顧金土，鮑福軍，胡沿東，趙鋼，黃建國

（1.中國新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022；2.重慶京慶重型機(jī)械股份有限公司，重慶 400010；3.浙江新都水泥有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314511）

0 引言

鋼渣是煉鋼時(shí)排出的固體廢棄物，據(jù)中國工業(yè)固廢網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國的粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65億t，占全球粗鋼產(chǎn)量的56.8%，按1 t粗鋼產(chǎn)渣量約150 kg計(jì)，估計(jì)鋼渣排放量達(dá)到1.6億t。目前鋼渣綜合利用率不足40%，進(jìn)行鋼渣資源綜合利用是我國深入實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。

大量鋼渣的堆存不僅占用土地，還會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。因此，國內(nèi)外眾多科研人員對鋼渣的特性和資源化利用途徑進(jìn)行了大量研究，將鋼渣超細(xì)粉磨后作為水泥的混合材生產(chǎn)鋼渣水泥，或用作混凝土的活性摻合料配制高性能混凝土是鋼渣粉高附加值利用的有效途徑。隨著環(huán)保政策的推進(jìn)，鋼渣的資源化利用迫在眉睫。由于鋼渣易磨性差、活性偏低，導(dǎo)致鋼渣資源化推廣應(yīng)用進(jìn)度慢，因此，開發(fā)大型化、高效率的鋼渣粉磨裝備具有重要意義。

輥壓機(jī)利用粒間高壓粉碎原理，使物料之間相互擠壓、磨剝，使其變形、撕裂、粉碎，邦德功指數(shù)明顯減小[1]。采用帶輥壓機(jī)預(yù)粉磨的聯(lián)合粉磨工藝，配套組合式高效氣流分級機(jī)能有效消除輥壓機(jī)邊緣漏料對鋼渣球磨系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，使入磨物料的粒度趨于均齊，可大幅減小鋼渣的粒度，保證后序球磨系統(tǒng)工況的穩(wěn)定，高效節(jié)能。帶有特殊磨內(nèi)篩分裝置的球磨機(jī)將各粒級物料在各球倉和段倉中由粗到細(xì)依次有序地分段，使研磨體的配備更具針對性和有效性，各球、段的群體沖擊、研磨功能得到有效發(fā)揮，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的粉磨效率，鋼渣的比表面積可達(dá)到450 m2/kg以上，使鋼渣微粉中顆粒級配合理，活化效果好，從而達(dá)到增產(chǎn)、提質(zhì)和節(jié)能的目的。

本研究在國內(nèi)相關(guān)鋼渣微粉生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和調(diào)試的基礎(chǔ)上，結(jié)合“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題《典型固廢低能耗細(xì)化活化關(guān)鍵技術(shù)及裝備》的研發(fā)工作，對大型鋼渣輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨裝備及工藝開發(fā)進(jìn)行了介紹。

1 鋼渣原料性能及輥壓機(jī)試驗(yàn)研究

1.1 鋼渣的原料性能

由于鋼渣形成在過高溫度下（1580℃以上）溶入較多的FeO、MgO等雜質(zhì)，并形成完好的晶體，使鋼渣韌性大，易碎性差。在煉鋼過程中，由于原料、鋼種以及冶煉階段的不同，使得鋼渣組分及含量也不盡相同，其中主要的化學(xué)組分為CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、單質(zhì)鐵、MnO等。礦物組分為硅酸三鈣（C3S）、鎂硅鈣石（Ca3MgSi2O8）、硅酸二鈣（C2S）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）和含有鐵、磷氧化物固熔體的RO相以及游離氧化鈣等。

目前，國內(nèi)鋼廠主流一次渣處理工藝主要為熱悶法、熱潑法及滾筒法。熱潑渣的游離氧化鈣鎂含量高于熱悶渣和滾筒渣，體積不安定性問題更為突出。鋼渣的熱悶處理是將液態(tài)鋼渣直接倒入高壓熱悶裝置中，噴霧遇高溫?zé)嵩螽a(chǎn)生的飽和蒸氣與鋼渣中的f-CaO反應(yīng)生成Ca（OH）2，體積膨脹98%；與f-MgO發(fā)生反應(yīng)生成Mg（OH）2，體積膨脹148%。這種反應(yīng)使得鋼渣開裂、粉化及渣鐵分離。熱悶過程中，因?yàn)殇撛械膄-CaO和f-MgO得以充分消解，所得熱悶鋼渣相對具有較高的穩(wěn)定性，活性較好，易磨性也好，利于鋼渣在建材領(lǐng)域的使用。鋼渣熱悶池與熱悶鋼渣如圖1所示。

