前言
　　 在水泥生產(chǎn)“二磨一燒”的三大環(huán)節(jié)中，“磨”既是熟料燒成的必要前提，又是決定水泥成品質(zhì)量的關(guān)鍵；同時，“二磨”電耗約占水泥生產(chǎn)過程總電耗的７０％，其中，水泥粉磨電耗約占水泥生產(chǎn)總電耗的４０％。在“二磨”中，水泥粉磨由于物料易磨性比生料差得多，且水泥細(xì)度要求較高，故其粉磨比電耗高，約為生料粉磨比電耗的１．５倍。隨著ＩＳＯ９０００水泥新標(biāo)準(zhǔn)全面實施，水泥細(xì)度的要求將更加嚴(yán)格；同時為了有效保證水泥的早期強(qiáng)度，還須改變水泥的粒度組成，提高發(fā)揮早期強(qiáng)度的細(xì)顆粒含量。目前我國水泥廠大多使用球磨機(jī)作為水泥粉磨設(shè)備，眾所周知，球磨機(jī)的有效能量利用率僅為２％左右，因此提高能量利用率的潛力很大。我國的水泥年產(chǎn)量已達(dá)５億ｔ，若按水泥粉磨電耗降低１０％(平均約為3kwh/t)計，則每年可節(jié)電１．５×１０^９ｋＷｈ；每度電價以０．５元計，則每年粉磨成本可降低近８億元。另一方面，近年來，通過對燒成工藝的改進(jìn)及一系列技術(shù)改造，各種窯型的熟料生產(chǎn)能力都有不同程度的提高，尤其是許多立窯通過窯徑的擴(kuò)大以及采用礦化劑和晶種等技術(shù)措施，生產(chǎn)能力的提高幅度更為顯著，使原來與之配套的粉磨設(shè)備普遍存在能力不足的問題。為此采取有效措施，努力提高水泥粉磨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，同時降低粉磨能耗等課題得到了廣大工程技術(shù)人員和研究人員的密切關(guān)注，許多積極有益的研究探索和技術(shù)革新屢見報道，并取得了可喜的實際效果。水泥粉磨效率的提高，涉及粉磨工藝、設(shè)備及操作參數(shù)等諸多因素，欲有效提高整個系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，需綜合分析各種因素，進(jìn)行全面的優(yōu)化。本文擬結(jié)合近年來的技術(shù)成果和進(jìn)展就影響粉磨系統(tǒng)能力的若干因素進(jìn)行較全面的綜合分析。
１　水泥粉磨系統(tǒng)高產(chǎn)節(jié)能技術(shù)措施
１．１　粉磨工藝
１．１．１閉路粉磨工藝
　　就粉磨工藝流程而言，目前主要有開路和閉路兩種。
　　前者優(yōu)點是工藝操作簡單，物料出磨后即為成品。缺點是物料在磨內(nèi)流速慢，滯留時間長，為保證出磨物料的粒度全部符合要求，其中已磨細(xì)的物料也不能及時排出磨機(jī)，經(jīng)常造成過粉磨現(xiàn)象。開路磨系統(tǒng)生產(chǎn)能力相對較低，能耗較高，不可能隨時靈活地調(diào)整出磨物料的細(xì)度。
　　后者加設(shè)了選粉設(shè)備，可及時地將已磨細(xì)的細(xì)粉排出磨外，有效地避免了過粉磨現(xiàn)象，并可通過調(diào)節(jié)選粉機(jī)的工作參數(shù)靈活調(diào)節(jié)成品水泥的細(xì)度。此外，閉路磨內(nèi)物料流速加快，各倉的研磨體分別恰當(dāng)?shù)爻袚?dān)著粉碎或粉磨任務(wù)，故產(chǎn)量提高，電耗降低，尤其是對水泥細(xì)度要求較高時，高產(chǎn)低耗的優(yōu)點更加明顯。這方面的生產(chǎn)實例很多，如某廠的φ３ｍ×１１ｍ水泥磨由開路改為帶ＳＥＰＡＸ—３．５型選粉機(jī)的閉路系統(tǒng)后，產(chǎn)量由原來的２０ｔ／ｈ提高至２７ｔ／ｈ，粉磨電耗則由５２．８ｋＷｈ／ｔ降低至42.3ｋＷｈ／ｔ^[１]，產(chǎn)量提高３５％，電耗降低１９．９％。
