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水泥添加剂在立磨终粉磨系统中的应用

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水泥添加剂在立磨终粉磨系统中的应用

  引言

立磨凭借其低能耗、环保和产量高的独特优势,已成为水泥工业粉磨装置的首选设备,广泛应用于生料粉磨、矿渣粉磨、水泥粉磨等工艺。立磨从1990年开始在全球水泥工业生料粉磨领域获全面推广、选用,在2000年后又逐渐进入水泥终粉磨领域,新建水泥终粉磨生产线选用立磨比例由15%增长到70%以上。我国水泥工业直到2000年才开始引入立磨,2000~2010年期间新建矿渣粉磨项目中选用立磨比例由0增长到85%,而同期新建水泥终粉磨项目中选用立磨比例则由0增长到8%,预期未来将有较大增长空间。

水泥添加剂是水泥粉磨过程中加入的工艺或性能添加剂,既能改善粉磨工况,也能降低吨水泥生产成本,提高水泥质量,广泛应用于以球磨机为主要生产设备的水泥终粉磨工艺中,国内统称为“水泥助磨剂”。国外在以球磨机、立磨作为水泥终粉磨设备的生产工艺中均广泛采用了水泥添加剂。我国在球磨终粉磨生产线中应用水泥化学添加剂的比例较高,但由于立磨作为水泥终粉磨生产设备在国内的应用是近10年左右才逐渐开始,生产线数量少,加上国内对于立磨水泥的应用性能等问题仍存在部分争议,对于水泥化学添加剂在立磨中应用的可行性及其应用方法均存在疑问。本文拟结合国内外相关文献资料及技术研究报告,基于立磨粉磨工艺特点及与球磨粉磨工艺的差异,就化学添加剂在水泥立磨终粉磨生产中的应用现状、技术要点及未来发展方向作一浅析。

  立磨的粉磨工艺特点

立磨的粉磨是通过不直接接触的磨辊和磨盘挤压松散物料,形成料床并传递粉磨压力,逐渐将物料粉碎并研磨成粉。与传统球磨粉磨工艺相比,物料在立磨中的运动路径、粉磨过程及分选方式上均存在较大差异。

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图1 球磨机进出料流程图

2.1 物料在立磨内的粉磨过程

对于传统卧式球磨机,物料的破碎和粉磨通过研磨介质和磨机筒体间的冲击、研磨来实现。新鲜物料经进料口进入磨内后,被研磨介质所破碎、研磨,并在磨尾负压的作用下逐渐向磨尾移动并出磨。同时,物料在球磨机内的粉磨过程也是物料充分混合、搅拌的过程,其在磨内的运动路线和速度(也即物料流速)决定了其在磨内与研磨介质发生相互作用的时间,即磨内停留时间。物料在球磨机内的停留时间一般在15~20 min,物料性质、研磨体填充率及级配、助磨剂的加入等均会影响物料在球磨机内部的流速,进而影响其停留时间和粉磨效率。

而对于立磨而言,主要的粉磨工作部件是不直接接触的磨辊和磨盘,物料的破碎和粉磨通过磨辊和磨盘挤压料床而实现。新喂物料通过立磨的喂料口进入磨内并洒落在磨盘中心,在离心力作用下沿磨盘径向以螺旋方式向磨盘边缘移动,随后经磨辊挤压、剪切而变小;在离心力作用下散出磨盘边缘的物料被经过喷口环的高速热气流吹起,物料就以分散的颗粒状态进行干燥;粗料掉入风环后被转动的刮板卸料至斗式提升机并重新进入磨内,微细粉进入选粉机分选,而粗颗粒则重新进入磨内粉磨。

与球磨工艺相比,立磨的粉磨有几个突出的工艺特点。

一是物料在立磨内的停留时间更短:传统球磨中的物料停留时间一般为15~20 min,而立磨一般只有2~3 min

二是物料在立磨内基本不存在过粉磨现象:传统球磨中的物料在磨内的停留时间长,过粉磨问题一直存在,常采用水泥助磨剂加以改善;而立磨中物料的停留时间短,加上采用风扫式粉磨及自身的选粉功能,能及时将细粉带出,避免了过粉磨现象。

