摘要:
目前我國水泥工業(yè)生產(chǎn)中最常見的粉磨設(shè)備是球磨機，生產(chǎn)1噸水泥需要粉磨3噸物料，耗電約80度左右，占水泥生產(chǎn)總電耗的60%-70%。盡管這個數(shù)字比20年前下降了30%多，但繼續(xù)研究新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)，不斷創(chuàng)新球磨機節(jié)能高產(chǎn)新記錄，仍然是我們不懈追求的重要目標。
影響球磨機節(jié)能高產(chǎn)的因素很多，其中入磨物料粒度大小，是主要影響因素之一。通俗地說，“預(yù)粉碎工藝”就是一種“采用降低入磨物料粒度的方法，來使磨機節(jié)能高產(chǎn)”的生產(chǎn)工藝。20世紀80代以前，我國水泥工業(yè)生產(chǎn)規(guī)程中，將入磨物料粒度定為20～25毫米。物料由礦山開采粒度(300～600毫米)加工到入磨物料粒度的過程，主要由破碎機來完成，稱之為破碎工藝；物料由入磨物料粒度加工到出磨物料粒度(0.08毫米左右)的過程，主要由球磨機來完成，稱之為粉磨工藝。破碎工藝和粉磨工藝又統(tǒng)稱為粉碎工藝。20世紀80年代前后，節(jié)能高產(chǎn)技術(shù)的研究結(jié)果表明，把入磨物料粒度由20～25毫米降低到5毫米以下，對球磨機的節(jié)能高產(chǎn)有明顯作用。完成這一粒徑范圍粉碎任務(wù)的工藝過程，就被稱之為預(yù)粉碎工藝。預(yù)粉碎工藝設(shè)備可以是破碎機，也可以是球磨機或其他機械設(shè)備，因此，單純按粉碎設(shè)備來進行工藝分類是不適合的。近10年來，粉碎工藝分類的現(xiàn)代理念，是根據(jù)粉碎物料的目的和任務(wù)來劃分的。由于水泥生產(chǎn)工藝“兩磨一燒”的特殊性，以生產(chǎn)入窯生料或出廠水泥為目的的粉碎工藝，被稱之為終粉碎工藝；而為其做準備工作的其他粉碎工藝，就可以廣義地稱之為預(yù)粉碎工藝。
一、預(yù)粉碎的作用機理
水泥工業(yè)生產(chǎn)中需要粉碎的原材料，主要來源于礦山開采和熱工燒成。因此，在粉碎之前，這些物料內(nèi)部都不同程度地存在著晶格缺陷和微細裂紋。在機械外力的作用下，物料內(nèi)部的凝聚力受到破壞，應(yīng)力波向四處傳播，并在其內(nèi)部缺陷、裂紋、晶格界面等處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使物料首先沿著這些脆弱面開裂而被粉碎。同時，這些被粉碎后形成的不同大小的顆粒內(nèi)部，也因機械外力作用方式及大小不同，殘留下不同程度的晶格缺陷和微細裂紋。為球磨機粉磨過程的節(jié)能高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。這就是說：外力給予物料以動能，并轉(zhuǎn)變?yōu)槲锪系淖冃文�，在其�?nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，是導(dǎo)致物料被粉碎的主要原因。預(yù)粉碎工藝不僅使入磨物料粒度變小，而且使入磨物料的易磨性不同程度地得以改善。
