（材料学专业论文）粉磨工艺对生料性能的影响研究.pdfVIP

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 生料粉磨是水泥生产的重要的工序，为熟料煅烧提供性能优良的粉状生料， 现国内主要的水泥生料粉磨工艺有三种( 球磨机粉磨系统、辊压机终粉磨系统、 立磨粉磨系统) ，三种粉磨工艺因为其粉磨特性、能耗指标不同，其生料物理化 学性能也存在差异，因此，开展粉磨工艺对生料性能的影响性研究，指导新型 千法水泥生料制备系统的选择，完善生料工段在水泥生产过程中及水泥厂工艺 设计中控制参数的选择方法，为提高水泥煅烧产量及质量、降低能耗提供理论 依据。 第一：采用激光粒度分析、x 射线荧光分析及化学分析方法，研究三种粉 磨工艺水泥生料颗粒微观表面形貌、粒度分布，并计算不同粒级下三种水泥生 料中c a o 、s i0 2 在不周粒级下匀质性的变化规律。结果表明：三种粉磨工艺特性 不同，影响生料匀质性系数及特征粒径x ，均匀性系数1 1 ( 球磨生料 辊压机 生料 立磨生料) ，特征粒径x ( 辊压机生料 立磨，生料分解温度和生料分解活化能比 较为球磨机 辊压机 立磨。 第三：考虑s i0 2 匀质性对熟料煅烧的影响，研究不同细度s i o ：配比生料烧 成性能，研究表明：粗颗粒配比砂岩生料易烧性差，熟料中f c a o 含量随s i o ： 颗粒增大而提高，s i o ：颗粒4 5 u m 粒级以上对生料的分解温度及活化能有明显 影响，生料分解温度及生料分解活化能随砂岩颗粒细度的增大而升高。 第四：综合三种粉磨工艺水泥生料物理化学性能的研究结果，在实际生产 中，辊压机和球磨系统相比立磨系统来讲，应降低生料细度来保证生料的煅烧 性能，并在实际生产中三种粉磨系数都应控制4 耻m 以上粗颗粒s i o ：含量来保 证生料的煅烧性能。 关键字：球磨机，辊压机，立磨，匀质性系数，易烧性，分解活化能 a b s t r a c t r a wm a t e r i a lg r i n d i n gi sa l li m p o r t a n tp r o c e s so fc e m e n tp r o d u c t i o n ，p r o v i d i n g e x c e l l e n tr a wm a t e r i a lp o w d e rf o r t h ec l i n k e rc a l c i n a t i o n s n o wt h e r e a r et h r e em a j o r c e m e n tr a wm a t e r i a lg r i n d i n gp r o c e s s e s ( b a l lm i l lg r i n d i n gs y s t e m ，r o l l e rp r e s s g r i n d i n gs y s t e m ，v e r t i c a lm i l lg r i n d i n gs y s t e m ) ，b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t g r i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yi n d e xi nt h r e ek i n d so fg r i n d i n gp r o c e s s ，d i f f e r e n tp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h er a wm a t e r i a l ，s oc a r r y i n go u tt h es t u d yo ng x i n d i n g p r o c e s so fr a 南p e r f o r m a n c e ，g u i d i n gt h ec h o i c eo fr a w m a t e r i a lp r e p a r a t i o ns y s t e m o ft h en e wd r yc e m e n tp r o c e s si m p r o v i n gc h o i c e so fr a wm a t e r i a ls e c t i o ni nc e m e n t p r o d u c t i o np r o c e s sa n dc e m e n tp r o c e s sd e s i g n c o n t r o lp a r a m e t e r s ，t op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v ey i e l da n dq u a l i t yo fc e m e n tc a l c i n a t i o n sa n dr e d u c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n f i r s t l y , u s i n gl a s e rp a r t i c l e s i z ea n a l y s i s ，x - r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i sa n d c h e m i c a la n a l y s i st or e s e a r c hm i c r o s u r f a c em o r p h o l o g y , p a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no f t h r e ek i n d so fp a r t i c l e so fc e m e n tr a wm a t e r i a lg r i n d i n gp r o c e s sa n dc a l c u l a t e c a o 、s i 0 2u n i f o r m i t yo fg r a i ns i z ev a r i a t i o nu n d e rd i f f e r e n t f r a c t i o n so ft h r e e c e m e n tc o m p o u n d t h er e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e eg r i n d i n g p r o c e s sa f f e c tt h eq u a l i t yo fr a wc o e f f i c i e n ta n d c h a r a c t e r i s t i c so fu n i f o r ms i z ex ， u n i f b 姗i t vc o e 行i c i e n tn ( b a l lm i l lr a wm e a l r o l l e rp r e s sr a w m e a l v e r t i c a lm i l l r a wm e a l ) ，f e a t u r es i z ex 一( r o l l e rp r e s sr a wm e a l v e r t i c a lm i l l ，r a w m a t e r i a l d e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e a n dr a wm a t e r i a la c t i v a t i o n e n e r g y o f d e c o m p o s i t i o n ：b a l lm i l l r o l l e rp r e s s v e r t i c a l t h i r d l y , c o n s i d e rt h es i 0 2u n i f o r m i t yo nc l i n k e rc a l c i n a t i o n ss t u d yc a l c i n a t i o n s p r o p e r t i e so nd i f f e r e n tr a t i oo fs i 0 2 i nr a wf i n e n e s s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： b u r n a b i l i t yo fc o a r s ep r o p o r t i o nr a wm a t e r i a li sp o o rt h a ns a n d s t o n ep r o p o r t i o nr a w m a t e r i a l f c a oi nc l i n k e rc o n t e n ti n c r e a s ew i t hs i 0 2p a r t i c l e si n c r e a s e s 8 0 u r ns i 0 2 p a r t i c l e ss i z ef r a c t i o nh a sas m a l ld i f f e r e n c e se f f e c t ，s i 0 24 靴mp a r t i c l ea n da b o v e a f f e c tt h ed e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h er a wm a t e r i a lt h ea c t i v a t i o ne n e r g y s i g n i f i c a n t l y , r a wm a t e r i a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ea n da c t i v a t i o ne n e r g yo f d e c o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a li n