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预粉碎工艺及其对球磨机节能高产的作用
发布日期:2010-05-31点击: 次
  • 预粉碎工艺及其对球磨机节能高产的作用
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  • 摘要:

      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Kd则以d80为计算基准,计算公式如下:

      Kd=(d1/d2)1/4

      式中:

      Kd——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=Kd·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。[Kd=(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。

      三、预粉碎工艺流程

      根据预粉碎加工物料的品种,工艺流程可分为:单物料的预粉碎和配合料的预粉碎两大类型。前者是单一的减小物料粒度,而后者不仅减小了物料粒度,而且使多组分物料相互混合、起到均化作用,对粉磨产品的优质、高产有利。无论是单物料的预粉碎,或者是配合料的预粉碎,都可以分为开路流程和闭路流程。与普通粉磨工艺一样,开路流程简单、一次性投资少,但产品粒度波动大、对球磨机的节能高产幅度有一定的限制;而闭路流程复杂、设备投资大,但产品粒度均齐、细度调节容易控制,更有利于球磨机的节能高产。

      1.预粉碎开路流程

      物料经预粉碎后,直接进入球磨机终粉磨的预粉碎工艺流程,称之为预粉碎开路流程。根据磨头操作空间的大小,预粉碎设备可以安置在球磨机进口的上方,也可以安置在进口的下方,采用斗式提升机进行联接。在老厂技术改造中,如果当地地下水位浅或原磨房就是框架结构建筑,则可采用前一方案;而干旱地区或磨房为简易建筑结构,一般采用后一方案比较有利。由于开路流程工艺特点所至,预粉碎设备的生产能力不必选择过大,与球磨机生产能力持平即可。需要预粉碎的物料,尤其是配合料,其中小于5毫米的细颗粒都占有一定比例(有的超过 15%)。因此,在它们进入预粉碎设备之前,应该预先筛分一下。最简单的办法,就是在预粉碎设备的进料溜管底面开一个方孔,上面焊上几根钢筋,做成缝宽为5毫米的条筛,条筛下接一个溜管通向球磨机入口。进预粉碎设备的物料中,小于5毫米的细颗粒被条筛筛下,直接入磨;其它粗颗粒经预粉碎后再入磨。这样不仅减少了细颗粒对预粉碎设备内冲击粉碎过程的影响,使预粉碎效率得到提高;而且也储备了一定的生产能力,为球磨机节能高产解决了后顾之优。

      2.预粉碎闭路流程

      经过预粉碎设备粉碎后的物料,如果进行筛选或分流处理,较细的一部分进入球磨机细磨,而较粗的一部分重新返回预粉碎设备再粉碎的工艺流程,我们称其为预粉碎闭路流程。该流程中带有检查筛分或分级机(选分机),不仅可以严格控制入磨物料的细度,而且可以充分发挥预粉碎设备的生产能力和节能效果。不论是生料制备还是水泥粉磨,都可以大幅度地, 提高球磨机的产量、质量。例如:重庆长桥公司在预粉碎闭路流程中采用检查筛分工艺,严格控制产品粒度,确保入磨物料粒度中90%都小于3毫米,使直径1.83×7米闭路粉磨生料制备系统的产量达到了21吨/小时,将该球磨机设计产量翻了一番。

      采用挤压机作预粉碎设备,选择闭路流程更为重要。国产挤压机出料中未被真正挤压的漏料,约占总量的15%左右,这些漏料与挤压机真正产品料饼的物理性能(粒度、易磨性等)差异很大,对球磨机的产量、质量有明显影响。因此,选用打散分级机,与挤压机组成预粉碎闭路流程十分必要。打散分级机可以将挤压机的漏料和粒度不合格的粗料选出,待其返回挤压机喂料仓后,既解决了挤压机边缘效应(漏料)的负面影响,又缓解了挤压机过饱和喂料的需求。同时,依靠分级机对预粉碎产品的把关,挤压机可以采用低压、大循环的运行机制,以减轻辊面磨损、提高安全运转率、延长设备使用寿命。从另一方面看,打散分级机还可以将粒度合格的物料喂入球磨机,既保证了球磨机的节能高产,还可以根据球磨机生产能力的需要,调节粗、细物料的分选比例,合理控制粉磨系统的运行负荷。

      四、球磨机工艺参数调整

      在水泥厂技术改造中,如果球磨机粉磨系统新增预粉碎工艺,必须注意:要及时调节粉磨系统工艺参数。首先是钢球级配,在维持装载量不变的情况下,要降低各仓平均球径,一仓为直径60±5毫米较为合适。如果入磨粒度均齐,则检出大规格的钢球;如果入磨粒度不均齐,则减少大球数量、增补相同装载量的小球。有条件的地方,球磨机尾仓则可以用直径20~30毫米的小球全部代替钢段。开流磨的填充率应该是后仓略高于前仓;圈流磨填充率则是前、后仓持平。由于入磨物料经预粉碎后,粒度减小、易磨性不同程度地改善,因此,出磨机的细粉也应该更细且含量更多,尤其是圈流磨,应将出磨粒度由原来的R0.08=(40±3)%调整控制到R0.08=(30±3)%;同时选用选粉效率更高(>60%)的分级设备,来完成物料分级任务,如转子式旋风选粉机等;尽量减少粗粉回料量、增加成品细粉量(即球磨机产量)。总之,系统循环负荷率要调控到100%以下。

      五、预粉碎工艺经济效益分析

      选择哪种预粉碎设备及工艺流程,是根据各企业自身的生产条件和经济实力所决定的。国内几家水泥企业,在增设预粉碎工艺前后的技术经济指标变化列入表5。

      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。

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