辊压机及挤压粉磨技术的进展和实践

2008-06-04 00:00

　　1、前言

　　我国辊压机及挤压粉磨技术经过近二十年的研究与应用已日趋成熟，可以说基本解决了应用的一系列关键技术问题，尤其是通过工艺系统的深入研究和主机可靠性的提高，辊压机系统运转率已达到球磨机系统的水平，挤压粉磨的高效节能特点更加充分地以发挥。从1999年至2002年7月间近50条水泥生产线相继应用的效果看，这一技术已成为1000t/d、2000t/d、2500t/d熟料等大型水泥生产线水泥粉磨系统的优选方案。由于辊压机可以和打散分级机、球磨机、选粉机等构成多种粉磨工艺流程，满足不同生产线产品产量和质量的要求，因此，更符合水泥企业实施水泥新标准的要求。本文就此阐述如下,供参考。

　　2、辊压机装备技术的研究

　　辊压机在我国已经历十余年的研究与应用，一方面体现出其高效节能的特点，另一方面由于设备的不成熟和我们对其固有特性认识不足，给早期的用户带来维护上的麻烦，使辊压机的推广应用受到较大阻力，其中辊压机辊面的耐磨设计及其修复；辊压机设备的振动；辊压机工艺参数的设计与调整等成为辊压机设备中急待解决的问题。

　　2.1 辊压机辊面耐磨技术的研究

　　对于辊压机辊面耐磨技术，国内外各大水泥装备公司均投入大量的资金和精力加以研究，先后开发出整体铸造式、整体堆焊式、堆焊镶套式、硬质合金柱钉式、分块式以及硬质合金烧结式等。其中整体铸造、整体堆焊属于早期技术；硬质合金柱钉式和硬质合金烧结式，因对物料中异物的敏感性强或因造价昂贵，未被广泛使用；分块式辊面由于受力的不合理性，在1996年以后即被否定；目前从耐磨设计的合理性以及使用、维护、更换等诸多因素综合考虑后，被认为适应强、综合性能最好的是堆焊镶套式。

　　由于堆焊镶套式辊面实现了磨辊母体与辊面耐磨层的分离，因此，就可以使用不同的材料和热处理工艺，以分别满足磨辊主轴的综合机械性能和辊面耐磨堆焊性能的需要。其技术应包括以下几方面：
　　a、根据被挤压物料的物理性能，选择适当的耐磨材料和辊面花纹形式，即新辊面的制造技术；
　　b、辊面使用过程中的现场局部修复技术；
　　c、辊面的现场整体修复技术；
　　d、辊套更换技术。

　　2.1.1 新辊面的设计与使用

　　a、辊压机辊面的磨损为高应力磨粒磨损，所选用的耐磨材料，须综合考虑表面硬度、耐磨性与韧性的有机结合。针对上述情况，开发出新型耐磨焊接材料，这种材料的主要合金元素是铬—钼—钒类型，通过调整碳—铬—钼—钒的不同配比获得具有不同硬度和韧性的堆焊材料，以满足不同抗磨损要求和堆焊层厚度方向上硬度梯度变化的要求，并通过焊前和焊后处理，使辊面在提高耐磨性的同时，确保在使用过程中不出现大面积剥落现象。并且要求这种材料与日后修复使用的现场补焊材料具有良好的相容性。新磨辊的堆焊一般采用药芯焊丝埋弧自动堆焊工艺。

　　b、多年实践证明，辊面花纹形式对辊面耐磨寿命的影响是较大的。众所周知，磨损的产生须同时具备两个要素，即压力和相对滑动。粉碎物料所需的压力是由被粉碎物料的性能所决定，不可改变，减小物料在挤压过程中与辊面的相对滑动，是减小磨损、延长辊面寿命的有效途径。国内早期使用的“人”字形花纹虽然能够阻止物料的圆周方向滑动，但并未制约对物料在挤压过程中的轴向滑动，尤其在挤压物料颗粒较小如生产新型干法矿渣水泥时，两“人”之间的磨损较严重。因此，目前在HFCG系列辊压机辊面上广泛采用“棱”形花纹中间加硬质点的耐磨表面，取得了良好的使用效果，图1不同花纹形式的磨辊表面磨损情况；图2为在大连华能—小野田水泥有限公司RPV100—63型辊压机使用HFCG型耐磨辊套的情况。

