球磨機系統(tǒng)的優(yōu)化改造

陳藝芳，谷德明，張向陽

1 引言

目前國內水泥粉磨主要以“輥壓機+球磨機”的半終粉磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)為主，球磨機是改善水泥粉磨成品顆粒形貌的有效設備，其通過磨機內研磨體沖擊碾磨物料，存在能量轉化率低、單位產品水泥電耗高及噪聲大等問題。隨著GB 16780-2021《水泥單位產品能源消耗限額》的發(fā)布，如何提高球磨機運轉效率、降低球磨機能耗，已成為球磨機設計改進的重要研究方向。本文擬從球磨機進料裝置、襯板結構、中間隔倉裝置、擋料圈、隔熱材料、研磨體的優(yōu)化等方面，就如何解決球磨機的節(jié)能降耗增效問題提出幾點建議，供業(yè)界同仁參考。

2 球磨機結構

球磨機主要由進料裝置、滑履軸承、回轉部分、出料裝置等組成，球磨機結構如圖1所示。其中，回轉部分是球磨機的主體，由雙隔倉及其篦板、端襯板、筒體襯板、卸料倉及其篦板、隔熱墊等組成，球磨機整個粉磨作業(yè)過程均在回轉部分完成。

圖1 球磨機結構

隔倉板將球磨機分為兩個倉，一倉裝有直徑較大的鋼球研磨體，將磨內的大塊物料破碎成小顆粒，經(jīng)隔倉板送至二倉，再由二倉內直徑較小的鋼球研磨體將小顆粒物料研磨成細粉。物料經(jīng)一、二倉內研磨體破碎、研磨后，由卸料倉送至傳動接管，穿過傳動接管上的開孔，經(jīng)出料裝置送至磨外。

3 進料裝置的優(yōu)化

3.1 進料裝置存在的問題

隨著輥壓機在水泥粉磨系統(tǒng)中的廣泛應用，水泥廠越來越多采用“輥壓機+球磨機”的半終粉磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)。相較于球磨機開流和圈流粉磨系統(tǒng)，半終粉磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)進料裝置物料通過量成倍增加。但由于球磨機內部研磨體填充率受限，進料裝置過料面積不能增加，若要提高球磨機粉磨效率，需從優(yōu)化球磨機進料裝置結構方面考慮。此外，球磨機磨頭沖料問題也應引起重視。經(jīng)輥壓機研磨的物料與高效選粉機分選后的粗物料共同進入球磨機，導致球磨機磨頭處的物料較多，易造成磨頭跑灰。為避免球磨機磨頭跑灰，需使物料快速通過階梯狀分布的進料溜子進入筒體，如圖2所示。但由于水泥磨一層廠房樓層高，進料溜子坡度大，物料從高處落下后，快速沖入水泥磨進料裝置，并直接沖到粗磨倉1.5~2m處，造成球磨機進料端物料很少，料球比過小，鋼球研磨體直接對端襯板及一倉前側襯板沖擊研磨，使得端襯板磨損過快；同時，大幅縮短了一倉的有效研磨長度，這也是導致球磨機研磨效率低的原因之一。

圖2 進料裝置

為有效解決球磨機沖料問題，對進料裝置進行了以下優(yōu)化改進。

3.2 進料裝置優(yōu)化措施

3.2.1 使用螺旋筒結構

球磨機螺旋筒是由鋼板卷制而成的圓筒，其內部焊接有螺旋葉片，螺旋葉片由螺栓固定在筒體的滑環(huán)腹板上，隨筒體一起做回轉運動。使用螺旋筒后，球磨機運行時，物料經(jīng)進料裝置喂入螺旋筒，在螺旋葉片的推動下進入筒體，屬于一種強制喂料形式，可增加球磨機磨內通風面積，防止沖料。

某廠在聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，為避免磨頭沖料問題，在進料裝置及筒體之間使用了螺旋筒結構。喂料量少時，磨機運行平穩(wěn)，但隨著喂料量的持續(xù)增加，磨頭開始跑灰，且隨著上游重錘翻板閥開啟頻率的增加，跑灰愈加明顯。入磨檢查發(fā)現(xiàn)，進料裝置進風筒內有物料堆積現(xiàn)象，如圖3所示。分析原因如下：喂料量較多時，物料從高處落下，進入螺旋筒，被螺旋葉片阻擋，物料一部分進入螺旋筒前端，一部分進入喂料裝置進風筒，大部分物料隨著筒體的回轉進入磨內，而進入螺旋筒前端的部分物料將會導致磨頭跑灰，這是此種結構的不足之處。

