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贾华平:水泥球磨机用陶瓷研磨体使用现状、注意事项、发展前景

2016/11/20 中国水泥网 陶瓷球粉磨贾华平 评论0 1

陶瓷研磨体在水泥球磨机的应用,是一项刚刚起步尚未成熟的技术、是一项一哄而起市场混乱的技术、是一项使大部分水泥人迷茫、观望的技术。......

  陶瓷研磨体在水泥球磨机的应用,是一项刚刚起步尚未成熟的技术、是一项一哄而起市场混乱的技术、是一项使大部分水泥人迷茫、观望的技术。

  对于陶瓷研磨体,我们首先来建立两个观念:1)理论上讲得通的技术在实践中不一定都能成功,但理论上讲不通的技术在实践中成功的概率极小;2)任何在某一方面越是突出的技术,其适应的范围就越是窄,所需要的条件就越是多。所以,我们有必要先谈谈陶瓷研磨体应用于水泥球磨机上的理论依据和使用条件。

 一、陶瓷研磨体的节电原理和使用效果

  钢球的密度约为7.6~7.8g/cm3左右,现用陶瓷研磨体的密度一般为3.6~3.8g/cm3,密度约减轻了一半。密度小了一半、在球磨机填充率不变的情况下,研磨体的重量就轻了一半,球磨机的负荷势必减小、电流势必下降,如果球磨机的粉磨效率不变、磨机台时产量不减 或少减,粉磨电耗势必降低。

  球磨机是靠研磨体的冲击和磋磨做功的,研磨体重量轻了其冲击力和磋磨力势必要减小,粉磨效率和磨机的台时产量能不降低吗?这就成为轻质研磨体能否节电的关键问题。

  球磨机对入磨物料承担着粉碎和研磨两大功能,粉碎(主要在一仓)依赖于冲击、研磨(主要在二仓、或三仓)依赖于磋磨,实现两大功能的机理是不同的。

  两大功能被封闭在一个流程内分先后完成,流程能力取决于两者的短板,要想发挥出流程的最大能力,就必须根据入磨物料的粒度和易碎性、易磨性,分别进行单项功能供需平衡和两大功能的等效平衡。

  在目前不改变球磨机内部结构的情况下,对磨内研磨体的简单置换,研磨体重量轻了冲击力和磋磨力势必小了,而且两者减小的程度不同,冲击力减小的更多些。这就会导致粉碎功能的供需失衡、以及两大功能的等效失衡,两种失衡的叠加势必导致台时产量的大幅度下降。

  如果不想改变磨内结构建立新的平衡,冲击力小了就会导致粉碎能力供给侧不足,但可以从需求侧调整,通过降低入磨物料的粒度来实现,就是加强对入磨物料的预粉碎。

  好在大部分的水泥粉磨系统配置有辊压机,而且辊压机的效率比球磨机高许多,这是一种正能量的利用。

所以,强调使用陶瓷研磨体的粉磨系统必须前置有辊压机、而且辊压机最好是闭路系统。

  在辊压机联合粉磨系统上应用陶瓷研磨体,由于辊压机闭路系统的存在,使球磨机的入磨粒度大幅度减小、并得到有效控制。由此对球磨机粉碎功能的需求大幅度降低,使球磨机的粉磨功能更多的依赖于研磨功能,只要球磨机的研磨功能不降低,就有节电的可能性。

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  至于研磨功能的供需失衡,主要是增加供给侧的调整。

  1)通过增大研磨仓的填充率弥补研磨功能的下降;

  2)通过减小一仓的平均球径,将部分粉碎功能转化为研磨功能。

  好在研磨功能的下降不是很大,填充率的增加无须太多,一般增大10%左右,就可以恢复到原有的台时产量上。

  事实上,目前多数企业在使用陶瓷研磨体后,填充料只增加了6%左右,台时产量有所下降是必然的。实际上,在采用陶瓷研磨体之后,球磨机的结构强度和传动系统,产生了约50%研磨体的 富余能力,可以承受约60%的研磨体填充率。

  为了使陶瓷研磨体在冲击力减小的情况下,不减小或少减小研磨功能,强调了陶瓷研磨体 在高韧性陶瓷结构中,微晶矿物存在的必要性。在这方面陶瓷研磨体比金属研磨体更有潜力。

  具有强磨削能力的微晶矿物,能强化对物料的磋磨作用、加大对物料的研磨能力,更适合辊压机联合粉磨系统的功能需求。由于陶瓷研磨体的微晶矿物具有仅次于金刚石的硬度,不但研磨体的消耗低,而且研磨体的功能不会受到磨蚀的影响,这是金属研磨体所不具备的。

