岩石基矿物掺合料的生产设备和工艺研究

岩石基矿物掺合料的生产设备和工艺研究

张学亮1,2，彭建伟1,2,3

1 中铁四局集团有限公司，安徽合肥230023     2 安徽中铁工程材料科技有限公司，安徽合肥230041      3 云南中铁新材料科技有限公司，云南昆明653303

摘要：“碳达峰”、“碳中和”政策限制燃煤电厂的发展，使得粉煤灰供不应求、运距过远、以次充好的情况屡见不鲜。而隧道开挖过程中产生产生大量洞渣废弃物，产量巨大，直接用于混凝土存在流动性差、易泌水开裂、强度低和耐久性差的应用技术壁垒。洞渣经粉磨和改性处理后，若能成为一种性能优异的矿物掺合料，符合国家“环境友好型社会”的政策和混凝土行业发展趋势。本文以岩石洞渣为原料，围绕岩石洞渣的球磨设备选型、球磨工艺、与改性剂的混合工艺以及生产线设计开展研究，最终得到了岩石基矿物掺合料的球磨工艺及设备优选方案。

关键词：岩石；矿物掺合料；生产设备；生产工艺

中图分类号：TU 213.2+44   文献标志码：A   

岩石的粉磨装备主要分为球磨机、辊压机、立式磨、卧式辊磨机等[1-3]。球磨机是最出现且应用最为普遍的粉磨设备，具有成本低、搬迁方便、石粉粒径小等优点，非常适合工期短的铁路或公路等隧道洞渣的加工处理。其粉磨机理可归纳为“料群粉磨”。传统球磨机经历了相当漫长的历史时期。目前，世界上生产大型球磨机，芬兰奧托昆普公司、德国克虏伯公司丹麦福勒史密斯矿业公司、芬兰美卓矿业公司、和日本的川崎重工等[4-5]。20世纪80年代末，该机还在出口端增加了一段锥体段。传动方式，仍采用传统球磨机完全相同的开放式。周边齿轮传动方式，不同之处是机器工作筒体支承在两端的滚动轴承上,通过与大齿轮啮合的小齿轮传递动力，带动球磨机筒体运转进行磨矿作业,并再次减速的开放式周边齿轮传动方式，在两端的用巴氏合金制成的滑动轴承上。而机器的工作简体支承，在球磨机的简体上，拖动电机的动力通过减速机减速后。安装有一个直径大于筒体直径的大齿轮，该机采用了多项新技术，使电机能够在无负荷的情况下实现“软起动”，取消了周边啮合的齿轮对,与圆锥型球磨机一样地采用了大型滚动轴承代替传统球磨机的巴氏合金滑动轴承。将传统的开放式周边齿轮传动方式，这种传动方式较传统球磨机，改为密闭式中心传动。在电动机与减速机的主动轴(高速轴)之间,具有了明显的节能效果，采用了液力偶合器来传递动力。上世纪90年代初开始，用户和生产厂家的发展都很快，近些年推广应用加快，已经实现了系列化生产。

1. 球磨机的比选

①行星球磨机，见图1。德国一家公司最早研制出一种新型行星式球磨机，能研磨硬度较大的原料，大大提高了研磨效率和研磨效果。Retsch增加了振动补偿，球磨机实现参数设置和控制屏、负载、能量输入和参数记忆功能及外带锁。行星球磨机是一种高效球磨机，可将粉体粒度研磨至0.1 um，但其体积小，球磨效率低，只能够作为实验室获取微颗粒研究设备，不能作为生产使用设备。

②搅拌球磨机，见图1。采用螺旋装置，出料方便,自动化程度高。对设备的机械强度，可以实现自磨，与传统的球磨机相比，综合节能达20%，延长了球磨机使用寿命。搅拌球磨机可以快速地将粉末混合，同时也可以进行磨细处理。因此它在精细化工、陶瓷、电子元器件等领域中非常常用。搅拌球磨机对于初粗度较大的原料的后续处理能力有限。如果需要磨细颗粒，需要经过多次处理，影响效率。在工作时会产生一定的噪音，可能对周围环境产生影响。搅拌球磨机使用的磨料价格较高，同时需要定期更换，使用成本较高。

③连续式球磨机，见图1。单位产品功耗低、研磨效率高、占地面积小。近年来，在我国的陶瓷工业中得到应用，使得球磨机的原料年产量增加，节省隔板及停机时间，节省能耗。连续式球磨机的研磨介质主要为钢锻或钢球，且磨机的研磨力度较大，研磨时间较长，研磨粉体产量高，主要是将粗颗粒的石屑研磨成石粉，且随着研磨时间的延长，石粉的细度也会降低。

行星球磨机                  搅拌球磨机              连续式粉磨机   

图1 球磨机类型

综上所述，连续式球磨机的单位产品功耗低、研磨效率高、占地面积小、造价低。基于石粉生产的成本、性能和取材等方面的考虑，对于铁路、公路等工期短等项目，建议采用投资少、生产效率高的连续式球磨机生产线。

