TRM輥磨粉磨抗硫酸鹽水泥的應用

彭凌云，趙海洋，劉金磊

1 TRM輥磨發展歷程

TRM輥磨為天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）自主研發的立式輥磨設備，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用，并已逐步進入冶金、電力、煤炭、化工等行業，其在大型化、多樣性方面，一直處于國產輥磨裝備的領先地位。

天津水泥院從2006年開始著手進行水泥輥磨的研發工作，2007年開展了實驗室試驗，2009年實現了TRMS3131輥磨工業試驗穩定粉磨水泥的目標，磨機產量和主機電耗均達到了預期的指標[1]。

2010年，由天津水泥院自主研發的首臺國產TRMK4541水泥輥磨在越南福山公司投產，經生產調試，磨機的各項指標均達到設計要求，水泥成品的顆粒分布和標準稠度需水量與球磨機系統生產的水泥相當，混凝土工作性能優良[1]。2011年，在TRMK4541規格輥磨基礎上，天津水泥院進一步優化開發了TRMK5041規格輥磨。2014年，天津水泥院開發了可同時粉磨礦渣和水泥的TRMKS5641輥磨，物料切換便捷，實測運行數據先進。

2020年，由天津水泥院自主研發的國產最大水泥輥磨TRMK6031投產，磨盤直徑φ6m，裝機功率6 300kW。在熟料占比90%、成品比表面積370m2/kg的運行條件下，系統產量可達280t/h，電耗27～28kW·h/t，較同水泥廠“輥壓機+球磨機”聯合粉磨系統，節電10%以上[2]。

2021年，由天津水泥院設計供貨的兩套TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統成功應用于伊拉克NAS水泥工廠抗硫酸鹽水泥的粉磨，系統產量＞95t/h，比表面積330m2/kg，系統電耗32kW·h/t。TRMK3621水泥輥磨運行穩定，操作簡便，實際運行數據優于試驗結果，生產的水泥和配制的混凝土性能優良，驗證了TRM輥磨有較強的物料適應性。

目前，天津水泥院已完成十余個規格的TRM水泥輥磨開發，在輥磨大型化的道路上，天津水泥院先后完成了配套年產260萬噸水泥粉磨生產線及單臺配套10 000t/d水泥熟料生產線的水泥輥磨的開發。TRM水泥輥磨型譜見圖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

混凝土硫酸鹽腐蝕是混凝土化學腐蝕中的一種情況，在實際工程中，硫酸鹽介質對硬化水泥石產生腐蝕并由此引起混凝土材料破壞，嚴重影響混凝土工程的耐久性。為確保混凝土工程的服務年限，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，均由石灰質原料、粘土質原料和鐵質校正原料組成，但抗硫酸鹽水泥對熟料礦物組成的要求與普通硅酸鹽水泥差別很大。抗硫酸鹽水泥具有抵抗中等或較高濃度硫酸根離子侵蝕的能力，故需嚴格控制熟料礦物組成中C3A和C3S的比例，使之不能高于標準值，這導致了抗硫酸鹽水泥的易磨性較差。根據硫酸鹽腐蝕機理，水化硅酸鈣在混凝土系統堿性條件下基本穩定，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水化產物是水泥中最易受腐蝕的組分，可通過限制熟料中的C3A含量，提高水泥抗硫酸鹽腐蝕性能。實踐證明，C4AF的耐腐蝕性比C3A高，可相應提高C4AF含量代替部分C3A，即適當降低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在水化時會析出較多的CH，而CH是造成水泥腐蝕的另一重要因素。C2S耐腐蝕性較好，適當降低C3S含量，相應增加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的易磨性和相對含量直接影響熟料的易磨性。試驗研究表明，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，隨粉磨時間的延長，其比表面積增長率最低，且在特定時間內會出現反復。C3S、C3A、C4AF和C2S的脆性系數分別為4.7、2.9、2.0、2.0，其脆性系數與易磨性排序（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工廠熟料的化學成分測定結果見表1，熟料的礦物組成及率值見表2。

