TRM輥磨粉磨抗硫酸鹽水泥的應(yīng)用

彭凌云，趙海洋，劉金磊

1 TRM輥磨發(fā)展歷程

TRM輥磨為天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱天津水泥院）自主研發(fā)的立式輥磨設(shè)備，在粉磨水泥生料、熟料、煤粉、礦渣粉及其他輔助膠凝材料等方面均有廣泛的應(yīng)用，并已逐步進(jìn)入冶金、電力、煤炭、化工等行業(yè)，其在大型化、多樣性方面，一直處于國(guó)產(chǎn)輥磨裝備的領(lǐng)先地位。

天津水泥院從2006年開(kāi)始著手進(jìn)行水泥輥磨的研發(fā)工作，2007年開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，2009年實(shí)現(xiàn)了TRMS3131輥磨工業(yè)試驗(yàn)穩(wěn)定粉磨水泥的目標(biāo)，磨機(jī)產(chǎn)量和主機(jī)電耗均達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)[1]。

2010年，由天津水泥院自主研發(fā)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)TRMK4541水泥輥磨在越南福山公司投產(chǎn)，經(jīng)生產(chǎn)調(diào)試，磨機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水泥成品的顆粒分布和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量與球磨機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥相當(dāng)，混凝土工作性能優(yōu)良[1]。2011年，在TRMK4541規(guī)格輥磨基礎(chǔ)上，天津水泥院進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)發(fā)了TRMK5041規(guī)格輥磨。2014年，天津水泥院開(kāi)發(fā)了可同時(shí)粉磨礦渣和水泥的TRMKS5641輥磨，物料切換便捷，實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)先進(jìn)。

2020年，由天津水泥院自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)最大水泥輥磨TRMK6031投產(chǎn)，磨盤(pán)直徑φ6m，裝機(jī)功率6 300kW。在熟料占比90%、成品比表面積370m2/kg的運(yùn)行條件下，系統(tǒng)產(chǎn)量可達(dá)280t/h，電耗27～28kW·h/t，較同水泥廠“輥壓機(jī)+球磨機(jī)”聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，節(jié)電10%以上[2]。

2021年，由天津水泥院設(shè)計(jì)供貨的兩套TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)成功應(yīng)用于伊拉克NAS水泥工廠抗硫酸鹽水泥的粉磨，系統(tǒng)產(chǎn)量＞95t/h，比表面積330m2/kg，系統(tǒng)電耗32kW·h/t。TRMK3621水泥輥磨運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，生產(chǎn)的水泥和配制的混凝土性能優(yōu)良，驗(yàn)證了TRM輥磨有較強(qiáng)的物料適應(yīng)性。

目前，天津水泥院已完成十余個(gè)規(guī)格的TRM水泥輥磨開(kāi)發(fā)，在輥磨大型化的道路上，天津水泥院先后完成了配套年產(chǎn)260萬(wàn)噸水泥粉磨生產(chǎn)線及單臺(tái)配套10 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線的水泥輥磨的開(kāi)發(fā)。TRM水泥輥磨型譜見(jiàn)圖1。

圖1 TRM水泥輥磨型譜

2 抗硫酸鹽水泥易磨性分析

2.1 抗硫酸鹽水泥特點(diǎn)

混凝土硫酸鹽腐蝕是混凝土化學(xué)腐蝕中的一種情況，在實(shí)際工程中，硫酸鹽介質(zhì)對(duì)硬化水泥石產(chǎn)生腐蝕并由此引起混凝土材料破壞，嚴(yán)重影響混凝土工程的耐久性。為確?；炷凉こ痰姆?wù)年限，降低硫酸鹽腐蝕的影響程度，除了使用適用的混凝土制作工藝，工程中還應(yīng)使用抗硫酸鹽水泥。

抗硫酸鹽水泥所用原材料與普通硅酸鹽水泥基本相同，均由石灰質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料和鐵質(zhì)校正原料組成，但抗硫酸鹽水泥對(duì)熟料礦物組成的要求與普通硅酸鹽水泥差別很大?？沽蛩猁}水泥具有抵抗中等或較高濃度硫酸根離子侵蝕的能力，故需嚴(yán)格控制熟料礦物組成中C3A和C3S的比例，使之不能高于標(biāo)準(zhǔn)值，這導(dǎo)致了抗硫酸鹽水泥的易磨性較差。根據(jù)硫酸鹽腐蝕機(jī)理，水化硅酸鈣在混凝土系統(tǒng)堿性條件下基本穩(wěn)定，硬化水泥漿體中易受腐蝕的組分是氫氧化鈣和水化鋁酸鈣。熟料中C3A和C3S含量越高，水泥水化生成的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣則越多，腐蝕情況越嚴(yán)重，水泥的抗硫酸鹽腐蝕性能在很大程度上取決于水泥熟料的礦物組成和各組分的含量。