2. 粉磨工艺

试验选择大型球磨机进行试验，以确定粉磨工艺，球磨机的基本参数为直径1830 mm、长度7000 mm、筒体转速23.8 r/min、生产能力8-40 t/h。一般粉磨球的直径越大，其球体质量质量也就越重，在高速旋转过程中对粉体的撞击力大，可以轻松将粉体磨细，但其存在研磨死角，因此需要将大小不同直径的粉磨球级配好，从而来保证粉体研磨的均匀化。一般球磨球的数量越多，粉体的粒径越细，但需要在球磨过程中需要预留出罐的1/3的空间来运转。粉磨球与粉体的比例（质量比）可按

1.5:1、2：1、3：1来配置。随着粉磨时间的延长，粉体的粒径会变得更细，但不同组合的粉磨球粉磨到规定细度的时间相差较远，详见表1。

图2 石粉球磨机及其配套设备

表1三种粉磨球比例的粉磨效果比较

3. 与石粉改性剂的混合

在使用干粉搅拌机对石粉和改性剂进行混合时，不同的搅拌工艺可能会对两者的混合均匀度有着不同的影响。因此设置了三种不同的搅拌方式：慢速搅拌30 s；快速搅拌60 s；慢速搅拌30 s+快速搅拌60 s，来探究干粉搅拌机的不同搅拌方式对石粉与改性剂的混合均匀程度。

图3 用于混合石粉与改性剂的干粉搅拌机

表2 干粉搅拌机的不同搅拌方式对石粉与改性剂的混合样品均匀性

由表2可以看出，在使用干粉搅拌进行搅拌混合均匀，应搅拌120 s以上才能保证石粉与改性剂混合均匀。

4. 生产线设计

研磨后的石粉与改性剂混合，经调研，可采用干粉砂浆生产线的混合工艺。干粉砂浆生产线主要是由提升机、预混仓、储料仓、混合机、成品仓、包装机、除尘器、电控柜、气相平衡系统组成。

（1）生产设计参数

原料来源：0～20mm砂或机制砂收尘粉。

原料材质：石灰岩、花岗岩等各类岩石。

原料运输：车辆运输至石粉加工厂房原料存放仓。

成品要求：粒度300～400目（0.044mm～0.037mm）

设计产能：10t/h。

改性剂含量：0.5%～5%

6.2.2 总体工艺流程

图4 工艺流程图

工艺流程说明：

1原料（0-20mm砂石）通过装载机上料至螺旋洗砂机，洗去石子表面的泥土，洗干净的石子通过皮带机输入沥干区内。污水进入污水处理设备进行污泥固化。

2沥干的石子用装载机上料至烘干机内烘干或晒干，烘干或晒干完成后的石子进入干料区，待用。

3通过装载机将烘干的石子上料至上料斗内，由斗式提升机提升至储料斗；

4储料斗下部安装有电磁给料机，均匀连续的给雷蒙磨粉机给料；经雷蒙磨机的分析机，将不满足要求的继续加工。合格的成品在风力的作用下进入旋风集尘器。配除尘器对系统进行除尘。

5旋风集尘器内的石粉、除尘器内收集的石粉通过罗茨风机输送至中间储料仓。

6中间储料仓通过螺旋输送机输送至搅拌机，同时将改性剂通过螺旋输送机输送至搅拌机搅拌。搅拌的成品输送机成品罐。

7成品罐的底部，安装有散装机，地面安装有地磅用于计量。

（3）生产设备

球磨机占地面积小、用途广、操作简单、维修方便、性能稳定、成品过筛率高等特点，尤其是可以根据要求进行超细粉磨设计。与改性剂混合选择粉料搅拌机。生产线布置如下图所示。

图5生产设备立面图

（4）设备清单

表3改性石粉生产线的设备清单

5. 总结

（1）基于石粉生产的成本、性能和取材等方面的考虑，对于铁路、公路等工期短等项目，建议采用投资少的连续式球磨机生产线。

（2）粉磨球的直径越大、数量越多，其对粉体的撞击力越大，使得球磨粉体粒径越细。合理级配的粉磨球能够使得粉体的粒径更小、粒径分布更加均匀。

（3）在使用干粉搅拌机对石粉与改性剂混合时，搅拌120s以上能够使得石粉与改性剂混合的更加均匀。

（4）设计了一条改性石粉生产线，将石粉石渣粉磨至300~400目，再与化学改性剂混合即可实现就地生产。

参考文献

[1]吴玉明. 水泥生产机械设备[M]. 中国建筑工业出版社，1981.

[2]王仲春. 水泥工业粉磨工艺技术[M]. 中国建筑工业出版社，2000

[3]陶珍东、郑少华. 粉体工程与设备[M]. 化学工业出版社， 2015.

[4]王复生, 张捷, 王光明. 高细粉磨技术进展[J]. 水泥技术, 2001(04).

[5]李晓旭. 基于层料粉碎理论的筒辊磨结构设计理论及设计方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学, 2016.