圖3 進料裝置上部溜子內物料堆料

3.2.2 加裝緩沖結構

在進料裝置與選粉機粗粉下料管下部重錘閥之間加裝緩沖結構。目前緩沖結構的形式有兩種，一種是在進料裝置上部的溜子內加裝三道材質為耐磨鋼板的擋板，如圖4所示。三道擋板中，上下兩道擋板位于同側，中間擋板位于對側；三道擋板均有30°傾斜角，迎料面為耐磨面。此種結構能夠有效降低物料流速，降低其動能，有效緩解磨頭沖料問題。第二種是弓形裝置，如圖5所示。在弓形裝置中，從高處快速落下的物料經(jīng)二級轉向降低流速，能夠有效緩解磨頭沖料問題，但是當物料水分大或摻入粘性物料時，特別是摻入脫硫石膏和磷石膏時，使用此種結構易堵塞。

圖4 溜子內加裝三道擋板

圖5 弓形裝置

3.2.3 加裝帶孔擋板

球磨機筒體內腔與進料裝置之間僅用進料錐套連接，若二者距離過近，則不易加裝擋板；但若擋板距進料裝置出料面過遠，則會直接進入筒體內腔，受研磨體及物料沖擊磨損，很快失效，因此，只能在進料錐套內部加裝擋板。考慮到進料量大，為了避免磨頭跑灰且不影響磨頭進風，嘗試使用帶孔擋板，如圖6所示。將方鋼/圓鋼與十字結構焊接在一起，起支撐作用，用點焊的方式將帶孔擋板焊接在十字結構上。此種結構可調整帶孔擋板在上下方向的位置，便于控制物料的沖擊距離，物料通過面積大，能夠適應各種物料。

圖6 優(yōu)化后的進料裝置

此結構不僅解決了磨頭沖料問題，而且使一倉維持了其原始的有效研磨長度，研磨效率提高，襯板及研磨體磨耗降低，進一步實現(xiàn)了增產降耗。

4 襯板形式的選取

作為球磨機內部的關鍵部件，襯板的形式及材質對整個水泥粉磨過程起著舉足輕重的作用。襯板是防止球磨機筒體受損，同時將破碎能量傳遞給被粉磨物料的部件，襯板的提升作用使物料和研磨體獲得動能[1]。研磨體及物料的運動狀態(tài)與襯板的工作表面形狀密切相關，磨機襯板的合理設計，對提高磨機粉磨效率和運轉率具有重大意義。

4.1 一倉襯板形式

水泥半終粉磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，從輥壓機進入球磨機的物料粒徑更小，用于球磨機系統(tǒng)一倉的常規(guī)階梯襯板不再適用。為了適應不同的進料情況，同時，由于沖擊粉碎比研磨粉碎的單位功耗低，所以一倉仍以沖擊粉碎為主。

目前，常用于一倉的襯板形式主要包括：溝槽階梯襯板（圖7）、曲面階梯襯板、單波波紋襯板、雙波波紋襯板、三波波紋襯板（圖8）。雖然溝槽階梯襯板、曲面階梯襯板對研磨體有較好的提升作用，但其提升端與非提升端結合處存在沖擊粉碎無效區(qū)。而波紋襯板工作面大、研磨區(qū)域大，不存在研磨無效區(qū)域，所以一倉襯板形式應選擇波紋襯板。

圖7 溝槽階梯襯板

圖8 波紋襯板

相較于單波波紋襯板和雙波波紋襯板，三波波紋襯板的波紋半徑更小，波峰R≈30mm，波谷R≈26mm。常規(guī)研磨體鋼球級配配置多以?25mm、?30mm配球為主，這就決定了三波波紋襯板在提升次數(shù)還是在研磨體適配性上均為最佳選擇。

4.2 二倉襯板形式

二倉的主要作用是磨細一倉的來料，同時為了滿足成品水泥的需水性及強度，對物料進行整形。目前，用于半終粉磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中的二倉襯板形式主要為溝槽雙曲面襯板（圖9）及小波紋襯板（圖10）。小波紋襯板節(jié)距較小，提升摩擦系數(shù)小，研磨面積大，有利于磨細物料。

圖9 溝槽雙曲面襯板

圖10 小波紋襯板

眾所周知，由于料面高度和物料粒度沿磨機筒體逐漸減小，同時，受磨內風速和物料移動等因素影響，大規(guī)格研磨體向出料端竄動，而小規(guī)格研磨體逐漸向進料端聚集；而粉磨作業(yè)的理想狀態(tài)為大顆粒物料用大直徑的研磨體進行研磨，位于出料端的小顆粒物料則用小直徑研磨體研磨，研磨體存在“反分級”現(xiàn)象。同時，為了節(jié)能降耗，目前球磨機設計越來越長，導致二倉越來越長，“反分級”現(xiàn)象越來越明顯，對球磨機的影響也越來越大。因此，需采用溝槽雙曲面襯板，對研磨體“反分級”現(xiàn)象進行抑制。

