1 工業(yè)廢渣超細粉的性能
對工業(yè)廢渣超細粉磨的研究，主要集中在原料選擇和細度兩個方面。目前，國內工業(yè)生產排放的廢渣或副產品種類有：礦渣、粉煤灰、鋼渣和沸石微粉、硅灰等。硅灰雖然適應于制備高性能混凝土，但其價格昂貴、產量少，不能滿足大量制備高性能混凝土的要求。而礦渣、粉煤灰為主要原料超細粉磨資源豐富，生產應用比較廣泛。
粉煤灰的主要化學成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，高鈣灰則含有較多的CaO。早在1914年，美國人Anon發(fā)表了“煤灰火山特性的研究”，首先發(fā)現粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。而對用于水泥和混凝土的研究，是由美國伯克利加洲理工學院的RE維斯在1933年后開始的。由于水泥和混凝土中可以大批量用粉煤灰，因此，其應用一直是我國水泥界研究的重點。粉煤灰在混凝土的利用，主要產生三種效應：火山灰活性效應，即水泥水化產生的Ca（OH2）將激發(fā)粉煤灰的活性，使之反應生成以C-S-H凝膠為主的膠凝物質；形態(tài)效應，即粉煤灰的顆粒形態(tài)所決定的，當微珠含量大于50%時，流動性提高，減少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性質；微集料效應，即小于45μm篩余的微粉可填充混凝土中的孔隙，與Ca（OH2）反應生成的凝膠也可填充微小孔隙，使混凝土更加致密。粉煤灰細磨后，不但可以加快熟料顆粒的水化速度，還可以提前破壞粉煤灰密實的球形外殼，加快粉煤灰的火山灰反應，從而提高水泥早期強度。
礦渣是煉鐵高爐排出的水淬廢渣，其主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO，與水泥成分接近。超細粉磨后具有超高活性?，F有研究成果證明，將礦渣粉磨至平均粒徑小于5μm和小于10μm，可有效提高其水化活性，適宜配制大流動性超高強混凝土。以粒徑小于5μm的超細礦渣取代10～20%的水泥，可使水泥強度提高12～23%，標準稠度需水量降低0.014左右，適宜配制坍落度達20cm、28天抗壓強度達100MPa的大流動性超高強混凝土。同時還具有顯著地改善抗?jié)B、抗凍、抗碳化等耐久性。作為水泥混合材摻加10～20%，可使水泥標號提高一個等級。對硅酸鹽水泥、礦渣水泥、普通水泥均有良好的適應性。其作用機理是活性SiO2、Al2O3與水泥中C3S和C2S水化產生的Ca(OH)2反應，進一步形成水化硅酸鈣產物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同時將強度較低的Ca(OH)2晶體轉化成強度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而使水泥混凝土的一系列性能得到顯著改善。
２ 粉煤灰和礦渣超細粉生產
（1）粉煤灰
自1991年國家頒布《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準后，2005年又進行了修訂（GB/T1956-2005）。標準根據粉煤灰細度（45μm篩余）、需水量比、燒失量等指標分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級灰，細度為重要指標之一。目前我國有1/3的燃煤發(fā)電廠均采用分選的方式生產商品粉煤灰，收到良好的社會效益和經濟效益。隨著黃河小浪底水利工程、長江三峽水利工程等水利工程大量使用分選粉煤灰，我國粉煤灰分選技術得到逐漸發(fā)展。燃煤發(fā)電廠應用的分選工藝主要有：單點或多點直抽閉路循環(huán)分選（圖1）；單點或多點直抽開路分選（圖2）。
