王 永，賈 超，周慶偉，羅 雨，朱文沛，尹方勇

1陜西聲威建材集團有限公司 陜西咸陽 713700

2山東天匯研磨耐磨技術(shù)開發(fā)有限公司 山東聊城 252218

在 能耗雙控政策下的水泥企業(yè)如何降低水泥能 耗是當務之急，《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB 16780—2021) 的推出，倒逼水泥企業(yè)全力進行節(jié)能降耗改造，以提升企業(yè)競爭力。在水泥粉磨過程中應用耐磨陶瓷研磨體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬研磨體，是節(jié)能降耗的途徑之一，可顯著降低粉磨能耗，有效促進企業(yè)的節(jié)能低碳發(fā)展，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

1 輥壓機雙閉路水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)

1.1 設備配置

陜西聲威建材集團有限公司 2 500 t/d 水泥生產(chǎn)線采用雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，工藝流程如圖 1 所示，設備配置如表 1 所列。配置 HFCG180-160 輥壓機+HFV5000 V 型選粉機+HBS5000 動態(tài)選粉機+φ4.2 m×13.0 m 兩倉管磨機+O-SepaN-3000S 高效渦流選粉機。其中管磨機 (1 號水泥磨) 兩倉原采用金屬研磨體，主電動機運行電流 175 A 左右，P·O42.5 級水泥產(chǎn)量 225 t/h，系統(tǒng)粉磨電耗 34.5 kW·h/t，出磨水泥溫度 120～130 ℃。該管磨機是公司 4 臺管磨機中規(guī)格與產(chǎn)能最大的，占水泥年產(chǎn)總量的 75%，對水泥能耗與產(chǎn)品質(zhì)量等影響較大。

圖1 輥壓機雙閉路聯(lián)合粉磨工藝流程Fig.1 Roller press double closed-circuit combined grinding process flow

表1 輥壓機雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)設備配置Tab.1 Equipment configuration of roller press double closed-circuit combined grinding system

1.2 存在的主要問題

1.2.1 粉磨工序電耗偏高

目前，行業(yè)領先的水泥粉磨電耗已小于 30 kW·h/t，聲威水泥公司 1 號水泥磨電耗 34.5 kW·h/t，高于行業(yè)領先值 4 kW·h/t 以上，也高于集團內(nèi)其他同型號管磨機。

1.2.2 設備運轉(zhuǎn)率偏低

為保持水泥粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量，管磨機一倉 (粗磨倉) 與二倉 (細磨倉) 的鋼球裝載量達到 226 t，管磨機運行負荷較大。除了入磨物料帶入一部分熱量之外，磨內(nèi)研磨體與物料、研磨體與研磨體、研磨體與襯板、隔倉板和磨尾篦板之間摩擦，產(chǎn)生大量的熱。由于金屬材料導熱系數(shù)高、傳熱快，導致管磨機后滑履溫度偏高，超設定報警值后管磨機頻繁跳停，尤其在 6—9 月高溫季節(jié)，12：00—20：00 生產(chǎn)處于斷斷續(xù)續(xù)狀態(tài)，其余時段也有因滑履溫度超報警值停機的情況，每次開停機都增加了粉磨電耗。

1.2.3 出磨水泥溫度高

正常出磨水泥溫度要求控制在 110 ℃ 以內(nèi)，2017 年出磨水泥溫度一般在 120～135 ℃。調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間用二水石膏，在 65 ℃ 時就開始釋出結(jié)構(gòu)水，但脫水速度比較慢；在 107 ℃ 左右，脫水速度迅速加快，隨著溫度繼續(xù)升高，脫水將更快；如果水泥溫度達到 100～ 110 ℃，就會出現(xiàn)二水石膏向半水石膏的晶型轉(zhuǎn)變，環(huán)境溫度越高，轉(zhuǎn)換的比例越多[1]；如果出磨水泥溫度達到 120 ℃ 以上，入庫后有部分石膏繼續(xù)脫水形成半水石膏，而二水石膏與半水石膏晶型不一樣，晶體高溫失水或返潮轉(zhuǎn)換過程中形成石膏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏結(jié)成為具有一定硬度的水泥團，導致庫內(nèi)結(jié)團、結(jié)塊不能順利出庫，往往需要人工進庫清理，企業(yè)投入資金較多，安全風險系數(shù)極高。此外，庫內(nèi)水泥預水化速率隨著環(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)境溫度越高，水化反應越快[2]，二水石膏脫水成半水石膏和硬石膏后，脫除的結(jié)晶水會迅速與水泥熟料部分微顆粒結(jié)合，使庫內(nèi)水泥強度下降明顯。為了彌補強度，只能降低混合材摻加量，影響企業(yè)經(jīng)濟效益；而且水泥成品溫度越高，水泥適應性變差，混凝土凝結(jié)時間越短[3]，嚴重影響混凝土質(zhì)量，易引起下游商混企業(yè)用戶投訴。