5 雙隔倉的優(yōu)化

隔倉裝置作為分隔一倉與二倉的關鍵部件，在設計過程中占有重要位置。現(xiàn)階段，用于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的隔倉裝置主要有帶篩分功能的雙隔倉及強制過料形式的雙隔倉。帶篩分功能的雙隔倉是指雙隔倉對物料有篩析選粉功能（圖11），物料經(jīng)過一倉側篦板，篦板支架表面或其內部揚料板上焊有不銹鋼篩板或16Mn鋼篩板，篩板篦縫一般為2~3mm，物料通過此篩板進行篩分，未通過的物料返回一倉繼續(xù)粉碎，通過的物料進入二倉進行高細粉磨。強制過料形式的雙隔倉進料側全部為篦板（圖12），出料側近筒體側1/2為盲板，其余為篦板，物料首先經(jīng)一倉側篦板進入雙層隔倉裝置，由揚料板提升至特定高度，再沿揚料板表面滑落至導料錐，最后沿導料錐的斜面流入二倉。

圖11 帶篩分功能的雙隔倉

圖12 強制過料形式的雙隔倉

在聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，主要依靠輥壓機進行破碎，進入球磨機的物料量大，且粒徑大多＜2mm，推薦使用強制過料形式的雙隔倉，帶篩分功能的雙隔倉并沒有優(yōu)勢。原因如下：一是進入磨機的物料量大，進入一倉的物料需盡快流入二倉，而帶篩分功能的雙隔倉多一層篩板，其阻力比強制過料形式的雙隔倉大，無法加快物料向二倉流動。二是二次篩分篩板篦縫寬度多為2~3mm，絕大多數(shù)物料均會通過篦縫進入二倉，篩分功能不能有效發(fā)揮。

目前，現(xiàn)有的強制過料形式的雙隔倉結構較為固定（不可調節(jié)或較難調節(jié)），這就導致磨機對不同生產工藝的適應性差，如入磨粒度、水分的變化，都將導致磨機產量的波動。另外，基于鑄造工藝和防堵塞要求，篦板篦縫均采用喇叭口或八字口的形式，但隨著篦板的磨損，篦縫的大小會產生變化，進而導致磨機產量降低。

本文提出了一種可調節(jié)隔倉裝置，該裝置由支架、擋板、揚料板、螺栓組等部件組成，具有可調節(jié)功能，通過聯(lián)接揚料板底部不同孔與支架，即可調節(jié)揚料板高度，如圖13、14所示。調節(jié)過程中無需拆裝篦板，揚料板前設有擋板，可有效減小揚料板的磨損。

圖13 可調節(jié)隔倉裝置

同時，配備了組合式篦板，其由篦板框架與不銹鋼篩片組成（圖15），避免了篦板堵塞，節(jié)省了清理篦板堵塞的時間、人力、物力，提高了設備利用率。組合式篦板的框架內壁為傾斜式，避免了球磨機運轉過程中料球在此堆積成死角，進而影響通風面積。相較于傳統(tǒng)鑄造形式的篦板，組合式篦板通孔率由9%增至15%，篦板通風能力及過料能力增加，磨內風溫降低。同時，若不銹鋼篩片有破損，可切割下來重新焊接，既延長了篦板使用壽命，也節(jié)省了維護費用。

圖14 可調節(jié)揚料板

圖15 組合式篦板

6 擋料圈的優(yōu)化

球磨機內存在研磨體篩析現(xiàn)象[2]，即球磨機在運轉過程中，在慣性作用下，小規(guī)格研磨體向筒體流動，大規(guī)格研磨體向磨機中心流動，導致小規(guī)格研磨體在靠近襯板的區(qū)域內堆積，降低了二倉的磨細能力。同時，二倉物料流速過快，導致循環(huán)負荷過高、磨機運轉能力受限，電耗無法下降。因此，需在二倉設置活化環(huán)，以激活小規(guī)格研磨體的磨細能力，同時，阻擋未達到比表面積及細度要求的物料過快通過二倉。

