陶瓷研磨體應(yīng)用現(xiàn)狀及其問題解析

（濟南大學(xué)，山東 濟南 250022）

水泥生產(chǎn)過程簡稱為：兩磨一燒；即：磨生料、磨水泥、燒熟料。每生產(chǎn)1 t水泥需要粉磨3 t物料。包括：生料制備、煤粉制備和水泥粉磨；粉磨電耗占水泥生產(chǎn)總電耗的60%～70%。由于生料配合料和燃煤易碎性較好，容易粉碎、磨細(xì)，而水泥熟料相對難磨，所以水泥粉磨電耗約占粉磨電耗的50%以上。水泥粉磨節(jié)能是一個永恒的課題。

粉磨節(jié)能有兩個主要途徑：粉磨工藝節(jié)能和粉磨設(shè)備節(jié)能。

工藝節(jié)能包括：選擇先進的工藝流程、加強磨內(nèi)通風(fēng)、合理使用助磨劑、改善物料的易磨性、減少糊球、糊襯板及過粉磨現(xiàn)象、提高粉磨效率等。

設(shè)備節(jié)能包括：選擇先進的節(jié)能設(shè)備及附件，如輥壓機、立磨、筒輥磨、高效選粉機；變頻調(diào)速、現(xiàn)代可視化自動控制、新型研磨體等。

1 新型研磨體

“新型研磨體”俗稱：陶瓷球，陶瓷球按其用途可分為填料陶瓷球、濕法研磨陶瓷球和干法研磨陶瓷球3種。

1.1 填料陶瓷球

填料陶瓷球又稱：惰性陶瓷球（不與酸、堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)），廣泛用于石油、化工、化肥、天然氣及環(huán)保等行業(yè)，作為反應(yīng)器（釜）內(nèi)催化劑的覆蓋支撐材料和塔填料，凈化裝置中對液體或氣體進行過濾的介質(zhì)等。它屬于“靜態(tài)”工作的介質(zhì)，價格便宜、不能當(dāng)做“動態(tài)”工作的研磨體用。

1.2 濕法研磨陶瓷球

濕法研磨陶瓷球具有密度和機械強度高，耐磨性能好等優(yōu)點。大部分用在間歇工作的濕法球磨機內(nèi)（如陶瓷球磨機），因此，陶瓷球可以設(shè)定足夠的時間來粉磨物料，而且磨機里的水，可以緩解陶瓷球之間和球與筒體內(nèi)壁襯板的沖擊碰撞，而不易碎球；但濕法研磨陶瓷球不宜用于干法水泥粉磨。

1.3 干法研磨陶瓷球

2015年我國在世界上首創(chuàng)的“水泥粉磨用陶瓷研磨體”屬于干法研磨陶瓷球，簡稱：“陶瓷研磨體”，有一些在外形上與普通陶瓷球沒有什么不同；但另外一些有明顯的外形差異，如段型（短圓柱體）、球段型（段的兩端為球形）、橢球形或其它異型等；從化學(xué)成分上看：除氧化鋁含量超過90%之外，還添加了一部分改性增韌的微量元素：鋯、錳、銅等，使陶瓷研磨體的抗沖擊韌性能力大幅度提高；從生產(chǎn)工藝方面看：加強了計算機技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了燒成工藝自動化，合理調(diào)控?zé)峁ぶ贫龋ㄈ鐭Y(jié)溫度、升溫速率、保溫時間、燒成氣氛等），降低燒成溫度，加速燒結(jié)過程，阻止晶型轉(zhuǎn)變，抑制晶體長大，制造出玻璃相含量低、微小晶粒結(jié)合為主的結(jié)構(gòu)態(tài)陶瓷，從微觀結(jié)構(gòu)上解決了陶瓷研磨體的質(zhì)量問題，在干法粉磨系統(tǒng)中的使用性能指標(biāo)（碎球率、磨耗）遠遠優(yōu)于普通陶瓷球。

試驗研究表明，陶瓷研磨體的強度和抗沖擊能力與其微觀結(jié)構(gòu)中微晶的粒度、含量及其結(jié)構(gòu)致密程度有關(guān)；經(jīng)掃描電鏡檢測，很容易判別陶瓷研磨體的質(zhì)量好壞見圖1。其中≤6 μm的微晶顆粒含量越多，結(jié)構(gòu)越致密，陶瓷研磨體的質(zhì)量越好。