  即使陶瓷研磨体在使用一段时间后,其表面看起来已经磨得很圆滑了,但在显微镜下还能见到有粗糙的微晶存在。同时,由于研磨体重量的减轻,为适当的提高球磨机的研磨体填充率 奠定了主机负荷基础;由于研磨体的做功机理由冲击为主转变为磋磨为主,不再过多的依赖于研磨体的规则性抛落,也为提高填充率从研磨机理上奠定了基础。从而使通过提高填充率 以提高磨机产能成为可能。

  同时,由于陶瓷研磨体是非金属材质,大大降低了研磨过程中的静电影响:由于陶瓷研磨体重量轻了、提升研磨体的用电少了、粉磨效率高了、磨内发热少了,磨内的粉磨温度也低了。这都有利于提高粉磨效率。还可以减少对助磨剂的依赖而降低粉磨成本、提高水泥对混凝土外加剂的适应性。

  鉴于应用陶瓷研磨体技术具有“零投资、零风险、高回报”的特点,虽然总体上大磨试用时间还不长、应用案例还不多、还缺乏基本的使用经验,但国内的大型水泥集团,已经经不住诱惑、开始了自己的大磨试用,甚至在短期试用后 即开始了全面推广,而且取得了不错的业绩。

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  所谓“零投资”,指金属研磨体也是用、陶瓷研磨体也是用,而且陶瓷研磨体的磨耗要低得多,直接的投资不大;

  所谓“零风险”,也是说风险很小,即使失败了,也不过是两次清仓装球的成本;

  所谓“高回报”,目前使用效果好的,只换研磨仓可节电3~5kWh/t水泥,整磨更换的可节电6~7kWh/t水泥,其节电效益非常明显。

  案例一:

  2015年7月23日~9月30日,Z水泥集团在其YN公司、¢4.2×13m联合粉磨系统中、水泥磨二仓,试用D公司的陶瓷研磨体情况。

  原二仓钢球设计装载量为160t,改装陶瓷研磨体按设计装载量的60%算应为96t(填充率将增大约1.2倍),按填充率不变算应装约80t(密度小了一半),但为防止串仓起见,7月22日只装了69t陶瓷研磨体。

  该厂已经配套了能源管理系统,各种粉磨参数(包括系统电耗)随时可见,从7月23日至26日生产PC 32.5水泥的情况看,取得如下使用效果:

  二仓装载量:由160t→下降到69t;

  二仓填充率:由32%→下降到27.6%;

  球磨机电流:由171A→下降到101A;

  平均台时:由216.35t/h→下降到169.14t/h;

  比表面积:由约380m2/kg→增加到>400m2/kg;

  平均电耗:由27.36kWh/t→25.86kWh/t水泥。

  分析台时产量降低的主要原因是装载量严重不足。进磨测量,球面距中心孔边沿还有约150mm空高,填充率只有27.6%,原钢球填充率约为32%,计划进一步增大装载量;由于换球后水泥细度仍按原有9.0±3%控制,实际比表面积已经>400m2/kg,比原有比表面积增大了约20m2/kg,计划下一步将水泥细度放宽到12~13%。

  在之后的7月底和8月初,又逐步进行了2次加球试验,为防止往双层隔仓板的卸料仓里窜球,用不锈钢筛板做了一个喇叭筒,把卸料口边缘加高了60mm。在保证质量的前提下,台时产量恢复到192.58t/h。换球后生产PC32.5水泥的情况见表1。

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表1 换用陶瓷研磨体生产PC32.5水泥的情况


  从7月底开始,在陶瓷研磨体装载量73吨的情况下,交替生产PO42.5水泥,磨机电流与所生产的水泥品种关系不大,没有明显变化;台时产量由原来金属研磨体的平均192.06t/h降到171.27t/h;系统粉磨电耗由平均30.45kWh/t下降到28.10kWh/t。

  8月底利用检修时间,又将双层隔仓板卸料口的喇叭筒改为筛板倒锥,彻底将窜球通道封闭了起来,在解决了窜球后顾之忧后,又加了3吨球;9月初开磨继续生产PO 42.5水泥,截止到9月底,磨机电流变化不大,但平均台时产量已经达到190.80t/h,系统粉磨电耗已经下降到25.42kWh/t。