1.2 輥壓機(jī)試驗(yàn)研究

1.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用ZGM4020輥壓機(jī)進(jìn)行預(yù)粉磨，輥?zhàn)泳€速度1.24 m/s，每個(gè)輥?zhàn)铀芸偭?90 kN，輥壓機(jī)處理能力17～20 t/h，電機(jī)功率2×37 kW。所用鋼渣原料為熱悶渣，粒度分布如表1所示。

表1 鋼渣原料的粒度分布

預(yù)粉磨測試的內(nèi)容包括：ZGM4020輥壓機(jī)產(chǎn)量及電耗，半成品鋼渣粉的比表面積以及45μm篩篩余。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從試驗(yàn)情況來看，在輥壓機(jī)正常運(yùn)行條件下，試驗(yàn)線總裝機(jī)容量165 kW，輥壓機(jī)產(chǎn)量為4 t/h、電耗約28 kW·h/t，制得的半成品鋼渣粉比表面積≥300 m2/kg、45μm篩篩余為50%～55%、含鐵率＜1.0%。半成品鋼渣粉入球磨機(jī)再研磨至比表面積為450 m2/kg，相比傳統(tǒng)球磨機(jī)終粉磨技術(shù)，節(jié)能40%～50%。

對輥壓機(jī)擠壓后的鋼渣進(jìn)行篩分，測試餅厚并統(tǒng)計(jì)電耗，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼渣輥壓機(jī)擠壓試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見：擠壓次數(shù)越多，物料中大顆粒的含量越少，顆粒粒徑越小，輥壓機(jī)對其的粉磨作用也越??；隨著輥壓機(jī)擠壓次數(shù)的增加，料餅厚度也在增大，但是擠壓次數(shù)達(dá)到4次后料餅厚度不再增大；雖然隨著輥壓機(jī)擠壓次數(shù)的增加，料餅的厚度在增加，但其單位通過量的電耗卻在降低。

對出輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)的半成品鋼渣粉，再采用PBM-8A立式行星球磨機(jī)粉磨0.5 h出料，出預(yù)粉磨系統(tǒng)的半成品鋼渣粉和再磨鋼渣微粉物理性能如表3所示。

表3 半成品鋼渣粉和再磨鋼渣微粉的物理性能

由表3可見，出輥壓機(jī)的半成品鋼渣粉再經(jīng)過立式行星球磨機(jī)粉磨后得到的鋼渣微粉，80μm篩篩余下降很快、45 μm篩篩余仍有26%～28%，說明鋼渣進(jìn)一步磨細(xì)較困難。鋼渣物料難磨，在球磨機(jī)各工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮鋼渣難磨的特點(diǎn)，做到既節(jié)能，又能保證產(chǎn)品性能。

2 大型鋼渣輥壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

2.1 大型輥壓機(jī)耐磨技術(shù)

2.1.1 輥面結(jié)構(gòu)

齒條輥面輥壓機(jī)與傳統(tǒng)輥壓機(jī)的組成結(jié)構(gòu)基本相同，主要由機(jī)架、輥?zhàn)?、軸承座、驅(qū)動(dòng)裝置、喂料裝置、液壓加壓裝置、潤滑裝置和控制系統(tǒng)等組成。但齒條輥面輥壓機(jī)與傳統(tǒng)輥壓機(jī)最主要的區(qū)別在于輥面結(jié)構(gòu)形式上，輥壓機(jī)采用齒條輥面，而傳統(tǒng)鋼渣輥壓機(jī)是采用柱釘輥面。齒條輥與柱釘輥的外形如圖2所示。

由圖2可見，齒條輥與柱釘輥的區(qū)別在于：（1）外觀形狀，齒條輥為齒條形，而柱釘輥為柱釘形。（2）棍寬方向，齒條輥的齒條是連續(xù)的、不間斷的；柱釘輥的柱釘與柱釘之間存在25～40 mm間隙，所以在輥寬方向柱釘是斷續(xù)的、不連續(xù)的。（3）圓周方向，齒條輥面的齒條是均勻間隔的，齒條與齒條之間能夠形成相對封閉的空間；柱釘輥面各柱釘橫向、縱向之間都存在25～40 mm間隙，所以柱釘輥不能形相對封閉的空間。

2.1.2 輥面受力分析

柱釘輥面的各柱釘之間存在一定的間隙，當(dāng)二輥相向?qū)ξ锪蠑D壓時(shí)，因柱釘間的間隙造成壓力釋放，不能在料層中形成整體高壓區(qū)。故被擠壓物料在柱釘間的擠壓區(qū)的擠壓力峰值顯著降低，且不均勻，影響細(xì)粒級物料的產(chǎn)出量；齒條輥面在擠壓物料時(shí)，因齒條與齒條之間的封閉作用，齒條間的料層能形成很高的峰值擠壓壓力，且壓力區(qū)壓力均勻，故有利于細(xì)粒級物料的形成，單次輥壓細(xì)粒級物料的產(chǎn)出率為柱釘輥面2倍以上。輥面的受力分析如圖3所示。