圖1 微晶氧化鋁陶瓷研磨體SEM照片

表1 陶瓷研磨體應(yīng)用效果（產(chǎn)品：P·O42.5）

2 陶瓷研磨體應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過2年多的應(yīng)用實踐，陶瓷研磨體在國內(nèi)近百家水泥企業(yè)、主要采用的輥壓機-球磨機聯(lián)合水泥粉磨系統(tǒng)，應(yīng)用陶瓷研磨體后，效果明顯，已被接受和認(rèn)可見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，運行時間都在2000 h以上，有的超過3000 h，連續(xù)生產(chǎn)100多天，碎球率都在1%以下，出磨水泥溫度降低8℃～20℃，磨機噪音減小15～18分貝，水泥粉磨系統(tǒng)降產(chǎn)幅度低于5%；單產(chǎn)電耗普遍降低10%～15%，節(jié)電3～6kWh/t；這樣的水泥粉磨系統(tǒng)噸水泥電耗指標(biāo)會降低到30kWh/t以下，有的低于25kWh/t，與立磨水泥終粉磨系統(tǒng)比較，單產(chǎn)電耗基本持平。

3 節(jié)電機理及存在問題的處理

球磨機主電機的運行功率受研磨體裝載量的影響，應(yīng)用陶瓷研磨體后，使球磨機裝載量減少、整體負(fù)荷下降，因此，在主電機不更換的條件下，球磨機節(jié)電效果明顯是必然的結(jié)果。

近幾年，水泥行業(yè)產(chǎn)能過剩、利潤下滑，在競爭中求生存、求穩(wěn)定的水泥企業(yè)，創(chuàng)新驅(qū)動、開源節(jié)流，積極依靠科技進步，提升企業(yè)經(jīng)濟技術(shù)管理水平；節(jié)能減排、降本增效、推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，成為日常工作中的重中之重。但是，我們還必須清醒地看到，陶瓷研磨體的應(yīng)用不是簡單的“替換”；也不是所有的水泥粉磨系統(tǒng)都能夠應(yīng)用陶瓷研磨體；還有一些應(yīng)用中的操作習(xí)慣問題需要引起注意，不然，隨之而來的“破球”和“降產(chǎn)”現(xiàn)象，會帶來不必要的經(jīng)濟損失。

3.1 降低“碎球率”的措施

目前國內(nèi)生產(chǎn)制造的水泥球磨機，都是按照鋼球、鋼鍛為研磨體、入磨物料粒度≤25 mm而設(shè)計的。在應(yīng)用陶瓷研磨體時，為了減少磨內(nèi)研磨體的破碎，必須注意幾點。

（1）空倉裝磨時，應(yīng)先加料、后加球。

我國水泥行業(yè)已經(jīng)強制性地淘汰了φ3 m以下的球磨機；各企業(yè)在研磨體裝磨時，都采用電動葫蘆吊裝卸載，此時的落差都在3 m以上，陶瓷研磨體卸落到鑲有鑄鋼襯板的倉內(nèi)，會撞擊襯板、使研磨體內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的微裂紋，影響今后的使用壽命。所以，空倉裝磨時應(yīng)先加進2～3 t散裝水泥，以緩解卸載落差的沖撞力，防止陶瓷研磨體受損。

（2）陶瓷研磨體不宜用在球磨機的第一倉。

盡管目前水泥粉磨系統(tǒng)大部分采用了預(yù)粉碎設(shè)備，將入磨物料粒度減小了許多，但入磨物料粒度≥5 mm時，球磨機的第一倉，仍需要研磨體處于拋落狀態(tài)，以沖擊粉碎作用為主、將大塊物料粉碎成細(xì)顆粒；此時，研磨體不僅受到強大的“反作用力”，而且也難免碰撞到磨內(nèi)密布的鑄鋼襯板、隔倉板及其它構(gòu)件上；所以，這樣的工況，不適合韌性有限的陶瓷研磨體工作；否則，會出現(xiàn)較高的破損率。影響水泥粉磨系統(tǒng)產(chǎn)、質(zhì)量的因素很多，根據(jù)具體球磨機結(jié)構(gòu)特點，在什么情況下可以使用陶瓷研磨體？各企業(yè)還需認(rèn)真對待。在球磨機水泥粉磨系統(tǒng)中，陶瓷研磨體最適宜的工作狀態(tài)是傾瀉狀態(tài)見圖2。

（3）盡可能縮短隔倉板后面的“空料區(qū)”。

圖2 球磨機內(nèi)研磨體的運動狀態(tài)

圖3 雙層隔倉板后邊的空料區(qū)

水泥球磨機筒體內(nèi)設(shè)置有雙層隔倉板，前面一層是由多塊篦板拼裝而成，后一層是沒有篦縫的盲板和中心卸料錐（通風(fēng)口）組成。前倉磨細(xì)的顆?？梢酝ㄟ^篦縫流入隔倉板夾層中；再經(jīng)過后一層盲板上的揚料板帶起，落到中部卸料錐的外壁溜滑到下一倉（尾倉）。卸料錐中心內(nèi)壁是磨機的中心通風(fēng)口，在磨內(nèi)風(fēng)速的作用下，從卸料錐外壁落下的細(xì)顆粒，會被吹走、離開隔倉板一段距離，形成一個“研磨體多、物料少”的“空料區(qū)”，直接影響了這一倉的有效利用率見圖3。