三是立磨对湿物料不敏感,由于其采用气体输送物料,可粉磨、烘干水分达12%~15%的物料,不会出现球磨机中存在的湿物料导致的包球、糊磨等问题。

2.2 物料在立磨内部的运动路径及输送方式

物料在立磨内部的运动路径主要包括磨盘表面的粉磨过程、热气流的预筛分及物料输送和选粉机的分选三个过程。

物料在立磨内的粉磨过程在磨盘表面完成,磨盘同时承担粉磨机械和撒料盘的作用。磨盘将洒落在其中心的新喂料分散并运输至磨辊处;物料颗粒在磨盘离心力作用下以螺旋方式不断向磨盘外围滑动,其移动速度由磨盘离心力和物料、磨盘间摩擦力的差值决定。磨盘离心力的大小通过磨盘转速来控制,而物料颗粒与磨盘间的摩擦力则更多取决于物料属性如含水量、颗粒形状等,水泥添加剂或球形度较高的矿物添加剂的加入对摩擦力的影响较大。因此,立磨内料层的形状和其在磨盘表面的运动情况取决于磨盘形状、转速、循环物料量和物料颗粒相对磨盘的摩擦力,其中化学及矿物添加剂的加入对颗粒与颗粒之间、料层与磨盘之间的摩擦力影响较大。此外,物料颗粒在磨盘表面粉磨中的相互混合、搅拌作用有限,这与球磨机是不同的。这一过程中,物料颗粒的流速对粉磨效率影响较大。

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图2 立磨进出料流程图

由喷口环上升的高速热气流对完成粉磨过程后离开磨盘边缘的粉磨物料进行重力预筛分,大颗粒及不合格的粗颗粒分别经由外循环及内循环过程再次进入磨内粉磨,微细粉体则由热气流输送到选粉机进行分选。在离心力作用下离开磨盘边缘的物料由微细粉体、粗颗粒及大颗粒物料组成,在热气流下的粉体分散程度直接决定了这一过程的旁路值的大小,即预筛分的效率。水泥添加剂在粉体物料表面的分散则有助于提高这一预筛分过程的效率。进入选粉机的微细粉中的合格粉体的选尽程度同样受粉体分散程度的影响。

三 水泥添加剂在立磨粉磨过程中的应用特点

3.1 水泥添加剂在磨内物料表面的均匀性

水泥添加剂在磨内物料表面分布的均匀性对应用效果影响较大。球磨机内的物料粉磨过程也是干燥物料充分混合、搅拌的过程,水泥添加剂可借助这一工艺过程实现在磨内与物料颗粒的均匀混合及表面分散。与球磨机不同的是,物料进入立磨内平铺在磨盘表面,缺少物料自身的有效搅拌混合,物料在立磨粉磨过程中的相互混合、搅拌作用有限,加上料床中物料的含水量较高,传统水泥助磨剂较难实现在物料表面的均匀分散。

3.2 立磨通风对水泥添加剂应用效果的影响

另外一个重要差异在于立磨与球磨的磨内通风对水泥添加剂应用效果的影响。球磨中通风的主要作用是为了实现磨内负压以防止粉尘逃逸,同时兼具加快磨内物料流动的作用,入磨气流也一般为常温;而立磨中的通风则兼具了热风烘干、分离及传输物料的多种功能,通风量、风速也较传统球磨机大很多。添加在物料表面的水泥添加剂极易在强气流中被“剥离”,同时高温气体会明显加速水泥添加剂中有机组分的早期蒸发,这均会增加水泥添加剂的逃逸率,并影响其在立磨粉磨系统中的最终应用效果。

3.3 水泥添加剂在立磨粉磨中的作用原理

在球磨工艺中,干燥细粉之间、粉体与研磨体及衬板表面的静电作用强,进而导致团聚、过粉磨等现象。应用于球磨的水泥添加剂大都为多种极性化合物组成的混合物,其原理是基于降低水泥粉体表面电荷而实现对微细颗粒的分散,进而改善由于静电作用而导致的包球、衬垫及磨内通风不良等问题,及细粉团聚、颗粒表面裂纹再愈合等现象,通过改善磨机工况、提高粉磨效率以达到提高产量、降低能耗、改善水泥品质的目的。因此,水泥添加剂在球磨机中的主要作用表现在减少颗粒团聚、减少糊球、提高选粉效率,进而降低选粉机的旁通量。

在立磨的粉磨过程中,物料的粉磨通过磨辊和磨盘挤压料床而实现,与水泥化学添加剂加入后可能导致的物料移动速度加快相比较,料床的稳定性对立磨台时产量及粉磨效率影响更大;同时,热气流对粉磨后物料的重力预筛分效果及选粉机的选粉效率决定于粉体的分散,而微细粉之间的团聚、微细粉在粗颗粒及大颗粒表面的吸附均影响粉体在气流中分散程度。因此,水泥添加剂在立磨中的主要作用更多是基于极性化合物对微细物料颗粒的分散,提高粉磨后粉体在热气流中的分散程度,降低旁路值,进而提高粉磨效率。

