低碳经济下矿渣微粉加工的物流工艺优化

汤中明，刘彩虹（. 湖北第二师范学院管理学院，湖北武汉43005；. 中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉4303）



低碳经济下矿渣微粉加工的物流工艺优化

汤中明1，刘彩虹2
（1. 湖北第二师范学院管理学院，湖北武汉430205；
2. 中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉430223）

摘要：在阐述矿渣微粉加工的物流系统构成及物流工艺流程的基础上，指出矿渣微粉加工的原料物流系统和制粉物流系统中易出现矿渣粒度偏析大、喂料设施积料、磨盘金属富集和矿渣含水率不稳定等问题。通过增加筛分设施、除铁设施、矿渣堆场和喷水系统等对原料物流系统进行优化，采用全封闭螺旋给料机、取消外循环料再次入磨工艺等方式改善制粉物流系统，实现了矿渣微粉加工物流工艺的优化。

关键词：低碳经济；矿渣微粉；生产物流；物流优化

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.02.13

1　低碳经济下矿渣微粉加工的实际应用价值

全球气侯变化问题由于其复杂性和特殊性已成为人类面临的最严峻的挑战之一。在全球气候变暖的背景下，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”已成为全球热点[1]。中国政府在哥本哈根会议上作出了“到2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的承诺，说明发展低碳经济成为中国今后发展的重要国策。矿渣微粉正是适应低碳经济发展要求而产生的高性能、绿色环保建材。钢铁企业对高炉矿渣回收利用，在发展循环经济、实现节能减排、减少环境污染及降低产品能耗方面发挥了积极的作用。

高炉矿渣是炼铁生产过程中产生的副产品，是黑色冶金工业影响环境负荷的主要固体废弃物。如将废渣露天储存堆放，则会侵占土地、污染土壤、毒化水体和大气，严重影响生态环境。因此，处理高炉矿渣一直是国内外钢铁企业面临的难题[2]。在19世纪，德国开始应用矿渣作为水泥混合材料，在20世纪90年代以前，大多是将矿渣和水泥熟料一起粉磨的粗放型应用。近年来采用立磨进行矿渣研磨加工生产矿渣微粉的工艺和技术在我国得到了快速发展，该工艺以其生产可靠、技术先进、系统节能以及经济环保等诸多优点成为最广泛的应用方式。

矿渣微粉的应用对水泥工业的可持续发展具有重大的意义。作为优质的混凝土掺合料和水泥混合材料，矿渣微粉是当今世界公认的配制高耐久性混凝土结构的首选混合材料之一，是一种质优价廉的新型建筑材料。运用矿渣微粉来代替水泥在混凝土中的掺入量，既可大量节省不可再生的石灰石、煤炭资源，又能大大延长建筑物的寿命[3]。统计表明，用石灰石、煤炭作为原料生产1 t普通水泥，释放650～920 kg二氧化碳。而利用高炉矿渣作原料，生产1 t矿渣微粉的二氧化碳排放量约为30～60 kg。按照1 t水泥掺入40%的矿渣微粉来计算，其二氧化碳排放量仅为前一工艺的62%。截止到2014年底，我国生铁产量已经超过7.2亿t，每生产1 t生铁平均约产生0.45 t矿渣，矿渣产量超过3亿t。按此规模计算，采用矿渣微粉为材料的水泥加工业每年可减少二氧化碳排放量约2.2亿t。由此可见，矿渣微粉加工是典型的减量化、再利用、资源化的循环经济项目，对低碳经济发展具有重要的现实意义。

随着矿渣微粉在水泥工业的应用和发展，学者和专家们开始关注矿渣微粉加工项目的研究，其研究主要集中在从技术层面提高矿渣微粉的应用性能，如矿渣微粉的掺和量[4]、氢氧化钠等添加剂的使用[5]、最佳配合比[6]、设备选型[7]等。本研究在对武钢、日钢以及贵州、江苏等一些水泥建材公司的矿渣微粉加工项目的物流系统设计和实际应用经验进行归纳总结的基础上，对其物流工艺整体流程进行优化，以实现生产的可靠性、技术的先进性、系统的节能性和经济环保性。希望能对其他企业矿渣微粉加工的物流系统设计具有借鉴和参考价值。

