國產水泥立式輥磨研磨區提產降耗改造

彭凌云，董苑，劉棟強

1 前言

水泥行業面臨日益嚴峻的節能降耗壓力，特別是GB 16780-2021《水泥單位產品能源消耗限額》標準的出臺，促進了各水泥生產企業利用停機時間對生產設備進行節能降耗升級改造。在水泥生產過程中，粉磨系統電耗占全部生產用電的60%～70%，因此，進行粉磨系統改造、降低粉磨系統電耗是水泥生產企業節能降耗的主要目標之一。

立磨終粉磨系統具有工藝流程簡單、占地面積小、操作維護簡單等優點，是水泥生產企業常用的成品制備粉磨系統。其中，立磨是粉磨系統運行的主要設備，集研磨、選粉、烘干等功能于一體，也是節能降耗改造的重點設備。

某水泥廠有兩臺型號相同的國產水泥立磨，磨盤直徑?4.6m，配置2個主動磨輥和2個輔助磨輥，裝機功率3 150kW，水泥立磨系統配置見表1。自投產以來，立磨穩定性差、振動大，頻繁出現振動跳停情況，運轉率和臺時產量低，電耗高，嚴重影響了水泥生產。一段時期的統計結果顯示，兩臺水泥立磨平均產量均為90t/h 左右，1 號水泥立磨主機電耗20.59kW·h/t，2 號水泥立磨主機電耗22.95kW·h/t，雖已多次對這2臺磨機進行過調整，但立磨穩定性較差的問題一直未得到妥善解決，提產降耗收效甚微。

表1 水泥立磨系統配置

2020 年，該水泥廠采用天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱“天津水泥院”）新型研磨區技術，對兩臺水泥立磨進行了局部結構升級改造，改變物料在立磨磨盤上的流速及運動軌跡，加寬立磨有效研磨區，在提升立磨穩定性的基礎上，提高了設備運轉率，提產降耗效果明顯。改造后，在相同水泥配比和成品細度情況下，1號水泥立磨提產38%，系統電耗下降3.0kW·h/t；2 號水泥立磨提產22%，系統電耗下降2.6kW·h/t。

2 立磨工作原理和問題分析

立磨是利用料床粉碎原理進行物料研磨的設備，料床主要由磨輥、磨盤及磨盤上的物料組成。立磨工作時，一方面，磨輥直接施壓在物料上，對物料進行擠壓粉碎，另一方面，磨盤回轉產生離心加速度，使磨盤上受磨輥擠壓的物料顆粒間形成運動速度差，受剪切力而粉碎。料床擠壓和剪切粉碎相結合，最終達到產品粒徑要求。

假想立磨料床工作時，物料顆粒間存在“摩擦系數”，若物料顆粒受擠壓和剪切力小，則摩擦系數較小，磨輥和物料間會出現打滑現象，料床厚度波動大、薄厚不均，磨機振動大，產量低，電耗高[1]。如何提高摩擦系數，成為解決立磨頻繁振動、提產降耗的關鍵，常用的方法有增加磨內擋料圈高度和“向料床噴水”兩種，但這兩種方法均存在缺陷。雖然增加擋料圈高度會提高立磨穩定性，但同時也會導致料層加厚、電耗升高。如果向料床噴水過多或噴水位置不當，則易引起水泥的早期水化反應，從而影響水泥性能。

通過該水泥廠的現場測量和標定數據可知，水泥立磨磨輥有效研磨區寬度為140mm，僅占全部輥寬的20%。磨輥有效研磨區寬度窄，立磨工作時，物料受壓面積小，料床上的物料在磨輥施壓粉碎前急速跑離；物料在受剪切粉碎前，顆粒間難以形成速度差，產生的剪切力小，物料間摩擦系數小。另外，立磨主電機消耗功率較低，額定功率為3 150kW，實際消耗功率＜2 000kW，做功不足額定功率的63%。

天津水泥院技術團隊研究發現，在立磨磨盤轉速不變的情況下，調整磨盤與磨輥的嚙合形式，可適當降低物料在磨盤上的流速，改善物料在磨盤上的運動軌跡。調整磨盤與磨輥的嚙合形式，不僅能夠增加磨盤上的物料間的摩擦系數，還能增加物料被粉磨的次數，加寬有效研磨區，從而提高磨機的穩定性及粉磨效率。