2 技術(shù)改造措施

針對以上管磨機使用金屬研磨體存在的技術(shù)與水泥成品質(zhì)量問題，通過實地調(diào)研考察，2017 年初，利用φ4.2 m×13.0 m 管磨機檢修機會，對管磨機二倉 (細磨倉) 研磨體進行更換，使用 SDTH 公司研制生產(chǎn)的高硬度球柱結(jié)合體型耐磨陶瓷研磨體 (密度 3.8 g/cm3)，取代原來使用的金屬研磨體 (密度 7.6 g/cm3)。耐磨陶瓷研磨體如圖 2 所示。

圖2 細磨倉中的耐磨陶瓷研磨體Fig.2 Wear-resistant ceramic grinding medium in fine grinding bin

聲威水泥公司通過和 SDTH 公司技術(shù)人員論證，在對粉磨工藝、設備配置和水泥控制指標進行綜合分析后，對聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中的管磨機進行了如下改進。

(1) 重新調(diào)整磨機研磨體級配，一倉 (粗磨倉) 增加了 8 t 鋼球，進一步提高一倉對入磨物料的粗粉磨能力，為二倉 (細磨倉) 應用耐磨陶瓷研磨體細磨創(chuàng)造條件。耐磨陶瓷研磨體填充率由鋼球的 30% 提高到 39.5% (由 100 t 耐磨陶瓷研磨體代替原來的 160 t 高鉻鋼球)，增加球料比，彌補耐磨陶瓷研磨體因材質(zhì)密度小、質(zhì)量輕帶來的粉磨效率降低的不足。

(2) 對二倉 (細磨倉) 內(nèi)部的活化環(huán)進行優(yōu)化改造，原設計安裝的活化環(huán)高度相對較低，活化功能較弱。由于耐磨陶瓷研磨體需要較高的填充率，研磨體“滯留帶”隨之增加，易形成較大的研磨死區(qū)，降低研磨效率。耐磨陶瓷為無機非金屬材料，靜電吸附效應減弱，磨內(nèi)物料流速會加快，易造成部分物料研磨不充分。為了徹底解決此問題，將活化環(huán)高度由原 650 mm 增加到 1 000 mm，改善對物料的攪拌效應，增強了活化效果，延緩了磨內(nèi)物料流速，保證物料在磨內(nèi)的研磨時間，有效提高出磨水泥成品率[4]。

(3) 安裝隔倉板中心通風圓隔網(wǎng)。研磨體填充率提高后，研磨體的高度高于隔倉板中心圓板，在二倉 (細磨倉) 中心圓板后面安裝 10 mm×10 mm 方孔篩網(wǎng)，有效避免研磨體導入隔倉板引起篩網(wǎng)破損。篩網(wǎng)距離中心圓板 100 mm，確保磨機通風不受影響。

(4) 磨頭進料端由之前的下料溜管直接進料改為增加雙層翻板閥，避免入磨物料因慣性直接前沖，造成磨前 300～600 mm 范圍內(nèi)空料或者少料，可減少研磨體自損耗現(xiàn)象，提高一倉的粗粉磨效率，縮小進入二倉物料粒徑。

經(jīng)過以上技術(shù)改造，該雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)運行穩(wěn)定，初期管磨機產(chǎn)量略有下降，主要原因是磨內(nèi)耐磨件與耐磨陶瓷研磨體表面光潔度較差。P·O42.5R 水泥成品指標為 (350±15) m2/kg，R45 μm 篩余穩(wěn)定在 7%～9%，管磨機主電動機運行電流由之前的 175 A 降低到 128 A，平均電耗降低 4.0 kW·h/t。耐磨陶瓷研磨體屬于無機非金屬材料，摩擦產(chǎn)生熱量小，導熱系數(shù)比金屬材料低，出磨水泥溫度降低 25 ℃ 以上。

3 進一步優(yōu)化改進

為了達到最佳節(jié)電效果，后續(xù)又根據(jù)粉磨系統(tǒng)實際運行狀況，針對部分技術(shù)細節(jié)實施持續(xù)改進，具體措施如下。

(1) 針對磨頭慣性沖料問題，在管磨機進料口增加螺旋葉片，實現(xiàn)一倉均勻喂料，有效避免因沖料造成一倉出現(xiàn)研磨盲區(qū)。

(2) 根據(jù)入磨物料細度，調(diào)整一倉研磨體級配，平均球徑由 31.0 mm 降至 28.0 mm，提高一倉粗粉磨能力。

(3) 對隔倉板中心卸料口采取間隔封焊的辦法，以減少過料面積，延緩排料速度，提高一倉研磨體粗粉碎能力，有效降低一倉進入二倉物料粒徑。入磨物料R45 μm 篩余在 56% 左右，在一倉粉磨后出隔倉板位置取樣，R45 μm 篩余降至 45%。說明采取技術(shù)改進措施后，一倉粗粉磨能力較好。

