?鋼渣?
鋼渣是轉爐煉鋼和電弧爐煉鋼產生的以硅酸鈣、鐵酸鈣等為主要成分的工業(yè)固廢，產率約為粗鋼產量的14%。2014年我國鋼渣產生量已超過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，目前我國鋼渣綜合利用率約33%，距德國、日本等發(fā)達國家近100%利用率相差甚遠。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，長期以來我國一直視鋼渣為一種輔助性膠凝材料，目前將鋼渣磨細作為水泥混合材或混凝土摻合料是實現(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，在進一步磨細至400 m2/kg以上時，采用傳統(tǒng)的球磨機使得粉磨能耗大幅增加，因此，國內一直在嘗試采用更為節(jié)能的粉磨技術和裝備。
1鋼渣的粉磨特性
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鄒興芳認為: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3mm;硅酸二鈣粒徑也達到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，必須將鋼渣磨細至較高細度，使鋼渣礦物結構發(fā)生畸變、結晶度下降，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
近年來，鋼渣粉磨新工藝和新設備的應用日益廣泛，在傳統(tǒng)的球磨機基礎上，國內已相繼開發(fā)出了技術指標更先進的輥壓機半終粉磨、輥壓機終粉磨、立式磨、臥式輥磨等，從不同的應用角度和技術特點豐富和發(fā)展了鋼渣粉磨的技術內涵。
2.1球磨機為終粉磨設備的粉磨工藝
球磨機是物料簡單機械破碎之后，再進行粉磨的傳統(tǒng)設備。隨著球磨機相關技術的不斷進步，使得球磨機也能粉磨硬度大的物質，如鋼渣。球磨機在粉磨物料上的優(yōu)點主要有適應性強、粉碎比大、粉磨和烘干可以同時進行、結構及維護管理簡單，密封性好，運行平穩(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，這也使得球磨機與水泥行業(yè)的歷史幾乎一樣悠久。球磨機研磨體規(guī)格及材料能根據物料性能做出相應調整，這使得球磨機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，球磨機的缺點也同樣明顯，主要是配置昂貴、磨損嚴重、工作效率低、能量損耗大等，以生產水泥為例，每生產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，絕大部分電能被轉變?yōu)闊崮芎吐暷芏速M掉。但球磨機能耗大，粉磨損耗嚴重等缺點，限制了球磨機在粉磨鋼渣領域的發(fā)展。
正因為如此，粉磨行業(yè)以提高粉磨效率、降低能耗和鋼耗為宗旨，進行粉磨新裝備、新技術的研究開發(fā)一直都沒停止。近年來，在利用球磨機作為終粉磨的基礎上，杭鋼采用振動磨作為預粉磨設備，馬鋼開發(fā)出輥壓機為預粉磨設備，大大提高了鋼渣粉磨效率。
2.2輥壓機+球磨機的聯(lián)合粉磨工藝技術
輥壓機誕生于20世紀80年代中期，是一款基于“料床粉碎”原理的典型新型節(jié)能粉磨設備，與球磨機相比，具有增產節(jié)能、噪音小、鋼材損耗小等優(yōu)點，經輥壓機擠壓后的物料顆粒易磨性大為改善，進而大幅度降低了整個粉磨系統(tǒng)的能耗，既適用于新廠建設，也能用于老廠技術升級改造。
輥壓機相比球磨機，主要優(yōu)點有粉磨效率高、能耗低、磨損小、噪音低、粉塵少、結構簡單、緊湊，操作維修方便等，但也存在不足之處:“邊緣效應”、零部件尤其是輥子軸承以及輥面易磨損、存在選擇性粉碎等。天津院用輥壓機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)生產鋼渣粉的研究表明，用輥壓機處理鋼渣時，能大幅度改善其易磨性，從而降低球磨機電耗，輥壓機處理鋼渣的增效系數(shù)可達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)磨機的粉磨狀況，使整個粉磨系統(tǒng)的單位電耗明顯下降;且可實現(xiàn)鋼渣中的鐵和渣能充分剝離，便于預粉磨系統(tǒng)進行高效除鐵。因此采用帶輥壓機半終粉磨的鋼渣粉磨工藝，可以充分發(fā)揮和利用輥壓機的高效擠壓優(yōu)勢和球磨機的粉磨功能，達到顯著改善產品性能、增產節(jié)能和高效除鐵的效果。
在輥壓機與球磨機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，鋼渣經輥壓機擠壓，通過兼烘干及選粉功能的選粉機，選出規(guī)定細度的微粉進球磨機粉磨成成品，粗粉回輥壓機再次擠壓。鋼渣經由輥壓機輥壓后，顆粒表面出現(xiàn)裂紋，有助于提高終粉磨設備的粉磨效率、降低能耗。鋼渣在煉鋼過程中內部包裹有相當數(shù)量的小顆粒金屬鐵，因此粉磨時除鐵是關鍵。首先要最大限度將金屬鐵從鋼渣中提取出來進行回收利用，有效除鐵可減少粉磨過程鐵對設備的磨損并提高粉磨效率。在外循環(huán)系統(tǒng)中增加多個除鐵設備，可降低鋼渣粉中的含鐵量，保護粉磨設備。
輥壓機與球磨機聯(lián)合粉磨能耗低于單獨使用球磨機粉磨系統(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)生產的問題，如金屬鐵富集、烘干效率及選粉分級效率低，輥壓機喂料控制等問題，但這也證明在鋼渣粉磨方面聯(lián)合粉磨技術較單一終粉磨技術更有優(yōu)勢。
3輥壓機為終粉磨的“線接觸式”粉磨工藝技術
