陶瓷研磨體在球磨機(jī)應(yīng)用中的節(jié)能優(yōu)勢(shì)及粉磨效果

張德強(qiáng)

（廣州基業(yè)長(zhǎng)青節(jié)能科技有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引 言

水泥行業(yè)水泥球磨機(jī)傳統(tǒng)研磨體為鋼球研磨體（以下簡(jiǎn)稱“鋼球”），主電機(jī)功率高，水泥粉磨電耗較高。目前水泥行業(yè)面臨產(chǎn)能過剩，在最嚴(yán)環(huán)保形勢(shì)下，國家對(duì)水泥行業(yè)去產(chǎn)能、協(xié)同生產(chǎn)、階梯電價(jià)、嚴(yán)格環(huán)保排放等政策的出臺(tái)，使水泥企業(yè)不得不適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展需要主動(dòng)提產(chǎn)降耗、減負(fù)增效，以求在市場(chǎng)上立足，陶瓷研磨體（以下簡(jiǎn)稱“陶瓷球”）也在新形勢(shì)下開始逐步應(yīng)用到球磨機(jī)，并以其優(yōu)于傳統(tǒng)鋼球的節(jié)能提質(zhì)等明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)陸續(xù)在北京水泥、華盛天涯水泥、青龍山水泥、浙江金圓、南充紅獅、青州中聯(lián)、巨野中聯(lián)等近乎百臺(tái)套粉磨系統(tǒng)成功應(yīng)用實(shí)施，節(jié)能效果明顯。

1 陶瓷球的加工工藝

（1）滾制成型：原料制備時(shí)，需要噴干粉，顆粒更細(xì)，易粘附；特點(diǎn)是磨耗低，但抗壓強(qiáng)度也低（見圖1）；

圖1 滾制球

圖2 壓制球

（2）壓制成型：原料制備時(shí)，需要空心造粒粉，顆粒粗，易排氣；特點(diǎn)是磨耗略高，但是抗壓強(qiáng)度也高，破碎率低（見圖2）。

2 陶瓷球主要參數(shù)及相比鋼球的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

2.1 陶瓷球與鋼球主要參數(shù)對(duì)比（見表1）

表1 陶瓷球與鋼球主要參數(shù)

2.2 陶瓷球相比鋼球的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)分析

（1）節(jié)能降耗：陶瓷球能夠降低磨機(jī)研磨體裝載量20%以上，磨主電機(jī)電流降低20%以上，噸水泥節(jié)電15%以上，電耗降低3kWh/t水泥～6kWh/t水泥，礦粉節(jié)電空間更高（見表3和表4）。

（2）提質(zhì)：陶瓷球粉磨的產(chǎn)品，改善了水泥過粉磨現(xiàn)象和水泥產(chǎn)品性能，成品顆粒組成更加合理，3μm～32μm顆粒含量提高1%～2%（見圖3和圖4對(duì)比），球形顆粒增多（見圖5和圖6對(duì)比），標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下降1%～2%，水泥的3d強(qiáng)度基本不變，28d強(qiáng)度略有提升，水泥產(chǎn)品顆粒形貌以球形顆粒為主，有利于后期強(qiáng)度的增進(jìn)率提高、與混凝土外加劑的相容性得以改善。

圖3 水泥顆粒分布圖-鋼球

圖4 水泥顆粒分布圖-陶瓷球

圖5 水泥顆粒球形度-鋼球

圖6 水泥顆粒球形度-陶瓷球

水泥顆粒的掃描電鏡圖片如圖7所示，其中a，b，c，d為陶瓷球粉磨水泥顆粒的掃描電鏡圖片；e，f，g，h為鋼球粉磨水泥顆粒的掃描電鏡圖片。從圖7可知，鋼球粉磨的水泥顆粒呈現(xiàn)扁平狀結(jié)構(gòu)，而陶瓷球粉磨的水泥顆粒呈現(xiàn)出類球狀結(jié)構(gòu)。因此，陶瓷球粉磨水泥的顆粒形狀要優(yōu)于鋼球粉磨水泥的顆粒形狀。