3 改造方案

3.1 磨輥研磨區改造

（1）在不改變磨盤轉速的情況下，改變磨盤和主輥的嚙合形式，將原水平磨盤結構修改為略帶角度的斜盤，維持磨輥中徑、磨輥母線與磨盤的間隙不變，調整磨輥母線角度。

（2）通過在線堆焊的方式，完成磨盤襯板和磨輥輥套外形的改造，在線改造停機時間短，工作量小。該改造方案改變了物料在磨盤上的流速和運動軌跡，將物料受切向力、離心力和摩擦力的狀態，改變為受切向力、離心力、摩擦力和部分重力的狀態。同時，該改造方案采用的技術為天津水泥院近年來研發的新技術，先后經歷了理論計算、實驗室研究和半工業實驗，最終實現了工業應用。改造后，不僅提高了立磨穩定性，還增加了物料在磨盤上被粉磨的次數，減小了邊緣效應，提高了粉磨效率。

3.2 下料管改造

該水泥廠立磨原下料管的落料點高度距磨盤＞1m，無法保證物料正常落在磨盤中心，易產生邊緣效應，使一些物料未經磨輥粉磨就直接甩離磨盤；不但影響粉磨效率，還會增加磨內通風阻力。本次改造延長了直段下料管，使其距磨盤高度縮短為500mm，同時，相應延長了喂料溜管，使其插入至直段下料管內。

3.3 導風環改造

原導風環水平方向夾角角度較小，不僅影響風環處阻力和帶料能力，還會使一些成品物料再次被吹回磨盤，破壞料床穩定，本次改造對原導風環角度進行了調整。

3.4 回轉下料器改造

原水泥立磨喂料采用回轉下料器，易產生磨損，影響鎖風效果，造成磨內通風量不足。本次改造將回轉下料器改為立式鎖風給料器，該設備利用料位進行鎖風，使用變頻電機，根據進料量實現自動調速，使立磨殼體內保持合適料位。

4 改造效果

該水泥廠利用生產淡季，完成了對兩臺水泥立磨磨盤磨輥研磨區、下料管、導風環及喂料裝置的改造，每臺磨機的改造周期約為20d，改造效果顯著。

4.1 立磨振動值降低

本次改造在不增加磨內噴水的前提下，兩臺立磨均由頻繁跳停轉變為平穩運行，水平和垂直方向振動值均下降至1.5mm/s 以內。改造前后立磨振動趨勢對比見圖1。

圖1 改造前后立磨振動趨勢對比

4.2 磨輥有效研磨區加寬

改造前，兩臺立磨磨輥的有效研磨區寬度僅為輥寬的20%，改造后，運轉1 000h后測量，磨輥有效研磨區寬度為260mm，占輥寬的35%，有效加寬了研磨區寬度，達到了預期改造效果。加寬研磨區后，不僅提升了立磨穩定性，實現了提產增效，還有效延長了輥套襯板耐磨件的使用壽命。

4.3 立磨提產降耗

改造前，1 號水泥立磨磨輥加載壓力最高9.0MPa，主機消耗功率約1 850kW；2號水泥立磨磨輥加載壓力最高8.5MPa，主機消耗功率約2 000kW。改造后，1號水泥立磨加載壓力為11.0MPa，主機消耗功率約2 400kW，增幅30%，2號水泥立磨加載壓力為11.0MPa，主機消耗功率2 300kW，增幅15%。

1號水泥立磨在熟料占比73%時，改造前后成品細度折算到相同成品細度下，產量由改造前的90t/h 上升至125t/h，增幅38%，主機電耗由20.59 kW·h/t下降至19.38kW·h/t，風機電耗由6.75kW·h/t下降至6.12kW·h/t，系統電耗合計下降3.0kW·h/t。2號水泥立磨在熟料占比87%時，改造前后成品細度折算到相同細度下，產量由改造前的90t/h上升至110t/h，增幅22%，主機電耗由22.95kW·h/t 下降至20.7kW·h/t，風機電耗由6.2kW·h/t下降至5.6kW·h/t，系統電耗合計下降2.6kW·h/t。兩臺水泥立磨改造前后產量和電耗對比見表2。

表2 兩臺水泥立磨改造前后產量和電耗對比

5 結語

（1）本次對國產水泥立磨研磨區的改造，采用天津水泥院專利技術（ZL201420246816.8），在兩臺立磨上均取得了顯著效果，有效解決了原立磨存在的穩定性差、產量低、主電機消耗功率低、有效研磨區寬度窄、能耗高的問題。

（2）改造采用在線堆焊的方式，改變了磨盤襯板和磨輥輥套的外形，改造周期短，投資回報率高。

（3）本次改造項目為解決水泥立磨運行穩定性問題及提高物料摩擦系數，提供了新的解決思路，也為水泥行業節能降耗做出了貢獻。