章瑞平
(本钢冶金渣公司，辽宁 本溪 117021)
摘 要：综述了高炉矿渣的性能及细磨后对水泥和混凝土质量的影响，明确指出矿渣微粉掺入水泥和混凝土中可以增加水泥的强度、改善混凝土的工作性和耐久性，详细介绍了国内高炉矿渣微粉生产的各种粉磨工艺流程，通过对几种粉磨工艺技术优缺点的比较分析，确定了本钢年产120万t矿渣微粉生产线选用进口立磨粉磨工艺。给出了质量控制指标及生产工艺参数。 关键词：矿渣微粉；立磨系统；粉磨工艺流程
中图分类号：TQ172文献标识码：B
BX STEEL 1.2 Million Tons of GGBS Production Line Technique Selection
ZHANG Ruiping
(Metallurgical Slag Plant，BX STEEL，Benxi Liaoning 117021)
Abstract: This paper summarizes the performance of blast furnace slag and fine grinding of cement and concrete after the influence on the quality,Explicitly pointed out that GGBS mixed with cement and concrete can increase the strength of the cement concrete workability, improve and durability introduced the domestic blast furnace slag micro powder production of all kinds of powder grinding process, in detail through grinding process technology of several advantages and disadvantages and the comparative analysis, identified with annual capacity of 1.2 million t BX STEEL GGBS productioni line imported vertical mill powder grinding process. Given the quality control index and production process parameters.
Keywords: GGBS；Vertical mill system；Grinding process
1 本钢高炉矿渣的利用现状
2010年本钢全年将产生高炉矿渣430万t。以往生产的高炉矿渣全部销售到水泥厂作为生产水泥的原料。2009年，本钢冶金渣公司和辽宁中北水泥公司共同出资建设一条120万t矿渣微粉生产线生产高炉矿渣微粉，其产品直接送往合资方的水泥生产线与普通硅酸盐水泥以大掺入量混合，生产矿渣水泥，这样可减少水泥熟料的用量，减轻水泥熟料生产对资源、能源的消耗和对环境的破坏，降低水泥生产成本，另一方面矿渣微粉可直接应用于混凝土搅拌站，配制多种高性能混凝土应用于高层建筑、道路、港口及大体积混凝土工程。
2 高炉矿渣的性能及质量评定方法
粒化高炉矿渣(简称矿渣)是炼铁时排出的以硅酸钙、铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬而急冷处理后形成的粒状活性材料。
矿渣的质量系数(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)越大，矿渣的活性越高，即CaO、Al2O3含量高、SiO2含量低的矿渣活性高。国家标准GB/T203规定用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣的质量系数应大于1.2、MnO 含量不大于2.0%。
本钢抽检高炉矿渣的化学成分如表1。
表１ 矿渣的化学成分/%
Tab.1 The chemical composition of slag /%
SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3MnO S
37.58.08 40.539.56 1.00 0.16 0.66
