輥磨有關機理及工藝計算的探討(Ⅰ)

□□王仲春

輥磨有關機理及工藝計算的探討(Ⅰ)

□□王仲春

應用粉體原理闡明了輥磨料床的特性，分析了輥盤合理的結構要求，探求了功率計算等相關問題。

水泥粉磨；粉體機理；料床穩定性；凝聚力

輥式磨是當前水泥工業粉磨設備的主角，在生料、煤、礦渣粉磨方面已占主導，在水泥粉磨方面也已成為發展的趨勢。但是我國輥式磨的大量應用歷史不長，水泥粉磨僅處于起步階段，有關機理性的研究工作不多，深入的工藝參數分析和實用的計算方法也較少，碰到一些問題難以正確的處理。為此，主要結合水泥的粉磨作一些分析，目的是引發討論，以加深理解，推動發展。

1 料床的穩定性

輥式磨是料床粉磨設備之一。粉床粉磨的實質是被磨顆粒聚合在一起，形成顆粒床（料床）。施料床于高壓，由顆粒本身傳遞應力相互作用，產生裂縫、斷裂、劈裂而粉碎。輥磨料床的特點是部分受限，沒有圍壁，側面自由。因此料床本身必須有足夠的凝聚力，才能承受起外力的作用，而不致于使顆粒大量的向四周飛逸而破壞。

凝聚力是表征顆粒群體的主要特性，它可反應在內摩擦力和內聚力兩個方面，可以從顆粒床的動摩擦剪切軌跡圖來說明，見圖1。

該圖可用粉體動摩擦測定儀求得。τ為料床移動時的極限應力。

公式（1），稱為 Coulomb 公式。

式中：μi——動內摩擦系數，μi＝tanΦi，Φi稱動內摩擦角

σ·μi——動內摩擦力

C——動摩擦狀態下的內聚力

一般來說摩擦力是指物體與其它物體表面接觸而運動所產生的阻力。而對粉體顆粒來說，不是指每個顆粒之間的微細摩擦，而是看成全系統為均一分散系，假定顆粒群體中的任意一個平面為界面，示界面上的相互作用為摩擦現象。為了區別稱為內摩擦。

圖1中總的剪切應力τ是內摩擦力和內聚力之和，可總稱為凝聚力。內聚力表示顆粒床在重力條件下，抗破壞的極限應力。而內摩擦力表示顆粒床在一定垂直應力條件下抗移動破壞料床的作用力。總的凝聚力就是料床抗破壞的極限總應力，標志了料床穩定能力。

顆粒床的凝聚力受各種因素影響，物料本身的性質難于改變，現從粉體角度出發，研究料床整體特性對穩定性的作用。

顆粒體的堆積特性對內摩擦力和內聚力均有影響。按照粉體力學公式（1）的第一、第二兩項均與孔隙率有關，隨孔隙率的增大而減小。其減小的速率雖有差別，但減小的趨勢是一致的。由此對粉磨細度要求較高的水泥粉磨來說，顆粒細，園形度增加，這不僅降低了粉體表面的粗糙度，減少了表面摩擦，而更為重要的是挾帶的空氣增加，密實度降低，料床孔隙率大大增加，總的凝聚力降低。

內摩擦系數和孔隙率的關系如圖2。內聚力與孔隙率關系可得類似的圖。

這就是有一些水泥和礦渣輥磨，通過預壓排氣，之后再進行終粉磨從而改進粉磨效果的理論基礎。當然脫氣到什么程度最合適，通過什么樣的形式最有效，有待深入研究。

內聚力亦可稱為粘著力。粉體顆粒之間、粉體顆粒和平面之間相互吸引，其吸引力各垂直于接觸面。粉體顆粒產生的粘著力主要有分子間的作用力、靜電力、液體架橋引起的粘著力等。

分子之間存在著相互吸引的范德華力是顆粒粘著的根本原因。顆粒之間的分子作用力與顆粒的半徑成正比而與顆粒之間的間距平方成反比。當粉磨細度增加時，如在真空條件下，應有利于吸引力增加，但在空氣中，如上所述，實際上由于孔隙率增加，顆粒之間距離進一步拉開，反而使吸引力降低。因此預先脫氣將起有利的作用。

顆粒之間的靜電作用原先對粉磨和選粉來說均起不利的作用。在干法顆粒研磨過程中，表面摩擦而帶電，接觸中等量電荷吸引對應的異號電荷，引起靜電吸引力，阻礙進一步的磨細和分散選粉，助磨劑的作用主要是消電作用。然而在輥磨料床中能否找到一種增電物質來改善其穩定性，而又不影響粉磨和選粉呢？需進一步探討。