c r e a s ew i t hf i n e n e s so fs a n dp a r t i c l e s f o u r t h l y ，i n t e g r a t e dt h ef i n d i n g so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h r e e k i n d so fc e m e n tr a wm a t e r i a lg r i n d i n gp r o c e s s ，i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，r o l l e rp r e s s s y s t e m sa n db a l lm i l ls y s t e m sc o m p a r e dt ov e r t i c a lm i l ls y s t e m s ，m u s tr e d u c et h e d e g r e eo f t h er a wm a t e r i a lt oe n s u r et h ep e r f o r m a n c eo fr a wm a t e r i a lc a l c i n a t i o n ，i n t h r e ek i n d so fg r i n d i n gc o e f f i c i e n ts h o u l dc o n t r o lm o r et h a n4 5 比ms i 0 2c o n t e n to f c o a r s ep a r t i c l e st oe n s u r et h er a wm a t e r i a lc l i n k e rc a l c i n a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b a l lm i l l ，r o l l e rp r e s s ，v e r t i c a lm i l l ，u n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t ，b u r n a b i l i t y , d e c o m p o s i t i o na c t i v a t i o ne n e r g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝煎幽期：垒么! ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研触。：姒锥导师雠，：痨溺心 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 水泥生料粉磨的目的就是使生料细度适于水泥熟料的煅烧。水泥原料的差 异对水泥生料粉磨及熟料煅烧产生影响【1 1 。不同的水泥生料的粉磨特性是不同 的，导致生料易磨性的差异，对粉磨的影响随生料易磨性的不同而变化；其次 是对熟料煅烧的影响，生料的细度及其均匀性和生料的化学成分及其匀质性都 对生料的易烧性有影响，进而影响熟料煅烧过程【2 1 。水泥熟料的形成首先要经 历固相反应，固相反应中生料颗粒小，有利于扩散进行固相反应，有利于熟料 的形成；随后进入固液反应的熟料烧结过程。由已形成的c 2 s 和游离c a o 在熔 体中进行扩散反应生成c 3 s 。这个过程的速率除了和熔体的含量、粘度有关以 外，还与c 2 s 和c a o 的颗粒大小有关，颗粒越小，速率越快，越有利于烧成【圳。 生料的过粗颗粒难于完全反应，但过细颗粒有利于局部过早出现液相，不利于 烧成，因此生料既要要求合理的细度，又要求均匀的粒度级配。 新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和预分解技术为核心，采用新型原料、 燃料均化和节能粉磨技术及设备，全线采用计算机集散控制，使水泥生产具有 高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和大型化、自动化、科 学管理特征的现代化水泥生产方法【5 j 。 生料粉磨是水泥生产的重要工序，其主要功能在于为熟料煅烧提供性能优 良的粉状生料【6 j 。对粉磨生料的要求：一是要达到规定的颗粒大小；二是不同 化学成分的原料颗粒混合均匀；三是粉磨效率高、耗能少、工艺简单、易于大 型化、形成规模化生产能力。由于生料粉磨设备、土建等建设投资高，消耗能 源多( 大约占水泥生产综合电耗的1 4 以上) ，因此采用高新技术，优化生料粉 磨工艺，对水泥工业现代化建设有着十分重要的作用和意义。 新型干法生产传统的生料粉磨系统是烘干兼粉磨的球磨系统。根据原料的 易磨性、含水量以及规模能力的不同，有不同的型式。主要有风扫磨系统、尾 卸提升循环系统和中卸提升循环系统。立磨系统是当今生料粉磨的主导系统， 其主要类型有m p s 磨、a t o x 磨、o k 系列磨、伯力休斯磨、莱歇磨等。辊压 机粉磨系统是能和立磨竞争的节能粉磨系统。