水泥粉磨系统技术措施的优化

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　　 在水泥生产“二磨一烧”的三大环节中，“磨”既是熟料烧成的必要前提，又是决定水泥成品质量的关键；同时，“二磨”电耗约占水泥生产过程总电耗的７０％，其中，水泥粉磨电耗约占水泥生产总电耗的４０％。在“二磨”中，水泥粉磨由于物料易磨性比生料差得多，且水泥细度要求较高，故其粉磨比电耗高，约为生料粉磨比电耗的１．５倍。随着ＩＳＯ９０００水泥新标准全面实施，水泥细度的要求将更加严格；同时为了有效保证水泥的早期强度，还须改变水泥的粒度组成，提高发挥早期强度的细颗粒含量。目前我国水泥厂大多使用球磨机作为水泥粉磨设备，众所周知，球磨机的有效能量利用率仅为２％左右，因此提高能量利用率的潜力很大。我国的水泥年产量已达５亿ｔ，若按水泥粉磨电耗降低１０％(平均约为3kwh/t)?计，则每年可节电１．５×１０９ｋＷｈ；每度电价以０．５元计，则每年粉磨成本可降低近８亿元。另一方面，近年来，通过对烧成工艺的改进及一系列技术改造，各种窑型的熟料生产能力都有不同程度的提高，尤其是许多立窑通过窑径的扩大以及采用矿化剂和晶种等技术措施，生产能力的提高幅度更为显著，使原来与之配套的粉磨设备普遍存在能力不足的问题。为此采取有效措施，努力提高水泥粉磨系统的生产能力，同时降低粉磨能耗等课题得到了广大工程技术人员和研究人员的密切关注，许多积极有益的研究探索和技术革新屡见报道，并取得了可喜的实际效果。水泥粉磨效率的提高，涉及粉磨工艺、设备及操作参数等诸多因素，欲有效提高整个系统的生产能力，需综合分析各种因素，进行全面的优化。本文拟结合近年来的技术成果和进展就影响粉磨系统能力的若干因素进行较全面的综合分析。  
１　水泥粉磨系统高产节能技术措施  
１．１　粉磨工艺  
- S& }; Q) ~. o/ W/ s１．１．１闭路粉磨工艺
' o0 z; k" z& v( `　　就粉磨工艺流程而言，目前主要有开路和闭路两种。  
: a9 K+ |- p* A* Z' A　　前者优点是工艺操作简单，物料出磨后即为成品。缺点是物料在磨内流速慢，滞留时间长，为保证出磨物料的粒度全部符合要求，其中已磨细的物料也不能及时排出磨机，经常造成过粉磨现象。开路磨系统生产能力相对较低，能耗较高，不可能随时灵活地调整出磨物料的细度。
9 {1 S  b4 R/ V$ X- p0 }! Y　　后者加设了选粉设备，可及时地将已磨细的细粉排出磨外，有效地避免了过粉磨现象，并可通过调节选粉机的工作参数灵活调节成品水泥的细度。此外，闭路磨内物料流速加快，各仓的研磨体分别恰当地承担着粉碎或粉磨任务，故产量提高，电耗降低，尤其是对水泥细度要求较高时，高产低耗的优点更加明显。这方面的生产实例很多，如某厂的φ３ｍ×１１ｍ水泥磨由开路改为带ＳＥＰＡＸ—３．５型选粉机的闭路系统后，产量由原来的２０ｔ／ｈ提高至２７ｔ／ｈ，粉磨电耗则由５２．８ｋＷｈ／ｔ降低至42.3ｋＷｈ／ｔ[１]，产量提高３５％，电耗降低１９．９％。
2 u! }3 D4 X/ x- H5 B% A' \& Y　　可以说，采用闭路粉磨是水泥粉磨工艺的必然趋势。

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１．１．２　预粉碎（磨）多级串联粉磨工艺  
