磨性，比礦渣略好，但其水化反應(yīng)活性明顯比礦渣差，鋼渣中的C3S和C2S固溶了較多的異離子。
因此要發(fā)揮鋼渣中C3S和C2S的水硬膠凝性，必須將鋼渣磨細(xì)至較高細(xì)度，使鋼渣礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變、結(jié)晶度下降，使鋼渣中礦物晶體的鍵合能減小，從而使活性提高，才能實(shí)現(xiàn)鋼渣在水泥和混凝土中的較高摻量。
2鋼渣粉磨工藝技術(shù)
近年來，鋼渣粉磨新工藝和新設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，在傳統(tǒng)的球磨機(jī)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)已相繼開發(fā)出了技術(shù)指標(biāo)更先進(jìn)的輥壓機(jī)半終粉磨、輥壓機(jī)終粉磨、立式磨、臥式輥磨等，從不同的應(yīng)用角度和技術(shù)特點(diǎn)豐富和發(fā)展了鋼渣粉磨的技術(shù)內(nèi)涵。
2.1球磨機(jī)為終粉磨設(shè)備的粉磨工藝
球磨機(jī)是物料簡(jiǎn)單機(jī)械破碎之后，再進(jìn)行粉磨的傳統(tǒng)設(shè)備。隨著球磨機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得球磨機(jī)也能粉磨硬度大的物質(zhì)，如鋼渣。球磨機(jī)在粉磨物料上的優(yōu)點(diǎn)主要有適應(yīng)性強(qiáng)、粉碎比大、粉磨和烘干可以同時(shí)進(jìn)行、結(jié)構(gòu)及維護(hù)管理簡(jiǎn)單，密封性好，運(yùn)行平穩(wěn)，操作可靠等，在物料的粉磨作業(yè)，尤其是水泥粉磨作業(yè)中一直備受青睞，這也使得球磨機(jī)與水泥行業(yè)的歷史幾乎一樣悠久。球磨機(jī)研磨體規(guī)格及材料能根據(jù)物料性能做出相應(yīng)調(diào)整，這使得球磨機(jī)也能粉磨硬度大的鋼渣，但粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗為100 kW·h/t左右。但是，球磨機(jī)的缺點(diǎn)也同樣明顯，主要是配置昂貴、磨損嚴(yán)重、工作效率低、能量損耗大等，以生產(chǎn)水泥為例，每生產(chǎn)1t水泥的耗電量不低于70 kW·h，但只有約5%的電能用于物料表面積的增加，絕大部分電能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎吐暷芏速M(fèi)掉。但球磨機(jī)能耗大，粉磨損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)，限制了球磨機(jī)在粉磨鋼渣領(lǐng)域的發(fā)展。
正因?yàn)槿绱耍勰バ袠I(yè)以提高粉磨效率、降低能耗和鋼耗為宗旨，進(jìn)行粉磨新裝備、新技術(shù)的研究開發(fā)一直都沒停止。近年來，在利用球磨機(jī)作為終粉磨的基礎(chǔ)上，杭鋼采用振動(dòng)磨作為預(yù)粉磨設(shè)備，馬鋼開發(fā)出輥壓機(jī)為預(yù)粉磨設(shè)備，大大提高了鋼渣粉磨效率。
2.2輥壓機(jī)+球磨機(jī)的聯(lián)合粉磨工藝技術(shù)
輥壓機(jī)誕生于20世紀(jì)80年代中期，是一款基于“料床粉碎”原理的典型新型節(jié)能粉磨設(shè)備，與球磨機(jī)相比，具有增產(chǎn)節(jié)能、噪音小、鋼材損耗小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)輥壓機(jī)擠壓后的物料顆粒易磨性大為改善，進(jìn)而大幅度降低了整個(gè)粉磨系統(tǒng)的能耗，既適用于新廠建設(shè)，也能用于老廠技術(shù)升級(jí)改造。
輥壓機(jī)相比球磨機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)有粉磨效率高、能耗低、磨損小、噪音低、粉塵少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，操作維修方便等，但也存在不足之處:“邊緣效應(yīng)”、零部件尤其是輥?zhàn)虞S承以及輥面易磨損、存在選擇性粉碎等。天津院用輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)鋼渣粉的研究表明，用輥壓機(jī)處理鋼渣時(shí)，能大幅度改善其易磨性，從而降低球磨機(jī)電耗，輥壓機(jī)處理鋼渣的增效系數(shù)可達(dá)4.0以上，與粉磨水泥增效系數(shù)2.0相比，節(jié)能效果更加顯著，可大大改善后續(xù)磨機(jī)的粉磨狀況，使整個(gè)粉磨系統(tǒng)的單位電耗明顯下降;且可實(shí)現(xiàn)鋼渣中的鐵和渣能充分剝離，便于預(yù)粉磨系統(tǒng)進(jìn)行高效除鐵。因此采用帶輥壓機(jī)半終粉磨的鋼渣粉磨工藝，可以充分發(fā)揮和利用輥壓機(jī)的高效擠壓優(yōu)勢(shì)和球磨機(jī)的粉磨功能，達(dá)到顯著改善產(chǎn)品性能、增產(chǎn)節(jié)能和高效除鐵的效果。