辊压机是2 0 世纪8 0 年代中开发 出来的新技术，其节能效果好，发展很快，既可用用于球磨之前作预粉磨，也 武汉理工大学硕士学位论文 可用于生料终粉磨系统【7 j 。 水泥生料的细度通常以筛析法测定，用2 0 0 t m 和8 0 t m 筛的筛余表示生料 的细度。按过去的生产经验，一般考虑到生料反应速度和磨机产量、电耗的综 合经济效果，生料细度以8 0 t m 方孔筛的筛余1 0 或8 - - 1 0 为宜【引。生料细 度可以用粒度分布、均匀性系数和特征粒径来表征。通过对生料进行粒度分析， 可以了解颗粒的分布情况，粒度分布越均匀，生料细度均匀性越好。细度均匀 性是相对的，实际不可能获得绝对的均匀，通常按粒度分布r r b 公式确定细度 均匀性系数1 1 1 。均匀性系数越大，生料细度越均匀，有利于烧成。特征粒径越 小，生料细度越细i 引。 随着对水泥生料细度研究与控制，发现在水泥生料不同粒级中的化学成分 的波动同样也会对水泥熟料煅烧产生负面影响。水泥生料匀质性是指生料各化 学组分的细度及其分布的均匀性。其包括两个内容：( 1 ) 在正常烧成温度下，生 料中各矿物组分颗粒粒径必须能在最短反应时间内形成最佳熟料矿物组成；( 2 ) 具有最佳级配的水泥生料的各化学组分颗粒处于最佳均匀分布状态。不具备上 述条件的工业生料就是非均质生料。考虑细度对水泥熟料煅烧的影响，水泥生 料最佳的配比方案中，水泥生料不同颗粒粒级中生料的化学成分应该与水泥生 料总化学成分相同，此时就为完全匀质的，但因原料矿物组成中不同物质的易 磨性、粉磨工艺等因素都会影响生料各粒级中的化学成分的波动。非匀质性的 生料在煅烧中因颗粒大小的不同，导致生料的不完全煅烧和液相出现时间不同 都会对生料熟料的品质和产量发生影响。本文将主要探讨不同粉磨工艺对水泥 生料匀质性的影响，通过熟料烧成性能的实验研究，探讨不同粉磨工艺中水泥 生料匀质性的差异对熟料煅烧的影响，通过实验研究结果，优化水泥生料粉磨 工艺，完善生料性能控制指标，为提高熟料产量、质量及降低烧成能耗提供理 论依据。 ( 1 ) 球磨粉磨系统 球磨机的工作原理：球磨的粉磨能力来自所装载的研磨介质之间的冲击和 研磨。当磨机回转时，研磨体由于离心力的作用贴附在筒体衬板表面，随简体 一起回转，被带到一定高度时由于其本身的重力作用，像抛射体一样落下，冲 击筒体内的物料，达到粉磨目的。 球磨粉磨系统的特点：对物料物理性质波动的适应性较强，能连续生产， 且生产能力较大；产品细度、颗粒级配易于调节，颗粒形貌近似球形，有利于 2 武汉理工大学硕士学位论文 生料燃烧；可干法作业，也可湿法作业，还可烘干和粉磨同时进行，粉磨的同 时对物料有混合、搅拌、均化作用；但分离效率低，电能有效利用率低，设备 笨重，噪音大，并有较强振动。 新型干法生产传统的生料粉磨系统是烘干兼粉磨的球磨系统。根据原料的 易磨性、含水量以及规模能力的不同，有不同的型式。主要有风扫磨系统、尾 卸提升循环系统和中卸提升循环系统。新型干法水泥生产一般规模均较大，原 料大都较硬，水分并不太大，所以适合中卸提升循环系统。国内2 0 世纪7 0 年 代、8 0 年代中期，从国外引进设备的3 2 0 0 t d 、4 0 0 0 t d 工厂，如柳州、宁国、 珠江，以及国内开发的大部分2 0 0 0 t d 、2 5 0 0 t 坩工厂均采用中卸提升循环系统。 德国伯力休斯公司生产的风扫磨规格已达f 5 8 m x l 4 7 5 m ，电机功率 5 2 0 0 k w ，台时产量3 2 0 t h ，可处理含水分高达1 5 的物料。这种磨机结构简单， 容易管理和维护，对管理人员的技术水平要求也不高。其缺点是动力消耗较大， 尤其当用于处理含水较少而又易磨的物料时，由于风扫和提升物料所需的气体 量大于烘干物料所需的热风量，则更不经济。中国水泥工业目前利用风扫磨作 为生料粉磨系统的不多，但应用于煤粉制备系统则很广泛。 中国邯郸水泥厂干法生料粉磨所选用的f 3 2 m x 8 5 m 中卸提升循环磨机系 统，烘干热源为烧煤粉的热风炉。宁国水泥厂从日本三菱公司引进的生料制备 系统为f 5 0 m x l 5 6 m 中卸提升循环磨，烘干热源为预热器废气。 由于球磨粉磨系统电耗大，一般单位生料主机电耗要1 5 - - - 1 6 k w h t ，系统 电耗要2 0 2 2 k w m ，为此逐步让位与立磨。单机规模也停留在当时的水平未 再扩大【9 1 。 ( 2 ) 立磨粉磨系统 立磨是根据料床粉磨原理来粉磨物料的机械，磨内装有分级机构而构成闭 路循环，加压机构提供粉磨力，同时也借助磨辊与磨盘运动速度差异产生的剪 切研磨力来粉碎、研磨料床上的物料。 立磨的主要特点：粉磨效率高；烘干能力强；产品的化学成分稳定、颗粒 级配均匀，有利于煅烧；工艺流程简单、建筑面积及占用空间小；噪音低、扬 尘少、操作环境清洁；磨损小，利用率高。 立磨( r o l l e rm i l l ) 亦称辊式磨。第一台莱歇( l o e s c h e ) 磨于1 9 2 5 年用于发 电站磨制烟煤，1 9 3 5 年在德国用于水泥工业，随后才开始在欧洲、美国、加拿 大等国水泥工业应用。