如果這一倉裝填的是陶瓷研磨體，還會引起研磨體之間、研磨體與鋼襯板之間的碰撞和磨損，縮短研磨體使用壽命、加快碎球率的提高。因此，在使用陶瓷研磨體之前，盡可能增加揚料板的長度，使其接近筒體，讓進入隔倉板夾層的細(xì)顆粒迅速地被帶起、落入下一倉的物料更多；同時，中控操作適當(dāng)減風(fēng)、降低中心風(fēng)速，縮短“空料區(qū)”的長度，減少陶瓷研磨體的“自殘”損失，增加有效做功。

（4）調(diào)整操作習(xí)慣、謹(jǐn)防“空磨”運行。

球磨機水泥粉磨系統(tǒng)在使用鋼球、鋼鍛時，“空磨啟動后再加料”和“卸空物料后再停磨機”，已經(jīng)是司空見慣的操作習(xí)慣。因為鋼球、鋼鍛不懼怕鑄鋼襯板；同時輕載啟動球磨機，有利于安全運轉(zhuǎn)和節(jié)電。還有的時候，磨頭供料不足、甚至斷料，球磨機空轉(zhuǎn)幾十分鐘也“不會有”多大損失。

然而，使用陶瓷研磨體后，這些操作習(xí)慣，變成了“碎球現(xiàn)象”最常見的“殺手”。瓷球與鋼襯板的碰撞、摩擦，會產(chǎn)生眾多的微裂紋、不停地運動會加速裂紋的擴展，最后導(dǎo)致研磨體開裂；瓷球開裂的表面，十分堅硬，像一把把鋒刃、劈向其它的研磨體，沒有物料阻擋和緩沖，造成研磨體更大面積的損傷，一場“碎球大戰(zhàn)”就會迅速蔓延開來。發(fā)現(xiàn)磨頭斷料，5 min之內(nèi)必須停磨。

3.2 減少“降產(chǎn)”的途徑

使用陶瓷研磨體為什么會引起水泥磨“降產(chǎn)”呢？毫無疑問，在工藝條件沒有改變的情況下，是更換了研磨體才出現(xiàn)了“降產(chǎn)”。鋼球的容重為4.5 t/m3，而陶瓷研磨體的容重為2.2 t/m3，根據(jù)牛頓第二定律，作用力與物體的質(zhì)量成正比；在球磨機內(nèi)研磨體對物料所產(chǎn)生的作用力，無論是沖擊力還是研磨力，都會變小；出力少了，做的功就小了。雖延長做功的時間可以彌補損失，但干法水泥球磨機是連續(xù)工作的磨機，很難做到延長做功時間，為了確保出磨產(chǎn)品的細(xì)度合格率，只好減少磨頭加料量，“降產(chǎn)”就是必然結(jié)果。

除此之外，目前水泥球磨機是為金屬研磨體量身定做的粉磨設(shè)備，它要求鋼球的填充率不超過50%，由于陶瓷研磨體的容重僅有鋼球的二分之一，如果填充率不變，陶瓷研磨體的裝載量，只能是鋼球的一半，粉磨做功的能力就更小了。

再者，球磨機是一個連續(xù)運轉(zhuǎn)的粉磨設(shè)備，物料從磨頭加入，到磨尾卸出，只有18～20 min的有限時間，沒有更多的機會給研磨體做功，物料進來多了，出磨的細(xì)粉必然“跑粗”，要保證產(chǎn)品細(xì)度合格率，只能減少進磨的物料量，才能磨得細(xì)一些；以上這些，就是使用陶瓷研磨體會引起球磨機“降產(chǎn)”的原因。

怎樣才能減少水泥球磨機使用陶瓷研磨體后的“減產(chǎn)”幅度呢？我們可以將“能量轉(zhuǎn)換的分配”作為切入點。水泥球磨機的工作過程，實質(zhì)上是一個將電能轉(zhuǎn)換成機械能、利用研磨體將物料由大塊粉碎成小塊、由粗顆粒粉磨成細(xì)顆粒的過程。在此過程中，做功的機械能也是撞擊做功和摩擦做功同時作用并轉(zhuǎn)換分配的過程，大塊變小塊階段需要撞擊做功多一些；而粗顆粒變細(xì)顆粒階段，需要摩擦做功為主要形式。從研磨體的質(zhì)量大小方面來分析，大球的撞擊做功強于小球的做功；而從研磨體的種類方面來看，陶瓷研磨體的摩擦做功優(yōu)于金屬研磨體的做功。球磨機的生產(chǎn)過程是一個能量轉(zhuǎn)換且合理分配的過程，所以，更換研磨體之后，只要“重新分配、力求合理”，適當(dāng)加大各倉的填充率，就可以實現(xiàn)新的粉磨平衡，減少其“降產(chǎn)”的幅度。