图1 不同花纹形式的磨辊表面磨损情况

未使用辊面（01/04/6日） 8个月（4600小时01/12/10摄）13个月（7000小时02/5/23摄）

图2 大连华能—小野田辊压机使用HFCG型耐磨辊套

　　2.1.2 辊压机耐磨辊面正常使用过程中的现场局部修复

　　辊压机辊面的局部修复，主要是针对辊面因异物的进入，造成辊面局部脱落进行的。根据损伤深度确定是否修复过度层，耐磨层修复时应与原有的隔离开来，以避免焊接热应力破坏原有的耐磨层，补焊接材料与原有的耐磨层材料应具有相容性，并且具有良好的冷焊性能。此外，修复前的表面清理，包括水泥灰和辊面疲劳层的清理，对辊面耐磨修复的质量起着至关重要的作用。目前辊面局部修复主要采用耐磨堆焊焊条手工修复，也可采用二氧化碳气体保护焊和明弧焊等堆焊方式。

　　2.1.3 辊压机耐磨辊面的整体修复

　　辊压机辊面整体修复分为：直接补焊和整体清除后补焊。针对辊面沿辊宽方向的不均匀磨损和花纹、硬质点的不均匀磨损以及辊面的整体磨损，可以采取上述局部修复的方法进行直接补焊；在经过了多次直接补焊（一般5～6次）之后，由于反复承受高压挤压应力作用和焊接微裂纹在每次补焊时的不断扩展，磨辊母体表面会产生一定厚度的疲劳层，若再用耐磨修复焊条直接补焊则会产生从母体层直接脱落，此时，必须对磨辊表面的疲劳层进行彻底清理后，才能再做耐磨堆焊层。疲劳层的清理主要采用碳弧气刨或电熔刨，堆焊即可采用自动堆焊。无论是直接补焊，还是整体补焊都应注意磨辊的圆度误差和两辊直径差不得过大，否则会造成修复后的辊压机水平振动和两磨辊不均匀载荷加大。图3为旧磨辊耐磨表面修复前后的情况。

图3 某厂HFCG120-40型辊压机磨辊修复情况

　　2.2 辊压机振动控制技术的研究

　　辊压机振动是影响其可靠运行的关键因素之一。辊压机的振动分为活动辊水平振动和辊压机传动系统扭振。活动辊水平振动，会加剧液压缸密封圈的磨损、造成液压系统压力和传动系统扭矩波动加大，增加辊压机水平动载荷，对辊压机运行的可靠性带来不利的影响；传动系统的扭振是辊压机运行过程中极为恶劣的状态，它会造成传动系统零部件的损坏、设备基础酥松，使辊压机和系统无法运行。

　　2.2.1 辊压机水平振动的控制

　　辊压机水平振动主要是因为入辊压机物料颗粒过大或颗粒级配波动过大，造成物料对辊压机磨辊的反作用力波动加大。控制水平振动的方法主要有：
　　a、必须控制来料的粒度，满足辊压机对物料最大粒度的要求；
　　b、调整、搭配新来料，尽可能使其物料的颗粒级配趋于均匀；
　　c、适当增加料饼回料或打散分级机粗粉回料，以调整入辊压机的物料颗粒分布，增加物料密实度；
　　d、适当增加液压系统的压力和液压系统弹簧的刚度。

　　2.2.2 辊压机传动系统扭振的控制

　　辊压机传动系统的扭振（也有称为气振）产生的原因主要是由于带着气体的大量细粉喂入辊压机，在挤压过程中需要排出大量的气体，造成辊压机磨辊对物料的拉入角非常不稳定，也就使得物料对磨辊的反作用力矩波动非常大，形成辊压机传动系统的扭振。根据研究表明，影响扭振形成的主要因素有：①被挤压物料的细度和颗粒分布；②磨辊表面的花纹高度和形状；③磨辊挤压的线速度。图4为物料的细度和磨辊线速度对扭振的影响（磨辊花纹形式为“菱”形加硬质点）。