　　可以說，采用閉路粉磨是水泥粉磨工藝的必然趨勢。
１．１．２　預(yù)粉碎（磨）多級串聯(lián)粉磨工藝
　　眾所周知，球磨機(jī)作為粉磨設(shè)備是比較理想的，但作為粉碎或破碎設(shè)備，它卻是低效率的。將粒度較大的十幾毫米甚至數(shù)十毫米的物料破碎過程從磨內(nèi)移至磨外，在專門的粉碎設(shè)備中進(jìn)行，是提高球磨機(jī)生產(chǎn)能力的有效途徑?！岸嗨樯倌ァ保磁p小入磨物料粒度是多年來水泥粉磨作業(yè)實踐向人們昭示的寶貴經(jīng)驗，因而預(yù)粉碎（磨）工藝的應(yīng)運而生就是十分自然的了。根據(jù)粉碎理論，脆性物料從數(shù)十毫米破碎至數(shù)毫米，其碎裂的本質(zhì)是內(nèi)部裂紋的不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，而促使這一過程的外界因素即是以一定的方式對其施加的強(qiáng)大作用力——粉碎力。通常采用壓縮粉碎和沖擊粉碎方式，相應(yīng)的系統(tǒng)有輥壓磨＋球磨機(jī)和沖擊粉碎機(jī)＋球磨機(jī)兩種預(yù)粉碎（磨）工藝。
　 （１）輥壓磨＋球磨機(jī)粉磨工藝。該工藝也包括各種立磨與球磨機(jī)串級粉磨的工藝配置，這里僅以輥壓磨＋球磨機(jī)的串級粉磨系統(tǒng)進(jìn)行分析。被粉碎的水泥熟料先進(jìn)入輥壓磨，強(qiáng)大的輥壓力將其從數(shù)十毫米壓碎至幾毫米甚至更細(xì)后入球磨機(jī)。由于熟料顆粒經(jīng)輥壓粉碎的同時，內(nèi)部也產(chǎn)生許多微裂紋，因而在球磨機(jī)內(nèi)較容易進(jìn)一步被粉碎而很快進(jìn)入粉磨階段。在這種粉磨系統(tǒng)中，球磨機(jī)的主要任務(wù)只是粉磨，所以，粗磨倉可選用較小尺寸的研磨體，研磨體表面積的增大顯然有利于粉磨效率的提高，進(jìn)而大幅度提高粉磨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。據(jù)報道^[２]，采用輥壓磨＋球磨機(jī)串級粉磨工藝后，水泥磨系統(tǒng)的產(chǎn)量可提高４０％，粉磨電耗可降低１０％。
　 （２）沖擊式破碎機(jī)＋球磨機(jī)粉磨工藝。細(xì)粉碎設(shè)備的研制是目前熟料預(yù)粉碎方面的熱點之一。從２０世紀(jì)８０年代的細(xì)顎式熟料破碎機(jī)到近年來的各種沖擊式細(xì)碎機(jī)，有力地推動了水泥粉磨工藝的改革和創(chuàng)新。這些熟料細(xì)破碎設(shè)備大致有如下幾種：細(xì)顎式破碎機(jī)（ＰＥＸ型）、立式反擊式破碎機(jī)（ＰＣＦ型）、立式錘式破碎機(jī)（ＰＣＬ型）、立軸錘式細(xì)碎機(jī)（ＸＣＬ型）、高效節(jié)能破碎機(jī)（ＰＧＸＪ型）、立式?jīng)_擊破碎機(jī)和渦動沖擊破碎機(jī)等。它們的平均出料粒度均可達(dá)３ｍｍ～５ｍｍ，其中立式?jīng)_擊破碎機(jī)的出料中粒徑＜２．５ｍｍ者可達(dá)８０％～９０％。