電力行業(yè)應用的分選粉煤灰的主要設備—— 分選機，典型的有動態(tài)的“強制渦流式分選機” 、靜態(tài)的“渦殼式分選機”等機型，單臺分選機處理量5t／h ~ 50t／h。強制渦流式分選機吸收了日本小野田公司的O-Sepa技術，渦殼式分選機則來自于美國Ge公司的Buell分選技術。 建材行業(yè)生產商品粉煤灰一般采用球磨機開路粉磨或閉路粉磨工藝，采用單一分級工藝的不多。由于粉煤灰原灰已經含有一定量的合格細粉，采用開路細磨的工藝，過粉磨現象嚴重，系統(tǒng)效率低，電耗高。隨著分選技術和裝備的發(fā)展，采用閉路粉磨工藝系統(tǒng)效率更高。與水泥的閉路粉磨系統(tǒng)有區(qū)別的是，粉煤灰閉路粉磨原灰應先進入選粉機進行分級，粗灰再入球磨機進行粉磨，最大限度地發(fā)揮選粉機的功能，系統(tǒng)粉磨效率最高(見圖3)。
圖３ 閉路粉磨工藝系統(tǒng)流程
合肥水泥研究設計院在粉煤灰分選技術方面進行了研究和開發(fā)，開發(fā)出了處理能力為25t/h、35t/h、45t/h、60 t/h的DS（F）高效分級機，選粉效率可達到90%。對于單分級系統(tǒng)采用了有別于電力行業(yè)負壓抽吸的機械提升輸送進料工藝，系統(tǒng)裝機功率降低，管道磨損減少。
?。?）礦渣
1998年國內第一個礦渣微粉標準《砂漿、混凝土用?；V渣微粉》(上海市地方標準)問世；1999年國內第一個礦渣微粉應用技術規(guī)程《?；郀t礦渣微粉在水泥混凝土中應用技術規(guī)程》(上海市地方標準)問世；2000年和2002年國家相繼頒布《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣微粉》（GB/T18046-2000）；《高強、高性能混凝土用礦物外加劑國家標準》等標準，正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組分。國家標準的制定和實施，標志著礦物外加劑技術進入了成熟的應用階段，是國家引導的發(fā)展產業(yè)。
超細礦渣制備技術目前主要有立磨、輥壓機聯(lián)合粉磨或終粉磨、球磨機閉路、球磨機開流以及振動磨等生產工藝。國際上以立磨和輥壓機終粉磨系統(tǒng)為主，從國內實際應用情況來看，以立磨和球磨兩種生產工藝占大多數。上述工藝流程特點基本相似，只是粉磨或分級裝備不盡相同。各種粉磨工藝都需布置除鐵裝置，如果聚集在磨床或磨內的鐵不能及時除掉，不僅影響產量，對設備的磨損特別大。
立磨系統(tǒng)的特點是效率高，電耗低；粉磨、選粉、烘干同時在磨內完成，系統(tǒng)簡單（圖4）。
圖4 立磨工藝系統(tǒng)流程
物料在磨機內部呈懸浮狀以及粗粉的多次循環(huán)，熱交換充分，因此烘干能力強。料床的穩(wěn)定防止震動，磨盤及磨輥的磨損是立磨進行礦渣粉磨的難點；另外系統(tǒng)投資較大，非一般小企業(yè)所年承受的。 輥壓機粉磨系統(tǒng)的特點是：料層高壓粉碎原理特別適合處理礦渣類脆性物料，效率高，特別是終粉磨系統(tǒng)(圖5)，效率更高，電耗更低。