在水泥粉磨過程中，粗顆粒物料變成細(xì)顆粒物料需要摩擦做功，摩擦做功又分為滾動摩擦做功和滑動摩擦做功。研究表明：相同小規(guī)格的陶瓷研磨體滑動摩擦做功比金屬研磨體略有優(yōu)勢；物料越細(xì)，優(yōu)勢越明顯。因此，在研磨水泥成品的階段，陶瓷研磨體能夠發(fā)揮更好的作用。與鋼球、鋼段對比，裝載量相同時，陶瓷研磨體

的數(shù)量多、比表面積大，同時與物料接觸的面積和機會更多，有利于提高研磨效率。這對于減少水泥球磨機使用陶瓷研磨體后的“降產(chǎn)”幅度有幫助，應(yīng)充分發(fā)揮其作用。

避免水泥球磨機減產(chǎn)的具體做法可參照如下：

（1）力求預(yù)粉碎的輥壓機和V選系統(tǒng)提供更細(xì)的入磨物料粒度；同時，應(yīng)保證入磨物料平均水分≤1.5%。

（2）球磨機磨頭加料方式，要改溜管加料方式為螺旋進料方式，縮短磨頭“空料區(qū)”的長度，提高頭倉的利用率見圖4。

（3）如果需要縮小隔倉板的篦縫寬度，不應(yīng)焊堵，而是更換新的隔倉板，增大整體通過面積（篦縫總面積）；如果調(diào)整隔倉板位置，要確保頭倉長度大于3.5 m。

（4）力求入磨物料粒度：閉路R0.08≤45%；開路R0.08≤35%。

（5）更換磨機頭倉階梯襯板為中波型襯板，改變研磨體運動形式由拋落狀態(tài)變?yōu)閮A瀉狀態(tài)；轉(zhuǎn)化研磨體的做功形式，使摩擦做功大于撞擊做功。

（6）入磨物料粒度達到要求后，頭倉鋼球最大球徑不要超過φ50 mm，最好≤φ40 mm，平均球徑：25～31 mm；填充率增加到34%以上，最佳范圍：37%～39%；確保進入研磨倉的細(xì)度符合要求（閉路R 0.08≤25%；開路R 0.08≤15%）。

（7）尾倉陶瓷研磨體最大球徑≤φ25 mm，平均球徑：15～20 mm，填充率范圍：40%～42%；盡量不使用更小規(guī)格的陶瓷研磨體，以免堵塞磨尾出料篦縫。

（8）工業(yè)運行實踐證明：異型陶瓷研磨體（短柱型）研磨能力優(yōu)于球型；因為它與物料的接觸面積主要是線接觸，而球型研磨體主要是點接觸；對于摩擦做功，短柱型更有優(yōu)勢，對于縮小降產(chǎn)的幅度十分有利。但短柱型研磨體初期磨耗大于球形，因為在運行初期，短柱型端面的棱邊會首先研磨掉，慢慢形成一個圓滑的過渡面；因此，初期磨耗較高，運行一段時間后，磨耗基本穩(wěn)定下來，與球型研磨體持平，且沒有破碎見圖5。

圖4 球磨機進料方式

圖5 短柱型陶瓷研磨體（陶瓷段）運行后的變化

一般來說，使用陶瓷研磨體之后出現(xiàn)了“降產(chǎn)”現(xiàn)象，幅度在10%之內(nèi)，這是正常情況。我們只要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗，采取必要的技術(shù)措施，一定可以逐步縮小降產(chǎn)的幅度（≤5%）。

4 結(jié) 語

陶瓷研磨體是一種為現(xiàn)代水泥工業(yè)節(jié)能、環(huán)保而服務(wù)的新型研磨體，它不僅在改善水泥產(chǎn)品質(zhì)量、強度不變的前提下，節(jié)約水泥粉磨電耗；還可以降低生產(chǎn)車間噪音、減少水泥產(chǎn)品的重金屬（水溶性六價鉻）污染。有利于我們堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境，實行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護制度，形成綠色發(fā)展方式和生活方式，建設(shè)美麗中國，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)和生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全做出貢獻，實現(xiàn)我們?yōu)橹畩^斗、不懈追求的目標(biāo)和理想。