3 矿渣活性的物理激发
矿渣是一种具有“潜在水硬性”的材料，其单独原状态存在时，基本无水硬性。但受到激发作用后，就呈现出水硬性。所谓物理激发：也就是采用超细粉磨的方法制成矿渣微粉。矿渣在施加机械力
作用后，其内部晶体结构会不规则化和产生多相晶型转变，导致晶格缺陷发生、比表面积增大、表面能增加等。
4 矿渣微粉对水泥和混泥土质量的影响
研究表明：控制矿渣微粉细度400～450m2/kg、水泥熟料粉细度320m2/kg、矿渣掺量40%～60%，可配制425、425R矿渣硅酸盐水泥；矿渣细度450～500m2/kg、矿渣掺量40%～50%，可配制525、525R 矿渣硅酸盐水泥。试验显示，矿渣微粉只有达到一定细度时才能充分水化。大于60um的颗粒属于惰性粒子，对强度无积极作用。对强度起主导作用的是30um以下的粒子，小于10um的粒子含量多时对早期强度有利。
矿渣微粉作为混合材掺入水泥中，对水泥的7天后期强度有明显的增强作用。这主要是由于矿渣微粉吸收水泥水化形成水化硅酸钙和水化铝酸钙，在SO42-的激发作用下，反应形成钙矾石，从而增加水
泥的强度。
矿渣微粉用于混凝土施工时，具有微珠润滑效应，有明显的减水作用混凝土中随着矿渣微粉掺量的增加，混凝土塌落度损失小，混凝土的流动性好，易于施工。随着超细矿渣粉掺量的增加，混凝土各龄期的抗压强度都有增长。目前国内很多混凝土搅拌站都采用磨细的矿渣微粉来生产高性能混凝土，以降低混凝土的成本。掺有矿渣微粉的混凝土具有水化热低、耐腐蚀、与钢筋粘结力强、后期强度高、防微缩等特点，可广泛用于大坝工程、水下工程、道路工程、防腐蚀工程、大型建筑工程等。
5 高炉矿渣粉磨生产工艺流程
对粒化高炉矿渣采用高细粉磨并采用单独粉磨的形式，是目前矿渣资源综合利用中最适用的工艺流程。目前国内矿渣微粉的制备方式主要有：
1)高细高产管磨机一级开路流程；
2)普通球磨机、高效选粉机一级闭路流程；
3)辊压机与球磨机联合粉磨流程；电镀马赛克
4)卧辊磨粉磨流程；
5)立式辊磨一级闭路流程。
上述这些流程的共同点是：必须将矿渣磨成高细粉(统称：矿渣微粉)，即矿渣微粉中的颗粒80%≤50μm、比表面积≥400m2/kg，其中，≤10μm 的超细粉约占30%～40%。
5.1 球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程
用一台球磨机将粒化高炉矿渣粉磨成比表面积达到400m2/kg左右的矿渣微粉；用另一台球磨机将水泥熟料及石膏等物料粉磨到比表面积350m2/kg以上；然后分别进入水泥配料系统各自的储存库，根据市场需求和国家质量标准要求，将矿渣微粉和熟料、石膏粉，按比例计量、混合、均化、配制成不同强度等级的矿渣水泥。这样不仅使矿渣的活性得到充分发挥，水泥强度等级提高、使用性能得到改善；而且，矿渣的掺加量可以达到40%～60%以上，水泥熟料既是碱激发剂，又是早期强度的保证；不仅降低了生产成本，而且增加了经济效益。
5.2 辊压机与球磨机联合粉磨矿渣工艺流程
矿渣经过辊压机挤压粉碎之后，不直接入磨；而是先经过打散分级机分选，细料(粒径≤2mm)送入球磨机粉磨系统；粗料(粒径在2mm以上)返回辊压机再次挤压。球磨机粉磨系统可以是普通球磨机一级闭路流程，也可以是高细高产磨一级开路流程。
这种流程最大的特点是充分发挥打散分级机的调控作用。实践证明：该工艺流程比普通球磨机一级闭路流程增产60%以上，降低单产电耗15%～20%，此种工艺虽然克服了辊压机终粉磨系统生产同一比表面积的产品质量不如球磨机及立磨粉磨的缺点，但循环负荷率仍很大。此外，工艺流程复杂，占地面积较大，投资较球磨机系统和辊压机终粉磨系统都大。
5.3 矿渣卧辊磨及其一级闭路流程
卧辊磨是在消化吸收国外辊筒磨(HORO磨)技术的基础上，近几年开发研制的高细粉磨设备，作为矿渣微粉的终粉磨设备。
卧辊磨的结构和工作原理：卧辊磨由喂料机、粉磨带和卸料带三部分组成。从入料端入磨的矿渣进入以超临界转速回转的筒体中，在离心力的作用下紧贴在回转筒体衬板上，经筒体内压辊多次辊压
后排出。出磨物料经提升机入选粉机，粗料返回磨机，而细料经过收尘器作为成品送入成品库，它具有如下特点：
1)工艺流程简单，主机设备少，占地面积小，土建工程费用较低。
2)系统处于负压操作，粉尘污染小；设备运转平稳，噪音小。
3)系统节电效果好于球磨机和辊压机与球磨机联合粉磨，单位产品的电耗低。接线排