相對于立磨，輥壓機本身不能起烘干作用，需另設烘干系統(tǒng)。輥壓機對礦渣的水份要求比較高，水份過低，反而容易產生設備震動，水份應控制在比較合適的水平。由于礦渣的磨蝕強，因此對輥面的耐磨性能要求高，維護費用較高。 球磨機閉路系統(tǒng)的特點是：設備和工藝成熟可靠，對物料的適應性較強，成品細度控制范圍較廣，電耗較開路系統(tǒng)低，但系統(tǒng)相對復雜，要求配置高性能的選粉機，系統(tǒng)投資適中。球磨機開路系統(tǒng)的特點是：工藝系統(tǒng)簡單，操作簡便，投資低。但系統(tǒng)效率低，電耗高，成品溫度高，成品細度調整不便。振動磨系統(tǒng)可以采用開路或閉路工藝，振動磨在細磨上具有一定的優(yōu)勢，但由于大型化振動磨的開發(fā)未能形成突破，因此限制了該項技術的推廣和應用。各種生產工藝的主要技術經濟指標比較見表1。
表１ 各種生產工藝的主要技術經濟指標比較
|
系統(tǒng) |
立磨系統(tǒng) |
輥壓機系統(tǒng) |
球磨機閉路系統(tǒng) |
球磨機開流系統(tǒng) | |
|
聯(lián)合 |
終粉磨 | ||||
|
投資（%） |
120 |
130 |
100 |
100 |
90 |
|
電耗（%） |
50～70 |
55～75 |
40～60 |
100 |
120 |
|
維修（%） |
115 |
130 |
120 |
100 |
80 |
筆者認為還有一點也應引起注意的是礦渣粉的顆粒分布以及顆粒的形態(tài)，不同工藝得到的結果是有區(qū)別的。特別是在配置混凝土時，對混凝土的性能會產生不同的影響。立磨和輥壓機終粉磨磨制的礦渣粉顆粒級配較集中，且顆粒的球型度差。而采用了球磨機磨制的礦渣粉顆粒的球型度好。采用球磨機閉路磨磨制的礦渣粉顆粒級配分布適中，采用球磨機開路磨磨制的礦渣粉顆粒級配分布較廣。特別是球磨機閉路磨可以通過研磨體的級配和選粉機多手段來調整產品的最佳顆粒分布。由于顆粒級配分布和顆粒形狀的不同，成品的性能產生一定的變化。見表2、表3。
表2 立磨和球磨機制備的礦渣微粉性能比較
表3 球磨機閉路磨制的礦渣粉與國家標準的比較
國際上采用立磨生產礦渣較廣泛，在應用球磨機系統(tǒng)粉磨礦渣時，一般采用烘干兼粉磨工藝，當礦渣水份在6~8%時，可以不設預烘干。當礦渣水份超過10%時，需要設預烘干，以防被磨物料部分預水化，降低水泥強度。 立磨粉磨礦渣國際上比較著名的公司有來歇的LM磨、伯力鳩斯的RM磨、非凡的MPS磨、神戶制鋼的OK磨、川崎的CK磨。國內合肥院、天津院亦開始采用立磨粉磨礦渣。
來歇公司的LM2+2或3+3磨的特點是磨輥一小一大配對，小輥以低壓高速運行，執(zhí)行預備粉磨料床的功能；大輥位于小輥后面，執(zhí)行粉磨工作。對產品細度比生料或水泥更細的物料的粉磨通過對輥可使料床的形成容易控制。磨盤設計了專門的除鐵排渣孔，除鐵更加有效及時。另外，各公司都推出了效率更高的立磨用選粉機，以提高粉磨效率。來歇公司LM磨的LSKS選粉機、非凡公司MPS磨的SLS選粉機、LVT選粉機改造技術都各具特色。在國內由于立磨工藝投資比較大，因此采用立磨生產礦渣粉主要以大中型企業(yè)為主且生產規(guī)模較大（40萬噸/年以上），而水泥企業(yè)或其它企業(yè)新建或改建礦渣粉生產線一般以球磨機閉路或開路為主，生產規(guī)模相對較?。?0萬噸/年以下）。立磨生產礦渣粉，系統(tǒng)電耗指標為35~40 KWh/t。表4為LM46.2+2磨在西班牙Carboneras廠、印度Raigangpur廠的運行數據。
表4 LM46.2+2磨在兩工廠的運行數據
|
工廠 |
Carboneras廠 |
Raigangpur廠 | |||
|
參數 |
單位 |
保證值 |
實際運行值 |
保證值 |
實際運行值 |