顆粒在濕空氣中的粘結是改善料床穩定性的重要措施。當空氣的相對濕度超過65%時，水蒸汽開始在顆粒表面及顆粒之間凝集，顆粒間保持的液體稱為液橋。由于液橋的存在所產生的顆粒之間的附著力稱為液橋力。液橋的幾何形狀見圖3。

液橋的粘結力主要由液橋曲面而產生的毛細壓力及表面張力引起的附著力組成。實驗證明：液橋粘結力比分子作用力要大，特別是當顆粒直徑大于10μm，完全潤濕的條件下，要大1～2個數量級。說明充分利用液橋力是穩定料床的重要措施。

從圖4看出，對不同的料床，其適宜的相對濕度是不一樣的。在此還必須指出，其相對濕度主要是指料床中的相對濕度，而并非要求料床外氣氛達到的相對濕度。

例如，在水泥輥磨中，其選粉濃度約為0.3kg水泥／kg干氣，如噴入水量按5%計，則氣氛中的水含量為0.015kg水／kg干氣，相對濕度＜5%（不計空氣帶入的水分）。相反在料床中合適的淋水，讓其潤濕顆粒表面，并形成顆粒之間孔隙處空間的相對濕度，這將大大降低需水量。設回料量為6倍，則1t新喂料形成約5m3的料床，如孔隙率為50%，則孔隙空間的氣體量約為2kg。如料床溫度為90℃，滿足65%相對濕度時，含水量約為800g／kg干氣，所以淋水僅0.16%就能滿足。當然這是理想狀態，實際上顆粒表面水膜占有很大一部分水，淋水做不到100%的均勻，所以淋水量要增加。輥磨中淋水目的是增加液橋粘結力，而球磨中的噴露目的是降溫，兩者是完全不同的。在每個輥內側咬料處噴水應該更有效。進一步研究噴水方法，用少量的水盡可能減少顆粒水化的不利影響，又達到穩定料床的作用，十分重要。

在輥式磨料床中探討了穩定性之后，還需進一步分析與穩定性密切相關的料床在盤面上移動過程中的滯留性。物料在盤上首先要形成料床并滿足一定的厚度，以適應輥壓的要求。

探討該問題，要涉及粉體力學中壁面摩擦的概念。同理，它是指粉體顆粒床整體界面與壁面之間發生的摩擦。亦包括兩個方面，其一是顆粒床整體界面與壁面的摩擦力，其二是堆積于壁面上接觸顆粒的粘聚力。前者與孔隙率無關，后者則隨孔隙率增加而減小。

顆粒床在傾斜面上粉體塊的力學平衡如圖5。

由力平衡圖可求出壁動摩擦系數 μs，μs=tanθs，θs為動摩擦角，它決定于粉體和壁面的性質，與孔隙率無關。但粉體在壁面上總的滑動力還取決于顆粒的粘結力，因此還是受孔隙率的影響。孔隙率愈大總的滑動力增加，反映在斜面角θ變小。

在水泥和礦渣磨中，由于產量低，顆粒小，料床的孔隙率大，顆粒床在盤面的運動阻力較小，徑向流速較大，因此料層較薄，對操作帶來困難，圖6是水泥、礦渣磨與生料、煤磨料床的比較。

從圖6可知，在允許的震動范圍內，水泥和礦渣料床厚度薄而范圍窄。生料和煤則存在較厚的料床和較寬的料床厚度范圍。

料床厚度過薄和過厚都會使磨輥荷載波動，繼而引起震動。料床過薄將使輥、盤間的緩沖作用減弱，產生波浪式的震動。而料床過厚，磨輥咬不進那么多的物料，結果有一部分物料被犁過，一部分物料堆積突起，磨輥被墊高越過，下落造成上下震動。因此一定要有一個合適的料床厚度才能達到操作穩定，產量高、功耗低。

