辊压机联合粉磨系统管磨机衬板磨损分析.doc

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辊压机联合粉磨系统管磨机衬板磨损分析
邹伟斌   中国建材工业经济研究会水泥专业委员会（100831）
胡婷婷   北京首铁科技工程公司北京京铁路达市政工程处（100082）

摘要:本文以某粉磨站实际生产数据为依据，分析探讨了辊压机水泥联合粉磨开路磨及普通开路与闭路粉磨系统中管磨机一仓至三仓衬板的磨损机制，提出了衬板抗磨技术措施及抗磨材质的选择。
关键词联合粉磨  开路  闭路  衬板磨损  材质选择

导言
据笔者调查了解，在水泥制备过程中，除串联粉磨及物料分别粉磨（单独计量、均匀混合配制）工艺外，国内现有在运行的水泥粉磨（物料共同粉磨）工艺系统，因磨前预处理方式及设备不同，有近30种之多。辊压机联合粉磨工艺系统既充分发挥了高效料床预粉磨的技术优势（由辊压机与动态或静态分级设备组成磨前闭路，对入磨物料挤压处理后进行分级），又凸现出管磨机独具的对水泥物料细磨整形与均化功能，是目前水泥行业广泛应用的高效粉磨工艺。联合粉磨又分为不带成品选粉机的开路磨（双仓或三仓）工艺系统（或称单闭路系统）与配置磨尾成品选粉机的闭路磨（双仓或三仓）工艺系统或称双闭路系统），两种粉磨工艺系统各有其特点。
由于联合粉磨工艺系统与未设置磨前物料预处理的普通粉磨工艺有本质的不同，经挤压分级后的入磨物料粒度进一步缩小，易磨性显著改善，系统产量大幅提高，粉磨电耗降低。后续管磨机所用研磨体尺寸相应减小，衬板工作表面所受到的研磨体冲击动能下降，磨内的各种抗磨件使用寿命明显提高，研磨体及衬板磨耗降低。
现对某水泥粉磨站辊压机联合粉磨工艺开路磨系统中管磨机一仓至三仓衬板磨损机制、磨损状况及其选材进行分析与探讨:
1. 辊压机联合粉磨开路磨系统主机配置基本概况
某水泥粉磨站配置120-50辊压机（物料通过量120-170t/h、主电机功率250KWx2）550/110打散分级机（处理能力≥150t/h、电机功率45kw+30kw）+Ф3.2x13m三仓开路高细管磨机（设计能力60t/h、主电机功率1600kw、设计装载量125t、主减速机型号JDX1000、速比i=7.1、磨机工作转速18.1r/min）组成联合粉磨单闭路工艺系统。
Ф3.2x13m磨内设置两道筛分隔仓板，由于大量掺用附近火力发电厂的干排粉煤灰作混合材，隔仓板缝宽度为8mm，内筛板缝宽度2mm;出磨篦板缝宽度6mm,内筛板缝宽度4mm;隔仓板与出磨篦板缝均为同心圆状，全磨实际装载量136t,磨内研磨体材质均为中铬合金。
磨机平均有效内径Di为3.08m，一仓有效长度3.0m(仓长比例24.50%)、二仓有效长度2.50m(仓长比例20.40%)、三仓有效长度6.75m(仓长比例55.10%)，总有效长度12.25m。一仓研磨体用球，二仓、三仓研磨体用微锻。
磨机一仓采用单孔小块的曲面阶梯衬板，衬板尺寸为308mmx244mm，带球端（厚端）厚度110mm，非带球端（薄端）厚度35mm，厚、薄端阶差为75mm，新衬板单块重量36.3kg/块，整仓衬板总重量13.94t。磨机二仓、三仓均安装使用厚度55mm的单孔小波纹衬板，三仓内设有4圈(道)活化环（活化环高度840mm、每圈32块）。磨机衬板、隔仓板、出磨篦板、活化环材质均为ZGMn13Cr2合金钢，衬板化学成份及机械性能见表1:
表1      衬板化学成份（%）及机械性能  　　　　　　　　　　　
C
  Si
 Mn　
P
   S
  Cr　
  Mo 　
 HB
αk（J/cm２）
1.12
0.65
12.9
<0.06
<0.03
2.04
0.60
275　
135
由表1中化学成份及机械性能来看，衬板材质属于典型的合金奥氏体高锰钢，其初始硬度不高，但冲击韧性优良，系奥氏体高锰钢的特征。在磨机运行过程中，衬板得到加工硬化，随着钢球的抛落、冲击、摩擦，衬板金相组织中合金奥氏体会产生Ar→M马氏体转变，工作表面硬度提高。金相组织中的硬质相合金碳化物呈弥散化分布，与奥氏体组织共同兼顾硬度与韧性。尽管联合粉磨工艺系统的管磨机一仓球径较小，但其小能量多冲击的运动轨迹，亦相当于高锰钢衬板的喷丸硬化，使衬板工作表面产生良好的硬化层（洛氏硬度HRC≥50）以抵抗磨料磨损，但心部仍保持较高的冲击韧性，使用过程中未见破损，磨损程度均匀。
经过辊压机挤压后的物料入打散分级机分级，粗颗粒物料返回称重仓再次挤压，分级后的细料入磨机粉磨，通过调整辊压机工作压力及打散分级机筛板缝尺寸与内锥筒高度。辊压机工作压力由6.0MPa-6.5MPa提高至7.0MPa-7.5MPa，增加被挤压物料中的细粉含量，打散分级机内筛板缝由8mm改为5mm，使入磨物料80μm筛余保持55%左右。P.C32.5级水泥台时产量77t/h，出磨细度80μm筛余<2.5%，P.042.5级水泥台时产量67t/h，细度指标控制80μm<1.5%。磨机一仓研磨体级配见表2:
表2      磨机一仓研磨体级配        
磨球直径（mm）
Φ70
Φ60
Φ50
 Φ40  
  Φ30
 Φ20
 ∑
  DCP
   Φ
(t)
1.7 
5.1
6.8
  8.5
  6.8  
 5.1
34t
41.5mm
33.39%
这台管磨机自粉磨站建成投产，已累计运行33个月时间，共计生产P.C32.5与P.042.5级水泥156万吨，磨机各仓衬板均未更换。之后，磨机产量急剧下降，P.C32.5级水泥台时产量降至65t/h，并且磨尾细度跑粗;在相关工程技术人员指导下，停磨分别打开磨机各仓用不锈钢尺插入衬板缝中测量其厚度，磨机二仓、三仓衬板工作表面虽已磨损，但仍保持一定小波纹形状，尚可继续使用一年左右时间，故未决定更换。而一仓阶梯衬板带球端磨损严重，对研磨体的提升能力大打折扣，导致最外层钢球切向滑动、做功差，一仓粗磨能力降低，一定比例的粗颗粒被挤入第二仓（过渡仓），因第二仓采用直径Ф18mmх18mm、Ф16mmх16mm、Ф14mmх14mm微锻，对粗颗粒状物料消化不良;第三仓采用直径Ф14mmх14mm、Ф12mmх12mm、Ф10mmх10mm微锻，锻规格比过渡仓的更小，一旦过渡仓推至第三仓的物料颗粒较粗，在第三仓内就更难磨细了;所以，在联合粉磨工艺系统中，尽管入磨物料粒度比普通粉磨工艺要小得多，但磨机第一仓粗研磨能力决定了系统产量，阶梯衬板对研磨体的提升、牵制与激发功能是绝对不能忽视的。一仓阶梯衬板衬板磨损前后尺寸对比见表3:

表3     阶梯衬板磨损前后尺寸对比    

项          目
 带球端（mm）
非带球端(mm)
带球端磨损值（mm）
原始重量（t）
剩余重量（t）

装机原始尺寸
  110
   35  
       /
13.94
/
使用33个月后的测量数据

45  
  30   
   65    
    /  
 9.91
由表3数据可知，一仓所用曲面阶梯衬板，带球端厚度已由110mm减薄至45mm，磨损值65mm，仅可起到对磨机筒体的保护作用，而对钢球的提升、抛落能力大大削弱;非带球端尺寸一般不影响研磨体的提升能力，磨机运转过程中，与带球端之间高差易形成粉磨“死角”受到庇护，故衬板非带球端磨损值均不大。一般来讲，当阶梯衬板带球端厚度磨损至设计厚度的1/3-1/2时，衬板仅能保护筒体，该仓甚至整台磨机粉磨效率则显著下降。
阶梯衬板带球端厚度尺寸对磨机系统产、质量非常敏感，（关于阶梯衬板尺寸对管磨机产、质量的影响，笔者曾于1995年在《广东建材》第4期等杂志上撰文公开探讨过，在此不赘述）。
Ф3.2m磨机一仓阶梯衬板带球端厚度由110mm减薄至80mm时，对系统产量影响不大，可基本维持原产量。当过度磨损减薄至70mm以下时，磨机一仓粉磨效率显著下降，粉磨动态平衡被打破，最终结果是台时产量降低、电耗上升、水泥细度不易控制，如图省事或为了降低衬板购置成本不予以更换，得不偿失。下面两个普通开路、闭路粉磨流程案例，一仓阶梯衬板磨损对系统产量及粉磨电耗的影响规律也能够说明问题:
某单位Ф4.0x13m普通双仓闭路管磨机（磨机主电机功率2500kw、研磨体实际装载量180t、筒体工作转速16.3r/min、一仓有效长度4.5m、仓长比例36.44%;二仓有效长度7.85m、仓长比例63.56%），配用O-SePa N-2000高效选粉机（最大处理能力360t/h、水泥成品产量120t/h、电机功率110KW）。一仓采用曲面阶梯衬板，Ф90mm-Ф60mm钢球四级级配，平均球径78.85mm;二仓使用锥面分级衬板，Ф60mm-Ф25mm球五级级配，平均球径29.71mm;中间安装双层隔仓板（同心圆状篦缝宽度8mm）、出磨同心圆状篦板缝宽度10mm;原装机时一仓阶梯衬板带球端厚度为120mm，生产P.042.5级水泥（比表面积370m2/kg）台时产量达86t/h,当衬板带球端厚度磨损至85mm时（减薄了35mm，减薄比例29.17%），磨机台时产量降至75t/h，降幅12.79%;粉磨电耗由38kwh/t上升至41.2kwh/t，电耗增幅8.42%。
笔者还曾遇到某单位Ф2.6x13m普通三仓开路水泥管磨机（磨机主电机功率1000kw、研磨体装载量80t、筒体工作转速19.6r/min、一仓有效长度3.25m、一仓长度比例26.53%、安装使用的曲面阶梯衬板带球端设计厚度为90mm），但在更换安装阶梯衬板运行后不久发现磨机台时产量一直偏低，P.C32.5级水泥只达到25t/h,粉磨电耗42kwh/t。后经笔者测量得知所用的是Ф2.2m磨机的阶梯衬板（带球端设计厚度为80mm），及时更换衬板恢复带球端厚度尺寸(90mm),磨制P.C32.5级水泥台时产量达到33t/h,产量上升8t/h,粉磨电耗降至33kwh/t,增产32%、电耗降低21.43%。
由此可见，因某些细微工艺技术参数的变化将造成整个粉磨系统处于不良运行状态。从以上两个实际生产案例分析可知:在系统工艺条件不变的前提下，由于磨机一仓阶梯衬板带球端厚度磨损较大，对研磨体的有效提升、抛落能力减弱，或者使用了其他小规格磨机阶梯衬板后阶差厚度减小，研磨体做功能力变差，导致系统产量降低、粉磨电耗增加，这应引起粉磨工艺技术人员的足够重视。
联合粉磨工艺系统Ф3.2x13m开路水泥管磨机一仓阶梯衬板磨耗数据见表4:
表4      阶梯衬板磨耗数据测定结果                               
水泥产量
衬板原始重量
  剩余重量
 磨损消耗重量
吨水泥衬板磨耗
衬板破损率
（t）  
（t）
  （t）    
（t）
   （g/t-c）
（%）
1560000
13.94  
   9.91
 4.03
     2.58
   0
   根据一仓阶梯衬板磨耗数据测定结果分析，磨损消耗量约占原始重量的30%左右，工作表面已不能带球的情况，决定全部拆除并安装新阶梯衬板（小块单孔，材质为中碳铬钼合金钢），安装完毕开机运行72h后，衬板表面铸造毛刺已磨掉、表面光洁度良好。此时，在细度控制指标不变的情况下，生产P.C32.5级水泥台时产量逐步上升至78t/h，粉磨电耗降至31.5 kwh/t。
2. 衬板磨损机制分析与探讨
2.1粉磨工艺与研磨体直径及衬板磨损
相对普通粉磨工艺而言，辊压机联合粉磨工艺系统中，物料挤压经动态分级设备（打散分级机）或静态分级设备（V形选粉机）分级后的入磨物料较细，因分级设备的分级机理不同、分级后的入磨物料粒度不同、后续管磨机所用研磨体级配时的平均尺寸取值也不同。以打散分级机分级的物料切割粒径2mm为例，其中仍有一定比例>2mm颗粒磨机一仓功能由磨前预粉磨及分级设备部分取代，综合考虑物料易磨性等因素，一仓尚需要一定的小能量冲击破碎功能，一般最大球径可用Ф70mm，采用4级配球，平均球径一般在42mm-48mm选取。有的企业因混合材易磨性较好，最大球径可用到Ф60mm,一仓平均球径可取36mm-42mm，以强化对物料的粗碎、粗研磨能力，研磨体级配数可以采用4-6级。
当辊压机后配置V形选粉机，以风力分级挤压后的物料，分级后的入磨物料切割粒径一般在0.5mm，确切的讲入磨物料粒度比打散分级机分选的更细，均在1.0mm以下且均齐性较好。此时，管磨机原来一仓的破碎功能由现在磨前预粉磨设备完全取代，相当于增加了磨机有效长度，多出一个研磨仓，一仓所用最大球径Ф40mm已满足要求，视磨机开、闭路粉磨流程不同，平均球径可在22mm-29mm之间选取，级配数可采用4-5级。研磨体直径小，单个重量小，其冲击能量亦小，仅突出其良好的粗研磨功能。磨球脱离衬板被抛落时具备一定的冲击能量，不同规格的磨机、采用不同直径的钢球所产生的冲击能量也不同，管磨机直径越大、单个球径越大、重量越重、由此产生的冲击能量也越大。普通粉磨流程中，不同规格钢球在不同直径管磨机内所产生的冲击动能，可说明一些问题。
不同规格钢球的冲击动能见表5:
表5    钢球作用时的冲击动能（N.m）〔1〕                      
磨机直径