從另一角度講，球磨機是一種能量利用率較低(3%-5%)的粉磨設(shè)備，尤其是研磨體以拋落狀態(tài)為主的頭一倉。大部分能量被碰撞發(fā)熱、噪音所消耗，真正用于粉碎作功的能量卻很少。預(yù)粉碎工藝中俗稱“以破代磨”、“多破少磨”的理念，正是以其他能量利用率較高(30%以上)的粉碎設(shè)備，來代替球磨機頭一倉的粉碎工作，讓球磨機揚長避短，充分施展以研磨為主的粉碎作用。從而，使粉磨系統(tǒng)中配置的不同設(shè)備發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢，這對于粉磨工藝節(jié)能高產(chǎn)，具有十分重要的意義。
在粉磨工藝學(xué)里，常把入磨物料80%能夠通過的篩孔孔徑稱之為入磨物料的平均粒徑，以d80表示。球磨機的增產(chǎn)系數(shù)Kd則以d80為計算基準，計算公式如下：
Kd＝(d1／d2)1/4
式中：
Kd——球磨機助增產(chǎn)系數(shù)
d1——原來入磨物料的平均粒徑(毫米)
d2——預(yù)粉碎后入磨物料的平均粒徑(毫米)
G2＝Kd·G1
G1——原來球磨機的產(chǎn)量(噸/小時)
G2——減小入磨粒度后球磨機的產(chǎn)量(噸/小時)
舉例：1臺球磨機的入磨物料粒度(d80)由20毫米減小到5毫米；臺時產(chǎn)量可提高41%左右。[Kd＝(d1/d2)1/4＝(20/5)1/4＝1．411]
二、預(yù)粉碎工藝設(shè)備
近十幾年來，許多外國的先進的技術(shù)裝備被引進、消化、吸收。給預(yù)粉碎工藝的設(shè)備選型提供了多樣化的挑選余地。要根據(jù)本企業(yè)自身發(fā)展的實際情況，遵循“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理”的原則，來選擇預(yù)粉碎工藝設(shè)備。
1．細碎破碎機
20世紀90年代，我國細碎破碎機的生產(chǎn)制造，出現(xiàn)了一個高潮。破碎比、產(chǎn)品粒度、金屬消耗量、單產(chǎn)電耗等多項經(jīng)濟技術(shù)指標都有明顯進步(見表1)。
選擇細碎破碎機，首先要看它的結(jié)構(gòu)、工作原理是否先進。物料進入破碎機后，能否有一個曲折、合理的運動軌跡?物料在破碎腔內(nèi)能否實現(xiàn)多功能復(fù)合粉碎過程?然后還必需考慮它的單產(chǎn)電耗是否經(jīng)濟?金屬消耗量是否低?安全運轉(zhuǎn)率是否高?價格是否合理?環(huán)保指標是否達標等等。使生產(chǎn)可靠性與技術(shù)先進性較好地統(tǒng)一起來。
2．擠壓機(輥壓機)
1985年世界上第1臺擠壓機(又稱：輥壓機)問世以來，迅速得到發(fā)展。由于它實現(xiàn)了高壓(50～300兆帕)條件下的料床粉碎，不僅使粉碎產(chǎn)品的顆粒粒度大幅度降低，而且產(chǎn)品顆粒內(nèi)部微細裂紋增加，使物料的易磨性得到明顯改善。在擠壓機正常工作時，擠壓粉碎力是由活動壓輥，通過被粉碎的物料料層，傳遞到固定壓輥的；大部分能量被用于物料之間的相互擠壓、磨剝，使其變形、粉碎；在高負荷的擠壓作用下，物料磨擦產(chǎn)生的聲能、熱能也被轉(zhuǎn)化為物料的變形能。因此，能量利用率相當高，作為預(yù)粉碎設(shè)備，對球磨機的節(jié)能高產(chǎn)作用十分明顯。擠壓機的規(guī)格一般以壓輥直徑／壓輥長度表示(見表2)。
