采用高細(xì)篩分閉路粉磨系統(tǒng)制備鋼鐵渣粉的工業(yè)實(shí)踐

鄒偉斌

1 前言

現(xiàn)階段，我國(guó)每年排放工業(yè)固體廢棄物約30億噸，其中，鋼渣排放量在1億噸以上，礦渣排放量為3億噸左右。生產(chǎn)實(shí)踐證明，鋼渣與粒化高爐礦渣按照一定比例配料后磨制成的鋼鐵渣微粉，是用于制備高強(qiáng)度混凝土或高性能混凝土以及抵抗海水侵蝕的海工混凝土的高活性優(yōu)質(zhì)復(fù)合礦物摻合料。

通過分析T公司所提供的鋼渣與礦渣的理化性能及配比情況，對(duì)比GB/T 28293-2012《鋼鐵渣粉》的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，T公司已完全具備生產(chǎn)G95級(jí)鋼鐵渣粉的條件。T公司初期生產(chǎn)的G95級(jí)鋼鐵渣粉的配比及質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)與GB/T 28293-2012《鋼鐵渣粉》的數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)比情況見表1、表2。

2015年6月，T公司采用由φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)與Sepax1500高效渦流選粉機(jī)組成的一級(jí)閉路粉磨系統(tǒng)，利用當(dāng)?shù)劁撹F企業(yè)轉(zhuǎn)爐鋼渣與?；郀t礦渣等工業(yè)廢渣制備鋼鐵渣粉。試生產(chǎn)階段，系統(tǒng)磨制的G95級(jí)鋼鐵渣粉理化性能及顆粒粒徑不甚理想。經(jīng)技術(shù)改進(jìn)后，G95級(jí)鋼鐵渣粉理化性能提高，粉磨系統(tǒng)磨細(xì)能力及生產(chǎn)能力顯著提高，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益大幅提升。

2 用于制備鋼鐵渣粉的工業(yè)廢渣理化性能分析

2.1 鋼渣

鋼渣系冶金行業(yè)利用電爐和轉(zhuǎn)爐工藝在1 650℃以上煉鋼過程中排出的工業(yè)廢渣，每生產(chǎn)1t鋼，大約排出300kg左右鋼渣。采用轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝獲得的鋼渣外觀呈黑色致密塊狀或顆粒狀，又稱為前期鋼渣或氧化鋼渣，由于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的成渣溫度高，前期鋼渣又被稱為“過燒水泥熟料”。采用電爐煉鋼工藝凈化鋼種時(shí)，加入高品位石灰（CaO）與高品位螢石（CaF2）作熔劑，可脫除S、P等雜質(zhì)，減少Al、Si等無用成分。電爐在還原氣氛條件下排出的鋼渣為還原鋼渣，還原鋼渣消解后外觀呈白色粉末狀；在氧化氣氛條件下排出的鋼渣稱為氧化鋼渣，堆積未處理的原狀氧化鋼渣見圖1。

國(guó)外學(xué)者B.Mason按照鋼渣化學(xué)成分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以堿度B將鋼渣分為4類。

表1 G95級(jí)鋼鐵渣粉配比情況對(duì)比

表2 國(guó)標(biāo)要求鋼鐵渣粉質(zhì)量指標(biāo)與T公司試生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

圖1 堆積未處理的原狀氧化鋼渣

鋼渣堿度B在0.9～1.4之間為橄欖石渣（CaO·RO·SiO2），在1.4～1.6之間為鎂薔薇石渣（3CaO·RO·2SiO2），在1.6～2.4之間為硅酸二鈣渣（β-C2S），在2.4以上的為硅酸三鈣渣（C3S）。

鋼渣中的CaO含量越高，堿度B也越高，形成的硅酸鹽礦物也越多，潛在水硬性越好。在上述四種不同堿度的鋼渣中，硅酸三鈣渣（C3S）的膠凝化學(xué)活性最好，水化強(qiáng)度高。

對(duì)含有難磨的鐵酸二鈣C2F及鐵橄欖石Fe2SiO4硬質(zhì)礦相的鋼渣的顯微硬度（HV850）進(jìn)行分析可知，該鋼渣的易磨性極差。筆者在水泥工廠化驗(yàn)室工作期間，曾采用一級(jí)閉路粉磨系統(tǒng)制備P·C42.5級(jí)水泥，在配料過程中逐步摻入5%～8%的轉(zhuǎn)爐鋼渣作混合材（進(jìn)廠前已經(jīng)過兩道除鐵處理工藝，顆粒粒徑＜4.0mm），在管磨機(jī)運(yùn)行中，系統(tǒng)產(chǎn)量較不摻鋼渣時(shí)下降5%～10%，水泥粉磨電耗明顯增長(zhǎng)3%～5%，管磨機(jī)襯板與研磨體磨耗也有所增加。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，盡管鋼渣摻量比例不大，仍然能夠顯現(xiàn)出鋼渣的易磨性非常差。由于鋼渣顆粒中包裹有一定數(shù)量的金屬鐵粒，必須定期清理研磨體或采用自制的磨門篩清理管磨機(jī)內(nèi)小顆粒渣鐵。