2 0 世纪5 0 年代以前，立磨由于结构、材质等原因，仅 3 武汉理工大学硕士学位论文 用于水泥工业的煤粉制备，1 9 6 0 年才开始在欧洲的水泥厂用于粉磨含水量5 1 0 的软质原料。7 0 年代以来，由于立磨在结构及材质上的改进，并且使 用液力压紧的磨辊代替弹簧压紧的磨辊，设备逐渐大型化。特别是世界能源危 机之后，燃料及电价上升，促进了立磨的迅速发展。 目前，立磨在德国、美国、加拿大、日本等许多国家已曰益广泛地应用于 水泥工业的生料制备工序。常用的立磨有莱歇磨、m s p 磨、伯力休斯立磨、a t o x 磨及雷蒙磨等( 其他尚有m b 磨即培兹磨、e 型磨、神户系列磨、离心磨等) ，已 投产的立磨，生产能力已超过5 0 0 t h ，产品系列中生产能力最大者可达1 0 0 0 t i l 。 中国水泥工业于2 0 世纪5 0 年代初期即开始采用立磨制备煤粉；7 0 年代末 期开始研制立磨用于生料制备。1 9 8 8 年铁四巢湖水泥厂引进的m p s 磨及1 9 8 9 年顺昌水泥厂引进的a t o x 磨相继用于生料制备，1 9 9 2 年天津院研发的首台 t r m 2 5 2 型立磨于1 删级新型干法生产线配套用于新乡水泥厂，并通过部 级鉴定，随后开发出t r m l 4 2 - - t r m 3 8 4 1 型产品系列。中材国际南京院也研制 推出了m l s 型立磨系列。 立磨原来都有是风扫式的，但是近年来为了进一步挖掘节电潜力，国外有 不少制造厂商正在进一步研制利用机械方法在磨外循环的立磨系统。这样，不 仅可以减少磨机风量，降低电耗，也更适合于磨制硬质或易磨性差别较大的物 料，因此，机械循环的立磨具有良好的发展前景1 9 】。 ( 3 ) 辊压机粉磨系统 辊压机主要是由两个速度相同、相向转动的辊子组成。物料从两辊间的上 方喂入，随着辊子的转动向下运动，进入辊间的缝隙内，在高压作用下受挤压 形成密实的料床。经辊压机粉磨后的物料粒度减小，颗粒的裂纹增加，料饼的 易磨性得到改善。 辊压机粉磨系统的特点：其粉磨效率高，电耗低，增产节能；可降低钢铁 消耗，单位磨耗为0 5 9 t ：噪音低，约为8 0 d b ；体积小，质量轻，占地面积小， 容易安装。 辊压机( r o l l e rp r e s s ) 亦称双辊磨、挤压磨、挤压机。它是1 9 8 4 年德国卡 斯路( k a r l - - s r u h e ) 大学机械工艺技术学院孙纳德( k s c h 6 n e r t ) 教授等人首次 进行模型试验及半工业试验，取得成功。1 9 8 5 年在海德堡( h e i d e l b e r g e r ) 水泥 公司雷门( l e i m e n ) 水泥厂安装1 台f1 8 r e x 0 5 m 辊压机同台f 2 9 m x l 3 m 钢 球磨组成圈流系统进行工业试验，取得水泥产量增加2 5 、电耗降低2 5 、产 4 武汉理工大学硕十学位论文 品产量及生产运转正常的显著效果，随即引起国际水泥工业界的重视。多年来， 德国伯力休斯、洪堡等公司一直从事辊压机设备改进及粉磨系统优化工作。 中国于2 0 世纪8 0 年代曾先后引进辊压机用于生产生料粉磨及水泥粉磨作 业。1 9 9 0 年国产h f c l 0 0 0 3 0 0 投入生产，1 9 9 8 年中国引进了德国洪堡k h d 公 司辊压机制造技术。目前，国产h f c 系列辊压机在新型干法水泥生产中已得到 广泛应用。 2 0 0 6 年初，利君公司与国际水泥设备研发巨头英国w a 公司进行技术合作 洽谈，并正式立项研究。经过潜心攻关，粉磨节能技术取得了重大突破，先后 获得“水泥生料生产设备”实用新型专利和“水泥生料制备方法及其实施设备” 发明专利。这些专利成果标志着辊压机应用技术取得了新的重大突破，打破了 辊压机仅用于水泥熟料工艺的传统领域，其节能技术运用到了水泥生料系统， 这是在水泥生料粉磨工艺中应用的技术首创。合肥院h f c g 型辊压机产品荣获 2 0 0 7 年“中国名牌产品”称号，开创了建材行业科研院所自主研发和制造的产品 “中国名牌”先河。 2 0 0 6 年，辊压机粉磨系统用于生料终粉磨系统已成功运行。其粉磨效率高、 电耗低、增产节能，具有较好的发展前景【9 1 。 1 2 国内外研究及存在的问题 1 2 1 关于不同粉磨工艺的生料微观结构研究 栾素芳，崔素萍，赵虎奎提出：不同粉磨系统的生料其微观结构有差异， 立磨生料颗粒大部分边缘棱角较分明，有些颗粒有微裂纹。球磨生料颗粒大部 分边缘较圆滑，未发现有微裂纹。立磨生料颗粒有些有微裂纹，使方解石和石 英晶粒的晶格缺陷增多，固相反应c a o 的迁移较容易进行，液相反应c a o 的 溶解时间缩短，生料易烧性好1 1 0 j 。 王刚介绍智海企业集团榆次水泥分公司一条2 5 0 0 t d 水泥熟料生产线的生 料制备系统采用的是生料辊压机粉磨系统。分析辊压机生产得来的生料成品多 为片状物料，0 2 m m 筛余偏粗，但对砂岩的结晶硅有较好的破坏性，在生料成 分同样的情况下与球磨机生料相比耐火度下降( 球磨机生料细度控制为0 0 8 m m 筛余= 1 2 ，0 2 m m 筛余= 2 0 ) ，反而易于煅烧，熟料f c a o 正常稳定在1 0 左 右，2 8 d 抗压强度可达到6 3 m p a ! u j 。 