  总之,¢4.2×13m联合粉磨系统、水泥磨二仓改用陶瓷研磨体,进行的PC32.5和PO42.5水泥生产试验,尽管是初步试验,尽管台时产量有所下降,已经取得了明显的节电效果,初步试验的总体情况见表2。

表2 换用陶瓷研磨体生产水泥的总体情况


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  由表2可见,对于这台φ4.2×13m联合粉磨系统来讲,在水泥磨二仓由160t金属研磨体改用80t陶瓷研磨体后,球磨机主机电流由171A下降到110A,在系统台时产量略有降低的情况下,系统的平均粉磨电耗PC32.5水泥降低了4.08kWh/t、PO42.5水泥降低了5.03kWh/t。

  从理论分析上看,还有进一步增加研磨体的空间,YN公司的试验仍在继续,台时产量有望进一步提高、粉磨电耗有望进一步降低,让我们拭目以待。

  案例二:

  2015年11月初~12月中旬,浙江的H水泥集团,在其φ4.2×13m联合粉磨系统水泥磨二仓、在其φ3.2×13m联合粉磨系统水泥磨一二仓整磨,试用J公司的陶瓷研磨体的情况,仅在取得初步成功后,即决定在其集团内不同规格的水泥粉磨系统上全面推广应用。

  该公司共有84台水泥粉磨系统,截止到2016年6月底,推广使用陶瓷研磨体的水泥磨已达50多台,而且剩余的水泥粉磨系统多数是不具备使用条件的,有的辊压机不闭路、有的干脆就没有辊压机。

  该公司的推广速度不谓不快,应该积累了不少的经验。但可能是由于商业机密的需要,该公司不大情愿对外宣传,所以笔者也缺乏详细的推广资料,这里只能就侧面了解的一些情况给大家作一介绍。

  2015年11月初,试用第一台,φ4.2×13m水泥磨,只在第二仓上试用,在试用了10天后的总结显示:生产PO 42.5水泥,台时产量降了约5t/h左右,节电达4kWh/t水泥以上。

  2015年12月初,试用第二台,CF公司的φ3.2×13m水泥磨,生产PC 32.5水泥,将一二仓全部更换为陶瓷研磨体,在试用了10天后的总结显示:粉磨电耗比试验前降低了6kWh/t左右,达到了<20kWh/t水泥的高水平。

  CF公司有2台Ф3.2×13m开路球磨机联合粉磨系统,磨前配置有辊压机和打散分级机,将1号磨作为陶瓷研磨体试验磨。1号磨改用陶瓷研磨体前,入磨物料细度为80um筛余<20%,台时产量约150t/h左右,粉磨工序电耗约25kWh/t左右,将一二仓全部改用陶瓷研磨体的目标确定为粉磨工序电耗降到20kWh/t水泥以下。

  试验自2015年12月初开始,经过几次适应性调整,到2016年1月份取得了如下结果:在比表面积基本不变的情况下,台时产量平均为140吨,比原来的150吨下降了10吨左右;工序电耗由原来的25度下降为19.5度。到目前为止,该磨机换用陶瓷研磨体后,已正常运行了半年多,陶瓷研磨体磨损很小,至今没有补球必要。

  值得一提的是,该粉磨系统在使用陶瓷研磨体前的电耗就只有25kWh/t左右,生产PO 42.5水泥,这在国内外都已经是非常先进的指标。何以如此,主要是将入磨细度控制得较细(80um筛余<20%),一般在17%~19%左右。

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  入磨细度80um筛余<20%,是一个什么概念?这不是谁都能随便做到的,这不仅体现了使用者对辊压机系统的节电作用有充分的认识,而且系统的设计和装备要具备相应的能力,说明我们在辊压机系统的设计上还有潜力可挖,这一点值得大家深思。

  案例三:

  2015年3月13日~4月12日,S水泥集团在其SD公司、¢3.2×13m联合粉磨系统中、水泥磨二仓试用S公司的轻质研磨体情况。

  试用前后球磨机内的研磨体装载量与级配见表3,试用前后粉磨系统与所生产水泥的主要技术指标见表4。

表3 试用前后研磨体的装载量与级配(mm\t\%)


表4 试用前后系统与水泥的主要技术指标


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  由表4可见,使用陶瓷研磨体后,在填充率略有提高的情况下,由于装载重量的减少,水泥磨主电机电流由105A降至70A,水泥粉磨电耗的降低十分明显。其中P·O42.5R降低4.39kWh/t、P·II42.5R降低7.84kWh/t、P·O52.5R降低8.9kWh/t。