2　矿渣微粉加工物流系统分析

2.1矿渣微粉加工物流系统的构成

目前，我国钢铁企业非常重视高炉矿渣的深加工资源化利用。宝钢、鞍钢、武钢、湘钢、沙钢、济钢、日钢、青钢、包钢等钢铁企业纷纷开展矿渣微粉深加工项目，不再是仅作为初级原料直接外售给水泥生产商。例如：2011年武钢金资公司与新加坡昂国集团合资成立武汉武新新型建材有限公司，投资建设“120万t矿渣微粉”项目。两年后，武钢金资公司又投资2.84亿元建设180万t矿渣微粉建设项目[8]。2015年，国内矿渣粉生产产能将超过1.4亿t，生产线超过260条，整体生产规模世界第一。虽然各企业矿渣微粉加工方法不尽相同，但总体的物流工艺流程可由图1表示。由图1可知，矿渣微粉加工的物流系统主要由原料物流系统、制粉物流系统和成品物流系统三部分组成。

图1　矿渣微粉加工的物流工艺

2.1.1原料物流系统

原料物流系统主要负责物料的储存、整粒和除铁。将矿渣堆存在堆场，可以使其含水率由20%降低为8%～12%。同时将含水率为8%～12%的矿渣运至制粉物流系统，在运输线中设置筛分设施和除铁设施，除去矿渣中大粒度物料和金属铁。原料物流系统由堆场、转运站、输送机通

廊、筛分间、缓冲仓组成。主要设备包括带式输送机、振动筛、除铁器、带式称重给料机等。

2.1.2制粉物流系统

制粉物流系统主要负责将原料物流系统送来的矿渣进行研磨、烘干，使矿渣微粉含水率低于0.5%，并将其收集在收尘器中。制粉物流系统各设备为露天布置，主要设备包括矿渣立磨、回转喂料阀、热风炉、气箱脉冲袋式收尘器、带式输送机、斗式提升机、除铁器、电磁分离器等。

2.1.3成品物流系统

成品物流系统主要负责将收尘器中的矿渣微粉运至成品仓中储存，并将成品仓中的矿渣微粉装车或装船外运。成品物流系统由转运站、成品仓组成，主要设备包括空气斜槽、斗式提升机、气力装车设施和汽车衡等。

2.2矿渣微粉加工物流工艺流程

从矿渣微粉加工的物流工艺流程图可知，主要包括矿渣储存、矿渣研磨烘干和微粉储存外运三个主要物流工序。

2.2.1矿渣储存

堆存在矿渣堆场含水率约为8%～12%的高炉矿渣经带式输送机接出，送至筛分系统，将大粒度的矿渣筛除。合格粒度的矿渣经带式输送机送入缓冲仓，在输送机线上设有除铁器，可将矿渣中的金属铁吸除。缓冲仓下设带式称重给料机，可定量将矿渣卸至立磨前的喂料设施。在进入喂料设施前设有旁通设施，可直接将矿渣外排，不进立磨。

2.2.2矿渣研磨烘干

喂料设施将矿渣送至立磨进行研磨、干燥。进入立磨的矿渣被磨辊在旋转的磨盘上挤压、粉碎，粉碎后的矿渣被上升的热风送入立磨上部的高效选粉机中，分选成粗粉和细粉。细粉即比表面积为400～450 m2/kg的矿渣微粉，由气箱脉冲袋式收尘器接受储存。粗粉跌落在磨盘上再次进行粉碎。其中，一部分无法被热风送入选粉机的粗粉，在磨盘上由离心力的作用被排出立磨成为外循环料，经带式输送机送至斗式提升机，经斗式提升机输出的外循环料分两路，一路可直接外排至废料仓，一路经电磁分离器除铁后，再送至喂料设施，进入立磨内再次粉碎。在矿渣研磨的同时，由热风炉在立磨底部鼓入热风将矿渣及微粉烘干，最终成品含水率≤0.5%。

2.2.3矿渣微粉储存外运

空气斜槽将气箱脉冲袋式收尘器内矿渣微粉接出，经斗式提升机、空气斜槽卸至成品仓储存。成品仓内储存的矿渣微粉可通过仓底的气力装车设施输送至罐车或船舶，经称量后再外运。

2.3矿渣微粉加工中容易出现的主要问题

随着矿渣微粉在水泥行业的逐步应用，矿渣微粉加工产能将日益加大。各大钢铁企业在矿渣微粉实际加工过程中经常出现矿渣粒度偏析大、喂料设施积料、磨盘金属富集和矿渣含水率不稳定等问题，在一定程度上影响了生产可靠性、技术先进性、系统节能性和经济环保性。

2.3.1矿渣粒度偏析大

高炉矿渣中通常含有一定量的金属铁、杂质异物或大块矿渣等，进入立磨后会导致料层平衡被破坏、料层波动大，外循环量增大，立磨剧烈振动甚至造成主电机跳闸，不利于安全生产。