5 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 关于生料粒度分布特性研究 从生料易烧性角度分析确定了以0 2 r a m 筛余作为生料细度目标值，以8 0 t m 筛余作为生料粉磨细度日常控制指标。使用r r s b 方程探讨了生料粒度分布与 典型粒径筛余的关系，结果表明，当8 0 # m 筛余一定时，随着生料粒度分布均 匀性系数提高，0 2 t u r n 筛余降低，易烧性提高。在保证0 2 m m 筛余为1 5 的 前提下，如果生料均匀性系数由0 8 3 增加到1 1 2 ，则8 0 , u r n 筛余可以由1 4 增 加到2 2 ，而不显著改变易烧性。目前的生料粉磨工艺，无论是球磨还是立磨， 生料的粗颗粒中s i 0 2 的含量更高，并且主要是结晶完美的s i 0 2 。因为难以煅烧 的硅质原料同时也难以粉磨【捌。 顾容宏，顾林曦( 译) 采用化学全分析方法对球磨机和立磨生料的均匀性 研究表明：试验生料各粒级中石英( s i 0 2 ) 的分布主要取决于石英的原始粒径。 生料中4 5 - 9 0 t m 粒级中s i 0 2 的含量总是高于相应的全生料。立磨生料中较粗 粒级与球磨生料粗粒级相比含有较低的c a o 和较高的s i 0 2 。即使当1 2 5 , u m 的筛余由8 降到3 左右，立磨制备生料的均匀性依然未得到提高【1 3 】。 1 2 3 关于生料颗粒级配与水泥生料易烧性的相关性研究 超临界尺寸石英会显著降低生料的易烧性，当石英晶径增大时，易烧性恶 化的程度也增大。在高石灰饱和比的生料中，大尺寸石英颗粒的存在有害。粗 石英晶粒可形成3 种不同类型的贝利特团，贝利特团的直径是石英晶粒的两倍 多，贝利特团常常相互连成贝利特区，不能进入贝利特团的f c a o 的量增加， 超临界尺寸的石灰石晶粒对生料易烧性的恶化影响比石英晶粒小，由粗石灰石 颗粒可形成几乎同样尺寸的f c a o 团i l 训。 1 3 课题研究的目的、意义 新型干法水泥生产工艺是目前国际上公认的最先进的水泥生产方法，也是 代表国际水泥工业发展的最新水平，同时也代表着我国水泥发展的方向。 生料粉磨是水泥生产的重要工序，其主要功能在于为熟料煅烧提供性能优 良的粉状生料。对粉磨生料的要求：一是要达到规定的颗粒大小；二是不同化 学成分的原料颗粒混合均匀；三是粉磨效率高、耗能少、工艺简单、易于大型 化、形成规模化生产能力。由于生料粉磨设备、土建等建设投资高，消耗能源 6 武汉理工大学硕七学位论文 多( 大约占水泥生产综合电耗的1 4 以上) ，因此采用高新技术，优化生料粉磨 工艺，对水泥工业现代化建设有着十分重要的作用和意义1 1 5 d 9 1 。 传统的生料粉磨系统是烘干兼粉磨的球磨系统。根据原料的易磨性、含水 量以及规模能力的不同，有不同的型式。主要有风扫磨系统、尾卸提升循环系 统和中卸提升循环系统。立磨系统是当今生料粉磨的主导系统，其主要类型有 m p s 磨、a t o x 磨、o k 系列磨、伯力休斯磨、莱歇磨等。辊压机粉磨系统是 能和立磨竞争的节能粉磨系统。辊压机是2 0 世纪8 0 年代中开发出来的新技术， 其节能效果好，发展很快，既可用用于球磨之前作预粉磨，也可用于生料终粉 磨系统1 2 0 - 2 3 1 。 在实际生产过程中，生料的细度通常以筛析法测定，用2 0 0 z m 和8 0 t m 筛 的筛余表示。一般水泥生料的控制指标为8 0 # m 筛余8 - - 一1 0 、2 0 0 m 筛余 2 1 2 4 1 。 粒度分布通过激光粒度来测定，粒度分布越均匀，生料细度均匀性越好。 细度均匀性是相对的，实际不可能获得绝对的均匀，通常按粒度分布r r b 公式 确定细度均匀性系数n 。均匀性系数越大，生料细度越均匀，有利于烧成。特 征粒径越小，生料细度越细。 生料匀质性通过化学测试来测定，匀质性体现的是不同粒级中各化学组分 的百分含量。国内研究中传统看法是：生料磨得愈细，其比表面积愈大，生料 在窑内的化学反应，如碳酸钙的分解，固相反应、固液相反应等速度愈快，愈 有利于游离氧化钙的吸收。但在实际生产中，随着粉磨细度变细，磨机产量也 愈低，粉磨电耗也愈高。由于粉磨产品中不同矿物成分易磨性不同，导致在粉 磨过程中存在过粉磨现象，易磨性好的颗粒最早粉磨成微小颗粒，难磨颗粒不 易粉磨，在生料中主要集中在粗颗粒中，特别是s i 0 2 颗粒。当生料匀质性不佳 时，会导致生料粗颗粒中硅质原料含量增多，熟料煅烧的时候会使游离氧化钙 含量增多，严重影响产品质量。为此，应该严格考虑生料匀质性对生料性能的 影响。 生料的微观结构及颗粒形貌的不同对熟料的煅烧产生差异，杨德尔方程中 c a o 的溶解时间随方解石与石英的晶格缺陷的增多而降低，f c a o 动力学方程中 c a o 的溶解时间随方解石与石英的晶格缺陷的增多而降低1 2 5 锄】。因为微观结构 和颗粒形貌无法定量比较，只有通过显微镜或扫描电镜做定性分析。 目前，国内外水泥生产中，只是通过控制生料细度中8 0 u r n 筛余及2 0 0 u m 筛余来控制生料性能。