在輥壓機(jī)與球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，鋼渣經(jīng)輥壓機(jī)擠壓，通過兼烘干及選粉功能的選粉機(jī)，選出規(guī)定細(xì)度的微粉進(jìn)球磨機(jī)粉磨成成品，粗粉回輥壓機(jī)再次擠壓。鋼渣經(jīng)由輥壓機(jī)輥壓后，顆粒表面出現(xiàn)裂紋，有助于提高終粉磨設(shè)備的粉磨效率、降低能耗。鋼渣在煉鋼過程中內(nèi)部包裹有相當(dāng)數(shù)量的小顆粒金屬鐵，因此粉磨時(shí)除鐵是關(guān)鍵。首先要最大限度將金屬鐵從鋼渣中提取出來進(jìn)行回收利用，有效除鐵可減少粉磨過程鐵對(duì)設(shè)備的磨損并提高粉磨效率。在外循環(huán)系統(tǒng)中增加多個(gè)除鐵設(shè)備，可降低鋼渣粉中的含鐵量，保護(hù)粉磨設(shè)備。
輥壓機(jī)與球磨機(jī)聯(lián)合粉磨能耗低于單獨(dú)使用球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)。粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗為80 kW·h/t左右。該系統(tǒng)目前仍存在一些制約連續(xù)生產(chǎn)的問題，如金屬鐵富集、烘干效率及選粉分級(jí)效率低，輥壓機(jī)喂料控制等問題，但這也證明在鋼渣粉磨方面聯(lián)合粉磨技術(shù)較單一終粉磨技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。
3輥壓機(jī)為終粉磨的“線接觸式”粉磨工藝技術(shù)
鞍鋼礦渣公司采用高壓輥壓機(jī)作為鋼渣粉終粉磨設(shè)備。高壓輥壓機(jī)的特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高，易于維修和能耗低。與傳統(tǒng)的球磨機(jī)相比，高壓磨輥研磨過程中主要是利用兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的輥來擠壓料層，由于料層是由許多連結(jié)在一起的粒子組成，所施加的壓力造成顆粒間強(qiáng)烈的相互擠壓和破碎，顆粒間破碎粉磨，大大提高了研磨效率。
高壓輥壓機(jī)節(jié)能主要體現(xiàn)在閉合回路研磨使原料直接成為合格成品。與普通球磨機(jī)系統(tǒng)相比，高壓輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到50%以上。粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗約為50 kW·h/t。但由于經(jīng)輥壓機(jī)擠壓粉磨的物料中細(xì)粉含量相對(duì)較少，因而循環(huán)負(fù)荷很大，一般在8倍喂料量以上，成品中微粉量不夠，成品質(zhì)量雖能滿足要求，但相同比表面積的產(chǎn)品質(zhì)量比球磨機(jī)粉磨的產(chǎn)品質(zhì)量差。此外，單機(jī)生產(chǎn)能力仍然較小。
4立式磨的“面接觸式”粉磨工藝技術(shù)
立式磨自20世紀(jì)20年代問世以來，一直以粉磨效率高、能耗低著稱，尤其是可對(duì)含水量高達(dá)20%左右的物料同時(shí)進(jìn)行烘干粉磨，因此建材行業(yè)長(zhǎng)期多用于生料制備和礦渣粉磨。與球磨相比，立式磨的優(yōu)點(diǎn)主要有:入磨物料粒徑大、粉磨效率高、能耗低、烘干效率高、能力強(qiáng)、工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便、密封性好，運(yùn)轉(zhuǎn)率高、噪音小等，缺點(diǎn)主要有:不適宜粉磨磨蝕性大的物料，零部件(主要是磨輥上輥套和磨盤上襯板)材質(zhì)要求較高，零件磨損后維修工作量大，更換難度也大，對(duì)系統(tǒng)密封性及操作員的操作技術(shù)水平要求都較高等，立式磨維修費(fèi)用高，對(duì)材質(zhì)及生產(chǎn)管理的要求都比較高，一般認(rèn)為鋼渣中含鐵量高，產(chǎn)品要求細(xì)度高，不易使用立磨粉磨。目前國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的生產(chǎn)線投入使用，但業(yè)內(nèi)一直沒有停止采用立式磨粉磨鋼渣的嘗試，合肥水泥研究設(shè)計(jì)院通過研磨組件配合、新型耐磨材料使用、系統(tǒng)和磨內(nèi)除鐵、鋼渣粉分選方面創(chuàng)新［4］，在立式磨中分別針對(duì)未熱悶處理的鋼渣和熱悶處理后的鋼渣進(jìn)行了試生產(chǎn)，表明粉磨鋼渣產(chǎn)量比礦渣低29.85%，粉磨100%未經(jīng)熱悶鋼渣磨機(jī)產(chǎn)量比粉磨100%熱悶鋼渣降低19.98%，可見鋼渣的處理方式對(duì)易磨性影響也很大，另外鋼渣粉磨對(duì)除鐵的要求更嚴(yán)格，要求磨前設(shè)計(jì)3道除鐵措施，磨機(jī)排渣與外循環(huán)提升機(jī)之間設(shè)計(jì)二道除鐵，以便有效去除鋼渣中的鐵，保證系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定，從而降低設(shè)備的磨耗和系統(tǒng)的能耗。