由于擠壓機在高壓狀態(tài)下工作，因此對設(shè)備的材質(zhì)、裝配、安裝及操作維護都有較高要求。國產(chǎn)擠壓機的質(zhì)量正在不斷地提高，一般都采用“大輥徑、小輥寬”的方案。壓輥直徑大，對物料的嚙入性能好，進料粒度可以放寬。同時，物料受擠壓的時間相對較長，軸與軸承的承載能力提高，安全運轉(zhuǎn)率和使用壽命延長。但是，壓輥表面窄，容易產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)”。所謂“邊緣效應(yīng)”就是在物料被粉碎的過程中，部分未被真正擠壓的物料從壓輥兩端漏出，使粉碎產(chǎn)品質(zhì)量及其均勻性受到影響。如不認真對待，對球磨機的節(jié)能高產(chǎn)會起到負面作用。選用擠壓機作為預(yù)粉碎設(shè)備時，還必須滿足擠壓機的“過飽和喂料”要求。根據(jù)擠壓機的工作原理，一方面在擠壓粉碎腔內(nèi)，需要全充滿的物料傳遞粉碎作功的擠壓力；另—方面，進入粉碎腔的物料在強大的擠壓作用下，其體積會壓縮很多。因此，擠壓機的喂料倉必須有足夠的料位，能均勻、充足地喂入粉碎腔，即過飽和喂料。否則，擠壓機的產(chǎn)量、質(zhì)量將受到明顯的影響。一般情況下，只要工藝流程設(shè)計合理，這些問題是可以解決的。
3．棒磨機
裝有鋼棒作為研磨體的球磨機稱之為棒磨機。鋼棒是一種具有選擇性粉碎作用的研磨體，它不僅質(zhì)量大、沖擊力強，而且與物料之間是線接觸起粉碎作用。因此，對粒度較大的物料沖擊多、對粒度小的物料沖擊少；粉碎產(chǎn)品粒度均齊，是其顯著特點之一。作為預(yù)粉碎設(shè)備對球磨機節(jié)能高產(chǎn)十分有利。目前我國已將單倉小型棒磨機，應(yīng)用于球磨機的預(yù)粉碎工藝之中(見表3)。
棒磨機倉內(nèi)采用直徑55～75毫米的剛棒，材質(zhì)以45Mn或70號高碳鋼為宜；倉內(nèi)填充率一般為25％～28％，鋼棒長度應(yīng)比倉的長度短50～100毫米，以防止鋼棒被大塊物料擠住，不能自由運動而造成亂棒事故。在棒磨機的使用過程中，預(yù)防和處理亂棒事故是一項重要的操作技能。導(dǎo)致亂棒的原因較多，其中最常見的是磨機飽磨。因此，磨機負荷控制一定要仔細、認真。處理亂棒的方法是，首先將倉內(nèi)物料全部卸空，再將容易取出的鋼棒取出，用氣割將妨礙棒群復(fù)直的彎棒割斷并取出，使棒群有足夠的下落空間，然后轉(zhuǎn)動磨機，直至全部理順為止。
4．立式磨
立式磨又稱碾輥磨，它是利用碾輥和磨盤的相對運動將物料粉碎。由于磨盤由主電機驅(qū)動，碾輥從動時有液壓系統(tǒng)加壓，因此，粉碎物料的過程中，既有類似擠壓機的料層粉碎作用，又有輥與盤相對滑動產(chǎn)生的剪切、研磨作用。所以，其能量利用率比球磨機高得多。用于預(yù)粉碎的立式磨與終粉碎的立式磨有所不同，前者為機械出料，而后者為風(fēng)送出料。從外觀上看，前者只有后者的下半截。目前僅在國內(nèi)幾個大型水泥廠，使用了日本川崎公司的CKP型立式磨(見表4)。
對碾輥施加不同的壓力，產(chǎn)品的粒度大小及顆粒組成將發(fā)生變化。隨著壓力的增加，開始變化較大，后來其變化幅度越來越��；接近額定壓力的67％～78％之后，產(chǎn)品的細度狀態(tài)幾乎不再變化。從使用情況來看，在機械結(jié)構(gòu)性能、運行穩(wěn)定性、操作難易程度、輥套耐磨壽命等方面，都優(yōu)于擠壓機。從粉磨效率來看，立式磨可以有效地對熟料進行預(yù)粉碎，其效率與擠壓機相當，但對熟料易磨性的改變程度不及擠壓機。對于大型球磨機水泥粉磨系統(tǒng)的預(yù)粉碎配套與改造，選用CKP型立式磨更為合適。