而在实际生产中原料的中s i 0 2 和c a o 颗粒的易磨性不 7 武汉理丁大学硕七学位论文 同而导致生料中的匀质性差异，粉磨工艺不同导致的水泥生料微观结构及颗粒 表面形貌差异、不同矿物原料性能差异等可变因素都会影响生料烧成性能【2 7 - 2 8 1 。 为了提高熟料煅烧产量及质量，优化大型化生产中水泥生料粉磨工艺，完善生 料细度的控制指标，必须探明不同粉磨工艺与生料匀质性、微观结构、颗粒表 面形貌及细度之间的相关性。 因此选用不同水泥厂三种粉磨工艺生产的入窑生料，通过化学方法探索水 泥生料的匀质性与粉磨工艺之间的相关性，混合粉磨易磨性不同矿物原料而存 在的过粉磨规律；考虑不同水泥厂原料及率值的差异对水泥生料煅烧的影响， 选用相同矿物原料配比后用实验室球磨、立磨及工厂辊压机终磨机进行粉磨， 探讨水泥生料易烧性及熟料性能与粉磨工艺之间的规律，水泥生料分解动力学 性能与粉磨工艺之间的关系；研究不同粒级粗颗粒s i 0 2 水泥生料对匀质性的影 响，探讨不同粒级粗颗粒s i 0 2 对水泥生料烧成性能的影响。通过实验研究结果， 优化水泥生料粉磨工艺，完善生料性能控制指标，为提高熟料产量、质量及降 低烧成能耗提供理论依据。 1 4 国内外研究存在的问题 a 、国内外生料性能研究，只进行了球磨机及立磨生料的性能及熟料性能研 究，对低能耗的新型辊压机生料终粉磨系统的生料性能研究较少，无法针对辊 压机系统的优化及大型化生产提出指导性方法。 b 、水泥生料粉磨过程中，水泥生料通过控制8 0 肛r a 筛余作为生料粉磨细度 日常控制指标。而在水泥原料混合粉磨中c a o 及s i 0 2 因易磨性的差异导致过 粉磨现象，生料各粒级中c a o 及s i 0 2 的分布不均匀，影响c a o 及s i 0 2 在各粒 级中的匀质性系数的差异。 c 、水泥熟料的煅烧是粗放型生产，其生料性能的差异，特别是c a o 及s i 0 2 匀质性的变化对烧成能耗有不同的影响，国内外研究中并没有针对c a o 及s i 0 2 匀质性的变化对烧成能耗影响做进一步的研究。 1 5 研究内容及方法 为了研究三种粉磨工艺水泥生料物理化学特性的差异，指导新型干法水泥 生料制备系统的选择，完善生料工段在水泥生产过程中及水泥厂工艺设计中控 8 武汉理工大学硕士学位论文 制参数的选择方法。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 本研究通过化学分析方法测算三种水泥生料粉磨工艺( 辊压机终粉磨、 球磨机粉磨、立磨粉磨) 对不同粒级0 4 鼽m 、4 5 8 0 p m 、8 0 1 2 5 t m 、1 2 5 一z m 水泥生料的匀质性系数，比较单一粉磨工艺不同粒级匀质性系数差异及三种粉 磨工艺不同粒级匀质性系数的差异。 ( 2 ) 针对不同原料对实验的影响，选用相同原料配比水泥生料，选用三种 不同粉磨工艺( 辊压机终粉磨、球磨机粉磨、立磨粉磨) 粉磨，通过化学分析 和x 荧光分析及匀质性计算公式计算三种粉磨工艺水泥生料不同粒级中c a o 、 s i 0 2 匀质性系数；通过易烧性实验、综合热分析实验分析不同生料匀质性系数 差异对水泥生料烧成性能的影响及其相关性。 ( 3 ) 以辊压机生料作为参比物，利用球磨机粉磨水泥生料并配比不同细度 s i 0 2 原料，计算配比后不同细度s i 0 2 配比生料匀质性系数，通过易烧性实验、 综合热分析实验分析不同细度s i 0 2 对水泥生料烧成性能的影响及其相关性。 ( 4 ) 探讨在实际生产过程中不同粉磨工艺水泥生料性能指标，完善优化水 泥厂生产过程控制及水泥厂工艺设计参数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章不同粉磨工艺水泥生料匀质性研究 不同的粉磨工艺其粉磨原理不同，球磨机粉磨原料为所装载的研磨介质之 间的冲击和研磨；立磨原理为磨辊与磨盘运动速度差异产生的剪切研磨力来粉 碎、研磨料床上的物料；辊压机粉磨原理为物料从两辊间的上方喂入，随着辊 子的转动向下运动，进入辊间的缝隙内，在高压作用下挤压对生料进行粉磨。 而水泥粉磨是一个混合粉磨过程，不同的矿物原料配比后在工艺粉磨工段下进 行粉磨，而不同的矿物成分其硬度也不同，在粉磨粉磨过程中必然存在过粉磨 及未粉磨完全的现象。考虑在实际生产中，水泥生料中的主要化学成分为c a c 0 3 及s i 0 2 ，其莫斯硬度分别为3 、7 【强捌，在粉磨过程中c a c 0 3 首先粉磨完全， 而s i 0 2 因硬度较大必然存在未粉磨完全的现象。本章采用水泥厂三种不同粉磨 工艺水泥生料，分别对其物理性能及不同粒级下c a c 0 3 及s i 0 2 匀质性差异进行 研究探索其粉磨工艺对生料性能的影响。 2 1 试样来源及基本特性 2 1 1 试样来源 本实验的三种水泥生料均为日产2 5 0 0 t d 水泥熟料生产线入窑生料。球磨粉 磨系统和辊压机粉磨系统生料选用( s x z h ) 水泥厂入窑生料，立磨粉磨系统生 料采用( h b s q ) 水泥厂入窑生料。