　　應(yīng)該指出的是，無論是輥壓磨還是上述各種細(xì)破碎機(jī)，技術(shù)上的突出問題是輥面或粉碎工作部件的材質(zhì)，只有工作部件具有高硬度和高耐磨性，才能保證它們長期有效地工作；否則，較短的使用壽命和更換周期勢必影響系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和生產(chǎn)能力，同時也會增大材料消耗，不利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。
　?。保病∏蚰C(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
　　球磨機(jī)本身的結(jié)構(gòu)也是影響其粉磨能力的重要方面。它包括磨內(nèi)各倉長度的設(shè)置、襯板的形式、隔倉板的類型、通孔率及布置方式等。
　?。ǎ保┠C(jī)內(nèi)各倉的長度。目前，各種規(guī)格的球磨機(jī)粗磨倉的長度多是根據(jù)入料最大粒度為２５ｍｍ進(jìn)行設(shè)計的，因而粗磨倉長度普遍相對較長。隨著預(yù)粉碎工藝的引入，入磨物料粒度顯著減小，磨內(nèi)粗磨的壓力大大減緩，因此，如果仍保持原來的倉長度，則會造成粗磨倉能力過剩、細(xì)磨倉能力吃緊的不平衡現(xiàn)象。為了使各倉能力相匹配，許多廠家采取了適當(dāng)縮短粗磨倉長度、增大細(xì)磨倉長度的做法，取得了較好的效果。如φ２．２ｍ×６．５ｍ磨機(jī)的一倉設(shè)計長度為２．７５ｍ，有些廠家將其縮短至2.45ｍ，甚至210ｍ，再配合研磨體的相應(yīng)調(diào)整，獲得了滿意的生產(chǎn)效果。
　 （２）隔倉板的改進(jìn)。近年來，高細(xì)磨的發(fā)展促進(jìn)了隔倉板的改進(jìn)，使其除具有阻隔大塊料、防止研磨體串倉、保證通風(fēng)、強(qiáng)制送料等傳統(tǒng)功能外，還具有了新的分級功能。如帶分級篩的雙層隔倉板，除具有強(qiáng)制送料作用外，還能將粒度較大的粗顆粒返送回粗磨倉繼續(xù)粉磨。在φ２．４ｍ×１３ｍ磨內(nèi)裝設(shè)該隔倉板后，磨機(jī)產(chǎn)量提高了２８．１％，粉磨電耗降低了１５．３％，研磨體消耗降低了２６．８％^[４]。由于此分級作用，進(jìn)入細(xì)磨倉的物料粒度穩(wěn)定性大大提高，可在相當(dāng)程度上避免出磨粗顆粒的存在，同時對于穩(wěn)定系統(tǒng)的循環(huán)負(fù)荷率進(jìn)而穩(wěn)定整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)都具有積極的意義。據(jù)報道^[２]，將隔倉板由垂直于磨機(jī)軸線改為傾斜４５°～６０°安裝，既消除了磨內(nèi)約４％的“死料層”，強(qiáng)化了研磨體的沖擊和摩擦能力，又增大了通風(fēng)面積，改裝后φ１．８３ｍ×７ｍ水泥磨的產(chǎn)量由原來的５．５ｔ／ｈ提高至７．５ｔ／ｈ，增產(chǎn)幅度達(dá)３６％以上。