本文推薦一種“L”型擋料圈結構，該結構既能夠激活小規(guī)格研磨體聚集的研磨死區(qū)，也能夠調整二倉物料流速，見圖16。“L”型擋料圈由外部框架及兩個過料孔組成，外部框架由耐磨合金鑄鋼鑄造而成，兩個過料孔用鋼板堵住2/3。為避免焊接造成熱應力致使框架斷裂，鋼板與框架之間采用點焊形式焊接。下部未被鋼板堵住的孔能夠活化小規(guī)格研磨體，鋼板能夠調整二倉物料流速，若物料流速過快，則可在鋼板上焊接鋼板，降低物料流速；若流速過慢，則可切割鋼板，直至二倉流速滿足生產需求。

圖16 “L”型擋料圈結構

7 隔熱材料的選取

球磨機在正常運轉過程中，鋼球的研磨和碰撞會產生大量的熱量，加上環(huán)境溫度和入磨物料溫度的影響，易導致磨內溫度過高，磨機軸瓦溫度高，進而造成設備跳停，影響設備的連續(xù)運轉。

現(xiàn)有的冷卻方式主要有筒體淋水、磨內噴水、高低壓油站冷卻、鋪設隔熱墊四種，這四種方式各有其局限性。采用筒體淋水方式，磨機筒體易生銹，影響散熱；同時，車間產生大量的水蒸氣，不利于員工身體健康。采用磨內噴水方式，噴頭易堵塞，噴水量需根據(jù)實際情況反復調節(jié)，易導致出磨水泥水分高，影響水泥產量和質量。采用高低壓油站冷卻方式，高低壓油站可根據(jù)進出油溫度、流量及進出水溫度、流量計算所需換熱面積。因高低壓油站完全依靠進水帶走熱油中的熱量，所以其受進出水流量及溫度影響較大，某些高溫地區(qū)的進水溫度能達到32℃，高低壓油站冷卻作用嚴重受限。大多數(shù)磨機廠家選擇在細磨倉鋪設隔熱墊，從磨尾卸料倉起，鋪設3m、5m或鋪滿整個細磨倉。隔熱墊能夠有效阻擋筒體熱量傳遞至滑環(huán)，從源頭解決磨機軸瓦溫度過高導致的設備跳停問題。

隔熱墊主要有橡膠隔熱墊和納米隔熱墊兩種。目前，使用較多的是橡膠墊，鑒于磨內溫度高達150℃，推薦使用GB/T 5574-2008《工業(yè)用橡膠板》中提到的Hr4隔熱墊，其耐熱溫度可達（180±2）℃。在使用過程中，每隔半年需檢查一次橡膠墊是否脫落或融化失效。近幾年，有些廠家開始使用由二氧化硅粉、纖維、膠壓縮成型的納米隔熱墊。納米隔熱墊外面包覆的鋁箔板易破損，需在襯板與隔熱墊之間墊一層白鐵皮，以避免襯板上的毛刺劃壞鋁箔板，造成隔熱材質泄露。某廠使用隔熱墊后，用測溫槍測試筒體溫度，未使用納米隔熱墊部分的溫度>80℃，使用納米隔熱墊部分的溫度>60℃，由此可見，納米隔熱墊不失為一種可選材質。

8 研磨體的優(yōu)化

研磨體的形式、填充率、級配選取對提高球磨機的粉磨效率、降低球耗和生產成本有著極其重要的作用。目前常用的研磨體包括鋼球、鋼段及陶瓷球。鋼球與鋼球之間為點接觸，一倉需選用鋼球沖擊破碎物料。鋼段與鋼段之間為線接觸，接觸面積大，研磨效率高，可以加入二倉鋼球中，同鋼球一起提高二倉的研磨效率。

同等直徑的陶瓷球比鋼球輕一倍，相同研磨體比表面積下，陶瓷球的單位能耗低于鋼球，但其系統(tǒng)產量卻降低5%~10%，有時甚至＞15%，陶瓷球更適合對產量降低不敏感的市場環(huán)境。

級配的選取應遵循最大球徑和平均球徑原則。同時應根據(jù)現(xiàn)場的物料情況及系統(tǒng)情況進行優(yōu)化。相對于單球磨機系統(tǒng)，在聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，進入球磨機的物料一般<2mm，比表面積約250m2/kg，最大球徑及平均球徑遠小于單球磨機系統(tǒng)。在實際生產過程中，影響鋼球級配的因素非常多，如物料易磨性及成品細度等，需合理調整配球方案。

9 結語

總體而言，提高球磨機粉磨效率，除了對球磨機磨內襯板結構、雙隔倉、擋料圈、隔熱墊、研磨體進行優(yōu)化外，還可優(yōu)化磨機長度、直徑，優(yōu)化進球磨機物料的粒度等，具體應視現(xiàn)場物料情況及系統(tǒng)情況而定。