三、預(yù)粉碎工藝流程
根據(jù)預(yù)粉碎加工物料的品種，工藝流程可分為：單物料的預(yù)粉碎和配合料的預(yù)粉碎兩大類型。前者是單一的減小物料粒度，而后者不僅減小了物料粒度，而且使多組分物料相互混合、起到均化作用，對粉磨產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)有利。無論是單物料的預(yù)粉碎，或者是配合料的預(yù)粉碎，都可以分為開路流程和閉路流程。與普通粉磨工藝一樣，開路流程簡單、一次性投資少，但產(chǎn)品粒度波動大、對球磨機的節(jié)能高產(chǎn)幅度有一定的限制；而閉路流程復(fù)雜、設(shè)備投資大，但產(chǎn)品粒度均齊、細度調(diào)節(jié)容易控制，更有利于球磨機的節(jié)能高產(chǎn)。
1．預(yù)粉碎開路流程
物料經(jīng)預(yù)粉碎后，直接進入球磨機終粉磨的預(yù)粉碎工藝流程，稱之為預(yù)粉碎開路流程。根據(jù)磨頭操作空間的大小，預(yù)粉碎設(shè)備可以安置在球磨機進口的上方，也可以安置在進口的下方，采用斗式提升機進行聯(lián)接。在老廠技術(shù)改造中，如果當?shù)氐叵滤粶\或原磨房就是框架結(jié)構(gòu)建筑，則可采用前一方案；而干旱地區(qū)或磨房為簡易建筑結(jié)構(gòu)，一般采用后一方案比較有利。由于開路流程工藝特點所至，預(yù)粉碎設(shè)備的生產(chǎn)能力不必選擇過大，與球磨機生產(chǎn)能力持平即可。需要預(yù)粉碎的物料，尤其是配合料，其中小于5毫米的細顆粒都占有一定比例(有的超過 15％)。因此，在它們進入預(yù)粉碎設(shè)備之前，應(yīng)該預(yù)先篩分一下。最簡單的辦法，就是在預(yù)粉碎設(shè)備的進料溜管底面開一個方孔，上面焊上幾根鋼筋，做成縫寬為5毫米的條篩，條篩下接一個溜管通向球磨機入口。進預(yù)粉碎設(shè)備的物料中，小于5毫米的細顆粒被條篩篩下，直接入磨；其它粗顆粒經(jīng)預(yù)粉碎后再入磨。這樣不僅減少了細顆粒對預(yù)粉碎設(shè)備內(nèi)沖擊粉碎過程的影響，使預(yù)粉碎效率得到提高；而且也儲備了一定的生產(chǎn)能力，為球磨機節(jié)能高產(chǎn)解決了后顧之優(yōu)。
2．預(yù)粉碎閉路流程
經(jīng)過預(yù)粉碎設(shè)備粉碎后的物料，如果進行篩選或分流處理，較細的一部分進入球磨機細磨，而較粗的一部分重新返回預(yù)粉碎設(shè)備再粉碎的工藝流程，我們稱其為預(yù)粉碎閉路流程。該流程中帶有檢查篩分或分級機(選分機)，不僅可以嚴格控制入磨物料的細度，而且可以充分發(fā)揮預(yù)粉碎設(shè)備的生產(chǎn)能力和節(jié)能效果。不論是生料制備還是水泥粉磨，都可以大幅度地, 提高球磨機的產(chǎn)量、質(zhì)量。例如：重慶長橋公司在預(yù)粉碎閉路流程中采用檢查篩分工藝，嚴格控制產(chǎn)品粒度，確保入磨物料粒度中90%都小于3毫米，使直徑1.83×7米閉路粉磨生料制備系統(tǒng)的產(chǎn)量達到了21噸/小時，將該球磨機設(shè)計產(chǎn)量翻了一番。