（３）新型襯板的使用。磨機(jī)襯板形式多種多樣，作用及效果也不盡相同，其中，階梯襯板是水泥磨粗磨倉使用最廣泛的襯板形式，其阿基米德螺線狀彎曲表面保證了磨機(jī)運轉(zhuǎn)過程中能均衡地將研磨體提升至一定高度，從而增大其沖擊粉碎物料的作用，但這種襯板仍然不能克服鋼球與之點接觸的缺點。圓角方形襯板角螺旋襯板、溝槽襯板等新型襯板的出現(xiàn)，使襯板與研磨體的配合趨于合理。河南偃師縣水泥廠、輝縣水泥廠、安徽巢湖水泥廠等首先使用了環(huán)形溝槽活化襯板，磨機(jī)產(chǎn)量均提高１５％左右，粉磨電耗降低１５％～１９％^[５]。這是因為鋼球與襯板的１２０°弧線接觸，增大了研磨面積，球與襯板之間有一層不易脫離的物料，充分利用了它們相互之間的滑動摩擦，粉磨效率隨之提高。角螺旋襯板則是通過改變磨內(nèi)研磨體運動規(guī)律，使研磨體的脫離角具有多變性，以增強(qiáng)研磨體與物料的交叉穿透和混合充分接觸粉磨，以及鋼球自動分級來提高粉磨效率。在環(huán)形溝槽活化襯板的基礎(chǔ)上，又研究開發(fā)了新型節(jié)能襯板——環(huán)溝一雙曲面襯板^{[２，６]}，該襯板使研磨體的提升更為合理，研磨體與物料的接觸摩擦機(jī)會更多，產(chǎn)量可進(jìn)一步提高１０％～１８％，電耗降低１０％～２０％。
　?。保场⊙心ンw的裝載量及其級配
　 （１）研磨體的裝裁量。球磨機(jī)中研磨體的裝載量通常是根據(jù)填充系數(shù)或填充率來確定的，一般球磨機(jī)的填充系數(shù)多為０．２８～０．３２。許多研究和實踐證明，研磨體的填充系數(shù)可以適當(dāng)增大，即可適當(dāng)增加研磨體的裝載量，細(xì)磨倉尤其如此。首先，增大研磨體填充量在不改變級配的前提下可增加粉碎或粉磨的幾率；其次，填充率增大后，研磨體的重心向磨機(jī)的軸線靠近，總作用力矩并無明顯增大，故不會對功率傳動造成影響。實際上，磨機(jī)配套電機(jī)的功率儲備完全允許在一定范圍內(nèi)增加裝載量。實踐證明^[２]，φ２．２ｍ×６．５ｍ和φ１．８３ｍ×７ｍ的磨機(jī)，研磨體分別由３１ｔ和２１ｔ增加至３４ｔ和２４ｔ后，磨機(jī)產(chǎn)量均可提高２０％左右。
　 （２）研磨體的級配優(yōu)化。磨機(jī)內(nèi)研磨體的級配最佳化一直是水泥粉磨技術(shù)中的探討熱點之一。近年來，關(guān)于鋼球級配的實踐報道很多，也有不少規(guī)律性的經(jīng)驗總結(jié)，如平均球徑法，斯坦納曲線法等^[７]。級配確定要解決的幾個重要參數(shù)是：最大球徑、平均球徑以及鋼球（或段）級數(shù)以及各級所占比例。事實上，影響研磨體級配的因素很多，見諸報道的許多方法也僅僅是在特定物料及工藝條件下的較佳選擇。下面就研磨體級配確定中應(yīng)考慮的問題談一些看法。
　　 ①最大球徑和平均球徑的計算應(yīng)考慮物料的易磨性或易碎性。不同窯型煅燒的物料其易碎性是有差異的，即使是同種窯型煅燒的熟料，由于工藝配方及燒成條件不同，其易磨性也往往不相同。另外，混合材為礦渣時，因其粒度相對較小，又難磨，所以，配球中則需適當(dāng)增加小尺寸研磨體的比例。
　　 ②預(yù)破碎粉磨工藝中對粗磨倉中研磨體平均球徑及其級數(shù)的調(diào)整應(yīng)視預(yù)粉碎設(shè)備情況而定。具體地講，經(jīng)輥壓和擠壓破碎的熟料除顆粒粒度較小外，其內(nèi)部還有大量的裂紋缺陷，因而入磨后較易粉碎；而經(jīng)沖擊破碎后的熟料顆粒較均勻，同時破碎主要是由內(nèi)部裂紋擴(kuò)展所致，顆粒內(nèi)部缺陷相對較少，故入磨后相對難粉碎些。因此，配球時，對這兩種預(yù)粉碎系統(tǒng)應(yīng)區(qū)別對待。