C3A水化產(chǎn)物是水泥中最易受腐蝕的組分，可通過(guò)限制熟料中的C3A含量，提高水泥抗硫酸鹽腐蝕性能。實(shí)踐證明，C4AF的耐腐蝕性比C3A高，可相應(yīng)提高C4AF含量代替部分C3A，即適當(dāng)降低C3A的含量，在保證有足夠的溶劑礦物以利于燒成的情況下，提高水泥抗硫酸鹽腐蝕的能力。C3S在水化時(shí)會(huì)析出較多的CH，而CH是造成水泥腐蝕的另一重要因素。C2S耐腐蝕性較好，適當(dāng)降低C3S含量，相應(yīng)增加C2S含量，也是提高水泥耐腐蝕性的重要措施之一。一般情況下，抗硫酸鹽水泥熟料中的C3A≯5%、C3S≯55%。

2.2 熟料礦物組成及其易磨性

熟料中C3S、C2S、C3A、C4AF的易磨性和相對(duì)含量直接影響熟料的易磨性。試驗(yàn)研究表明，上述4種主要礦物的易磨性相差較大，礦物由易磨到難磨的順序依次為C3S、C3A、C4AF、C2S。其中，C3S是熟料礦物中最易磨的礦物，隨著粉磨時(shí)間的增加，其比表面積近似線性增加，易磨性亦如此；C2S最難磨，隨粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，其比表面積增長(zhǎng)率最低，且在特定時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反復(fù)。C3S、C3A、C4AF和C2S的脆性系數(shù)分別為4.7、2.9、2.0、2.0，其脆性系數(shù)與易磨性排序（易磨到難磨）一致[3]。

由于抗硫酸鹽水泥的C3S和C3A含量明顯低于普通硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽水泥的易磨性明顯差于普通硅酸鹽水泥。

2.3 抗硫酸鹽水泥易磨性分析

伊拉克NAS工廠熟料的化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，熟料的礦物組成及率值見(jiàn)表2。

表1 伊拉克NAS工廠熟料的化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果，%

由表2可以看出，伊拉克NAS工廠的熟料滿足抗硫酸鹽水泥熟料“C3A＜5%、C3S＜55%”的礦物組成要求，且易磨性最好的C3S含量?jī)H有37.5%，易磨性最差的C2S含量高達(dá)34.27%。從上文理論分析可知，該熟料的易磨性較差，這一點(diǎn)在T3000易磨性試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。T3000易磨性試驗(yàn)是表征物料易磨性的重要指標(biāo)，主要測(cè)試將物料比表面積粉磨至3 000cm2/g所需的粉磨時(shí)間，粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，物料越難磨。

表2 伊拉克NAS工廠熟料的礦物組成（%）及率值

中國(guó)水泥發(fā)展中心物化檢測(cè)所分別對(duì)伊拉克NAS廠抗硫酸鹽水泥和中等易磨性普通硅酸鹽水泥的易磨性進(jìn)行了檢測(cè)，易磨性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，二者Wi數(shù)據(jù)相近，但抗硫酸鹽水泥T3000數(shù)據(jù)明顯高于普通硅酸鹽水泥。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知，抗硫酸鹽水泥（配比熟料96%、石膏4%）的輥磨理論主機(jī)電耗為24kW·h/t，比中等易磨性普通硅酸鹽水泥的理論主機(jī)電耗19kW·h/t高出26%。無(wú)論是從熟料礦物組成，還是從實(shí)際易磨性測(cè)試結(jié)果，均可看出，抗硫酸鹽水泥的易磨性明顯差于普通硅酸鹽水泥。

表3 水泥易磨性檢測(cè)結(jié)果

3 TRMK3621輥磨系統(tǒng)工藝特點(diǎn)及運(yùn)行情況

3.1 TRMK3621輥磨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1.1 研磨區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)TRM輥磨采用的是平盤(pán)錐輥結(jié)構(gòu)，主要研磨區(qū)集中在磨輥大端，研磨區(qū)較窄，在遇到易磨性差、細(xì)度要求高、水分低的物料時(shí)，磨機(jī)的穩(wěn)定性易受到影響。同時(shí)，研磨區(qū)較窄，也會(huì)降低輥套、磨盤(pán)襯板等易磨件的使用壽命。