  产能方面,尽管台时产量有所降低,但都在10%以内,而且经过适应性调整已基本达到恢复;质量方面,在其它条件不变的情况下,各品种水泥都表现出45um筛余和比表面积同时降低、3天强度略有降低、28天强度略有上升的规律,说明减少了过粉磨现象、水泥的颗粒级配更趋合理。  

  关于对水泥使用性能的影响,从颗粒级配的组成来看,生产的三个水泥品种都反映出,≤3μm和≥32μm的颗粒有所减少、而3~32μm的颗粒增加明显,使水泥的需水量有所减少,出磨水泥温度明显降低,同时减少了助磨剂的用量,这都是减少了过粉磨的结果,使水泥与混凝土外加剂的适应性得到进一步改善,因此受到了混凝土企业的欢迎。

  在试验期间,该公司利用检修机会进磨检查,所用陶瓷研磨体基本没有破损发现,从而验证了该研磨体确实具有高强、增韧、耐磨等特点,从而解除了我们对非金属研磨体降产量、增磨耗、易碎裂等的顾虑。

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  二、陶瓷研磨体的使用现状和注意事项

  在水泥球磨机上使用陶瓷研磨体,总体上是成功的,但失败的也不少。

  现实的情况可概括为以下三点:

  1)生产投放陶瓷研磨体的厂家杂乱、而且是严重混乱,严重影响了陶瓷研磨体的形象和推广速度。

  2)陶瓷研磨体的应用还处于初期起步阶段,多数供需双方都缺乏使用经验,而且从技术上缺乏陶瓷生产和水泥粉磨双方的供需融合。

供方为推销产品盲目承担了现场的应用调试,需方为回避责任缺乏主动的沟通指导,而且双方还没有关注到陶瓷研磨体的磨削能力,导致台时产量下降得过多而节电有限。甚至有的公司将陶瓷研磨体水磨得非常光滑,不知其到底是什么目的?

  3)就陶瓷研磨体的使用量来讲,成功的多于失败的;就陶瓷研磨体的供应商来讲,失败的远多于成功的;就水泥生产线来讲,成功的多余失败的;就水泥企业来讲,失败的远多于成功的。失败的影响远大于成功的影响,成功的效益又远多于失败的损失,导致大部分水泥人处在迷茫观望之中。

  南方某公司已经有50多台水泥磨在使用陶瓷研磨体,除了该公司以外,目前在全国试用或使用陶瓷研磨体的水泥磨,加起来也达不到这个数,你能说陶瓷研磨体不成功、没有推广价值吗?只能说我们在推广应用中出了这样那样的问题!

  陶瓷研磨体在使用中的注意事项:

  1)陶瓷研磨体与金属研磨体相比,重量轻了降低了粉碎和研磨功能、但表面磨削能力强了增强了研磨功能。更强调对入磨粒度的控制(是筛余,不是比表面积),要加强辊压机系统的管理,要重视边料效应的影响,辊压机系统也要闭路。在只更换研磨仓时,最好将入磨细度控制在80μm筛余60%以下,50%以下更好。

  2)陶瓷研磨体的效果 主要体现在研磨仓上,以研磨仓比粉碎仓(一仓)的效果更好。但这要看入磨粒度的控制情况,入磨粒度控制得好,也是充分挖掘辊压机节电效果的需要,如果入磨80μm筛余<25%,粗磨仓(一仓)也是可以更换陶瓷研磨体的,以获取更大的节电效果。

  3)由于陶瓷研磨体重量减轻,大幅度降低了球磨机的承载负荷和运行负荷,从机械结构和动力设备上为加大研磨体装载量创造了负荷条件;由于粉磨原理更多的依赖于研磨功能,对研磨体的规则性抛落需求降低,为适当提高填充率创造了空间条件。

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  为了充分发挥球磨机的潜力,利用好已有磨内空间,陶瓷研磨体的填充率要比原用金属研磨体大一些。

  试验表明,在不改变磨内结构的情况下,陶瓷研磨体的最佳填充率应该在36%~38%;如果能解决研磨体的串仓问题,比如给隔仓板的中心孔加筛网,最佳填充率可能更高。但由于各粉磨系统的工况不同,建议填充率从32%起步进行逐步增加试验,寻找自己的最佳值。

  4)由于陶瓷研磨体的重量较轻,从做工机理上其“冲击力”比其“表面积”的重要性上升了;由于研磨功能的增强,为适当提高物料流速打下了基础。

  注意:没有挡料环的磨,一般不需要增大磨内流速!