（3）降溫、減噪：陶瓷球研磨能力好，無機(jī)材質(zhì)自發(fā)熱能力小，且導(dǎo)熱系數(shù)小，磨內(nèi)溫度可降低15℃以上，出磨水泥溫度也明顯降低，磨機(jī)滑履溫度也大幅降低，降幅近20%，磨機(jī)噪音降低15dB以上。

（4）耐磨：陶瓷球的莫氏硬度為9.0，僅次于金剛石，其耐磨性能是高錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171.5倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過耐磨鋼和不銹鋼的耐磨性。磨耗低，球耗一般是鋼球的50%，在同等工況下可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命10倍以上。

（5）環(huán)保：陶瓷球不含重金屬鉻，可以有效減少重金屬污染，有利于實(shí)現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥產(chǎn)品中水溶性六價(jià)鉻含量的限值（≤10mg/kg）。

（6）設(shè)備故障率降低：陶瓷球質(zhì)輕，替代鋼球后，裝載量明顯降低，對(duì)磨機(jī)襯板、隔倉板、活化環(huán)等撞擊、磨損小，磨機(jī)襯板、隔倉板、活化環(huán)等使用壽命延長(zhǎng)，磨主電機(jī)及減速機(jī)運(yùn)行負(fù)荷大幅下降，主機(jī)設(shè)備故障率降低，壽命顯著提高，減少了設(shè)備維護(hù)、維修的物力和人力成本。

（7）降產(chǎn)：由于質(zhì)輕，磨制同品種同等級(jí)質(zhì)量指標(biāo)相同的產(chǎn)品，產(chǎn)量會(huì)略有下降，但下降幅度不大，一般在10%以內(nèi)，但是系統(tǒng)工藝隨優(yōu)化的程度，也會(huì)有不降產(chǎn)甚至達(dá)到提產(chǎn)的空間。

3 陶瓷球的節(jié)電機(jī)理

（1）陶瓷球的節(jié)電機(jī)理，實(shí)質(zhì)上是在不改變球磨機(jī)結(jié)構(gòu)和粉磨原理的情況下，把研磨體的裝載量降下來，從而使整體負(fù)荷下降。陶瓷球的應(yīng)用將水泥粉磨系統(tǒng)粉碎與研磨功能實(shí)現(xiàn)了再平衡、再分配。充分發(fā)揮輥壓機(jī)預(yù)粉磨的粉碎功能和球磨機(jī)的研磨與整形功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)粉磨系統(tǒng)的效率最大化。聯(lián)合粉磨系統(tǒng)以輥壓機(jī)-球磨為佳，從而達(dá)到較小的入磨細(xì)度，以適應(yīng)對(duì)較粗顆粒粉磨功能降低研磨整形功能增強(qiáng)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

（2）陶瓷球在使用后，球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了約50%研磨體重量的富裕，為了使在沖擊力減小的情況下不減小或少減小研磨功能，其具有的強(qiáng)磨削能力更適合輥壓機(jī)-球磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)。所以通常只換球磨機(jī)研磨倉的研磨體，這樣節(jié)電效果會(huì)更好。

4 陶瓷球替代鋼球的適應(yīng)性

陶瓷球適用于干法水泥終粉磨球磨機(jī)系統(tǒng)的各種工藝流程，尤其是輥壓機(jī)-球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，前提是控制入磨細(xì)度，要求入磨物料平均粒徑：R0.08≤35%（開路），R0.08≤45%（閉路），入磨物料的最大粒度＜5mm；其他水泥粉磨開路或閉路流程的球磨機(jī)的研磨倉（尾倉），都可以用陶瓷球替代鋼球（鋼段）。

5 陶瓷球應(yīng)用案例

5.1 小磨實(shí)驗(yàn)（數(shù)據(jù)見表2，對(duì)比折線圖見圖8～圖11）

圖7 水泥顆粒掃描電鏡圖

表2 部分客戶樣品小磨實(shí)驗(yàn)

小磨實(shí)驗(yàn)分析：

（1）通過對(duì)入磨樣的φ40mm鋼球和φ30mm鋼球不同球徑鋼球小磨對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，φ40mm和φ30mm鋼球在同等條件下對(duì)比表面積增長(zhǎng)效果幾乎差不多，但是對(duì)細(xì)度的優(yōu)化效果φ30mm鋼球要明顯優(yōu)于φ40mm鋼球。