由于抗硫酸鹽水泥的易磨性明顯差于普通硅酸鹽水泥，且水泥配比中僅有熟料和石膏，物料在磨內(nèi)需更多次的研磨才能滿足成品細(xì)度要求，這會(huì)導(dǎo)致磨盤(pán)上半成品中細(xì)粉含量增多，影響磨機(jī)的穩(wěn)定性。針對(duì)此情況，天津水泥院TRMK3621水泥輥磨采用新型研磨區(qū)結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的平盤(pán)結(jié)構(gòu)改為略帶角度的斜盤(pán)，對(duì)輥套角度也進(jìn)行了相應(yīng)修改。同時(shí)，適當(dāng)增加了研磨區(qū)寬度，這一結(jié)構(gòu)改變使物料在磨盤(pán)上的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度也發(fā)生了改變，物料運(yùn)動(dòng)的阻力由摩擦力變?yōu)槟Σ亮硬糠种亓ΑＵ{(diào)整后，物料在磨盤(pán)上的研磨次數(shù)和粉磨效率增加，磨機(jī)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性得到了改善。目前，新型研磨區(qū)結(jié)構(gòu)已在多臺(tái)水泥輥磨和礦渣輥磨上應(yīng)用，粉磨水泥時(shí)，磨機(jī)穩(wěn)定性大幅提升；粉磨中等易磨性物料時(shí)，電耗可降低1.5kW·h/t。3.1.2 高效選粉機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于抗硫酸鹽水泥易磨性較差，在粉磨過(guò)程中產(chǎn)生的半成品較多，除依靠研磨結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升粉磨效率和改善磨機(jī)穩(wěn)定性外，還需要使用合適的選粉機(jī)保證足夠的選粉效率。TRM輥磨采用高效選粉機(jī)，擁有合理的動(dòng)靜葉片結(jié)構(gòu)及梯度風(fēng)速設(shè)計(jì)，有效提升了選粉分級(jí)能力。半成品和成品有效分離，避免了成品重返磨盤(pán)，有利于穩(wěn)定料床。被分選的半成品沿著靜葉片內(nèi)壁路徑，經(jīng)內(nèi)錐體返回至磨盤(pán)繼續(xù)粉磨，半成品不再受殼體區(qū)域攜帶物料的上升氣流影響，減少了其在磨內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，有利于穩(wěn)定磨況及降低能耗。選粉機(jī)能夠保證成品比表面積在300～400m2/kg范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，并保證水泥成品的顆粒分布在合理范圍內(nèi)。

3.2 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程

伊拉克NAS工廠有兩套水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)，屬于單風(fēng)機(jī)粉磨系統(tǒng)，具有布置緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖2。兩臺(tái)輥磨共用一個(gè)調(diào)配站及石膏喂料倉(cāng)，各有其熟料喂料倉(cāng)。調(diào)配好的物料由膠帶輸送機(jī)經(jīng)回轉(zhuǎn)下料器喂入輥磨，物料在輥磨中隨著磨盤(pán)的旋轉(zhuǎn)從中心向邊緣運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受磨輥擠壓被粉碎。粉磨后的物料在磨盤(pán)邊緣處被從風(fēng)環(huán)進(jìn)入的熱氣體帶起，粗顆粒落回到磨盤(pán)再次粉磨，合格細(xì)粉被帶入袋式收塵器作為成品。在風(fēng)環(huán)處未被熱風(fēng)帶起的部分難磨的大顆粒物料，通過(guò)吐渣口進(jìn)入外循環(huán)系統(tǒng)除鐵后，再次進(jìn)入輥磨與新喂物料一起粉磨。物料水分很低，外循環(huán)物料和新喂物料共用一個(gè)喂料溜管。出收塵器的成品通過(guò)空氣輸送斜槽、提升機(jī)等設(shè)備送入成品庫(kù)。

圖2 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程圖

輥磨磨機(jī)烘干所需熱空氣由熱風(fēng)爐提供，熱風(fēng)通過(guò)管道進(jìn)入磨機(jī)，出磨氣體經(jīng)收塵器凈化后由風(fēng)機(jī)送出，少部分排入大氣，大部分循環(huán)入磨作為磨機(jī)提升物料和分選所需的氣體。