T公司所用轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3。將表3轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得知，T公司的鋼渣堿度B為2.03，屬于硅酸二鈣渣（C2S），具有一定的潛在水硬活性。經(jīng)過一段時(shí)間堆放消解后，綜合取樣測(cè)試，鋼渣中的fCaO含量為0.93%，完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20491-2017中對(duì)鋼渣材料中fCaO含量≤4.0%的技術(shù)指標(biāo)要求，可用作制備鋼鐵渣粉的材料。

2.2 ?；郀t礦渣

?；郀t礦渣系鐵礦石與焦炭和熔劑石灰石、白云石在1 500℃以上的高爐內(nèi)冶煉生鐵時(shí)排出的工業(yè)廢渣，每生產(chǎn)1t生鐵，約排出300～1 000kg的?；郀t礦渣。該礦渣在出爐時(shí)經(jīng)過水淬急冷，外觀呈疏松多孔狀顆粒，灰白色或淡黃色。由于高爐冶煉過程中所用鐵礦石與石灰石以及白云石成分品位不同，排出的礦渣大致化學(xué)成分為CaO：34%～46%，SiO2：22%～40%，Al2O3：5%～15%，MgO：2%～13%，并含有少量FeO、MnO、CaS、FeS、P2O5及TiO2等，其中CaO、MgO、SiO2、Al2O3四種氧化物含量總和達(dá)90%以上。水淬處理保留了礦渣中的微晶形態(tài)的高活性玻璃體結(jié)構(gòu)，高活性玻璃體結(jié)構(gòu)含量一般可達(dá)85%以上，具有較高的潛在物理化學(xué)活性。堆積未處理的原狀粒化高爐礦渣見圖2。

圖2 堆積未處理的原狀?；郀t礦渣

水淬?；郀t礦渣的活性，不僅與化學(xué)成分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和礦物組成有關(guān)，而且與礦渣的質(zhì)量系數(shù)K、堿性系數(shù)Mo、水硬性系數(shù)B、活性系數(shù)Mc、鈣硅比H等密切相關(guān)。

表3 T公司轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

（1）堿性系數(shù)Mo

通過粒化高爐礦渣堿性系數(shù)Mo將礦渣劃分為堿性、中性、酸性三大類。其中，堿性系數(shù)Mo＞1.0為堿性礦渣，Mo=1.0為中性礦渣，Mo＜1.0為酸性礦渣。就三類不同Mo的礦渣而言，礦渣易磨性與活性指數(shù)由高至低排序?yàn)椋簤A性礦渣＞中性礦渣＞酸性礦渣。

（2）質(zhì)量系數(shù)K

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 203-2008《用于水泥中的?；郀t礦渣》中的規(guī)定，質(zhì)量系數(shù)K要求≥1.2；質(zhì)量系數(shù)K值越大，礦渣的活性越好。

（3）活性系數(shù)Mc

?；郀t礦渣活性以活性系數(shù)Mc劃分，Mc＞0.25為高活性礦渣，Mc＜0.25為低活性礦渣。

（4）水硬性系數(shù)B

一般?；郀t礦渣水硬性系數(shù)B在1.4～1.8之間，水硬性系數(shù)B越大，礦渣的活性越好。

（5）鈣硅比H

鈣硅比H越大，礦渣越趨于堿性化，化學(xué)活性越好。

T公司取樣檢測(cè)的?；郀t礦渣化學(xué)成分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表4。

由表4中T公司?；郀t礦渣化學(xué)成分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 203-2008《用于水泥中的?；郀t礦渣》分析得知，該公司礦渣的質(zhì)量系數(shù)K=1.40，活性系數(shù)Mc=0.27，水硬性系數(shù)B=1.48，鈣硅比H=1.03，屬于高活性礦渣，完全能夠滿足與鋼渣按一定比例復(fù)合制備鋼鐵渣粉的技術(shù)條件。

3 制備G95級(jí)鋼鐵渣粉的粉磨工藝及技術(shù)參數(shù)