  在配球方案上,平均球径(或段的规格)比原用金属研磨体要适当大一些,配球级数可以适当少一些,更有利于减少过粉磨、提高粉磨效率。

  试用初期,可以仍按原有金属研磨体配球方案执行;然后在使用中,根据磨内筛余曲线和出磨比表面积,逐步加大平均球径、减少配球级数,寻求其最佳值。对于研磨仓,一般用Ø15mm、Ø20mm、Ø25mm三种规格的研磨体配球也就足够了。

  5)由于陶瓷研磨体的重量轻了、平均球径大了、配球级数少了、静电效应弱了、粉磨温度低了,这些因素都会导致磨内流速的加快、对磨机通风的需求降低。因此,为了防止磨内流速过快,确保物料有足够的磨内停留时间,对磨尾排风机的阀板开度要适当关小一些(甚至有个案显示 需要关小一半左右)。由于各生产线的工况不同,具体在运行中自己摸索。

  6)由于陶瓷研磨体重量较轻、表面相对光滑,而且填充率的提高,使球磨机筒体的带球效果会差一些。试验表明,球磨机的活化环能起到一定的改善作用,活化环的存在更有利于进一步加大研磨体的填充率。

  由于陶瓷研磨体的填充料更高,为了适应对活化能力的需要,球磨机内已有的活化环,有可能需要适当加高、加密。

  需要说明的是,球磨机研磨仓已有的这种环,有的叫活化环、有的叫挡料圈。名字不同、结构不同、作用也是不同的,要同时兼顾活化和挡料两种功能。

  7)由于研磨体的填充率提高得较多,位于一二仓之间的隔仓板、以及磨尾的出磨筛板,需要作相应的改造,以解决相应的倒球串仓、磨尾跑球、出磨跑粗等问题。特别是中心部位的通风孔,或者是改造篦板缩小面积、或者是补加筛板阻止研磨体的通过。

  8)试验表明,陶瓷研磨体的使用效果,粉磨低标号水泥 比粉磨高标号水泥要差一些,台时产量降的较多、节电效果也差,而且节电效果差 也主要受台时产量下降的影响。

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  试验同时表明,在球磨机使用陶瓷研磨体后,对物料的入磨水分更敏感一些。低标号水泥掺加的混合材较多,入磨水分相对较大,陶瓷研磨体 又大幅度降低了磨内温度,等于降低了对水分的烘干能力,影响了磨机产量。所以,在使用陶瓷研磨体后,要更加重视对入磨物料水分的控制。必要时可考虑引入窑系统的热风、或加一个简单的热风炉。

  9)由于粉磨温度下降的较多,会影响到天然石膏的脱水,会影响到水泥的凝结时间和早期强度,这一点要给予关注。石膏有多种形态,它们的溶解度和溶解速率各不相同,势必影响到水泥水化早期 水泥颗粒表面 钙矾石晶体的形成,继而影响到水泥的流变性和需水量。不过也有例外,粉磨温度的变化对脱硫石膏的溶解影响不大。

  石膏的形态通常有生石膏(CaSO4·2H2O)、天然硬石膏(CaSO4)、半水石膏(CaSO4·1/2H2O)、可溶性硬石膏(CaSO4),其溶解度和溶解速率是不同的,详见表5。粉磨温度的变化会影响石膏的脱水程度,继而影响到其溶解度和溶解速率。

表5 不同形态石膏的溶解度和溶解速率


  10)有的企业只有一台水泥磨,又不愿意废掉换出的金属研磨体,可以在陶瓷研磨体中添加10%左右的金属研磨体混合使用。陶瓷研磨体与钢球、或钢锻混装使用,由于其密度不同、运动轨迹不同,可以在一定程度上强化磋磨效果,从产能和能耗上没有太大副作用,只是金属研磨体的消耗将有所增大而已。

  11)按钢球重量的60%加装陶瓷研磨体后(填充料约为原金属研磨体的1.2倍),粉磨系统的台时产量试验有增有减不等,但多数都可控制在±10%以内。这里特别强调对入磨细度和入磨水分的控制,要充分发挥好辊压机闭路系统的控制作用。

  12)在陶瓷研磨体的试验调整结束、达到最佳效果的最大填充率以后,原有球磨机的动力和传动配置显然是大了,可以重新选配更换合适的主电机以及减速机,获取进一步的节电效果。

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  以¢4.2×13m联合粉磨系统为例,主电机功率为3550kW,在更换球磨机二仓研磨体后,一般可减小主电机功率1200kW,换用小电机可解决大马拉小车问题,这本身就是一项节电措施。