5臥輥磨的“面接觸式”粉磨工藝技術(shù)
臥式輥磨，也稱筒輥磨，是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的節(jié)能粉磨設(shè)備。它以料層間擠壓為粉磨原理，采用中等壓力、多次擠壓方式，以近似于輥壓機(jī)的粉磨效率，近似球磨機(jī)的運(yùn)行可靠性，從一問世就得到極大的關(guān)注。現(xiàn)在全球大約有30余臺(tái)法國(guó)FCB公司的臥式輥磨投入運(yùn)行。最大臺(tái)時(shí)產(chǎn)量生料達(dá)225 t/h，水泥達(dá)130 t/h。我國(guó)牡丹江水泥廠、漢中水泥廠、日照京華新型建材有限公司、九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司和新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司也引進(jìn)該公司臥式輥磨用于粉磨水泥和鋼渣粉，國(guó)內(nèi)的部分設(shè)備制造企業(yè)也正在開發(fā)這種新型節(jié)能粉磨設(shè)備。
臥式輥磨的主要優(yōu)點(diǎn)為咬入角較大、通道收縮率較小，臥式輥磨磨輥咬入角一般為17°，而立磨和輥壓機(jī)則分別不超過12°和6°，故物料在臥輥磨中具有較小的通道收縮率;壓力適中，速度高，運(yùn)行平穩(wěn)，基于“料床粉碎”3種典型粉磨設(shè)備中，工作壓力從小到大依次是立式磨＜臥輥磨＜輥壓機(jī);一次通過，多次擠壓，物料在臥輥磨內(nèi)的粉磨次數(shù)，可以根據(jù)工藝要求，通過控制機(jī)構(gòu)調(diào)整，以達(dá)到調(diào)節(jié)出磨物料粒徑的目的，也就是物料從進(jìn)料端到出料端運(yùn)動(dòng)的過程中，依靠磨輥的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以經(jīng)濟(jì)、方便地在筒體內(nèi)循環(huán)粉磨7～8次;能耗小，球磨機(jī)的能量利用率不足5%，輥壓機(jī)和臥輥磨均可達(dá)35%左右;加工成品活性大，臥式輥磨的成品顆粒形貌可以通過調(diào)整導(dǎo)料板傾斜角度來間接調(diào)節(jié)，物料在筒體內(nèi)“螺旋”前進(jìn)的過程中受到多次擠壓整形，其形貌逐漸向圓球形逼近，成品活性增大。粉磨鋼渣粉時(shí)粉磨至400 m2/kg主機(jī)電耗約45 kW·h/t。臥式輥磨系統(tǒng)與球磨機(jī)系統(tǒng)對(duì)比見表1。
臥式輥磨機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活、產(chǎn)量在線可調(diào)、可控性較強(qiáng)、磨耗及電耗較低的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在日照京華新型建材有限公司投產(chǎn)運(yùn)行2條80萬噸/a的鋼渣粉生產(chǎn)線，并在新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司和九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司投產(chǎn)運(yùn)行40萬噸/a鋼渣粉生產(chǎn)線。
6各種鋼渣粉粉磨工藝比較
目前已投入正式生產(chǎn)的各種鋼渣粉磨工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表2。
7結(jié)束語
1)鋼渣中含有鐵鋁酸鈣、鎂鐵相固溶體、金屬鐵等難磨組分，使得鋼渣粉磨細(xì)至合適細(xì)度能耗居高不下。
2)國(guó)內(nèi)探索了輥壓機(jī)+球磨機(jī)聯(lián)合粉磨、輥壓磨終粉磨、立式磨和臥式輥磨高效低耗制備鋼渣粉的適應(yīng)性，輥壓機(jī)+球磨機(jī)聯(lián)合粉磨聯(lián)合粉磨工藝優(yōu)于球磨機(jī)終粉磨工藝，“面接觸式”料床粉磨設(shè)備優(yōu)于“點(diǎn)接觸式”料床粉磨設(shè)備，采用聯(lián)合粉磨工藝技術(shù)及“面接觸式”料床粉磨設(shè)備可以顯著提高產(chǎn)量，降低系統(tǒng)電耗，可以作為未來鋼渣粉磨工藝技術(shù)的重要研究方向。而臥輥磨終粉磨技術(shù)將是未來鋼渣粉磨技術(shù)的發(fā)展方向。
作者：中冶建筑研究總院有限公司
張?zhí)砣A
編輯：冶金渣與尾礦
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