|
產量（干態(tài)） |
t/h |
58 |
84 |
82 |
101.0 |
|
比表面積 |
m2/kg |
450 |
500 |
4500 |
4520 |
|
45μm篩余 |
% |
5 |
＜0.3 |
||
|
系統(tǒng)單位電耗 |
KWh/t |
47.2 |
35.0 |
38.8 |
38.7 |
輥壓機終粉磨及預粉磨制備礦渣粉以伯力鳩斯公司和洪堡公司最為著名。國內已有武漢某公司引進洪堡公司生產能力為80t/h系統(tǒng)成套設備；合肥院在江蘇某公司采用自主開發(fā)的輥壓機以聯(lián)合粉磨工藝生產，產量為60 t/h；終粉磨尚無應用。
國際上輥壓機終粉磨及預粉磨皆有成功應用實例，生產能力一般為50~70t/h，輥壓機設備本身與生產水泥時沒有區(qū)別。輥壓機終粉磨以伯力鳩斯公司與洪堡公司有所不同，伯力鳩斯公司采用料餅打散機，而洪堡公司采用兼有烘干和打散功能的V型選粉機。礦渣終粉磨系統(tǒng)應用實例見表5。
表5 礦渣終粉磨系統(tǒng)應用
|
序
號 |
主機設備 |
產量
t/h |
成品細度
m2/kg |
單位電耗
kWh/t |
備注 | ||
|
烘干 |
輥壓機 |
選粉機 | |||||
|
1 |
φ0.92×25m |
17/10,2×850KW |
40.8 |
5145 |
46.4 |
Pol.系統(tǒng) | |
|
2 |
φ1.0×24m |
17/10,2×1200KW |
50 |
4700 |
52 |
Pol.系統(tǒng)
臺灣 | |
|
3 |
V型選粉機 |
R.P.1.6/1.4
2×900KW |
SKS2250
1180kW |
50 |
4500 |
KHD系統(tǒng)
新加坡 | |
采用球磨機生產礦渣粉，閉路系統(tǒng)電耗為65～75kWh/t，開路系統(tǒng)電耗為70～90 kWh/t。合肥水泥研究設計院發(fā)揮在高效選粉機和開流高細磨研究和開發(fā)應用方面的經驗，在球磨機粉磨礦渣粉做了大量的工作。對φ3×11m磨機進行改造，采用DS（K）型高效選粉機閉路系統(tǒng)，生產純礦渣粉，細度為450 m2/kg，產量18～20t/h，電耗68～70kWh/t；φ2.6×13m磨機采用高細磨技術改造后，生產純礦渣粉細度為450 m2/kg，產量12～12.5t/h，電耗７0～75kWh/t。
３ 結束語
隨著國家政策的引導以及研究的深入和技術的發(fā)展，工業(yè)廢渣超細粉的應用將會更加廣泛，為國民經濟建設和發(fā)展循環(huán)經濟做出更大的貢獻。因此工業(yè)廢渣超細粉的制備技術也將會進一步發(fā)展。粉煤灰細粉的制備技術主要是分選技術，因此分級機技術將隨著粉煤灰應用的發(fā)展進一步提高。在分級設備方面主要是進一步提高分級效率和分級精度，以及的大型化、高可靠性的設備開發(fā)；系統(tǒng)方面主要是配套裝備的完善以及工藝流程的優(yōu)化。礦渣細粉的制備，隨著生產規(guī)模的擴大，今后立磨技術將進一步凸顯其優(yōu)勢，會得到進一步發(fā)展，特別是大型和特大型立磨。在技術方面主要集中在料床穩(wěn)定控制、分級技術、耐磨材料的改進。輥壓機終粉磨礦渣技術以其明顯的節(jié)能優(yōu)勢經進一步完善后將會得到較快的發(fā)展和廣泛的應用。球磨機閉路礦渣粉磨系統(tǒng)由于其投資低、對物料的適應性強、改換產品有更大的靈活性、細度和顆粒分布的可控制性等特點，以及粉磨和分級技術的改進和提高，短期內該項技術還將有一定的發(fā)展。