  13)仍以¢4.2×13m联合粉磨系统为例,对于只有1套粉磨系统的粉磨站,一般(如天瑞鸭河)最大用电负荷在7200kVA左右,主变压器的容量为10000kVA。

  在更换主电机的同时减小了系统的装机容量和用电负荷,还可以考虑改用小一点的进厂主变,降低变压器的无功损耗和基本电价。

  在球磨机主电机减小1200kW以后,粉磨站的最大用电负荷可减小到6000kVA左右,变压器的容量可减小至8000kVA。

  按以变压器容量核算基本电费的方式,一般基本电费为20元/kVA·月,每年又可以节约基本电费:20×(8000-6000)×12=48万元。

  14)关于陶瓷研磨体的磨耗:多数供货商承若单仓研磨体磨耗保证值为30g/t。实际上,这是一个保守的估值,由于总体试用时间太短,还没有具体的统计数据出来,但可以肯定比现有的金属研磨体小得多(当然,首先是不能破碎)。实际上,陶瓷研磨体在使用一个月后,用卡尺测量其大小,没有测出变化来。

  15)关于破损率:在开发初期曾遇到过较高的破损率问题,这与原料、成型和烧结工艺有关,这一问题在部分供货厂家已经解决。现有质量好的陶瓷研磨体,保证破损率≤5‰已经没有问题了,关键是你要选对供货商。金属研磨体的破损率一般保证≤5‰,多数陶瓷研磨体也沿用了这一保证值,但也没有取得具体的统计数据。关键是大家都在保证,实际上多数供货商做不到。

  16)关于节电效果:由于不同工艺、不同规格的粉磨系统,对于不同的粉磨物料,主机电耗占系统电耗的比例不同,故节电效果的百分率差别较大,一般以粉磨系统球磨机主机的粉磨电耗降低15%为考核指标。

  试验表明:球磨机的规格越大系统的节电效果越好,水泥控制的比表面积越高节电效果越好,所磨水泥的标号越高节电效果越好。

  17)关于性价比:为了使这项新技术得以在水泥行业推广应用,考虑到低利润水泥行业的承受能力,生产陶瓷研磨体的厂商 在保证上述各项指标的情况下,将价格定位在 用于水泥磨的研磨体资金基本不变的价位上。

  陶瓷研磨体的重量是金属研磨体的一半,其价格大致为金属研磨体的两倍,这是目前供需双方都可以接受的价格,不要一味地追求廉价产品。高价的不一定是好产品,但价格过低的肯定不是好产品。

  18)尽管陶瓷研磨体在水泥行业的试用时间还不长,但由于其投资低、风险小、回报高的特点,具有较好的市场前景,大家都想分一块蛋糕。目前已有多个厂家推出了自己的产品,有的干脆就是卖狗皮膏药的皮包公司。毋容讳言的是,这些陶瓷研磨体在质量上参差不齐,有的根本就不能用,破损率极高。

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  那么,如何判断一个产品的好坏呢?

  用于水泥粉磨的陶瓷研磨体,主要是把控好“破损率和磨削能力”两大性能。需要提醒的是,目前大家关注的焦点都集中在破损率上,磨削能力还没有引起足够的重视,而磨削能力直接影响到更换研磨体后的台时产量。

  破损率和磨削能力,在陶瓷研磨体的生产上,是一对相互制约的特性,通常有利于降低破损率的措施、可能也导致磨削能力的降低,提高磨削能力的措施、可能也导致破损率的升高。

  生产商不能只强调其一而避讳其二,只有两头兼顾的产品才是好产品。比如原料中的SiO2含量,各生产商的控制差别很大,所以不能仅以破损率论英雄,更不能只以抗压强度说破碎。

  某陶瓷研磨体中间商 在进过一番调研后,对部分较好的陶瓷研磨体做了抗压强度检测对比,见表6。虽然谈不上检测的准确性,但应该相信它的公正性。除了C公司的抗压强度高、破损率也低以外,就A、B、D三个公司来讲,很难找到其抗压强度与破损率的对应关系。

表6  部分陶瓷研磨体的抗压强度


  鉴于陶瓷研磨体之“化学成分、晶相构成、机械性能”的多变性,目前还不好用几个技术指标表征把控的两大性能,还不到制定产品标准的窗口期,最好还是考察其业绩和亲自试用。好在试用的时间无需太长、试用失败也损失不大,只需把合同签得严谨一些,把控好付款方式就行了。