图4 物料细度及磨辊线速度对扭振的影响

　　控制辊压机传动系统扭振的方法主要有：
　　a、适当增加新给料粒度或者减少回料量（包括料饼回料和打散分级机粗粉回料）；
　　b、降低辊压机磨辊的线速度，留出挤压过程中的排气时间；
　　c、在辊压机进料装置中增设排气厢，使得料饼中的气体得以及时排出。

　　2.3 辊压机主要工艺参数的优化设计

　　由于辊压机高效节能的特性被广泛认同，通过联合粉磨和半终粉磨工艺，已逐步加大了辊压机所承担的粉碎负荷，终粉磨系统则是完全由辊压机来完成粉碎作业。但是，同样的辊压机在挤压大颗粒物料和挤压水泥细粉时的运行状态完全不同，因此，必须根据所需粉磨物料成品的要求以及所选择的粉磨系统来确定辊压机的辊径、辊宽、磨辊线速度和液压系统工作压力等主要工艺参数，具体考虑的原则有以下几方面：（设定辊压机装机功率不变）
　　a、当来料颗粒较大时，应采用辊宽较窄辊压机，以防止传动系统过负荷；
　　b、在要求辊压机系统送出较细的物料时，应适当增加辊宽，降低磨辊转速，以提高主电机的利用率，防止产生气振；
　　c、在挤压细粉时，辊宽加大后，为保证挤压效果必须提高液压系统的工作压力，因此主轴承须重新选型，承载能力需要重新核算；

　　3、挤压粉磨工艺系统的研究

　　伴随着对辊压机性能特点认识的加深，料饼打散分级设备的研究开发，辊压机的粉磨工艺得到迅速发展，以发挥辊压机卓越的破碎和粗磨功能，球磨机细磨功能为宗旨的挤压联合粉磨工艺；以及以先分选经辊压机挤压后的细粉为宗旨的半终粉磨工艺，已成为辊压机应用的主要方式。由于粉磨原理合理，各粉磨设备之间分工明确，使得粉磨系统综合电耗大幅度下降，系统产量大幅度提高。图5为各种挤压粉磨工艺的增产节电的比较①。辊压机与球磨机使用功率比值（%）

图5 各种挤压粉磨工艺的应用范围

　　但是，随着辊压机使用功率与球磨机使用功率比值的加大，辊压机的循环负荷量的增加，必然使入辊压机物料的粒度大幅度降低，辊压机的磨辊线速度受到气振的制约必须降低，从而，使辊压机的处理能力和装机功率利用率得不到充分的发挥，造成设备能力的浪费。因此，根据原材料的性能和对产品的要求，合理选择工艺流程和主机的配备，对降低整个工程投资、保证粉磨系统稳定运行、达到预期的技术经济指标是至关重要的。基于多年的摸索和实践，目前可以根据对产品的要求和原材料物性实验、分析，确定最佳的工艺配置，预测粉磨系统建成后的运行指标。

　　3.1 挤压联合粉磨系统的优化设计

　　挤压联合粉磨系统主要分为：开路挤压联合粉磨和闭路挤压联合粉磨。物料经挤压打散并分选后，细粉先送入球磨机粉磨,开路则由球磨机直接粉磨至成品；闭路则由球磨机粉磨后送入选粉机选出成品。其特点是所有的成品完全通过球磨机再次粉磨完成，产品颗粒分布宽、微粉含量高。因而适合应用于水泥成品粉磨。与以前的挤压联合粉磨系统相比（如图6所示），进行了如下的优化设计：