為此對于水泥、礦渣輥磨首先要探求一個合適的輥、盤形狀，適當降低盤速，以獲得理想的料床。同時也有必要在操作中優化參數，引入改善料床結構的措施。

2 輥、盤結構的比較

水泥、礦渣輥磨是在生料磨和煤磨基礎上發展起來的，其主要差別在于粉磨工藝有所不同。新的工藝要求相適應的結構變化。

在水泥、礦渣粉磨過程中碰到的問題主要是：

（1）難以咬料、震動加大

在水泥粉磨中有大量2～50μm的微細顆粒，高細礦渣粉磨時，則有更細的1～40μm的微細顆粒。在風掃操作的條件下，料床強力氣化，孔隙率增加，細顆粒有極大的向上力，料床不穩。磨輥難于發揮有效的輥壓，同時也不能有效地嚙入大量的顆粒群，造成磨輥的滑動。另一方面氣化后的細粉其物理性能好比液體，與接觸面之間的摩擦力和粘結力很小，流動速度很快，料床很薄，并且會繞過磨輥僅有少量料流進入輥盤之間的間隙，使得操作不穩，導致惡性的震動后果。

（2）顆粒級配窄、微細顆粒少、需水量增加

物料在輥磨中的停留時間少，粉磨軌跡短，循環負荷大，因此立磨水泥的顆粒組成較窄，其RRB曲線的均勻性系數n值較大，一般在1.05以上，而球磨水泥一般為 0.95～1.05。

n值大對水泥強度來說是有利的，因為同樣比面積，其發揮強度最有效的3～30μm顆粒數量多。但是顆粒均勻對需水量不利。因為均勻顆粒其堆積密度小，孔隙率大，孔隙處填充的水量多，適當增加粗顆粒和微細顆粒會使推積密度加大，同時微細顆粒表面水膜薄，流動性好，這些均有利于需水量降低。

（3）磨損快，耐磨件壽命降低

熟料和礦渣的磨蝕性遠大于生料和煤，磨損后將嚴重影響產、質量和電耗。

為解決以上問題，磨輥、磨盤結構及其碾磨曲線起著關鍵作用。各公司不同的磨型結構及相應的壓力分布如圖7所示。

有關磨型的特點分析如下：

（1）輥盤粉磨曲線基本上是兩類，一是圓弧形二是平板狀。兩者相比，圓弧形料流速度減緩，有利于形成料床。

輥盤之間的間隙，OK磨和TRMC磨均由內向外逐漸縮小，其優點是通過各輥相互配合，使料床預先脫氣、密實，為最終粉磨創造了良好的條件。其中OK磨還在磨輥中部設有一條排氣槽，更方便料床脫氣。該公司通過試驗得出同樣的輥盤形狀，設中間排氣槽的更適于高比面積水泥的粉磨，產量、質量均好。CK磨磨輥間隙在內半部也是由內之外逐漸減小，而外半部則為固定間隙。而LM2+2磨是另設輔輥，在主輥之前，低壓壓實，為主輥終壓創造了良好的條件。從脫氣來說，效果更好，但輔輥占據了一半的磨容，從而加大了規格，是其根本的缺點。

（2）從壓力分布曲線來看，基本上也可分為兩類，一是分布比較尖峭，如OK、LM2+2、TRMC磨。另一是分布比較均勻，如 CK、MPS、RM。

尖峭的壓力分布其產生的顆粒級配從或然率來說亦應該比較尖峭。尖峰高壓使顆粒更細，而兩旁的低壓產生較粗顆粒，顆粒級配曲線與壓力分配曲線相一致，所以粒度級配較寬，n值較小，有利于需水量的降低。相反比較均勻的壓力分布，則產生比較均勻的顆粒分布，n值較大，相對需水量偏大。

（3）從輥寬來說，從圖7中可以看出輥寬與磨盤的外徑比值從MPS的0.16一直到RM的2×0.147。該比值愈大表示輥、盤之間的相對速差愈大，摩擦愈大，磨損量將加大，但從另一角度來看，摩擦剪切和壓力相比，雖然功效較低，而對產出細顆粒有利。所以適當增加摩擦有利于需水量降低。因此要綜合考慮利弊，并結合輥徑選擇一個合適的輥寬值。

由上可以認為：圓弧形碾磨曲線，各輥相互形成預壓易于排氣，輥寬和盤徑之比適中的結構是水泥、礦渣輥磨追求的型式。

(未完,待續)

Discussion on Roller Mill Mechanism and Process Calculation

WANG Zhong－chun
(Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co．,Ltd．,Tianjin 300400,China)

The characteristic of bed formation of roller mill is discussed by applying powder engineering． The proper structure of roller table is analyzed by the author． The related matters,such as power calculation is also presented here．

Cement grinding;Powder mechanism;Bed stability;Coagulability

TQ172．632．5

A

1001－6171（2010）02－0024－04

通訊地址：天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400；

2010－01－14；

沈 穎