鞍鋼礦渣公司采用高壓輥壓機作為鋼渣粉終粉磨設備。高壓輥壓機的特點是使用壽命長，設備運轉率高，易于維修和能耗低。與傳統(tǒng)的球磨機相比，高壓磨輥研磨過程中主要是利用兩個反向旋轉的輥來擠壓料層，由于料層是由許多連結在一起的粒子組成，所施加的壓力造成顆粒間強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。與普通球磨機系統(tǒng)相比，高壓輥壓機粉磨系統(tǒng)的節(jié)能效果達到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。但由于經輥壓機擠壓粉磨的物料中細粉含量相對較少，因而循環(huán)負荷很大，一般在8倍喂料量以上，成品中微粉量不夠，成品質量雖能滿足要求，但相同比表面積的產品質量比球磨機粉磨的產品質量差。此外，單機生產能力仍然較小。
4立式磨的“面接觸式”粉磨工藝技術
立式磨自20世紀20年代問世以來，一直以粉磨效率高、能耗低著稱，尤其是可對含水量高達20%左右的物料同時進行烘干粉磨，因此建材行業(yè)長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、工藝系統(tǒng)簡單、結構緊湊，控制方便、密封性好，運轉率高、噪音小等，缺點主要有: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)材質要求較高，零件磨損后維修工作量大，更換難度也大，對系統(tǒng)密封性及操作員的操作技術水平要求都較高等，立式磨維修費用高，對材質及生產管理的要求都比較高，一般認為鋼渣中含鐵量高，產品要求細度高，不易使用立磨粉磨。目前國內外還沒有成熟的生產線投入使用，但業(yè)內一直沒有停止采用立式磨粉磨鋼渣的嘗試，合肥水泥研究設計院通過研磨組件配合、新型耐磨材料使用、系統(tǒng)和磨內除鐵、鋼渣粉分選方面創(chuàng)新［4］，在立式磨中分別針對未熱悶處理的鋼渣和熱悶處理后的鋼渣進行了試生產，表明粉磨鋼渣產量比礦渣低29.85%，粉磨100%未經熱悶鋼渣磨機產量比粉磨100%熱悶鋼渣降低19.98%，可見鋼渣的處理方式對易磨性影響也很大，另外鋼渣粉磨對除鐵的要求更嚴格，要求磨前設計3道除鐵措施，磨機排渣與外循環(huán)提升機之間設計二道除鐵，以便有效去除鋼渣中的鐵，保證系統(tǒng)設備運行的穩(wěn)定，從而降低設備的磨耗和系統(tǒng)的能耗。
5臥輥磨的“面接觸式”粉磨工藝技術
臥式輥磨，也稱筒輥磨，是20世紀90年代出現(xiàn)的節(jié)能粉磨設備。它以料層間擠壓為粉磨原理，采用中等壓力、多次擠壓方式，以近似于輥壓機的粉磨效率，近似球磨機的運行可靠性，從一問世就得到極大的關注?，F(xiàn)在全球大約有30余臺法國FCB公司的臥式輥磨投入運行。最大臺時產量生料達225 t/h，水泥達130 t/h。我國牡丹江水泥廠、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)有限公司也引進該公司臥式輥磨用于粉磨水泥和鋼渣粉，國內的部分設備制造企業(yè)也正在開發(fā)這種新型節(jié)能粉磨設備。
臥式輥磨的主要優(yōu)點為咬入角較大、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，運行平穩(wěn)，基于“料床粉碎”3種典型粉磨設備中，工作壓力從小到大依次是立式磨＜臥輥磨＜輥壓機;一次通過，多次擠壓，物料在臥輥磨內的粉磨次數(shù)，可以根據工藝要求，通過控制機構調整，以達到調節(jié)出磨物料粒徑的目的，也就是物料從進料端到出料端運動的過程中，依靠磨輥的回轉運動，可以經濟、方便地在筒體內循環(huán)粉磨7～8次;能耗小，球磨機的能量利用率不足5%，輥壓機和臥輥磨均可達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整導料板傾斜角度來間接調節(jié)，物料在筒體內“螺旋”前進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。粉磨鋼渣粉時粉磨至400 m2/kg主機電耗約45 kW·h/t。臥式輥磨系統(tǒng)與球磨機系統(tǒng)對比見表1。
臥式輥磨機具有運行穩(wěn)定、操作靈活、產量在線可調、可控性較強、磨耗及電耗較低的優(yōu)點，已經在日照京華新型建材有限公司投產運行2條80萬噸/a的鋼渣粉生產線，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)有限公司投產運行40萬噸/a鋼渣粉生產線。
6各種鋼渣粉粉磨工藝比較
目前已投入正式生產的各種鋼渣粉磨工藝技術指標對比見表2。
7結束語
1)鋼渣中含有鐵鋁酸鈣、鎂鐵相固溶體、金屬鐵等難磨組分，使得鋼渣粉磨細至合適細度能耗居高不下。
2)國內探索了輥壓機+球磨機聯(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性，輥壓機+球磨機聯(lián)合粉磨聯(lián)合粉磨工藝優(yōu)于球磨機終粉磨工藝，“面接觸式”料床粉磨設備優(yōu)于“點接觸式”料床粉磨設備，采用聯(lián)合粉磨工藝技術及“面接觸式”料床粉磨設備可以顯著提高產量，降低系統(tǒng)電耗，可以作為未來鋼渣粉磨工藝技術的重要研究方向。而臥輥磨終粉磨技術將是未來鋼渣粉磨技術的發(fā)展方向。
作者：中冶建筑研究總院有限公司
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編輯：冶金渣與尾礦
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