图6 挤压联合粉磨系统比较

　　a、取消辊压机料饼回料。所有挤压后的物料全部进打散分级机分选，回料量完全由打散分级机来调节控制。改进后减少了一个扬尘点和系统主要故障点；
　　b、配单台球磨机的条件下,取消包括磨机的喂料控制设备在内的磨头仓，完全由打散分级机控制入磨物料量。以防止因磨头喂料不均匀造　成磨机系统的波动，以及因喂料设备磨损影响系统运转率；
　　c、对高细高产筛分磨的深入研究与改型设计，根据打散分级机送来的物料重新设计并优化磨内参数，有效地控制了磨内物料的流速，使水泥成品在满足比表面积和强度的条件下，0.08mm的筛余大幅度下降，已达到一般闭路磨的水平，产品性能更加优良。

　　通过上述优化设计，使整个粉磨系统从来料提升机开始到球磨机出口，甚至到选粉机成品出口为止均为密闭状态，非常有利于系统收尘；整个粉磨车间可缩短3～4米；系统运转率进一步提高，投资和运行成本进一步降低。但是，这种优化是建立在对整个工艺系统参数准确设计基础上，尤其是对经挤压打散后入磨的物料粒径做出准确判断后才能进行，否则，整个系统将无法正常操作。另外，值得指出的是：由于辊压机粉磨效率高，系统发热量小，入料综合水份对挤压联合粉磨系统的影响较大，对于开路挤压联合粉磨系统，由于磨内风速低，水分更是难以排出，所以，作为挤压联合粉磨系统应用条件之一，控制入料水份在1.2%以内是非常重要的。

　　3.2 挤压半终粉磨系统的优化设计

　　挤压半终粉磨系统主要特点为：将已经挤压后存在大量微粉的物料（表1为某厂水泥配料后，经挤压打散分级，准备送入后续粉磨系统的物料颗粒分布）送入选粉机，先分选出部分成品，粗粉再送入球磨机粉磨，出磨物料也送入选粉机。图7为比较典型的半终粉磨工艺流程。打散分级机在其中除起到打散料饼，粉出细粉供选粉机分选外，还起到调整辊压机和球磨机之间负荷的作用，使整个系统平衡、稳定运行。

表1 某厂水泥挤压打散分级前后物料颗粒分布表

　　挤压半终粉磨工艺所生产的产品颗粒分布相对集中，尤其是配以第三代高效选粉机的粉磨系统，产品颗粒更加均齐。这对于具有一定颗粒分布要求的水泥粉磨来说并不适合，但对于应用于新型干法生产的水泥生料粉磨来说是非常适宜，它既可以控制大于0.2mm颗粒的物料量，防止产生过多的f-CaO，同时避免产生大量的微粉，不利于窑的煅烧，还可降低粉磨系统电耗。

图7 挤压半终粉磨系统

　　由于有部分成品未经过球磨机而被直接选出，球磨机的通过能力对整个粉磨系统的制约小，因此，挤压半终粉磨工艺使原有的球磨机产能大幅度提高，可以超过100%。这就为因窑系统改造后的水泥生料粉磨系统改造提供了高效实用的方案。在制订挤压半终粉磨系统方案时，应注意处理好以下的平衡关系：
　　a、粉磨能力与选粉能力的平衡。辊压机的加入无疑粉磨能力得到增强，但如果选粉能力不能与之相适应，同样不会达到预期的效果。增加选粉能力的方法有两种：其一是更换大规格的选粉机；其二是在原有选粉机的基础上并联一台选粉机，但这两台选粉机的平衡很难调整，操作难度大，影响整个系统的改造效果；
　　b、粉磨、选粉能力与烘干能力的平衡。辊压机粉碎物料达到同样效果时所产生的热量远不如球磨机大，因此系统改为挤压半终粉磨工艺后，系统烘干能力相对下降，所以必须降低入粉磨系统物料的综合水分或者增加粉磨系统烘干能力，如采取向打散分级机、选粉机和磨机通热风等措施；
　　c、辊压机的主要工艺参数，包括辊宽、线速度及液压系统的操作压力等，均应根据系统产量、细度的要求和已有球磨机的规格来重新核算确认。