2.3.2喂料设施积料

矿渣利用自重下落的原理通过全封闭的回转喂料阀给入立磨内，既保证了喂料的稳定性，又使立磨进料口密封，保证系统不漏风。该工艺在国内各大矿渣微粉工程中得到广泛应用，然而在实际应用中矿渣含水率较高，黏性较大，极易黏接在喂料阀上和下料管上，时间长后黏接的矿渣易板结成块，造成喂料阀积料、下料管堵料，导致立磨无法正常喂料，而清理喂料阀和下料管上的积料时间长，生产被迫中断。

2.3.3磨盘金属富集

在制粉物流系统中，由于一部分粗粉无法被热风送入选粉机，在磨盘上受离心力的作用从立磨下部的排渣口排出立磨，形成外循环料。外循环料的主要成分为矿渣中未清除干净的金属铁以及夹带的矿渣、选粉机定子、转子叶片等，因此其金属铁含量高。在常规设计中，外循环料排出立磨后进行1～2次除铁，再由斗式提升机提至磨机的喂料口喂入磨内。外循环料如不能彻底将金属铁除掉，再次入磨会导致磨盘上金属铁富集。立磨的工作核心为研磨，再次入磨的矿渣中含铁量高导致磨盘和磨辊磨损加剧。在同等条件下，矿渣中含铁量每增加0.1%，立磨研磨件磨损率将相应增加10%[9]。磨盘和磨辊的快速磨损将导致研磨形态发生变化，粉磨效率降低，产量减少，能耗上升，振动加剧，外循环量增加，最终造成停产。

2.3.4矿渣含水率不稳定

高炉渣处理工艺不同导致矿渣含水率不同，矿渣含水率一般在4%～20%左右。含水率的差异造成两个不同的研磨状态：其一矿渣含水率太低，流动性大，磨盘上料层不容易稳定，未达到研磨粒度从立磨下部的排渣口排出，形成大量外循环料，导致粉磨效率降低；其二矿渣含水率过高，输送机黏料严重，对胶带及滚筒损伤大，造成喂料阀积料，同时还需要提高立磨底部热风炉入口风温，保证成品的含水率不大于0.5%，导致能耗增加。

3　矿渣微粉加工的物流系统优化

矿渣微粉加工中易出现的矿渣粒度偏析大、喂料设施积料、磨盘金属富集和矿渣含水率不稳定等问题主要存在于原料物流系统及制粉物流系统中。为进一步提高整个物流系统的低碳、环保、节能性能，促进矿渣微粉加工的可持续发展，需要对矿渣微粉加工的物流工艺进行优化。根据武钢、日钢以及贵州、江苏等一些水泥建材公司矿渣微粉加工物流系统的实际设计经验和运作情况，提出以下矿渣微粉加工的物流系统优化方案：

3.1在原料物流工艺中增加筛分设施和除铁设施

在武钢矿渣微粉生产线上，通过在原料物流系统中增加筛分设施可以将大块料筛除，保证入料矿渣粒度≤30 mm。振动筛的筛孔大小设为30～50 mm，既可以避免因矿渣板结，堵塞筛孔出现矿渣通过率较低的问题，又能保证入磨矿渣粒度的均匀性，从而保证料层的稳定性，避免了因为间歇生产造成的热量损失，提高了生产运转率。同时在原料输送线上尽量多增设几处除铁设施，将矿渣中的金属铁选出。

3.2在原料物流系统中设置矿渣堆场和喷水系统

根据实际经验，矿渣含水率控制在8%～12%左右有利于矿渣在立磨磨盘上形成稳定的料床，无需喷水控制料床稳定性，使其烘干能耗低，因此控制矿渣入磨的水份对高稳定、低能耗生产有重要影响。在设计中，将矿渣堆场地坪进行改造，设有一定的排水坡度，四周设排水滤网及排水沟，保证含水率高的矿渣可较长时间堆存，使矿渣含水率控制在8%～12%左右再进行研磨。并在立磨中增设喷水系统，在料层不稳定情况下可适当喷水调节矿渣的含水率，保证料层稳定和正常生产。