（m）
钢球直径
（mm）
Ф2.4
Ф3.0
Ф3.2
Ф3.6
Ф4.0
Ф4.5
Ф5.0
Ф110
112.0
141.3
151.0
170.5
190.0
214.3
238.7
Ф100
84.2
106.1
113.5
128.1
142.7
161.0
179.3
Ф90  
61.4
77.4
82.7
93.4
104.1
117.4
130.7
Ф80
43.1
54.3
58.1
65.6
73.1
82.5
91.8

表5数据说明:同一直径钢球随着装入磨机直径的增大球的冲击能量增大;同一直径的磨机，随着装入球径规格的缩小，球的冲击动能也降低。从而可以证实:普通粉磨流程因物料未经磨前预处理，需要磨机一仓完成对被磨物料的冲击破碎，平均球径取值较大，“大球砸硬料”，裸露衬板工作表面所受到的冲击功大、衬板的磨损值大、使用寿命相对较短。一仓衬板磨损机制主要是以磨料磨损形式为主衬板工作表面受到钢球冲击和切向滑动加剧疲劳磨损而造成剥落、撕裂或形成犁沟（环形沟槽），并出现不规则凿削坑，衬板表面积越大，所受冲击功越强，越易加剧冲蚀磨损;然而，没有磨前预处理的水泥普通粉磨流程，磨机一仓球径与冶金行业磨矿机相比要小些，衬板磨损存在小能量多冲击的磨料磨损机制。
联合粉磨工艺系统物料经磨前挤压预粉磨分级，辊压机与分级设备部分或全部承担了后续管磨机一仓的功能，入磨粒度小，磨机一仓与之对应的研磨体规格也小，一仓粉磨功能由粗破碎转变为以粗研磨为主，但同时也要求衬板对钢球提升抛落能力不能降低。所以，联合粉磨工艺系统彻底改变了普通粉磨流程中依靠大直径磨球冲击破碎物料这一不合理状况。鉴于入磨粒度缩小以及易磨性改善等因素，联合粉磨工艺系统中由于入磨物料粒度与粉磨特性的改变，研磨体平均尺寸减小，相应的冲击能量降低，管磨机各仓衬板及磨内其他抗磨件与研磨体的磨损值都低于普通粉磨流程，使用寿命得以有效延长，可使磨机长期保持较高而稳定的粉磨效率、系统电耗低。
联合粉磨工艺系统中管磨机一仓衬板磨损机制有别于普通粉磨流程，以小能量高频率冲击形式的接触疲劳磨损为主，最外层研磨体被提升、抛落过程中滚动与滑动，伴有一定程度上的低应力划伤磨料磨损、凿削式磨料磨损。当入磨物料综合水份较大（>1.5%）时，还存在腐蚀磨损。
管磨机的粉磨效率与研磨体总表面积的0.5-0.7次方成正比关系，规格小的研磨体单位重量个数多，总表面积大,粉磨效率越高。但二仓、三仓所用研磨体尺寸一般均在Ф20mm以下，甚至更小，单位重量研磨体个数多，衬板的磨损机制以低应力划伤式磨料磨损为主。磨机运转过程中，磨内温度较高（尤其夏季大气温度也高），衬板工作表面伴有在较高粉磨温度下的疲劳剥落。
2.2各仓衬板材质选择
联合粉磨工艺系统管磨机多数在Ф3.0m以上，磨内各仓均使用长度250mm的单孔小块衬板（实际铸造的有效长度244mm），磨机一仓多使用曲面阶梯衬板。由于入磨物料粒度与球径小、球对衬板的冲击动能小、衬板越小受力面积越小。相对于大块（双孔）衬板而言，小块衬板整体强度要高得多，故磨耗量相对较小，可选用较高硬度的耐磨材料。如:高合金高锰钢（加入V、Ti、Cr、Mo、W、B等合金元素，形成合金碳化物硬质相）、中碳多元合金钢、高铬铸钢、高铬合金铸铁等抗磨材质。与之配副的磨球可选用高硬度高铬合金材质，以达到最佳匹配，延长衬板使用寿命。曲面阶梯衬板背部凹槽可沿外弧度方向铸造一条宽30mm的加强筋，提高衬板整体刚度;衬板工作表面及带球端可采取抗磨损设计。