采用擠壓機作預(yù)粉碎設(shè)備，選擇閉路流程更為重要。國產(chǎn)擠壓機出料中未被真正擠壓的漏料，約占總量的15%左右，這些漏料與擠壓機真正產(chǎn)品料餅的物理性能(粒度、易磨性等)差異很大，對球磨機的產(chǎn)量、質(zhì)量有明顯影響。因此，選用打散分級機，與擠壓機組成預(yù)粉碎閉路流程十分必要。打散分級機可以將擠壓機的漏料和粒度不合格的粗料選出，待其返回擠壓機喂料倉后，既解決了擠壓機邊緣效應(yīng)(漏料)的負面影響，又緩解了擠壓機過飽和喂料的需求。同時，依靠分級機對預(yù)粉碎產(chǎn)品的把關(guān)，擠壓機可以采用低壓、大循環(huán)的運行機制，以減輕輥面磨損、提高安全運轉(zhuǎn)率、延長設(shè)備使用壽命。從另一方面看，打散分級機還可以將粒度合格的物料喂入球磨機，既保證了球磨機的節(jié)能高產(chǎn)，還可以根據(jù)球磨機生產(chǎn)能力的需要，調(diào)節(jié)粗、細物料的分選比例，合理控制粉磨系統(tǒng)的運行負荷。
四、球磨機工藝參數(shù)調(diào)整
在水泥廠技術(shù)改造中，如果球磨機粉磨系統(tǒng)新增預(yù)粉碎工藝，必須注意：要及時調(diào)節(jié)粉磨系統(tǒng)工藝參數(shù)。首先是鋼球級配，在維持裝載量不變的情況下，要降低各倉平均球徑，一倉為直徑60±5毫米較為合適。如果入磨粒度均齊，則檢出大規(guī)格的鋼球；如果入磨粒度不均齊，則減少大球數(shù)量、增補相同裝載量的小球。有條件的地方，球磨機尾倉則可以用直徑20～30毫米的小球全部代替鋼段。開流磨的填充率應(yīng)該是后倉略高于前倉；圈流磨填充率則是前、后倉持平。由于入磨物料經(jīng)預(yù)粉碎后，粒度減小、易磨性不同程度地改善，因此，出磨機的細粉也應(yīng)該更細且含量更多，尤其是圈流磨，應(yīng)將出磨粒度由原來的R0.08＝(40±3)%調(diào)整控制到R0.08＝(30±3)%；同時選用選粉效率更高(>60%)的分級設(shè)備，來完成物料分級任務(wù)，如轉(zhuǎn)子式旋風(fēng)選粉機等；盡量減少粗粉回料量、增加成品細粉量(即球磨機產(chǎn)量)。總之，系統(tǒng)循環(huán)負荷率要調(diào)控到100%以下。
五、預(yù)粉碎工藝經(jīng)濟效益分析
選擇哪種預(yù)粉碎設(shè)備及工藝流程，是根據(jù)各企業(yè)自身的生產(chǎn)條件和經(jīng)濟實力所決定的。國內(nèi)幾家水泥企業(yè)，在增設(shè)預(yù)粉碎工藝前后的技術(shù)經(jīng)濟指標變化列入表5。
我國水泥新標準頒布實施后，對水泥生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。預(yù)粉碎工藝應(yīng)用干球磨機粉磨工藝，不僅實現(xiàn)了其粉磨系統(tǒng)的節(jié)能高產(chǎn)，而且使其粉磨產(chǎn)品更加適應(yīng)水泥新標準的有關(guān)要求。同時，預(yù)粉碎工藝既適合于老廠技術(shù)改造，又適合于新建廠設(shè)計采用。該技術(shù)先進可靠、經(jīng)濟效益好，是適合我國水泥工業(yè)發(fā)展的有效途徑。