　 ?、鄢瞿ニ嗟募?xì)度和性能。成品水泥細(xì)度是其直接的質(zhì)量指標(biāo)之一。對于開路系統(tǒng)，這一指標(biāo)顯然取決于磨內(nèi)研磨體的級配；對閉路系統(tǒng)，如果出磨水泥細(xì)度太粗，則勢必會導(dǎo)致循環(huán)負(fù)荷率過大，增大選粉機(jī)的壓力。另一方面，選粉機(jī)的臨界分離粒徑是以０．０８ｍｍ即８０μｍ界定的，它不可能改變小于此粒徑的各粒度級別的含量，而對于有些水泥，或要求提高早期強(qiáng)度，或希望提高２８天強(qiáng)度，因此對水泥的粒度分布則有相應(yīng)的要求，如果是前者，則希望細(xì)顆粒＜１０μｍ的含量大一些，欲實現(xiàn)這一點，必須增大磨內(nèi)小尺寸研磨體的比例。
　?。保础∫r板和研磨體的材質(zhì) 　
　　穩(wěn)定的粉磨工藝條件在很大程度上取決于襯板和研磨體的材質(zhì)，如果襯板材料的硬度、耐磨性及抗沖擊性能差，則其內(nèi)表面會很快改變原來的幾何形狀；同理，研磨體的級配在磨機(jī)運轉(zhuǎn)過程中是動態(tài)的、不斷變化的，若研磨體的耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度達(dá)不到要求，經(jīng)一段時間的粉磨作業(yè)后，原來的最佳級配顯然難以保證。盡管人們總結(jié)了很多補(bǔ)球的辦法，但畢竟不同尺寸的研磨體在粉磨過程中的磨損規(guī)律是不同的，所以補(bǔ)球充其量只能保持裝載量的相對平衡，并不能保持級配的始終如一。因此，改善襯板和研磨體的材質(zhì)是研磨體級配和磨機(jī)工作條件長期穩(wěn)定并提高其運轉(zhuǎn)率和生產(chǎn)效率的根本保證。
　　對于襯板而言，長期工作必要的材質(zhì)條件是：具有整體均勻的硬度和組織結(jié)構(gòu)，和高抗沖擊疲勞強(qiáng)度、低磨損率、不變形、不斷裂，顯然普通鋼襯板難以具備這些特點。高鉻白口鐵襯板硬度高，耐磨，但應(yīng)力集中敏感性強(qiáng)；貝氏體球鐵襯板具有較高的抗彎曲疲勞強(qiáng)度和優(yōu)良的耐磨性，與高錳鋼襯板相比，壽命可提高１倍以上；多元低合金鋼襯板的使用壽命為高錳鋼襯板的４倍以上。
　　研磨介質(zhì)消耗是水泥粉磨過程中的主要材料消耗，它包括研磨體之間及其與物料之間相互摩擦造成的磨耗和自身碎裂導(dǎo)致的損耗。研磨體損耗過大，不僅影響磨機(jī)的粉磨能力，且頻繁的停機(jī)補(bǔ)球?qū)е逻\轉(zhuǎn)率低及工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，還直接造成粉磨成本提高。粉磨１ｔ水泥普通鋼球的研磨體損耗大致為１０００ｇ，補(bǔ)球周期多為半月左右，而耐磨球如軸承鋼球、高鉻球、低合金鋼球的損耗可降至３０ｇ／ｔ～４０ｇ／ｔ，平均磨耗為６０ｇ／ｔ左右，損耗僅為前者的１／１５～１／２０，補(bǔ)球周期可達(dá)半年以上。如冀東水泥廠水泥磨補(bǔ)球周期長達(dá)１年。以φ２．２ｍ×６．５ｍ球磨機(jī)為例，其設(shè)計產(chǎn)量為１４ｔ／ｈ，普通鋼球的損耗量為１４ｋｇ／ｈ，耐磨球為８４０ｇ／ｈ。若二者的價格分別為３０００元／ｔ和６０００元／ｔ，則折合人民幣分別為４２元／ｈ和５元／ｈ。按每年７０００ｈ計，僅此一項，后者可比前者節(jié)省２６萬元左右；若考慮運轉(zhuǎn)率和粉磨效率的提高等因素，其經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。不難看出，耐磨球的價格雖然昂貴些，但其優(yōu)異的性能既可大大減輕清倉補(bǔ)球的工作強(qiáng)度，又能大大穩(wěn)定磨機(jī)工作狀態(tài)，提高磨機(jī)粉磨能力，同時也顯著降低粉磨成本，可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