采用卧辊磨粉磨成本高于立磨，低于球磨机，但由于其设备结构及材料选择仍需完善，在实际应用中，机械和工艺操作等方面的故障较多，有待于进一步改进，使其广泛应用于各种粉磨作业。
5.4 立式辊磨单独粉磨矿渣工艺流程
采用立式辊磨(简称立磨)单独粉磨矿渣，可以利用立磨热风炉提供的热气，实现矿渣的烘干兼粉磨过程，合格的矿渣微粉进入矿渣粉库。熟料、石膏或其它混合材用球磨机(或立磨)一级闭路系统粉磨，合格细粉进入熟料、石膏粉库。在水泥合成车间，根据市场需求和国家质量标准要求，将矿渣微粉和熟料、石膏粉，按比例计量、混合、均化、配制成不同强度等级的矿渣水泥或复合水泥。
目前国内大型钢铁集团一般都采用这种工艺流程，虽然一次性投资大，但经济效益的回报也是十分可观的。
5.4.1 矿渣立磨粉磨工艺流程和特点
高空施工立磨作为粉磨设备，它集破碎、粉磨、烘干、选粉为一体，具有电耗低、密封性能好、噪音比球磨机低30～50db、可露天布置、占地面积小、流程简单等特点。通过调节选粉机转速、磨机气流量和碾磨压力，并与合适的挡料圈高度相结合，可获得符合要求的细度和粒径分布。
表2 生产矿渣微粉不同工艺流程的经济技术指标
Tab.2 GGBS different production process flow of the technical and economic indexes 粉磨工艺流程球磨机一级开路球磨机一级闭路辊压机预粉碎、球磨机闭路卧辊磨闭路立磨闭路
主机规格型号φ2.2×7m φ2.4×12m HFC1000/30φ3.5×10m KHM3000
UM
46.4SN
台时产量/t/h 6.0 14 18 50 90 比表面积/m2/kg ≥400
产品质量标准符合GB/T18046－2008
综合电耗/kWh/t 80～110 60～80 50～60 45～55 ≤45
金属消耗/g/t 300以上 300以上 250以上 10～15 6.0以下
燃料消耗(标煤)/kg/t 40 40 40 25 16
5.4.2 矿渣立磨的结构及工作原理
立磨的类型很多，结构和功能各有特，但基本结构大同小异，它们都具有传动装置、磨盘、磨辊、导风环、液压拉伸装置、选粉装置、润滑系统、机壳等，其主要工作原理也基本相同。
立磨由传动装置带动机壳内下部磨盘旋转，磨辊在磨盘的磨擦作用下围绕磨辊轴自转，定量的原料通过喂料溜槽直接落到磨盘的中心，物料被挤压后，在磨盘轨道上形成料床(料床厚度由磨盘挡料环高度决定)，在离心力的作用下被推进磨盘和磨辊之间，在压力和剪切力的作用下被粉磨，粉磨压力通过液压或者弹簧能容易地进行调整。
粉碎后的细粉溢出磨盘，被从磨机底部通过导风环自下而上吹进来的高速热气流迅速烘干，并随热气流上升被带入选粉机。在选粉机中，物料根据设定的细度进行分级，达到细度要求的成品通过排风管道被集中到收尘器中。粗粉落回到磨盘上做进一步的粉磨。通过调整选粉机的旋转速度，能够轻易地改变成品的细度。
6 本钢120万t矿渣微粉生产线工艺选择
我公司在立项初期对国内多个大型矿渣粉生产厂家进行了实地考察，根据考察情况了解到：在我国已建成的矿渣微粉粉磨系统中采用立磨系统的占绝对多数。上海宝田、武钢华新、南京梅宝、马钢嘉华、唐钢、鞍钢、首钢、河北钢建等大型钢铁企业均采用立磨制备矿渣微粉。在这些立磨系统中，采用进口立磨又占绝大多数，主要是日本川崎重工、日本宇部、德国莱歇、德国伯力鸠斯、德国非凡、
真空抽气机组
丹麦Smith等公司的立磨。仅有极少数厂采用国产立磨，如：杭钢等。
各型立磨在结构上的差异最突出的是在磨盘结构和磨辊形状及数目上。还有对磨辊的加压方式也各有不同等。因此，功能效果上各有千秋。
通过广泛的调查研究，借鉴其他钢铁企业矿渣粉磨生产线的有益经验，并根据本钢高炉矿渣的粉磨特性和几种粉磨系统的优缺点，本钢年产120万t矿渣粉生产线的关键粉磨设备确定采用目前国际上应用最多、技术最先进的进口立式辊磨系统。通过对国外不同类型矿渣立磨在实际运行中的选粉功能、细度调节功能、碾磨效率、耐磨性、系统电耗及控制水平进行充分地实地考察和综合分析后，最终选择了日本宇部公司的UM 46.4SN矿渣立磨系统，为了降低设备的总投资，选择从国外引进立磨的关键部件，如立磨减速机、磨盘、磨辊、选粉机转子及液压系统。其余部件和辅助设备采用宇部公司提供图纸国内生产厂家加工的分交方式，为保证矿渣微粉生产的连续性，采用两台生产能力为90 t/h的UM 46.4SN立磨。