表1 伊拉克NAS工廠熟料的化學成分測定結果，%

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含量僅有37.5%，易磨性最差的C2S含量高達34.27%。從上文理論分析可知，該熟料的易磨性較差，這一點在T3000易磨性試驗中也得到了驗證。T3000易磨性試驗是表征物料易磨性的重要指標，主要測試將物料比表面積粉磨至3 000cm2/g所需的粉磨時間，粉磨時間越長，物料越難磨。

表2 伊拉克NAS工廠熟料的礦物組成（%）及率值

中國水泥發展中心物化檢測所分別對伊拉克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行了檢測，易磨性檢測結果見表3。由表3可以看出，二者Wi數據相近，但抗硫酸鹽水泥T3000數據明顯高于普通硅酸鹽水泥。根據經驗公式可知，抗硫酸鹽水泥（配比熟料96%、石膏4%）的輥磨理論主機電耗為24kW·h/t，比中等易磨性普通硅酸鹽水泥的理論主機電耗19kW·h/t高出26%。無論是從熟料礦物組成，還是從實際易磨性測試結果，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 水泥易磨性檢測結果

3 TRMK3621輥磨系統工藝特點及運行情況

3.1 TRMK3621輥磨結構特點

3.1.1 研磨區結構特點

傳統TRM輥磨采用的是平盤錐輥結構，主要研磨區集中在磨輥大端，研磨區較窄，在遇到易磨性差、細度要求高、水分低的物料時，磨機的穩定性易受到影響。同時，研磨區較窄，也會降低輥套、磨盤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，物料在磨內需更多次的研磨才能滿足成品細度要求，這會導致磨盤上半成品中細粉含量增多，影響磨機的穩定性。針對此情況，天津水泥院TRMK3621水泥輥磨采用新型研磨區結構，將傳統的平盤結構改為略帶角度的斜盤，對輥套角度也進行了相應修改。同時，適當增加了研磨區寬度，這一結構改變使物料在磨盤上的運動軌跡和速度也發生了改變，物料運動的阻力由摩擦力變為摩擦力加部分重力。調整后，物料在磨盤上的研磨次數和粉磨效率增加，磨機的穩定性、適應性得到了改善。目前，新型研磨區結構已在多臺水泥輥磨和礦渣輥磨上應用，粉磨水泥時，磨機穩定性大幅提升；粉磨中等易磨性物料時，電耗可降低1.5kW·h/t。3.1.2 高效選粉機結構特點

由于抗硫酸鹽水泥易磨性較差，在粉磨過程中產生的半成品較多，除依靠研磨結構優化提升粉磨效率和改善磨機穩定性外，還需要使用合適的選粉機保證足夠的選粉效率。TRM輥磨采用高效選粉機，擁有合理的動靜葉片結構及梯度風速設計，有效提升了選粉分級能力。半成品和成品有效分離，避免了成品重返磨盤，有利于穩定料床。被分選的半成品沿著靜葉片內壁路徑，經內錐體返回至磨盤繼續粉磨，半成品不再受殼體區域攜帶物料的上升氣流影響，減少了其在磨內的循環次數，有利于穩定磨況及降低能耗。選粉機能夠保證成品比表面積在300～400m2/kg范圍內靈活調節，并保證水泥成品的顆粒分布在合理范圍內。

3.2 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統工藝流程

伊拉克NAS工廠有兩套水泥輥磨終粉磨系統，屬于單風機粉磨系統，具有布置緊湊、系統簡單的優點，TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統工藝流程見圖2。兩臺輥磨共用一個調配站及石膏喂料倉，各有其熟料喂料倉。調配好的物料由膠帶輸送機經回轉下料器喂入輥磨，物料在輥磨中隨著磨盤的旋轉從中心向邊緣運動，同時受磨輥擠壓被粉碎。粉磨后的物料在磨盤邊緣處被從風環進入的熱氣體帶起，粗顆粒落回到磨盤再次粉磨，合格細粉被帶入袋式收塵器作為成品。在風環處未被熱風帶起的部分難磨的大顆粒物料，通過吐渣口進入外循環系統除鐵后，再次進入輥磨與新喂物料一起粉磨。物料水分很低，外循環物料和新喂物料共用一個喂料溜管。出收塵器的成品通過空氣輸送斜槽、提升機等設備送入成品庫。