（2）通過對(duì)陶瓷球與陶瓷球+鋼段（同等條件）的小磨對(duì)比對(duì)比實(shí)驗(yàn)來看，陶瓷球+鋼段混裝對(duì)細(xì)度和比表面積研磨優(yōu)化效果好于單用陶瓷球。

圖8 陶瓷球與陶瓷球加鋼段細(xì)度對(duì)比

圖9 φ40mm鋼球與φ30mm鋼球細(xì)度對(duì)比

圖10 鋼球與陶瓷球細(xì)度對(duì)比

圖11 比表面積對(duì)比

（3）入磨樣對(duì)比試驗(yàn)中陶瓷球試驗(yàn)的顆粒級(jí)配更趨近于3μm～32μm區(qū)間，顆粒分布更合理。

5.2 大磨實(shí)踐（見表3和表4）

6 應(yīng)用陶瓷球效益分析

從以上應(yīng)用的案例來看，陶瓷球應(yīng)用后電耗降低15%以上，噸水泥節(jié)電在4kWh，水泥磨機(jī)單臺(tái)磨機(jī)年產(chǎn)量按80萬噸水泥計(jì)，電費(fèi)均價(jià)按0.6元/kWh計(jì)，應(yīng)用表3 陶瓷研磨體應(yīng)用案例分析

置換鋼球后，年可節(jié)電320萬kWh，年節(jié)電效益達(dá)192萬元，不考慮磨機(jī)負(fù)荷降低對(duì)主機(jī)、主減速機(jī)節(jié)約的檢修物力和人力成本及置換的鋼球處理費(fèi)用，僅從節(jié)電一項(xiàng)考慮，一年內(nèi)就能收回全部投資，改造效益還是很客觀的。

表3 陶瓷研磨體應(yīng)用案例分析

表4 陶瓷研磨體應(yīng)用案例分析

7 影響陶瓷球使用效果的因素

7.1 使用單位的耐心與配合度

陶瓷球作為水泥粉磨系統(tǒng)的一種新型耐磨材料，其具有節(jié)能和降低出磨水泥溫度等諸多優(yōu)勢(shì)，相繼在山水、中材、紅獅、中聯(lián)、華潤、金隅、華新、天瑞、塔牌等大型水泥企業(yè)使用，并已呈現(xiàn)取代高鉻鋼球之勢(shì)。但是由于廠家和水泥廠溝通、交流不夠，導(dǎo)致部分磨機(jī)投入陶瓷球后調(diào)試多走彎路，在技改、調(diào)試過程中，難免出現(xiàn)一些需要調(diào)整完善的事項(xiàng)，供球方更多的承擔(dān)起產(chǎn)品質(zhì)量和安全使用方面的技術(shù)指導(dǎo)（比如破損率和磨耗），使用單位要有耐心并給予高度的配合使替代鋼球的技改施工和調(diào)試同時(shí)要承擔(dān)起如何使用和使用效果方面的責(zé)任（比如臺(tái)時(shí)產(chǎn)量和電耗）。

7.2 磨內(nèi)結(jié)構(gòu)改造事宜

磨內(nèi)結(jié)構(gòu)的改造需要根據(jù)原有設(shè)備工藝深度調(diào)研后確定合理的磨內(nèi)結(jié)構(gòu)，包括采用新型的控制流雙層隔倉板延長(zhǎng)磨機(jī)內(nèi)部的停留時(shí)間，優(yōu)化活化環(huán)的結(jié)構(gòu)和排列，襯板的帶球能力，磨頭進(jìn)料、隔倉板和出料篦板等都要同步適應(yīng)高填充率的現(xiàn)狀。

7.3 物料的粒度、易磨性、水分，風(fēng)壓、風(fēng)速等

（1）嚴(yán)格入磨粒度的控制，加強(qiáng)輥壓機(jī)系統(tǒng)的管理，重視邊料效應(yīng)的影響，提高入磨物料的表面積，加強(qiáng)一倉的破碎、研磨能力，為適應(yīng)二倉使用陶瓷球的破碎能力創(chuàng)造條件，即研磨效果前移，彌補(bǔ)陶瓷球研磨能力的不足。