3.1 高細(xì)篩分管磨機(jī)閉路粉磨工藝流程

鋼渣在破碎與篩分過程中，采用三級(jí)高強(qiáng)磁除鐵，篩網(wǎng)對(duì)角線孔徑4.0mm，篩分后＜4mm的鋼渣顆粒入庫，按照鋼渣：礦渣=1:2比例均勻搭配，由膠帶機(jī)送入烘干系統(tǒng)，出烘干機(jī)鋼鐵渣混合料水分＜1.2%，由提升機(jī)輸送至儲(chǔ)庫。鋼鐵渣經(jīng)庫底皮帶秤計(jì)量，由輸送膠帶機(jī)送入φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)磨細(xì)，出磨待分級(jí)渣粉進(jìn)入磨尾專用氣力除渣除鐵設(shè)備，除去碎渣與碎金屬及其他雜物，再由磨尾提升機(jī)將出磨渣粉輸送至Sepax1500高效渦流選粉機(jī)分級(jí)。比表面積合格的鋼鐵渣微粉由輸送斜槽送至提升機(jī)入鋼鐵渣粉儲(chǔ)庫，選粉機(jī)粗粉由輸送斜槽輸送至管磨機(jī)進(jìn)料口入磨研磨。

3.2 φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)技術(shù)參數(shù)

φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)采用邊緣齒輪傳動(dòng)，主電機(jī)功率1 600kW-10kV-額定電流119A，進(jìn)相后主電機(jī)運(yùn)行電流100A，負(fù)荷84.03%。主減速機(jī)型號(hào)JDX1000，速比i=5.6，筒體工作轉(zhuǎn)速18.7r/min。設(shè)計(jì)研磨體總裝載量125t，實(shí)際裝載量124t。

管磨機(jī)一倉至二倉之間采用篩分隔倉板，內(nèi)篩分板篦縫寬度為2.5mm，一倉端與二倉端鑄造隔倉板的同心圓狀篦縫寬度均為10.0mm，中心圓板通風(fēng)篦縫寬度8.0mm。二倉（過渡倉）與三倉（細(xì)磨倉）之間篩分隔倉板內(nèi)篩板篦縫寬度2.0mm，二倉端與三倉端鑄造隔倉板的同心圓狀篦縫寬度均為8.0mm，中心圓板通風(fēng)篦縫寬度6.0mm。三倉安裝有三圈高度560mm活化環(huán)，磨尾出料篦板采用同心圓狀自清潔防堵形式，中心圓板通風(fēng)篦縫寬度4.0mm。

φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表5。

管磨機(jī)各倉研磨體初始級(jí)配（總裝載量124t）見表6。

表4 T公司粒化高爐礦渣化學(xué)成分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

表5 管磨機(jī)內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

3.3 Sepax1500高效渦流選粉機(jī)技術(shù)參數(shù)

Sepax1500高效渦流選粉機(jī)主軸電機(jī)功率45kW，喂料能力270t/h，選粉能力90t/h，成品比表面積可在400～650m2/kg之間選擇，完全滿足G95級(jí)鋼鐵渣粉制備要求。Sepax高效渦流選粉機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，內(nèi)部物料分散結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)O-sepa渦流選粉機(jī)更合理，籠形轉(zhuǎn)子下部設(shè)計(jì)有二次分散裝置，能使被分選物料分級(jí)更充分，R45μm選粉效率可達(dá)85%以上，對(duì)鋼鐵渣粉成品選凈度更高，有利于提高粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量。Sepax1500高效渦流選粉機(jī)采用外掛旋風(fēng)筒收集成品，系統(tǒng)運(yùn)行阻力小，維護(hù)工作量少，維護(hù)成本低，為今后配置高效率料床預(yù)粉磨設(shè)備預(yù)留了足夠的產(chǎn)能空間。Sepax1500高效渦流選粉機(jī)分級(jí)空氣采用內(nèi)循環(huán)形式，選粉空氣流場(chǎng)阻力相比O-sepa渦流選粉機(jī)阻力至少低2 000Pa，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量110 000m3/h，風(fēng)壓4 000Pa，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率185kW。

4 試生產(chǎn)階段粉磨系統(tǒng)存在的問題及解決措施

系統(tǒng)試生產(chǎn)階段，因磨內(nèi)磨細(xì)能力不足，微細(xì)粉含量偏低，顆粒粒徑偏粗，水化較慢，反應(yīng)活性不足，導(dǎo)致鋼鐵渣粉7d與28d活性指數(shù)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。試生產(chǎn)階段磨制的G95級(jí)鋼鐵渣粉理化性能及顆粒粒徑分布情況見表7、表8。

針對(duì)以上問題，T公司采取了針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)措施，并取得了較好效果，具體情況如下。

4.1 管磨機(jī)各倉有效長(zhǎng)度比例及篩分隔倉板參數(shù)設(shè)置不合理

（1）將原用于二倉（過渡倉）與三倉（細(xì)磨倉）之間的內(nèi)篩板（篦縫寬度為2.0mm）、二倉端與三倉端之間的篩分隔倉板（篦縫寬度均為8.0mm），調(diào)整至一倉與二倉之間，以強(qiáng)化一倉的篩分能力，延緩一倉到二倉的過料速度，適度延長(zhǎng)物料在一倉的處理時(shí)間。