# S( s" O9 h9 p# B　　众所周知，球磨机作为粉磨设备是比较理想的，但作为粉碎或破碎设备，它却是低效率的。将粒度较大的十几毫米甚至数十毫米的物料破碎过程从磨内移至磨外，在专门的粉碎设备中进行，是提高球磨机生产能力的有效途径。“多碎少磨”，即努力减小入磨物料粒度是多年来水泥粉磨作业实践向人们昭示的宝贵经验，因而预粉碎（磨）工艺的应运而生就是十分自然的了。根据粉碎理论，脆性物料从数十毫米破碎至数毫米，其碎裂的本质是内部裂纹的不断产生和扩展，而促使这一过程的外界因素即是以一定的方式对其施加的强大作用力——粉碎力。通常采用压缩粉碎和冲击粉碎方式，相应的系统有辊压磨＋球磨机和冲击粉碎机＋球磨机两种预粉碎（磨）工艺。  
　 （１）辊压磨＋球磨机粉磨工艺。该工艺也包括各种立磨与球磨机串级粉磨的工艺配置，这里仅以辊压磨＋球磨机的串级粉磨系统进行分析。被粉碎的水泥熟料先进入辊压磨，强大的辊压力将其从数十毫米压碎至几毫米甚至更细后入球磨机。由于熟料颗粒经辊压粉碎的同时，内部也产生许多微裂纹，因而在球磨机内较容易进一步被粉碎而很快进入粉磨阶段。在这种粉磨系统中，球磨机的主要任务只是粉磨，所以，粗磨仓可选用较小尺寸的研磨体，研磨体表面积的增大显然有利于粉磨效率的提高，进而大幅度提高粉磨系统的生产能力。据报道[２]，采用辊压磨＋球磨机串级粉磨工艺后，水泥磨系统的产量可提高４０％，粉磨电耗可降低１０％。
: j: F2 o3 F. o: t$ b  [: J$ X　 （２）冲击式破碎机＋球磨机粉磨工艺。细粉碎设备的研制是目前熟料预粉碎方面的热点之一。从２０世纪８０年代的细颚式熟料破碎机到近年来的各种冲击式细碎机，有力地推动了水泥粉磨工艺的改革和创新。这些熟料细破碎设备大致有如下几种：细颚式破碎机（ＰＥＸ型）、立式反击式破碎机（ＰＣＦ型）、立式锤式破碎机（ＰＣＬ型）、立轴锤式细碎机（ＸＣＬ型）、高效节能破碎机（ＰＧＸＪ型）、立式冲击破碎机和涡动冲击破碎机等。它们的平均出料粒度均可达３ｍｍ～５ｍｍ，其中立式冲击破碎机的出料中粒径＜２．５ｍｍ者可达８０％～９０％。  
2 B: L# I$ Q8 p- H　　应该指出的是，无论是辊压磨还是上述各种细破碎机，技术上的突出问题是辊面或粉碎工作部件的材质，只有工作部件具有高硬度和高耐磨性，才能保证它们长期有效地工作；否则，较短的使用寿命和更换周期势必影响系统的运转率和生产能力，同时也会增大材料消耗，不利于经济效益的提高。  
9 p, D& P7 h; ]　　１．２　球磨机的结构改进
' m  G0 ?2 K  o* T4 l! s; G, w　　球磨机本身的结构也是影响其粉磨能力的重要方面。它包括磨内各仓长度的设置、衬板的形式、隔仓板的类型、通孔率及布置方式等。
2 h9 x9 V- D, _- n3 {3 Z　　（１）磨机内各仓的长度。目前，各种规格的球磨机粗磨仓的长度多是根据入料最大粒度为２５ｍｍ进行设计的，因而粗磨仓长度普遍相对较长。随着预粉碎工艺的引入，入磨物料粒度显著减小，磨内粗磨的压力大大减缓，因此，如果仍保持原来的仓长度，则会造成粗磨仓能力过剩、细磨仓能力吃紧的不平衡现象。为了使各仓能力相匹配，许多厂家采取了适当缩短粗磨仓长度、增大细磨仓长度的做法，取得了较好的效果。如φ２．２ｍ×６．５ｍ磨机的一仓设计长度为２．７５ｍ，有些厂家将其缩短至2.45ｍ，甚至210ｍ，再配合研磨体的相应调整，获得了满意的生产效果。  