(4) 為防止磨內(nèi)中部物料流速過快，在活化環(huán)上部 500 mm 高度處增加孔徑 5.0 mm 篩網(wǎng) (見圖 3)，促使物料在二倉勻速流動，實現(xiàn)物料分段磨細。出磨物料R45 μm 篩余由改進前的 41% 降至 30%，顯著提高了出磨物料的成品含量，為磨尾高效渦流選粉機的有效分級創(chuàng)造了良好的條件。

圖3 優(yōu)化改造后的細磨倉活化環(huán)Fig.3 Optimized activation loop of fine grinding bin

實施上述改進措施后，出磨物料比表面積由改進前的 220 m2/kg 增至 275 m2/kg，大幅度提高了出磨物料的成品比例，為進一步提產(chǎn)降耗奠定了堅實的基礎。

截至 2019 年 3 月份，1 號水泥磨應用耐磨陶瓷研磨體，已穩(wěn)定生產(chǎn)水泥 158 萬 t，實測耐磨陶瓷研磨體破損率 ≤5‰，球耗僅 6.5 g/t，實現(xiàn)了降耗、增效、穩(wěn)質(zhì)的目的。

2021 年 8 月，又對雙閉路水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中熟料的進料方式進行了調(diào)整，將原來的熟料先進入稱重倉，改為先進入循環(huán)提升機，經(jīng)過 V 選預先分選后再返回稱重倉，有效減少了入磨物料的細粉含量，大幅度提高了輥壓機粉磨效率。應用耐磨陶瓷研磨體前后的技術(shù)指標對比如表 2 所列。

表2 應用耐磨陶瓷研磨體前后技術(shù)指標對比Tab.2 Comparison of technical indexes before and after application of wear-resistant ceramic grinding medium

4 應用效果

(1) 更換耐磨陶瓷研磨體后，對輥壓機、系統(tǒng)用風等進行了適應性調(diào)整，水泥顆粒分布得到優(yōu)化，水泥適應性較使用鋼球得到進一步提高。

(2) 磨內(nèi)因耐磨陶瓷研磨體相互作用力產(chǎn)生的熱量降低，系統(tǒng)拉風量降低，水泥溫度大幅下降，解決了出磨和出廠水泥強度下降的質(zhì)量問題。同時，因出磨水泥溫度的下降，消除了石膏脫水板結(jié)現(xiàn)象，水泥入庫、出庫順暢，避免了水泥板結(jié)清庫的高危作業(yè)風險。

(3) 耐磨陶瓷研磨體質(zhì)量較鋼球輕，裝載量少，可減少研磨體對襯板的沖擊力，磨機電流大幅下降，軸瓦溫度也隨之降低，可對電動機系統(tǒng)起到保護作用，維修率和故障率大大降低。同時，管磨機溫度下降，可減少管磨機筒體鋼板的脆性化，延長了主機設備壽命。

(4) 應用耐磨陶瓷研磨體后，管磨機二倉 (細磨倉) 研磨體消耗由之前全部使用金屬研磨體時的 25 g/t 降低到 6.5 g/t，不但進一步降低了生產(chǎn)成本，而且減少了研磨體級配的調(diào)整次數(shù)。

(5) 應用耐磨陶瓷研磨體降低了水泥產(chǎn)品中正六價 Cr 離子的含量，降低了重金屬污染，對環(huán)境保護意義重大。

(6) 應用耐磨陶瓷研磨體后經(jīng)過多次測試，磨房內(nèi)環(huán)境噪聲由過去的 90 dB 降至 70 dB 左右，顯著降低了對員工的職業(yè)危害。

5 結(jié)語

本次耐磨陶瓷研磨體的應用是陜西聲威建材集團有限公司第一臺管磨機工業(yè)試驗，產(chǎn)能得到進一步提高，增產(chǎn)幅度達 20%；徹底解決了磨機滑履溫度高以及出磨水泥溫度高導致的水泥庫板結(jié)現(xiàn)象；同時，水泥粉磨電耗與研磨體磨耗明顯下降，相比原使用金屬研磨體總計節(jié)電 6.4 kW·h/t，節(jié)電幅度達 18.55%。以該雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)實際年產(chǎn)水泥 160 萬 t 計算，年可節(jié)電 1 024 萬 kW·h，按照平均電價 0.60 元/(kW·h) 計算，年節(jié)電效益達 614 萬元，2 個月即可收回耐磨陶瓷研磨體全部投資。