6.1 立磨基本性能及生产指标
表3 UM 46.4SN基本性能指标如下(单台)
Tab.3 UM 46.4 SN basic performance index as follows (single machine)
序号名称日本宇部公司备注
1 设备型号 UM
46.4SN
2 设备台数 2
3 磨盘型式平型
4 磨盘直径 4
600mm
5 磨辊型式锥型辊
6 磨辊数量 2+2个
8 磨机外循环 30%
9 产量 90t/h
10 产品细度 450kg/m2
11 立磨系统电耗 30kWh/t
立磨金属消耗 <6g/t 辊套+磨盘衬板12 立磨主电机 3
300kW
13 立磨选粉机电机 315kW
14 主排风机电机 1
600kW
15 外循环斗提电机 18.50kW
16 堆焊周期 >2
000h堆焊一次，每次检修时间<5天
19 检修方式专用液压系统将磨辊翻出检修和堆焊
6.2 生产工艺流程简述
矿渣由汽车运输进厂卸至矿渣储料场储存；然后经铲车、胶带输送机送入配料站的矿渣仓内储存。矿渣仓底2套矿渣电子皮带秤供两台磨机使用。配料仓内物料经仓底2套配料称计量后，经由2条皮带输送机分别送入2个粉磨中。为防止金属块进入磨内，入磨胶带输送机上设有电磁除铁器和金属探测器。由原料系统送来的矿渣经气动翻板阀、锁风喂料阀喂入立磨内烘干并粉磨。喂入磨机的物料被磨辊在旋转的磨盘上所挤压，在一定负荷下被粉碎，粉磨后的物料被热风即上升承载空气送入位于立磨上部的高效选粉机中分选成粗粉和细粉；细粉即成品由袋式收尘器收下，经斜槽、提升机等输送设备送入成品库系统；粗粉落在磨盘上再次粉磨，为了节能，一部分粗粉被排出立磨经除铁器、提升机、输送机等设备送回立磨内再粉磨。废气经高效袋式收尘器除尘后由排风机经烟囱排入大气，烘干热源由煤粉热风炉提供，即采用磨煤机+煤粉热风炉的工艺，见图1。
6.3 产品质量指标确定金属焊接
本钢确定主要生产S95等级粒化高炉矿渣粉，产品质量控制指标为：产品水分≤0.5%；比表面积≥400m2/kg；7d活性指数≥78；28d 活性指数≥100。
6.4 粉磨工艺参数的选择
根据本钢矿渣的原料特性及在水泥生产中应用的质量要求，经设计院、日本宇部公司和我公司专业技术人员共同研究，确定了生产S95 级别矿渣微粉的工艺参数。入磨物料水分：8%～15%；磨辊压力：10～11 MPa(主辊)；入磨风温：300～350 ℃；
入磨风压：-450～-500Pa ；选粉机转速：800～950 r/min(变频控制)。
本钢年产120万t 矿渣粉生产线于2010年3月开始建设，2010年12月建成投产。目前立磨台时产量达到95t/h ，生产线实现全面达产，产品经省建筑材料监督检验院检验，比表面积等11项质量指
是非必要的，立磨的技术含量高于球磨机和辊压机，它是集机(含液压)、电、仪于一体的，功能综合性强的设备，无论是操作或维修的技术要求都超过球磨机，需要我们在实践中认真总结研究，以尽快掌握立磨等主要设备的技术参数、性能指标和操作要领，最大化地提高企业的经济效益。
揉棉机图1 本钢矿渣立磨粉磨工艺流程
Fig.1 BX STEEL slag roller mill grinding processs
7 经济效益分析
矿渣微粉生产单位成本：矿渣：49元，电费：23元，人工费：4.17元，水费：0.5元，煤耗：12.64元，磨耗：0.95元，备件费：4.16元，折旧费：7.48元，管理费：2.5元，单位成本合计：104.4元。
平均售价160元/t ，年产量120万t ，副产品粒铁回收量2 400t/a(售价2 000元/t)，每年可实现销售收入 1.968亿元，总成本 1.252 8亿，利税 7 152万元，实现利润4 452万元。
8 结论
单独粉磨矿渣微粉有利于矿渣活性系数的提
高，加入水泥和混凝土中，可提高其强度，降低生产成本。本钢120万t 矿渣微粉生产线采用进口立磨粉磨工艺具有明显的高效节能效应，还具有工艺流程简单、单机产量大、入料粒度大、烘干能力强、密闭性能好、负压操作无扬尘、对成品质量控制快捷、更换产品灵活、易实现智能化、自动化控制等优点，是一项符合环保政策的新型环保绿技术；必将成为当今国际上矿渣粉磨的首选设备。
参考文献
[1] 王 盛，朱重键. 采用立磨生产粒化高炉矿渣粉[J]. 混凝土，2004年12期