3.3 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)運(yùn)行情況

3.3.1 生產(chǎn)原料情況

伊拉克NAS工廠現(xiàn)場(chǎng)抗硫酸鹽水泥由96%的熟料和4%的天然石膏組成，根據(jù)成品SO3值微調(diào)配比?？沽蛩猁}水泥熟料不僅易磨性差且較重，升重平均達(dá)1 320g/L。天然石膏基本為粉狀料，純度約70%，表面水分僅0.4%～0.5%。

3.3.2 產(chǎn)量和電耗

磨機(jī)產(chǎn)量及系統(tǒng)電耗見(jiàn)表4。由表4可以看出，磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況優(yōu)于設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)喂料量干基產(chǎn)量＞95t/h，且主機(jī)電耗＜20kW·h/t，大幅低于易磨性試驗(yàn)結(jié)果（24kW·h/t），這表明TRM輥磨具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的粉磨效率。由于熟料重且配比高，風(fēng)機(jī)電耗明顯高于其他水泥終粉磨系統(tǒng)。

表4 磨機(jī)產(chǎn)量及系統(tǒng)電耗

3.3.3 氣體溫度壓力

由于入磨物料水分極少，為維持磨機(jī)穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)料床適當(dāng)噴水，這些水分一般會(huì)被熟料自帶的熱量和磨機(jī)粉磨做功發(fā)熱蒸發(fā)。在粉磨外部堆放的熟料時(shí)會(huì)適當(dāng)打開(kāi)一段時(shí)間熱風(fēng)爐以維持磨內(nèi)溫度。為了維持磨內(nèi)提升物料和選粉所需的通風(fēng)量，大部分的出磨氣體經(jīng)收塵器凈化后會(huì)再次循環(huán)入磨，有時(shí)需適當(dāng)開(kāi)啟冷風(fēng)閥門(mén)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，出磨氣體溫度約85℃，出磨物料水分＜0.5%。

合適的磨機(jī)壓差是磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，在額定的產(chǎn)量下，磨機(jī)壓差為5 000～5 500Pa，入磨負(fù)壓為200～500Pa，出磨負(fù)壓為5 500～6 000Pa。磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，入磨、出磨等處的氣體溫度壓力見(jiàn)表5。

表5 入磨出磨等處的氣體溫度壓力值

3.3.4 系統(tǒng)風(fēng)量

磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)兩臺(tái)磨的風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)算，1號(hào)磨系統(tǒng)出收塵器負(fù)壓為7 100Pa，工況風(fēng)量330 000m3/h；2號(hào)磨系統(tǒng)出收塵器負(fù)壓為7 000Pa，工況風(fēng)量340 000m3/h。

3.3.5 磨機(jī)振動(dòng)

磨機(jī)振動(dòng)對(duì)設(shè)備的安全可靠性影響很大，需將磨機(jī)的振動(dòng)值控制在合理的范圍內(nèi)才能有效保護(hù)磨機(jī)。TRMK3621輥磨磨機(jī)的振動(dòng)傳感器安裝在減速機(jī)推力軸承側(cè)面的殼體上。經(jīng)檢測(cè)，磨機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，水平振動(dòng)值和垂直振動(dòng)值均在2.0mm/s左右，屬較低的振動(dòng)水平。

3.3.6 擋料圈高度和料床厚度

擋料圈高度是影響磨機(jī)料床穩(wěn)定和料床厚度的重要因素，料床厚度過(guò)低會(huì)影響磨機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，料床厚度過(guò)高則會(huì)影響粉磨效率，增加主機(jī)電耗。該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定的擋料圈高度為180mm，料床厚度為40～50mm，屬于較理想的料床厚度。合適的擋料圈高度和料床厚度為磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、提高粉磨效率創(chuàng)造了條件。

4 水泥成品性能

水泥成品性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出，利用TRM輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)出的抗硫酸水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為26%～27%，凝結(jié)時(shí)間合理，水泥強(qiáng)度與球磨機(jī)相當(dāng)。此外，混凝土檢測(cè)顯示，混凝土塌落度較高，工作性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)在伊拉克NAS水泥工廠粉磨抗硫酸鹽水泥的成功應(yīng)用，再次驗(yàn)證了TRM輥磨在物料適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)。TRMK3621輥磨特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及合理的工藝設(shè)計(jì)，使抗硫酸鹽水泥生產(chǎn)的最終實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，TRM輥磨性能邁上了新的臺(tái)階。