柱釘輥面對擠壓剪切物料的應(yīng)力點(diǎn)在柱釘下部端點(diǎn)，其剪力沿柱釘兩側(cè)逐漸減小，并產(chǎn)生輥面柱釘與物料間的滑動(dòng)，致使柱釘容易磨損，橫向之間的柱釘間隙是輥面的低剪應(yīng)力區(qū)段。而齒條輥面因無柱釘輥面類似的間隔，能對鋼渣形成均衡的峰值擠壓和連續(xù)的高應(yīng)力剪切，更易對物料形成解離粉碎，有利于細(xì)粒級物料的生成。經(jīng)對鋼渣的擠壓試驗(yàn)表明，一次輥壓后，齒條輥200目篩篩余能達(dá)到30%左右，柱釘輥200目篩篩余為10%～15%。

2.1.3 耐磨材料

齒條輥面采用特殊的復(fù)合合金材料，對于普氏硬度f=12～14物料的終粉磨，齒條輥的壽命已超過10 000 h。

2.2 輥壓機(jī)系統(tǒng)除鐵技術(shù)

在帶輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨工藝中，為有效地對鋼渣中包裹的細(xì)鐵顆粒進(jìn)行除去，采用復(fù)合除鐵工藝。首先，在入輥壓機(jī)系統(tǒng)的鋼渣皮帶輸送機(jī)上設(shè)超強(qiáng)自卸式永磁除鐵器，對入輥壓機(jī)穩(wěn)流倉的鋼渣進(jìn)行初步除鐵處理。鋼渣入輥壓機(jī)在被擠壓過程中，包裹在內(nèi)的小鐵粒被逐漸剝離，必須將這部分金屬鐵粒及時(shí)除去，設(shè)計(jì)中，特在預(yù)粉磨系統(tǒng)出V型選粉機(jī)的粗粉回料管道上安裝了2道高效出鐵的分體式專用管道除鐵器[2]。

項(xiàng)目開發(fā)的分體式專用管道除鐵器，采用高性能強(qiáng)稀土材料鐵硼為磁源，具有磁性強(qiáng)，除鐵效率高的特點(diǎn)。分體式專用管道除鐵器可有效解決除鐵器磨損和安裝角度對除鐵的影響，確保鋼渣輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)安全運(yùn)行，具有磁力強(qiáng)、除鐵凈、安裝方便、便于維修的特點(diǎn)。維修時(shí)只需要把磁體總成拆下來換上備用的磁體總成即可。

經(jīng)過專用的輥壓機(jī)預(yù)粉磨的除鐵工藝，鐵的去除率達(dá)98%以上，既能使鋼渣中的鐵得到高效回收，又確保了輥壓機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)除鐵工藝示意如圖4所示。

2.3 組合式高效分選技術(shù)

選粉機(jī)是大型鋼渣輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨中的重要設(shè)備，最早的組合式選粉機(jī)采用V型選粉機(jī)+動(dòng)態(tài)選粉機(jī)+中間管+30°彎頭2個(gè)，后來經(jīng)過優(yōu)化形成了V型選粉機(jī)+動(dòng)態(tài)選粉機(jī)。V型選粉機(jī)至動(dòng)態(tài)選粉機(jī)之間的管道原本是為了增加烘干容積，加強(qiáng)系統(tǒng)的烘干能力，但實(shí)際運(yùn)行情況表明，此設(shè)計(jì)反而增加了300～500 Pa通風(fēng)阻力，加大了循環(huán)風(fēng)機(jī)功率的消耗。

新開發(fā)的組合式選粉機(jī)僅有V型選粉機(jī)+動(dòng)態(tài)選粉機(jī)構(gòu)成，選粉機(jī)高度下降20%，工程費(fèi)用降低約12%。其原理是物料先進(jìn)入V型選粉機(jī)進(jìn)行初選，分選后的大顆粒物料直接返回輥壓機(jī)再次輥磨，細(xì)粉進(jìn)入動(dòng)態(tài)選粉機(jī)進(jìn)行分選，物料在選粉過程中同時(shí)烘干。該組合式高效選粉機(jī)能適應(yīng)鋼渣微粉預(yù)粉磨系統(tǒng)高濃度、大容量的要求，節(jié)能，分級效率高，分選出的鋼渣粉顆粒級配合理。在設(shè)備開發(fā)中，對鋼渣組合式選粉機(jī)采用耐磨、分散效果好的撒料裝置并對選粉機(jī)內(nèi)錐體采用進(jìn)口耐磨襯板，以延長設(shè)備的使用壽命。同時(shí)對選粉機(jī)的整個(gè)殼體、出風(fēng)管內(nèi)部和主軸軸轂套表面粘貼耐磨涂料，以減少選粉機(jī)殼體和軸轂套的磨損[3]。組合式高效選粉機(jī)示意如圖5所示。