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  三、陶瓷研磨体的防碎途径和发展前景

  陶瓷研磨体在水泥粉磨中的应用,首先必须过破损率这一关。我在多次会议上称其为“陶瓷研磨体”,而没有叫它“陶瓷球”,不是我不知道简单的称谓更上口,而是在强调陶瓷研磨体的特殊性。

  陶瓷研磨体绝不是把陶瓷做成球就行了,而且目前已经有多种不同特性和不同用途的陶瓷球。陶瓷球的概念已经比较乱了,我们何必再乱上加乱呢。

  对于水泥粉磨用大型球磨机的研磨体,需要具备“高强耐磨、高韧抗碎、表面粗糙磨削能力强、性价比能够被低利润的水泥行业所承受”这些特点,与通常所说的“陶瓷球”和超细粉行业的“陶瓷磨介”是有区别的。

  山东某公司生产的水泥磨用陶瓷研磨体(目前使用效果比较好的一家)如图1所示,至少从外观上没那么光滑;其电子扫描显微照片如图2、图3所示,足见其表面粗糙的微晶结构。

图1 某公司生产的水泥磨用陶瓷研磨体普通照片

图2 某公司水泥磨用陶瓷研磨体电子扫描显微照片


图3 某公司水泥磨用陶瓷研磨体电子扫描显微照片

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  由于要引进水泥粉磨系统的新研磨体,具有“陶瓷材质、重量轻可以节电、表面粗糙磨削能力强”的特点,而且由于规格较大再称为“陶瓷磨介”已经不太合适。

  从功能和特性上应该定义为“强磨削轻质陶瓷研磨体”,简称为“陶瓷研磨体”更加上口,而且不会与其他产品混淆。 

  事实上,用于球磨机的陶瓷研磨体,在水泥行业以外早已存在,主要用于超细粉研磨的小规格球磨机,由于其体积很小,被称为“陶瓷磨介”。

  国内某公司生产的几种陶瓷磨介及其性能见表7所列,这是一张非常重要的参考表,其破碎和磨削问题早已解决,水泥磨用陶瓷研磨体的早期意识也萌芽于此。

表7 国内某公司生产的几种陶瓷磨介

  这种陶瓷磨介由“经过超细研磨的亚微米级原料滚球成型再高温烧结而成”,适用于涂料、油墨、非金属矿、电子、釉料、造纸等行业,适用于卧式砂磨机、立式砂磨机、球磨机,具有磨耗低的特点,但没有提到水泥行业;其产品规格从直径0.2mm至60mm不等,而且可按用户的要求生产。从产品性能和规格来看,应该有可能找到适合水泥行业使用的产品,我们将其改称为陶瓷研磨体。 

  这种强磨削轻质的陶瓷研磨体,原料以刚玉粉为主,其次为氧化铝粉,还需要加入一些氧化锆、氧化硅等调质组分,以增加陶瓷研磨体的韧性抗碎、以增强陶瓷研磨体的磨削能力,这在表7中有明确的体现。

  生产陶瓷研磨体的原料都是微米级的超细粉,一般<Φ30mm的球体采用滚动成型,而≥Φ30mm的球体需用模具压制或等静压成型。在坯体的成型过程中,对其内部的密实度和均质性有较高的要求,内部不得存在气泡、气孔、砂眼等不均质现象。不均质(密度、成分)是烧成和冷却中炸裂、以及使用中延裂破碎的主要原因之一。

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  对于传统的滚动成球工艺,首先由人工将专用的粉料做成“种子”,然后将“种子”放到滚球机里,通过不停的添料和加水,使这些种子层层粘附滚大成球。这样成型的料球其粘附的均质性本身就不高,而且还要包含一个不同质的“种子”,其整体的均质性较差、强度也较低。

  鉴于陶瓷研磨体的破损率,已经成为制约其推广使用的一个关键问题,故预加“种子”的利弊就成为一个值得商榷的问题。从破碎的陶瓷研磨体看,有几种现象比较普遍:

  ●种子熔缩,球体出现空腔;

  ●种子偏离,不在球体中心;

  ●球体的分层结构明显。

  虽然尚未进行具体的研究试验,但在调查中发现,目前少数几个破损率低的厂家,或是压制成型、或是在滚动成型时未加“种子”。

  从表7可见,加入氧化硅对提高研磨体的磨削作用是必要的,而且氧化硅加入得越多其磨削作用就越强。但加入氧化硅不仅是能提高其磨削作用,也同时增加了研磨体的脆性,更易碎裂、磨耗增高。再多加氧化锆可以平衡其脆性的增加,但由于氧化锆又太贵了,成本必然上升,低利润的水泥行业能接受吗?事实上,考虑到成本问题,目前几个公司推出的陶瓷研磨体都没有考虑加入氧化锆。

  那么,不加氧化锆,其破损率有保证吗?