在矿物组成方面，辊压机粉磨系统和球磨 粉磨系统入窑生料的矿物组成是一样的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 球磨粉磨系统工艺流程图如图2 1 所示： 图2 - 1球磨粉磨系统工艺流程图 由图2 - 1 可知球磨粉磨系统工艺流程如下： 原料粉磨采用两套f 3 8 x 1 2 m 闭路磨+ z x 组合选粉机系统，产量为 2 1 0 0 油。粉磨系统烘干热源来自于高温风机引入的窑尾预热器废气。来自原料 配料库的原料配比后喂入f 3 8 1 2 m 球磨机。成品经z x 组合式选粉机收集， 经空气斜槽入生料均化库；粗粉与新喂入的混合料一同进行循环，继续粉磨过 程。 1 1 武汉理工大学硕七学位论文 图2 - 2 立磨粉磨系统工艺流程图 j 增温塔高温风机i 一廿一 由图2 2 可知立磨粉磨系统工艺流程如下： 原料粉磨采用一台h r m 3 4 0 0 b 立磨，单位产量为2 1 蛳。系统烘干热源来自 于高温风机引入的窑尾预热器废气。来自原料配料库的生料配料后入立磨。经 粉磨后，细颗粒随磨内热风吹入旋风分离器分离，细颗粒分离后经空气输送斜 槽入生料均化库；粗颗粒进入提升机与新喂入的混合料一同进入循环，继续粉 磨过程。 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 辊压机粉磨系统工艺流程图如图2 3 所示： 一 心泰 卯罐研伏 蟛 爿一 旋风。 离器 上 v v 1r 一划黜尘器伊 薷升 虮相 手，太 了丫 v v v 口l 僵 一 i ”n 来至生料均化摩 ， ( 、彬一 提升虮 广1 她选蛔 i l i 吨 巳 辊压机 ) r倒 u ( 压 乙1o 、 l k l 乙u u 工 图2 - 3 辊压机粉磨系统工艺流程图 由图2 - - 3 可知辊压机粉磨系统工艺流程如下： 原料粉磨采用一套c l f l 8 0 1 0 0 + v 型选粉机+ 动态选粉机系统，单位产量 为2 0 吣。来自生料均化库的生料喂入v 型选粉机，在v 型选粉机中预烘干后， 通过提升机提升进入稳料仓，该稳料仓设有荷重传感器检测仓内料位，物料从 稳料仓喂入辊压机中进行料床粉碎的挤压过程，挤压后料饼通过提升机提升后 送入v 型选粉机中打散、烘干、分级，细小颗粒被热风分选出来，粗颗粒与新 喂入的混合料一同进入循环挤压过程。 2 1 2 试样基本性能 对三种粉磨工艺的水泥入窑生料进行扫描电镜分析、激光粒度分析和x 射 线荧光分析，分析其颗粒的微观表面形貌、粒度分布和化学成分。 几川u 武汉理1 人学顶k 学位论文 ( 1 ) 扫描电镜分析 试样：球磨粉磨系统入窑生料、立辟粉磨系统入窑生料、辊压机粉磨系统 入窑生料： 实验仪器：扫描电子显微镜( s e m ) ；型号：j s m 一5 6 1 0 l v 。 图2 - 4 球磨粉磨系统入窑生料的扫描电镜图片 匿2 - 5 立磨粉磨系统 窑生料的扫描电镜图片 圈26 辊压机粉磨系统入窑生车斗的扫描电镜图片 武汉理工大学硕士学位论文 经球磨粉磨系统粉磨的试样：如图2 4 所示，试样颗粒边缘形貌较圆滑， 表面比较粗糙，几何形状不规则。图中颗粒粒径大约2 0 m 。 经立磨粉磨系统粉磨的试样：如图2 5 所示，试样颗粒几何形状不规则， 表面粗糙，有明显的断痕，断口处不平整。图中颗粒粒径大约2 0 t i n 。 经辊压机粉磨系统粉磨的试样：如图2 - 6 所示，试样颗粒表面粗糙、凹凸 不平，有明显的裂纹，几何形状不规则。图中颗粒粒径大约l o t m 。 通过对试样进行扫描电镜的分析我们可以看出不同粉磨工艺的水泥入窑生 料的颗粒微观表面形貌和颗粒粒径是不同的，这与粉磨工艺流程以及不同磨机 的粉磨特点有关。由于球磨粉磨系统是由研磨体间的碰撞进行粉磨，所以其颗 粒表面比较圆滑；立磨粉磨系统是借助磨辊与磨盘运动速度差异产生的剪切研 磨力来粉碎、研磨，其颗粒表面有其特有的裂痕；辊压机粉磨系统物料在高压 作用下受挤压形成密实的料床，其颗粒表面裂纹较多。 ( 2 ) 激光粒度分析 试样：球磨粉磨系统入窑生料、立磨粉磨系统入窑生料、辊压机粉磨系统 入窑生料； 实验仪器：马尔文激光衍射粒度分析仪。 现在国内水泥生料煅烧对水泥生料细度的要求为水泥生料细度8 0 z m 筛筛 余小于1 5 。本实验主要研究粉磨工艺对水泥生料匀质性的影响，因此采用8 0 目筛( 1 8 0 p m ) 对三种水泥入窑生料进行筛分。选用马尔文激光衍射粒度分析 仪给三种入窑生料做粒度分析，分析三种入窑生料的粒度分布情况，如表2 1 ： 表2 - 1三种粉磨工艺入窑生料不同粒级下颗粒百分含量( ) 根据表2 1 可以做图列2 7 表示三种粉磨工艺入窑生料在各粒级中的质量 百分含量。 武汉理1 人学硕士学位论文 日o 2 20 4 u 2 20 4 4 75 u m 目o 2 2 0 4 u 帕_ 2 20 4 4 75 u d 业幽u me 36 9 3 1 8 堕j ( b ) 图列2 - 7 三种粉磨工艺水泥入窑生料在各粒级中的质量百分含量 如图列2 7 所示，图( a ) 、( b ) 、( c ) 中表示了三种粉磨工艺入窑生料在各 粒级中的质量百分含量。从图列2 - 7 发现，三种粉磨工艺入窑生料颗粒主要分 布在0 4 钆m 粒级，2 z c i m 以下的占7