（2）將原一倉與二倉之間內(nèi)篩板（篦縫寬度為2.5mm）、隔倉板篦縫寬度均為10.0mm的篩分隔倉板，調(diào)整至二倉與三倉之間，以保持良好的過料能力。

（3）原三倉安裝有三圈高度560mm活化環(huán)，活化區(qū)域偏小。為此，采用耐磨鋼板將活化環(huán)焊接加高至960mm，有效增大了直徑方向400mm高度的活化空間，充分激活了小規(guī)格研磨體粉磨能量。磨尾采用自清潔形式耐磨鋼板切割組合式大通孔率出料篦板，篦縫寬度4.0mm不變。在距離出磨篦板1 000mm處增設(shè)一圈特制的活化環(huán)，能夠較好地抑制過快的出磨流速，有效增加研磨體對(duì)鋼鐵渣粉的磨細(xì)能力。同時(shí)，拆除四圈小波紋襯板，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的凸棱襯板，顯著增大了研磨體-渣粉-襯板之間摩擦-剪切-磨細(xì)做功能力，有利于進(jìn)一步磨細(xì)鋼鐵渣粉顆粒粒徑，提高出磨渣粉中的成品含量與系統(tǒng)產(chǎn)量。

表6 管磨機(jī)各倉研磨體初始級(jí)配

表7 試生產(chǎn)階段磨制的G95級(jí)鋼鐵渣粉理化性能

表8 試生產(chǎn)階段磨制的G95級(jí)鋼鐵渣粉顆粒粒徑分布情況

表9 優(yōu)化調(diào)整后的管磨機(jī)磨內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表10 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的各倉研磨體級(jí)配

表11 粉磨系統(tǒng)改進(jìn)后生產(chǎn)的鋼鐵渣粉理化性能

表12 改造后生產(chǎn)的G95級(jí)鋼鐵渣粉顆粒粒徑分布

4.2 原設(shè)計(jì)級(jí)配一倉平均球徑偏小，對(duì)鋼鐵渣材料粗碎能力不足

（1）針對(duì)粉碎顯微硬度大的鋼渣與玻璃體含量高、韌性好的礦渣，必須提高一倉研磨體平均尺寸，同時(shí)放寬鋼球級(jí)配級(jí)數(shù)，減小球體之間的孔空隙率，增大研磨體對(duì)鋼鐵渣材料沖擊粉碎的適應(yīng)能力。實(shí)際級(jí)配過程中，在提高一倉處理功能的同時(shí)，需注意磨內(nèi)三個(gè)倉之間的粉磨平衡。

（2）優(yōu)化調(diào)整管磨機(jī)二倉與三倉研磨體級(jí)配。由于球間孔隙率以及鋼球與物料之間低效率的點(diǎn)接觸方式，鋼球的細(xì)磨能力低于鋼段。在調(diào)整二倉與三倉研磨體級(jí)配時(shí)，需配置不同規(guī)格鋼段，增加小規(guī)格研磨體裝載量，提高有效研磨面積。同時(shí)，逐步調(diào)整磨尾收塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足磨內(nèi)通風(fēng)要求的前提下，保持適宜的磨內(nèi)流速，大幅提高出磨物料中合格渣粉的比例。

（3）調(diào)整研磨體運(yùn)動(dòng)軌跡，二倉與三倉需要部分研磨體作泄落運(yùn)動(dòng)，提高最外層研磨體與襯板之間的摩擦力，以增加出磨物料成品含量，提高系統(tǒng)產(chǎn)量。

φ3.2m×13m高細(xì)篩分三倉管磨機(jī)磨內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后的基本參數(shù)見表9。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的研磨體級(jí)配（將總裝載量提高至136t）見表10。

5 改造效果

高細(xì)閉路粉磨系統(tǒng)改進(jìn)后制備的G95級(jí)鋼鐵渣粉理化性能見表11，顆粒粒徑分布見表12。

通過對(duì)高細(xì)閉路粉磨系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造，管磨機(jī)系統(tǒng)的磨細(xì)能力顯著提高，出磨微粉R45μm篩余值由改進(jìn)前的43.6%降低至31.3%，出磨微粉比表面積由改進(jìn)前的168m2/kg提高至296m2/kg。系統(tǒng)產(chǎn)量由35.6t/h提高至44.4t/h，鋼鐵渣粉產(chǎn)量每天可增加210t左右。以現(xiàn)階段每噸鋼鐵渣粉純利潤(rùn)100元計(jì)，僅增加產(chǎn)量部分，每天即可增效2.1萬元，每月可增效63萬元，大幅增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>