　 （２）隔仓板的改进。近年来，高细磨的发展促进了隔仓板的改进，使其除具有阻隔大块料、防止研磨体串仓、保证通风、强制送料等传统功能外，还具有了新的分级功能。如带分级筛的双层隔仓板，除具有强制送料作用外，还能将粒度较大的粗颗粒返送回粗磨仓继续粉磨。在φ２．４ｍ×１３ｍ磨内装设该隔仓板后，磨机产量提高了２８．１％，粉磨电耗降低了１５．３％，研磨体消耗降低了２６．８％[４]。由于此分级作用，进入细磨仓的物料粒度稳定性大大提高，可在相当程度上避免出磨粗颗粒的存在，同时对于稳定系统的循环负荷率进而稳定整个系统的工作状态都具有积极的意义。据报道[２]，将隔仓板由垂直于磨机轴线改为倾斜４５°～６０°安装，既消除了磨内约４％的“死料层”，强化了研磨体的冲击和摩擦能力，又增大了通风面积，改装后φ１．８３ｍ×７ｍ水泥磨的产量由原来的５．５ｔ／ｈ提高至７．５ｔ／ｈ，增产幅度达３６％以上。  
; D, m; b" i1 o?（３）新型衬板的使用。磨机衬板形式多种多样，作用及效果也不尽相同，其中，阶梯衬板是水泥磨粗磨仓使用最广泛的衬板形式，其阿基米德螺线状弯曲表面保证了磨机运转过程中能均衡地将研磨体提升至一定高度，从而增大其冲击粉碎物料的作用，但这种衬板仍然不能克服钢球与之点接触的缺点。圆角方形衬板?角螺旋衬板?、沟槽衬板等新型衬板的出现，使衬板与研磨体的配合趋于合理。河南偃师县水泥厂、辉县水泥厂、安徽巢湖水泥厂等首先使用了环形沟槽活化衬板，磨机产量均提高１５％左右，粉磨电耗降低１５％～１９％[５]。这是因为钢球与衬板的１２０°弧线接触，增大了研磨面积，球与衬板之间有一层不易脱离的物料，充分利用了它们相互之间的滑动摩擦，粉磨效率随之提高。角螺旋衬板则是通过改变磨内研磨体运动规律，使研磨体的脱离角具有多变性，以增强研磨体与物料的交叉穿透和混合充分接触粉磨，以及钢球自动分级来提高粉磨效率。在环形沟槽活化衬板的基础上，又研究开发了新型节能衬板——环沟一双曲面衬板[２，６]，该衬板使研磨体的提升更为合理，研磨体与物料的接触摩擦机会更多，产量可进一步提高１０％～１８％，电耗降低１０％～２０％。

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　　１．３　研磨体的装载量及其级配  
6 [& K" A3 c5 d; A- A, F　 ?（１）研磨体的装裁量。球磨机中研磨体的装载量通常是根据填充系数或填充率来确定的，一般球磨机的填充系数多为０．２８～０．３２。许多研究和实践证明，研磨体的填充系数可以适当增大，即可适当增加研磨体的装载量，细磨仓尤其如此。首先，增大研磨体填充量在不改变级配的前提下可增加粉碎或粉磨的几率；其次，填充率增大后，研磨体的重心向磨机的轴线靠近，总作用力矩并无明显增大，故不会对功率传动造成影响。实际上，磨机配套电机的功率储备完全允许在一定范围内增加装载量。实践证明[２]，φ２．２ｍ×６．５ｍ和φ１．８３ｍ×７ｍ的磨机，研磨体分别由３１ｔ和２１ｔ增加至３４ｔ和２４ｔ后，磨机产量均可提高２０％左右。  
