预粉碎工艺及其对球磨机节能高产的作用

　　目前我国水泥工业生产中最常见的粉磨设备是球磨机，生产1吨水泥需要粉磨3吨物料，耗电约80度左右，占水泥生产总电耗的60%-70%。尽管这个数字比20年前下降了30%多，但继续研究新工艺、新设备、新技术，不断创新球磨机节能高产新记录，仍然是我们不懈追求的重要目标。

  影响球磨机节能高产的因素很多，其中入磨物料粒度大小，是主要影响因素之一。通俗地说，“预粉碎工艺”就是一种“采用降低入磨物料粒度的方法，来使磨机节能高产”的生产工艺。20世纪80代以前，我国水泥工业生产规程中，将入磨物料粒度定为20～25毫米。物料由矿山开采粒度(300～600毫米)加工到入磨物料粒度的过程，主要由破碎机来完成，称之为破碎工艺；物料由入磨物料粒度加工到出磨物料粒度(0.08毫米左右)的过程，主要由球磨机来完成，称之为粉磨工艺。破碎工艺和粉磨工艺又统称为粉碎工艺。20世纪80年代前后，节能高产技术的研究结果表明，把入磨物料粒度由20～25毫米降低到5毫米以下，对球磨机的节能高产有明显作用。完成这一粒径范围粉碎任务的工艺过程，就被称之为预粉碎工艺。预粉碎工艺设备可以是破碎机，也可以是球磨机或其他机械设备，因此，单纯按粉碎设备来进行工艺分类是不适合的。近10年来，粉碎工艺分类的现代理念，是根据粉碎物料的目的和任务来划分的。由于水泥生产工艺“两磨一烧”的特殊性，以生产入窑生料或出厂水泥为目的的粉碎工艺，被称之为终粉碎工艺；而为其做准备工作的其他粉碎工艺，就可以广义地称之为预粉碎工艺。

　　一、预粉碎的作用机理

　　水泥工业生产中需要粉碎的原材料，主要来源于矿山开采和热工烧成。因此，在粉碎之前，这些物料内部都不同程度地存在着晶格缺陷和微细裂纹。在机械外力的作用下，物料内部的凝聚力受到破坏，应力波向四处传播，并在其内部缺陷、裂纹、晶格界面等处产生应力集中，使物料首先沿着这些脆弱面开裂而被粉碎。同时，这些被粉碎后形成的不同大小的颗粒内部，也因机械外力作用方式及大小不同，残留下不同程度的晶格缺陷和微细裂纹。为球磨机粉磨过程的节能高产奠定了基础。这就是说：外力给予物料以动能，并转变为物料的变形能，在其内部产生较大的应力集中，是导致物料被粉碎的主要原因。预粉碎工艺不仅使入磨物料粒度变小，而且使入磨物料的易磨性不同程度地得以改善。

　　从另一角度讲，球磨机是一种能量利用率较低(3%-5%)的粉磨设备，尤其是研磨体以抛落状态为主的头一仓。大部分能量被碰撞发热、噪音所消耗，真正用于粉碎作功的能量却很少。预粉碎工艺中俗称“以破代磨”、“多破少磨”的理念，正是以其他能量利用率较高(30%以上)的粉碎设备，来代替球磨机头一仓的粉碎工作，让球磨机扬长避短，充分施展以研磨为主的粉碎作用。从而，使粉磨系统中配置的不同设备发挥各自不同的优势，这对于粉磨工艺节能高产，具有十分重要的意义。

　　在粉磨工艺学里，常把入磨物料80%能够通过的筛孔孔径称之为入磨物料的平均粒径，以d₈₀表示。球磨机的增产系数K_d则以d₈₀为计算基准，计算公式如下：

　　K_d＝(d₁／d₂)^1/4

　　式中：

　　K_d——球磨机助增产系数

　　d₁——原来入磨物料的平均粒径(毫米)

　　d₂——预粉碎后入磨物料的平均粒径(毫米)

　　G₂＝K_d·G₁   

　　G₁——原来球磨机的产量(吨/小时)

　　G₂——减小入磨粒度后球磨机的产量(吨/小时)

　　举例：1台球磨机的入磨物料粒度(d₈₀)由20毫米减小到5毫米；台时产量可提高41%左右。[K_d＝(d₁/d₂)^1/4＝(20/5)^1/4＝1．411]

　　二、预粉碎工艺设备

　　近十几年来，许多外国的先进的技术装备被引进、消化、吸收。给预粉碎工艺的设备选型提供了多样化的挑选余地。要根据本企业自身发展的实际情况，遵循“技术先进、经济合理”的原则，来选择预粉碎工艺设备。

　　1．细碎破碎机

　　20世纪90年代，我国细碎破碎机的生产制造，出现了一个高潮。破碎比、产品粒度、金属消耗量、单产电耗等多项经济技术指标都有明显进步(见表1)。

　　选择细碎破碎机，首先要看它的结构、工作原理是否先进。物料进入破碎机后，能否有一个曲折、合理的运动轨迹?物料在破碎腔内能否实现多功能复合粉碎过程?然后还必需考虑它的单产电耗是否经济?金属消耗量是否低?安全运转率是否高?价格是否合理?环保指标是否达标等等。使生产可靠性与技术先进性较好地统一起来。