磨机二仓、三仓衬板应选用高硬度（HRC≥58或HRC≥60）抗磨材料抵抗低应力划伤式磨料磨损。如:高铬钨（钼）合金铸铁、淬火轴承钢、高铬钒钛铸铁、硼系白口铸铁、含硼贝氏体球墨铸铁等高硬度抗磨材料。这两仓衬板工作表面形状多为小波纹或大波纹，在设计、铸造时可将中部波峰适当增加10mm-15mm，有效抵抗磨料磨损，提高使用寿命。
2.3衬板安装
一般来讲，高硬度衬板材料冲击韧性稍低，衬板安装过程的操作对其以后的使用寿命至关重要。机械性能优良的高硬度衬板，在安装时一定要注意与磨机筒体的找平并呈紧密接触，若有突出的铸造毛刺，应采用砂轮打磨平整，衬板背部凹槽充填水泥砂浆压实，不能直接在磨机筒体上靠装。螺栓紧固时，不应扭力过大，以防拉断螺栓。生产过程中，不得断料打空磨，使衬板工作表面裸露，导致衬板破损，降低使用寿命。
2.4严格控制入磨物料水份
入辊压机前加以控制，能够保证入磨综合水份<1.5%为宜。
3.结束语
3.1粉磨过程中衬板、篦板、研磨体的磨损与抗磨是一个永恒的课题。联合粉磨工艺系统因入磨物料经挤压后分级，粒度明显缩小，一般在2mm以下，且物料内部存在微观裂纹，易磨性显著改善。将磨机一仓破碎功能从磨内移至磨外，由磨前预处理及分级设备取代，相当于多出一个研磨仓。磨内各仓研磨体尺寸减小，研磨能力增大，因单个研磨体对衬板的冲击能量小，衬板在小能量多冲击条件下，磨机一仓衬板磨损机制以小能量多冲击形式接触疲劳磨损为主，伴有凿削磨损与剥落。二、三仓衬板磨损机制以低应力划伤式磨料磨损为主。
笔者建议:联合粉磨工艺系统管磨机各仓衬板选择使用高性价比的高硬度（HRC≥58-60）抗磨材料，是抵抗低应力划伤式磨料磨损的最有效的技术途径。高硬度衬板与高硬度研磨体配副使用，可使研磨体及衬板保持良好的表面光洁度，获得优良的双重抗磨效果。使系统能够长期保持较高而稳定的粉磨效率。
3.2在同一直径管磨机内部，使用相同材质衬板，一仓磨耗量大，这与一仓所用球径与球单重及物料粒度等因素有关。而锻仓所用钢锻直径较小，单个重量比球更小，衬板工作表面基本不受冲击而是低应力划伤，磨耗量也相对小。相同材质磨球，直径大的球磨耗量大，小球则磨耗量小，除小直径磨球在热处理时淬透性好、表里硬度一致外，还与其在磨内填充于大球空隙间受冲击较少的运动状态有关。
3.3实际生产过程中，应注重细微工艺参数的变化对系统的影响，磨机一仓粗磨能力决定了系统产量，阶梯衬板带球端厚度尺寸磨损对粉磨效率的影响因素应引起足够的重视。
3.4高硬度衬板（单孔）宜采用抗磨损设计，可有效延长工作寿命，降低磨耗成本。
                   参   考   文   献
1. 邹伟斌等《水泥管磨机细磨仓衬板抗磨材质的选取》，《新世纪水泥导报》杂志社、中国建材机械工业协会耐磨材料及抗磨技术分会《第三届水泥工业用耐磨材料技术研讨会论文汇编》，江苏.无锡2008.10.12
胡婷婷 通讯地址:北京市海淀区笑祖北路一号，北京首铁科技工程公司北京京铁市政工程处 邮编100082
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