3.3制粉物流系统积料问题的解决方案

在贵州水泥建材公司矿渣微粉生产线上，为解决制粉物流系统的积料问题，在实际生产中进行了多次优化，最后找到最合理的优化方案。

3.3.1在喂料口增加空气炮，积料时启动空气炮进行清除

该方案清料效果不佳，会引起立磨振动，造成设备损伤，影响正常生产。

3.3.2在喂料口设置压缩空气吹扫，将积料清除，保证喂料顺畅

该方法对压缩空气压力要求高，投资成本较大。

3.3.3将回转喂料阀改为全封闭螺旋给料机，采用机械给料

此方案较好地解决了喂料阀积料的问题，而且直接由全封闭螺旋给料机喂料，可以取消下料管，消除了下料管堵料的隐患。

3.4取消制粉物流系统中外循环料再次入磨工艺

在日钢矿渣微粉生产线上，为了保证矿渣立磨的正常生产，改善矿渣的邦德指数，取消了制粉物流系统中外循环料再次入磨工艺。外循环料由带式输送机送至矿渣槽。在带式输送机上设有除铁设施，除铁后的矿渣可用作铺路、制砖的原材料。该方案有效地解决了立磨磨盘金属富集的问题，保证了安全顺畅的生产。

4　结论

矿渣微粉是通过对高炉矿渣的回收利用而产生的高性能、绿色环保建材。随着低碳经济的发展，矿渣微粉加工项目在各大钢铁企业得到广泛开展，也得到各级政府部门的大力扶持。在矿渣微粉加工的物流工艺过程中，容易出现矿渣粒度偏析大、喂料设施积料、磨盘金属富集和矿渣含水率不稳定等问题。基于生产的经济性、可靠性、先进性和节能环保性，对矿渣微粉加工物流工艺进行优化。通过在原料物流工艺中增加筛分设施和除铁设施，设置矿渣堆场和喷水系统，可有效解决矿渣粒度偏析大和矿渣含水率不稳定的问题。而制粉物流系统中的问题可以通过取消外循环料再次入磨工艺、增加空气炮和压缩空气吹扫、采用机械给料方式等方法进行合理优化。优化方案在实际钢铁企业得到了得到了实施和改进，效果比较显著。今后将对不同生产线的物流工艺进行追踪调查和优化，以期得到更好的实施效果。

参考文献

[1]李媛.低碳供应链发展及运营新问题[J].中国环境管理干部学院学报，2013，23（2）：33-36.

[2]燕开文，马海涛.高炉矿渣环保综合利用新途径[J].山西冶金，2009（6）：62-64.

[3]陈恩义，李体祯.优质粒化高炉矿渣粉的生态环保功效[J].混凝土世界，2011（5）：24-28.

[4]张小娜，蔡海勇.矿渣微粉掺量对混凝土劈裂抗拉性能的影响[J].施工技术，2015，44（3）：70-71.

[5]喻骁，蒋林华，于旭，等.氢氧化钠掺量对钢筋矿渣砂浆碳化性能的影响[J].材料科学与工程学报，2015，33（5）：702-706，696. [6]吴昊，陈新星，周志云，等.掺钢渣-矿渣-粉煤灰复合微粉混凝土的高温性能研究[J].水资源与水工程学报，2015，26（4）：187-191.

[7]韩长菊，张育才，黄岚，等.昆钢钢渣微粉在混凝土中的应用研究[J].山东建筑大学学报，2015，30（1）：29-34，70.

[8]匡华安，罗贝，李方舟.钢厂循环经济产业的成功探索[N].中国冶金报，2013-12-28（001）.

[9]张昆谋，郑国良，彭新桥.浅谈立磨磨辊及磨盘表面耐磨堆焊技术[J].新世纪水泥导报，2005（6）：47-48.

（编辑：程俊）

Optimization on Logistics Process of Ground Granulated Blast-furnace Slag Processing under Low Carbon Economy

Tang Zhongming1, Liu Caihong2

（1. College of Management, Hubei University of Education, Wuhan Hubei 430205, China; 2. WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan Hubei 430223, China）

Abstract：The constitution of logistics system and logistics processing on GGBS processing were expounded in this article. Many questions were found in logistics system of raw materials and pulverizing logistics system on GGBS processing, such as large slag granular segregation, material deposit in feeding facility, enrichment in mill metal and unstable slag moisture content and so on. Slag powder processing and logistics process optimization was achieved through increasing screening facilities, iron removal facilities, slag yard and sprinkler system of raw material logistics system optimization by fully enclosed spiral feeder, canceling external circulating material in grinding process again to improve powder logistics system.

Key words：low carbon economy, ground granulated blast-furnace slag, production logistics, logistics optimization

作者简介：汤中明（1974-），男，湖北监利人，毕业于华中科技大学管理科学与工程专业，博士，副教授，研究方向为低碳物流与供应链管理。

基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目《基于低碳经济的武汉城市圈物流发展策略研究》（D20143003）

收稿日期：2016-02-24

中图分类号：X75

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）02-0045-05