　　2．挤压机(辊压机)

　　1985年世界上第1台挤压机(又称：辊压机)问世以来，迅速得到发展。由于它实现了高压(50～300兆帕)条件下的料床粉碎，不仅使粉碎产品的颗粒粒度大幅度降低，而且产品颗粒内部微细裂纹增加，使物料的易磨性得到明显改善。在挤压机正常工作时，挤压粉碎力是由活动压辊，通过被粉碎的物料料层，传递到固定压辊的；大部分能量被用于物料之间的相互挤压、磨剥，使其变形、粉碎；在高负荷的挤压作用下，物料磨擦产生的声能、热能也被转化为物料的变形能。因此，能量利用率相当高，作为预粉碎设备，对球磨机的节能高产作用十分明显。挤压机的规格一般以压辊直径／压辊长度表示(见表2)。

　　由于挤压机在高压状态下工作，因此对设备的材质、装配、安装及操作维护都有较高要求。国产挤压机的质量正在不断地提高，一般都采用“大辊径、小辊宽”的方案。压辊直径大，对物料的啮入性能好，进料粒度可以放宽。同时，物料受挤压的时间相对较长，轴与轴承的承载能力提高，安全运转率和使用寿命延长。但是，压辊表面窄，容易产生“边缘效应”。所谓“边缘效应”就是在物料被粉碎的过程中，部分未被真正挤压的物料从压辊两端漏出，使粉碎产品质量及其均匀性受到影响。如不认真对待，对球磨机的节能高产会起到负面作用。选用挤压机作为预粉碎设备时，还必须满足挤压机的“过饱和喂料”要求。根据挤压机的工作原理，一方面在挤压粉碎腔内，需要全充满的物料传递粉碎作功的挤压力；另—方面，进入粉碎腔的物料在强大的挤压作用下，其体积会压缩很多。因此，挤压机的喂料仓必须有足够的料位，能均匀、充足地喂入粉碎腔，即过饱和喂料。否则，挤压机的产量、质量将受到明显的影响。一般情况下，只要工艺流程设计合理，这些问题是可以解决的。

　　3．棒磨机

　　装有钢棒作为研磨体的球磨机称之为棒磨机。钢棒是一种具有选择性粉碎作用的研磨体，它不仅质量大、冲击力强，而且与物料之间是线接触起粉碎作用。因此，对粒度较大的物料冲击多、对粒度小的物料冲击少；粉碎产品粒度均齐，是其显著特点之一。作为预粉碎设备对球磨机节能高产十分有利。目前我国已将单仓小型棒磨机，应用于球磨机的预粉碎工艺之中(见表3)。   

　　棒磨机仓内采用直径55～75毫米的刚棒，材质以45Mn或70号高碳钢为宜；仓内填充率一般为25％～28％，钢棒长度应比仓的长度短50～100毫米，以防止钢棒被大块物料挤住，不能自由运动而造成乱棒事故。在棒磨机的使用过程中，预防和处理乱棒事故是一项重要的操作技能。导致乱棒的原因较多，其中最常见的是磨机饱磨。因此，磨机负荷控制一定要仔细、认真。处理乱棒的方法是，首先将仓内物料全部卸空，再将容易取出的钢棒取出，用气割将妨碍棒群复直的弯棒割断并取出，使棒群有足够的下落空间，然后转动磨机，直至全部理顺为止。

　　4．立式磨

　　立式磨又称碾辊磨，它是利用碾辊和磨盘的相对运动将物料粉碎。由于磨盘由主电机驱动，碾辊从动时有液压系统加压，因此，粉碎物料的过程中，既有类似挤压机的料层粉碎作用，又有辊与盘相对滑动产生的剪切、研磨作用。所以，其能量利用率比球磨机高得多。用于预粉碎的立式磨与终粉碎的立式磨有所不同，前者为机械出料，而后者为风送出料。从外观上看，前者只有后者的下半截。目前仅在国内几个大型水泥厂，使用了日本川崎公司的CKP型立式磨(见表4)。

　　对碾辊施加不同的压力，产品的粒度大小及颗粒组成将发生变化。随着压力的增加，开始变化较大，后来其变化幅度越来越小；接近额定压力的67％～78％之后，产品的细度状态几乎不再变化。从使用情况来看，在机械结构性能、运行稳定性、操作难易程度、辊套耐磨寿命等方面，都优于挤压机。从粉磨效率来看，立式磨可以有效地对熟料进行预粉碎，其效率与挤压机相当，但对熟料易磨性的改变程度不及挤压机。对于大型球磨机水泥粉磨系统的预粉碎配套与改造，选用CKP型立式磨更为合适。

　　我国水泥新标准颁布实施后，对水泥生产过程及产品质量提出了更高的要求。预粉碎工艺应用干球磨机粉磨工艺，不仅实现了其粉磨系统的节能高产，而且使其粉磨产品更加适应水泥新标准的有关要求。同时，预粉碎工艺既适合于老厂技术改造，又适合于新建厂设计采用。该技术先进可靠、经济效益好，是适合我国水泥工业发展的有效途径。