　　3.3 挤压终粉磨系统的研究与实践

　　二十世纪九十年代国外就已将辊压机终粉磨工艺成功应用于水泥生料、水泥成品以及细磨矿渣，取得了令人满意的效果。我国的水泥行业对此项技术给予了高度重视，列入国家“八五”、“九五”科技攻关课题进行研究攻关，先后在陕西咸阳新型建材厂、安徽省安庆白鳍豚水泥有限公司建成水泥终粉磨生产线，通过对辊压机水泥终粉磨工艺的研究，已取得了以下成果：

　　a、通过调整辊压机的操作参数（液压压力、磨辊转速等），已完全掌握了辊压机在挤压不同粒径物料时的运行规律。在挤压300㎡/kg以上比表面积时，可以保证辊压机在安全、平稳的运行状态下，对物料输入足够的粉碎能量，使辊压机的设备能力得到充分发挥；

　　b、通过调整粉磨系统的循环负荷、打散分级机的分级转速以及选粉机的转速等工艺参数，可以使系统保持平稳的运行状态，粉磨系统的吨水泥电耗（旋窑42.5#普硅水泥，比表面积为300±10㎡/㎏）小于24kW·h/t；

　　c、通过在系统中设置颗粒分布调节器，控制一定量的细粉返回辊压机重新挤压，使水泥成品的颗粒分布加宽，达到合理的分布比例（见表2所示）；调整辊压机的循环负荷，对水泥成品颗粒进行整形，使其颗粒形貌更加接近球形（见图8所示），实现了辊压机终粉磨水泥在性能上与普通闭路磨基本一致。

表2 辊压机终粉磨工艺的水泥成品颗粒分别

图8 辊压机终粉磨工艺的水泥成品颗粒形貌

　　辊压机水泥终粉磨的研究成功，其意义不仅仅在于解决了终粉磨时的水泥性能问题，更重要的是在于了解并掌握了辊压机在挤压微粉时的运行特性，研究结果表明在挤压350㎡/㎏以上比表面积的水泥物料时，辊压机已不能再很有效地将粉碎能量输入给物料，从而明确了辊压机对物料的有效作用范围，为今后辊压机的选型配套，如矿渣超细粉磨和水泥生料的终粉磨提供了可靠的设计依据。

　　4、挤压粉磨工艺在水泥粉磨系统中的应用

　　辊压机在破碎和粗磨阶段的高效率，使其在水泥粉磨过程中得以广泛应用。到目前为止，主要是预粉磨和联合粉磨工艺为主，应用实际表明无论在投资、运行成本、系统运转率以及水泥成品性能等方面都取得了满意的结果，同时，在解决了物料烘干问题后，对现有生产线进行改造则不失为一个很好的方案，众多厂家的运行结果已一再证实（见附件）。

　　4.1挤压粉磨工艺方案比较

　　在水泥的挤压粉磨工艺中，目前国内主要采用挤压预粉磨（包括带边料循环的预粉磨）和挤压联合粉磨。根据有关国外资料介绍和国内众多应用事例的统计表明：预粉磨工艺可将原系统提高产量为30～40%，降低电耗小于20%（3～4kWh/t）；挤压联合粉磨工艺提高产量幅度可超过100%，粉磨系统电耗降低幅度超过30%（8～10 kWh/t）。其主要原因是整个粉磨系统工艺参数的合理化：

　　a、在挤压预粉磨工艺中，由于辊压机磨辊在挤压时的边缘效应，以及辊面磨损不均匀，使辊压机出料的颗粒分别很宽，并且随着侧挡板的磨损与更换呈周期性的波动；

　　b、辊压机工作采用料层粉碎方式，松散、块状的物料在被挤压成料饼的过程中，较软的、强度较差的物料首先被粉碎，而缺陷较少、强度较高的物料经第一次挤压未必能将其粉碎，这就是会在料饼中发现捻不碎的完整的熟料颗粒的原因。挤压后的物料易磨性存在较大差异；

　　c、带料饼循环的挤压预粉磨工艺无法解决上述问题，带边料循环的预粉磨工艺也仅仅解决了边料粗颗粒问题，而带打散分级的联合粉磨工艺，从控制入磨粒度入手，基本解决了上述问题。粉磨系统工艺的合理化，就可以使系统粉磨电耗进一步降低。