四、 水泥添加剂在立磨粉磨中的应用及工艺调整

4.1 水泥添加剂在立磨中的添加位置及方式

在以球磨机为主要粉磨设备的粉磨工艺中,水泥添加剂一般滴加在入磨物料上,入磨后就会充分混合均匀。而对于立磨粉磨工艺,由于磨内通风兼具干燥物料、输送等功能,加上物料在磨内停留时间短,通过将助磨剂直接添加到入磨新鲜物料表面对应用效果有一定影响。将助磨剂均匀添加在立磨吐渣皮带(外循环皮带)上,提高了助磨剂在粉磨中的利用效率和物料中均匀性。Mapei公司的Pietro Recchi等开发了一种立式粉磨系统专用助磨剂,除经典组分乙醇胺、乙二醇、无机盐之外,还在配方中引入一定量(3%~10%)的高沸点化合物和增稠剂组成的特殊混合物,确保了助磨剂不会受到立磨中较高的通风量的影响;同时设计一种创新的助磨剂添加系统,将助磨剂输送管路并联到立磨输水管路中,将助磨剂和水强制直接添加到磨辊底部。

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图3 水泥助磨剂

4.2 水泥添加剂对选粉系统性能及成品水泥粒度分布的影响

选粉设备是闭路粉磨系统的重要组成部分,关系整个粉磨系统的生产效率及技术经济指标。相关工艺参数包括循环负荷、选粉效率等,但通过衡量分选后成品粒度组成及回料中成品的含量则更能反映其性能及实用价值。特劳姆曲线(Tromp-Curve)主要看选粉机对30μm以下颗粒段当中某一特定颗粒的选尽程度,即旁路值;旁路值越小,则分选效率越高,成品量也越多,说明选粉机撒料盘结构合理、分散效果好;一般选择回料为测定对象。

对比以球磨为主要粉磨设备的闭路粉磨系统,立磨系统的选粉设备位于立磨结构内部,只有粗回料和成品可以取样。图4为立磨中应用助磨剂前后的Tromp曲线对比,助磨剂的加入显著减少了旁路值(由空白样品的15%降低到9%),尤其是< 10μm的微细颗粒的选尽程度显著提高,减少了成品物料在磨内循环。这说明,水泥添加剂的加入改善了微细粉体之间的团聚及在大颗粒表面的黏附,提高了物料在选粉机内的分散程度,提高了分选效率。助磨剂的使用显著增加了粒径3~32μm范围的强度贡献区的粉体比例,有助于改善水泥各龄期性能。

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图4 立磨中应用助磨剂前后的Tromp曲线对比

4.3 立磨的粉磨工艺参数优化

由多种有机物、无机物表面活性剂组成的水泥添加剂进入球磨工艺中,其对物料尤其是微细粉体的性质、物料与研磨介质的作用方式等都会产生影响,进而在粉磨工况上表现出一定的差异性,如磨内物料流速加快、细度跑粗、选粉机循环负荷增大等,一般可通过调整钢球(段)级配、研磨体填充率、磨内通风及选粉机转速等工艺参数加以改善。立磨系统中应用水泥添加剂后,同样需要结合其工艺特点对立磨的相关工况参数进行优化。立磨终粉磨工艺中应用水泥添加剂的主要目的是提高台时产量及提高水泥强度,主要通过出磨水泥细度及比表面积来控制,其工艺参数调整尤其通风量的调整尤其关键。

立磨采用风扫式粉磨,其风量和风速的大小直接影响成品细度和产品质量。风速大小一方面控制掉落大颗粒物料的尺寸,同时影响循环量及料床厚度,进而影响粉磨效率。在风环面积确定时,风速由风量大小决定。立磨通风承担物料输送、重力筛分及分选等多重作用,其大小由喂料量决定。通风量过小时,磨内大量合格水泥不能及时抽走,导致内循环量增加,磨内压差上升,引起振动;而通风量过大,则会导致粗颗粒进入选粉机并导致细度过粗,出现出磨水泥跑粗现象。立磨在应用水泥添加剂后,粉体分散程度提高,一般需适当降低风量、调小风速。

五 结束语

1)立磨与球磨终粉磨系统相比,物料在立磨内部具有不同的运动路径、输送方式及分选方式,物料在磨内的停留时间、物料均匀性、工艺调整方式等方面均存在较大差异。

2)水泥添加剂在立磨终粉磨系统中的应用是可行的,但必须结合其工艺特点优选水泥添加剂的添加位置及方式,以确保其在粉磨物料中的均匀性,并尽量降低水泥添加剂在高风速、大风量下的早期“剥离”。

3)水泥添加剂在立磨终粉磨系统中的应用效果更多是通过改善粉体分散程度进而提高选粉效率、降低旁路值;水泥添加剂能显著改善立磨运行工况及稳定性,减小磨机振动,降低主电动机功率波动,并可减少磨内喷水量。

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