　 ?（２）研磨体的级配优化。磨机内研磨体的级配最佳化一直是水泥粉磨技术中的探讨热点之一。近年来，关于钢球级配的实践报道很多，也有不少规律性的经验总结，如平均球径法，斯坦纳曲线法等[７]。级配确定要解决的几个重要参数是：最大球径、平均球径以及钢球（或段）级数以及各级所占比例。事实上，影响研磨体级配的因素很多，见诸报道的许多方法也仅仅是在特定物料及工艺条件下的较佳选择。下面就研磨体级配确定中应考虑的问题谈一些看法。  
　　 ①最大球径和平均球径的计算应考虑物料的易磨性或易碎性。不同窑型煅烧的物料其易碎性是有差异的，即使是同种窑型煅烧的熟料，由于工艺配方及烧成条件不同，其易磨性也往往不相同。另外，混合材为矿渣时，因其粒度相对较小，又难磨，所以，配球中则需适当增加小尺寸研磨体的比例。  
0 ~, ^* h& b6 V& ]; O$ c* @　　 ②预破碎粉磨工艺中对粗磨仓中研磨体平均球径及其级数的调整应视预粉碎设备情况而定。具体地讲，经辊压和挤压破碎的熟料除颗粒粒度较小外，其内部还有大量的裂纹缺陷，因而入磨后较易粉碎；而经冲击破碎后的熟料颗粒较均匀，同时破碎主要是由内部裂纹扩展所致，颗粒内部缺陷相对较少，故入磨后相对难粉碎些。因此，配球时，对这两种预粉碎系统应区别对待。
　 　③出磨水泥的细度和性能。成品水泥细度是其直接的质量指标之一。对于开路系统，这一指标显然取决于磨内研磨体的级配；对闭路系统，如果出磨水泥细度太粗，则势必会导致循环负荷率过大，增大选粉机的压力。另一方面，选粉机的临界分离粒径是以０．０８ｍｍ?即８０μｍ?界定的，它不可能改变小于此粒径的各粒度级别的含量，而对于有些水泥，或要求提高早期强度，或希望提高２８天强度，因此对水泥的粒度分布则有相应的要求，如果是前者，则希望细颗粒?＜１０μｍ?的含量大一些，欲实现这一点，必须增大磨内小尺寸研磨体的比例。  
0 c  t: E& W3 M3 _* Y. b　　１．４　衬板和研磨体的材质 　
　　稳定的粉磨工艺条件在很大程度上取决于衬板和研磨体的材质，如果衬板材料的硬度、耐磨性及抗冲击性能差，则其内表面会很快改变原来的几何形状；同理，研磨体的级配在磨机运转过程中是动态的、不断变化的，若研磨体的耐磨性和机械强度达不到要求，经一段时间的粉磨作业后，原来的最佳级配显然难以保证。尽管人们总结了很多补球的办法，但毕竟不同尺寸的研磨体在粉磨过程中的磨损规律是不同的，所以补球充其量只能保持装载量的相对平衡，并不能保持级配的始终如一。因此，改善衬板和研磨体的材质是研磨体级配和磨机工作条件长期稳定并提高其运转率和生产效率的根本保证。  
& e  F! |5 v7 d( l; d4 f/ b, f　　对于衬板而言，长期工作必要的材质条件是：具有整体均匀的硬度和组织结构，和高抗冲击疲劳强度、低磨损率、不变形、不断裂，显然普通钢衬板难以具备这些特点。高铬白口铁衬板硬度高，耐磨，但应力集中敏感性强；贝氏体球铁衬板具有较高的抗弯曲疲劳强度和优良的耐磨性，与高锰钢衬板相比，寿命可提高１倍以上；多元低合金钢衬板的使用寿命为高锰钢衬板的４倍以上。  