　　蓖冷机技术的成熟，使水泥熟料出窑的温度大幅度下降，为水泥粉磨提供了良好的条件，尤其是在选用开路粉磨工艺时，不必再担心因温度高而使球磨机糊磨或是影响水泥产品性能。因此，将挤压联合粉磨技术与高细高产筛分磨技术结合起来的开路挤压联合粉磨工艺因其系统简单、操作方便、电耗低、投资省、成品中微粉含量高而更具竞争力。如德国波力鸠斯公司在广东东莞华润水泥有限公司建设的年产100万吨水泥粉磨系统，是由两套带φ3.2×11.0m开路球磨机的联合粉磨系统组成；由德国洪堡提供技术及主要设备的黑龙江浩良河水泥有限公司的水泥粉磨系统也是由φ3.8×13.0m的开路球磨机与辊压机、打散机及中间选粉机组成的联合粉磨系统，均取得了满意的效果。合肥水泥研究设计院在这方面做了大量的研究与应用，与之相比，无论在系统投资、单位电耗、工艺流程简化等各方面，均达到或超过了国外的先进水平。

　　4.2开路挤压联合粉磨工艺的应用

　　例一、江苏花山特种水泥厂的水泥粉磨系统经历了由普通闭路磨改为挤压预粉磨，又改造为挤压联合粉磨的过程，相同的熟料；相同的物料配比，其结果则大不相同。（见表3所示）

表3 江苏花山特种水泥厂水泥粉磨系统两次改造的结果

注：* 与原有的闭路球磨系统比较。

　　例二、浙江兆山水泥有限公司1000t/d熟料新型干法生产线的水泥粉磨系统，采用两套由HFCG120—40型辊压机、SF500/100型打散分级机以及φ3.0×11.0m高细高产筛分磨组成的开路挤压联合粉磨系统，当入磨水分小于1.5%，生产32.5#水泥时，系统产量达到115t/h以上，粉磨系统吨水泥粉磨电耗小于28kWh/t。

　　例三、浙江红狮水泥有限公司1#线为2500t/d熟料新型干法生产线，其水泥粉磨系统采用三套由HFCG120—45型辊压机、SF500/100型打散分级机及φ3.0×11.0m高细高产筛分磨组成的开路挤压联合粉磨系统，生产32.5#水泥时的粉磨能力可达到3×60t/h以上，粉磨系统吨水泥粉磨电耗小于28kWh/t。具体指标见表4所示。

表4 浙江红狮水泥有限公司1#线水泥粉磨系统的主要参数

　　4.3 开路挤压联合粉磨工艺系统水泥成品的颗粒分布及颗粒形貌
　　a、采用美国进口的COULTER激光颗粒分析仪检测得出水泥成品颗粒分布体积百分比如表5所示。

表5 浙江红狮水泥有限公司水泥成品颗粒分别（体积百分比）

　　b、图9为采用电子显微镜分别放大400倍和1000倍所拍摄海螺宁国水泥厂和浙江红狮水泥有限公司的水泥成品颗粒形貌。从照片中可以采用挤压联合粉磨系统粉磨的水泥成品，其颗粒形貌与传统的球磨机闭路系统没有明显差别。这说明辊压机挤压后的物料颗粒尽管存在片状、菱状等不规则形状，但经过高细高产筛分磨的研磨整形后，保持了球磨机产品的性能，因此，采用挤压联合粉磨系统不会对水泥性能产生不良影响。

　　5. 挤压联合粉磨工艺与预粉磨工艺技术经济指标的比较
采用国产设备，能力为110～120t/h的单套水泥粉磨系统，国内各大水泥设计院均选用带辊压机的粉磨系统。并且主要都采用传统的挤压预粉磨系统，合肥水泥研究设计院开发的挤压联合开路粉磨系统，具有投资省、系统设备少、流程简单、运转率高、电耗低等特点。以下是我院为山水集团青岛150万吨水泥粉磨站的挤压联合粉磨工艺与国内一般的辊压机预粉磨工艺比较结果

　　5.1 系统工艺流程图：