對于組合式選粉機(jī)，由于數(shù)值模擬計(jì)算量很大，且模擬精度較差，因此，將組合式選粉機(jī)分割成了動(dòng)態(tài)選粉機(jī)、V型選粉機(jī)2大塊。對于動(dòng)態(tài)選粉機(jī)，分別對殼體各截面通道的流場、動(dòng)靜葉片周圍的流場等進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析，動(dòng)態(tài)選粉機(jī)模擬結(jié)果如圖6所示，選粉機(jī)模擬俯視如圖7所示，選粉機(jī)轉(zhuǎn)子局部模擬結(jié)果如圖8所示。

由圖6可見，出風(fēng)口的風(fēng)速較高，容易造成磨損，而靠近殼體的氣流速度很低，氣體對物料的提升作用減弱；造成上殼體空間浪費(fèi)，部分物料聚集，影響分散效果。根據(jù)模型分析研究結(jié)果，經(jīng)過反復(fù)的模擬比對，對動(dòng)態(tài)選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

由圖7、圖8可見，在整個(gè)轉(zhuǎn)子橫截面上氣流分布均勻。轉(zhuǎn)子葉片的圓周線速度與導(dǎo)風(fēng)葉片噴出的氣體速度幾乎相同，能降低物料對轉(zhuǎn)子的沖刷，從而減少對轉(zhuǎn)子的磨損；通過風(fēng)量明顯減少，設(shè)備阻力降低，使得系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電耗可節(jié)約0.2 kW·h/t；采用雙道迷宮式加氣室密封結(jié)構(gòu)形式，有效地阻攔粗粉溢出，保障45μm物料不會出現(xiàn)跑粗，實(shí)現(xiàn)鋼渣粉比表面積在350～450 m2/kg靈活可調(diào)。

3 結(jié)語

（1）通過對鋼渣原料性能的調(diào)研，熱悶鋼渣活性較好，易磨性也好，有利于鋼渣在建材領(lǐng)域的使用。根據(jù)輥壓機(jī)粉磨鋼渣的試驗(yàn)得出，輥壓機(jī)預(yù)粉磨鋼渣，可以使入球磨機(jī)的物料比表面積達(dá)到≥300 m2/kg，出輥壓機(jī)的半成品再經(jīng)過立式行星球磨機(jī)粉磨，80μm的篩余下降很快、45μm的篩余仍有26%～28%，說明鋼渣進(jìn)一步磨細(xì)較困難，鋼渣物料難磨，在鋼渣粉磨裝備開發(fā)和各工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮鋼渣難磨的特點(diǎn)。

（2）開發(fā)了采用特殊復(fù)合合金材料的齒條耐磨輥面，壽命可達(dá)10 000 h，齒條輥面能對鋼渣形成均衡的峰值擠壓和連續(xù)的高應(yīng)力剪切，更易對物料形成解離粉碎，有利于細(xì)粒級物料的生成。經(jīng)對鋼渣的擠壓試驗(yàn)表明，一次輥壓后200目篩篩余能達(dá)到30%左右，單次輥壓細(xì)粒級物料的產(chǎn)出率為柱釘輥面的2倍以上。

（3）在帶輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨工藝中，為有效地對鋼渣中包裹的細(xì)鐵顆粒進(jìn)行除去，開發(fā)了采用高性能強(qiáng)稀土材料鐵硼為磁源的分體式高效專用管道除鐵器，磁性強(qiáng)，可有效解決除鐵器磨損和安裝角度對除鐵的影響，鐵的去除率達(dá)98%以上，確保輥壓機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）開發(fā)的組合式高效分選技術(shù)由V型選粉機(jī)+動(dòng)態(tài)選粉機(jī)構(gòu)成，選粉機(jī)高度下降20%，工程費(fèi)用降低約12%，能適應(yīng)鋼渣微粉預(yù)粉磨系統(tǒng)高濃度、大容量的要求，節(jié)能，分級效率高，分選出的鋼渣粉顆粒級配合理，采用雙道迷宮式加氣室密封結(jié)構(gòu)形式，有效地阻攔粗粉溢出，保障45μm物料不會出現(xiàn)跑粗，實(shí)現(xiàn)鋼渣粉比表面積在350～450 m2/kg靈活可調(diào)。