　　研磨介质消耗是水泥粉磨过程中的主要材料消耗，它包括研磨体之间及其与物料之间相互摩擦造成的磨耗和自身碎裂导致的损耗。研磨体损耗过大，不仅影响磨机的粉磨能力，且频繁的停机补球导致运转率低及工作状态的不稳定，还直接造成粉磨成本提高。粉磨１ｔ水泥普通钢球的研磨体损耗大致为１０００ｇ，补球周期多为半月左右，而耐磨球如轴承钢球、高铬球、低合金钢球的损耗可降至３０ｇ／ｔ～４０ｇ／ｔ，平均磨耗为６０ｇ／ｔ左右，损耗仅为前者的１／１５～１／２０，补球周期可达半年以上。如冀东水泥厂水泥磨补球周期长达１年。以φ２．２ｍ×６．５ｍ球磨机为例，其设计产量为１４ｔ／ｈ，普通钢球的损耗量为１４ｋｇ／ｈ，耐磨球为８４０ｇ／ｈ。若二者的价格分别为３０００元／ｔ和６０００元／ｔ，则折合人民币分别为４２元／ｈ和５元／ｈ。按每年７０００ｈ计，仅此一项，后者可比前者节省２６万元左右；若考虑运转率和粉磨效率的提高等因素，其经济效益是不言而喻的。不难看出，耐磨球的价格虽然昂贵些，但其优异的性能既可大大减轻清仓补球的工作强度，又能大大稳定磨机工作状态，提高磨机粉磨能力，同时也显著降低粉磨成本，可带来可观的经济效益。  
- C/ u# e9 E  z5 Z( k6 ]3 d　　值得提出的是，物料细粉磨时，研磨体密度的影响大大减弱，重要的是其硬度和表面积，在试验磨机中分别用φ１０ｍｍ和φ５ｍｍ的同尺寸钢球和瓷球进行的矿渣细粉磨试验结果表明[９]，在同一粉磨条件下，二者粉磨后物料的粒度分布（尤其是１０μｍ～３０μｍ级别和＜１０μｍ级别）基本一致，这对于减少传动功率，降低粉磨电耗具有积极的意义。  
6 |# d+ [3 L& x7 s9 R) U１．５　助磨剂  
7 Z$ W  }' j% P. N1 C2 b; g6 ~　　水泥助磨剂多为表面活性剂，其活性基团定向吸附于水泥颗粒表面所产生的降低水泥颗粒比表面能和强烈的分散作用是提高粉磨效率的本质所在。根据粉碎平衡理论，在一定操作参数的前提下，当粉磨过程达到一定程度时，即会出现颗粒的粉碎与微细颗粒团聚速度相等的“平衡状态”，处于此状态下的磨内物料中的微细颗粒的自身团聚及其在研磨体和衬板上的粘附在所难免。这无疑会大大削弱研磨体的作用效果，导致粉磨效率的显著降低。加入助磨剂后，可以基本消除上述现象，从而将被微细颗粒包覆的研磨体的粉磨能力“解放”出来。同时，微细颗粒的解聚以及解吸附改变了原来的粉磨状态，即破坏了原有的粉碎平衡，可在新的粉磨状态下达到使水泥颗粒更细的新的粉碎平衡。实践证明，掺加助磨剂可在有效提高磨机产量的同时较大幅度地增加水泥的比表面积，这意味着水泥中细颗粒的含量增大，有利于提高水泥的早期强度。
$ Y; k: f: h8 M0 L5 m　　目前，水泥助磨剂的研究开发正向多功能复合型发展，即在粉磨过程中加入的助磨剂不仅可以有效提高水泥磨机的粉磨效率，并具有减少水泥或混凝土浆体的需水量，改善其流动性，从而提高硬化浆体的力学性能的作用。  
6 ^4 w6 F% R, V２　结束语
* I5 d% B+ ]7 r, U! F2 a　　为了适应ＩＳＯ９００００水泥新标准的要求，水泥粉磨系统的改进和操作参数的优化十分必要和迫切。闭路粉磨由于其节能及水泥细度控制的灵活性已成为必然趋势。水泥熟料入磨前的预粉碎对于大幅度提高水泥磨机产量，降低粉磨电耗具有积极意义。熟料经预粉碎后，入磨物料粒度显著减小，所以，磨机内的各仓长度、衬板结构和形式以及研磨体的尺寸及其级配均应作相应的调整和优化。采用具有分级作用的隔仓板更有利于控制出磨水泥的整体细度和提高细颗粒的含量。掺加多功能复合型助磨剂对于提高水泥细度及其早期性能都是十分有效的。

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