　　值得提出的是，物料細(xì)粉磨時，研磨體密度的影響大大減弱，重要的是其硬度和表面積，在試驗?zāi)C(jī)中分別用φ１０ｍｍ和φ５ｍｍ的同尺寸鋼球和瓷球進(jìn)行的礦渣細(xì)粉磨試驗結(jié)果表明^[９]，在同一粉磨條件下，二者粉磨后物料的粒度分布（尤其是１０μｍ～３０μｍ級別和＜１０μｍ級別）基本一致，這對于減少傳動功率，降低粉磨電耗具有積極的意義。
１．５　助磨劑
　　水泥助磨劑多為表面活性劑，其活性基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面所產(chǎn)生的降低水泥顆粒比表面能和強(qiáng)烈的分散作用是提高粉磨效率的本質(zhì)所在。根據(jù)粉碎平衡理論，在一定操作參數(shù)的前提下，當(dāng)粉磨過程達(dá)到一定程度時，即會出現(xiàn)顆粒的粉碎與微細(xì)顆粒團(tuán)聚速度相等的“平衡狀態(tài)”，處于此狀態(tài)下的磨內(nèi)物料中的微細(xì)顆粒的自身團(tuán)聚及其在研磨體和襯板上的粘附在所難免。這無疑會大大削弱研磨體的作用效果，導(dǎo)致粉磨效率的顯著降低。加入助磨劑后，可以基本消除上述現(xiàn)象，從而將被微細(xì)顆粒包覆的研磨體的粉磨能力“解放”出來。同時，微細(xì)顆粒的解聚以及解吸附改變了原來的粉磨狀態(tài)，即破壞了原有的粉碎平衡，可在新的粉磨狀態(tài)下達(dá)到使水泥顆粒更細(xì)的新的粉碎平衡。實踐證明，摻加助磨劑可在有效提高磨機(jī)產(chǎn)量的同時較大幅度地增加水泥的比表面積，這意味著水泥中細(xì)顆粒的含量增大，有利于提高水泥的早期強(qiáng)度。
　　目前，水泥助磨劑的研究開發(fā)正向多功能復(fù)合型發(fā)展，即在粉磨過程中加入的助磨劑不僅可以有效提高水泥磨機(jī)的粉磨效率，并具有減少水泥或混凝土漿體的需水量，改善其流動性，從而提高硬化漿體的力學(xué)性能的作用。
２　結(jié)束語
　　為了適應(yīng)ＩＳＯ９００００水泥新標(biāo)準(zhǔn)的要求，水泥粉磨系統(tǒng)的改進(jìn)和操作參數(shù)的優(yōu)化十分必要和迫切。閉路粉磨由于其節(jié)能及水泥細(xì)度控制的靈活性已成為必然趨勢。水泥熟料入磨前的預(yù)粉碎對于大幅度提高水泥磨機(jī)產(chǎn)量，降低粉磨電耗具有積極意義。熟料經(jīng)預(yù)粉碎后，入磨物料粒度顯著減小，所以，磨機(jī)內(nèi)的各倉長度、襯板結(jié)構(gòu)和形式以及研磨體的尺寸及其級配均應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。采用具有分級作用的隔倉板更有利于控制出磨水泥的整體細(xì)度和提高細(xì)顆粒的含量。摻加多功能復(fù)合型助磨劑對于提高水泥細(xì)度及其早期性能都是十分有效的。

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