圖2 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統工藝流程圖

輥磨磨機烘干所需熱空氣由熱風爐提供，熱風通過管道進入磨機，出磨氣體經收塵器凈化后由風機送出，少部分排入大氣，大部分循環入磨作為磨機提升物料和分選所需的氣體。

3.3 TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統運行情況

3.3.1 生產原料情況

伊拉克NAS工廠現場抗硫酸鹽水泥由96%的熟料和4%的天然石膏組成，根據成品SO3值微調配比。抗硫酸鹽水泥熟料不僅易磨性差且較重，升重平均達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 產量和電耗

磨機產量及系統電耗見表4。由表4可以看出，磨機實際運行情況優于設計值，系統喂料量干基產量＞95t/h，且主機電耗＜20kW·h/t，大幅低于易磨性試驗結果（24kW·h/t），這表明TRM輥磨具有較強的適應性和較高的粉磨效率。由于熟料重且配比高，風機電耗明顯高于其他水泥終粉磨系統。

表4 磨機產量及系統電耗

3.3.3 氣體溫度壓力

由于入磨物料水分極少，為維持磨機穩定性，會對料床適當噴水，這些水分一般會被熟料自帶的熱量和磨機粉磨做功發熱蒸發。在粉磨外部堆放的熟料時會適當打開一段時間熱風爐以維持磨內溫度。為了維持磨內提升物料和選粉所需的通風量，大部分的出磨氣體經收塵器凈化后會再次循環入磨，有時需適當開啟冷風閥門。實際生產時，出磨氣體溫度約85℃，出磨物料水分＜0.5%。

合適的磨機壓差是磨機穩定運行的前提，在額定的產量下，磨機壓差為5 000～5 500Pa，入磨負壓為200～500Pa，出磨負壓為5 500～6 000Pa。磨機運行時，入磨、出磨等處的氣體溫度壓力見表5。

表5 入磨出磨等處的氣體溫度壓力值

3.3.4 系統風量

磨機穩定運行時，對兩臺磨的風量進行了測算，1號磨系統出收塵器負壓為7 100Pa，工況風量330 000m3/h；2號磨系統出收塵器負壓為7 000Pa，工況風量340 000m3/h。

3.3.5 磨機振動

磨機振動對設備的安全可靠性影響很大，需將磨機的振動值控制在合理的范圍內才能有效保護磨機。TRMK3621輥磨磨機的振動傳感器安裝在減速機推力軸承側面的殼體上。經檢測，磨機平穩運行時，水平振動值和垂直振動值均在2.0mm/s左右，屬較低的振動水平。

3.3.6 擋料圈高度和料床厚度

擋料圈高度是影響磨機料床穩定和料床厚度的重要因素，料床厚度過低會影響磨機運行的穩定性，料床厚度過高則會影響粉磨效率，增加主機電耗。該現場設定的擋料圈高度為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穩定運行、提高粉磨效率創造了條件。

4 水泥成品性能

水泥成品性能檢測結果見表6。由表6可以看出，利用TRM輥磨系統生產出的抗硫酸水泥標準稠度需水量為26%～27%，凝結時間合理，水泥強度與球磨機相當。此外，混凝土檢測顯示，混凝土塌落度較高，工作性能較好。

5 結語

TRMK3621水泥輥磨終粉磨系統在伊拉克NAS水泥工廠粉磨抗硫酸鹽水泥的成功應用，再次驗證了TRM輥磨在物料適應性方面的優勢。TRMK3621輥磨特殊的結構特點及合理的工藝設計，使抗硫酸鹽水泥生產的最終實測運行數據優于試驗結果，TRM輥磨性能邁上了新的臺階。