（2）實(shí)踐表明，在球磨機(jī)使用陶瓷球后，對(duì)物料的入磨水分更敏感一些，因此使用陶瓷球后要重視入磨物料水分的控制，確保入磨物料的綜合水分不超過2%。

（3）由于陶瓷球的重量輕了、平均球徑大了、配球級(jí)數(shù)少了、靜電效應(yīng)弱了、粉磨溫度低了，這些因素都會(huì)導(dǎo)致磨內(nèi)流速加快、對(duì)磨機(jī)通風(fēng)的需求降低。因此為防止磨內(nèi)流速過快，確保物料有足夠的磨內(nèi)停留時(shí)問，對(duì)磨尾排風(fēng)機(jī)的閥板開度要適當(dāng)關(guān)小一些，或者對(duì)隔倉板、出料篦板適當(dāng)封堵。

7.4 破碎率

（1）在早期的陶瓷球使用中出現(xiàn)較高破碎率，這與原料、成型和燒結(jié)工藝有關(guān)，現(xiàn)在的陶瓷球生產(chǎn)大都采用等靜壓壓制成型，很好地解決了陶瓷球的破碎問題，破碎率低于5‰，甚至有的幾乎不會(huì)破碎。

（2）對(duì)陶瓷球要強(qiáng)調(diào)文明使用，在運(yùn)輸裝卸中避免野蠻操作，磨機(jī)裝球前要預(yù)先鋪設(shè)幾噸水泥料緩沖層，止料后空磨時(shí)間不能過長(zhǎng)，避免陶瓷球跟磨機(jī)襯板硬性碰撞現(xiàn)象發(fā)生。

7.5 級(jí)配、填充率等

陶瓷球的密度輕，堆積密度小，為了優(yōu)化陶瓷球的級(jí)配，充分發(fā)揮球磨機(jī)的潛力，利用好已有磨內(nèi)空間，陶瓷球的填充率要比原用鋼球大一些。實(shí)踐表明，在不改變磨內(nèi)結(jié)構(gòu)的情況下，陶瓷研磨體的最佳填充率應(yīng)該在36%～38%，甚至高達(dá)45%，來彌補(bǔ)它的不足之處；在配球級(jí)配方案上，陶瓷球平均球徑比原來鋼球的要適當(dāng)大一些，配球級(jí)數(shù)可以適當(dāng)少一些，有利于減少過粉磨、提高粉磨效率。

8 總 結(jié)

（1）由于陶瓷球較輕，磨機(jī)整體重量降低，提升研磨體更加省電，粉磨效率提高，磨內(nèi)發(fā)熱量變小，物料溫度降低。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，使用陶瓷球研磨的水泥其工作性能相對(duì)較好。另外水泥強(qiáng)度也略微有所增長(zhǎng)，3μm～32μm顆粒含量及球形度增加，磨出的水泥對(duì)混凝土的適應(yīng)性更好。

（2）在水泥產(chǎn)能過剩、環(huán)保壓力大、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，水泥企業(yè)應(yīng)積極采用新技術(shù)、新工藝、新材料等有效措施節(jié)能降耗。通過在小磨實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用在大磨的生產(chǎn)實(shí)踐論證，可以說陶瓷球是水泥生產(chǎn)的一次節(jié)能降耗革新，同時(shí)也是水泥企業(yè)一次千載難逢的機(jī)遇，我國是水泥生產(chǎn)大國，粉磨系統(tǒng)又是耗能較大的生產(chǎn)工序，目前，陶瓷球的應(yīng)用，有的企業(yè)已經(jīng)嘗到了節(jié)能的甜頭，有的企業(yè)卻在使用過程中走了彎路，因?yàn)槊總€(gè)水泥粉磨系統(tǒng)配置、運(yùn)行狀況都是不一樣的，所以我們要針對(duì)不同的生產(chǎn)條件進(jìn)行深度調(diào)研分析并配以必要的工藝設(shè)備改造，才能使陶瓷球充分適應(yīng)粉磨系統(tǒng)的運(yùn)行，最大限度節(jié)能降耗但不降產(chǎn)。