  陶瓷的破损率取决其机械性能,主要有“耐压强度、抗张强度、抗冲击强度”。

  一般陶瓷的耐压强度容易做的很高,在静压下能抵抗很高的静压力,这一点不用担心。但不要误会,虽然提高耐压强度有利于降低破损率,但耐压强度并不是影响破损率的主要指标,耐压强度高并不能说明其破损率就低。

  陶瓷的抗张强度较差,不能负担较大的伸张应力,这才是影响破损率的特征指标。好在这一点除了热胀冷缩以外,水泥磨内不存在其它的外在伸张力作用,而且水泥磨内的温度变化幅度和变化速度也不大,其作用于陶瓷研磨体的伸张力是有限的而且是缓慢的。

  但是,对于陶瓷研磨体烧成后的冷却过程,却有上千度的温差,这是需要重点关注的搞水泥的人都知道,对水泥熟料的急冷可以有效的增加其易碎性!  

  陶瓷的抗冲击强度很差,不善于抵抗剪切力(其主要原因也源于抗张强度较差)。陶瓷易碎就是输在抗张强度和抗冲击强度上,不善于抵抗冲击产生的动应力。这一点在陶瓷研磨体的制作上要引起足够重视。

  影响陶瓷机械强度的因素包括:化学成分;各晶相的种类、含量、分布状态;晶体缺陷、成型缺陷、密实度和均匀性。

  使用表明,如果我们在这各个方面都把控得好,其机械强度就能得到较大的提高,就能在不加氧化锆、不过多增加成本的情况下把破损率控制下来。

  由于莫来石晶体的机械强度比玻璃相高,特别是晶体交织成 网状的莫来石 强度更高,大量细小针状莫来石晶体 相互交织 比个大数量少的晶体强度要高。因此,增加莫来石的含量能提高其机械强度,而且莫来石的晶体越小、瓷胎结构越均匀,机械强度就越高。在配料中保证一定的Al2O3,采用较高的烧成温度,有利于形成较多的莫来石晶相,有利于机械强度的提高。但是,烧结温度过高、保温时间过长,会使莫来石晶体变大趋少,导致机械强度的降低。

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  由此,保温和冷却又成为影响产品破损率的一对矛盾,需要在生产实践中平衡把握。另外,保持原料中适量的抑晶组分(比如MgO),也是防止晶体长大的措施之一。

  气孔的存在会降低瓷胎的致密化程度,导致其机械强度的降低,(吸水率是间接判断其致密化程度的一个指标)。一般来说,增加坯料中的溶剂组分、提高原料的研磨细度、适当提高烧成温度,都有利于气孔率的降低、致密程度的提高、瓷胎强度的提高。

  气孔是瓷坯显微结构的气相成分,它是烧成中 内部气体 没有被排除干净 而残留在瓷胎之内的。有的是生坯孔隙中的原有气体,有的是坯料中碳酸盐、硫酸盐、高价铁等物质在高温中放出的气体。生坯在未烧结前气孔率高达35%~40%,这与成型方式有很大的关系。

  实践表明,由于滚动成型的含水量较高、密实度较低,压制成型或等静压成型的陶瓷研磨体比滚动成型的陶瓷研磨体气孔率要低、密实度要高、机械特性要好、使用中的破损率要低。

  另外,成型时必须加入的增强剂(粘结剂)的选择也是影响其产品密实度的原因之一,虽然专用增强剂的价格较高,但廉价增强剂在烧成中会产生较多的多余气体,这对产品的密实度是不利的。

  随着烧成温度的提高、液相的产生与不断增加,气孔不断被填充、减少。但有些气体,尤其是碳酸盐、硫酸盐、高价铁等高温放出的气体,往往被粘性较大的熔体所包裹,很难顺利排出、被压缩到最大限度封闭于瓷胎之内,最终影响到陶瓷研磨体的机械特性。所以,在原料的选取上,要尽量减小碳酸盐、硫酸盐、高价铁等矿物的含量。

  另外,不加氧化锆不等于不引入锆离子,依据氧化锆的相变增韧机理,已有人进行了掺加硅酸锆粉的实验,并获得了一定的增韧效果。硅酸锆粉虽然增韧效果较差,但比氧化锆粉便宜得多,适量的掺加对陶瓷研磨体的成本影响不大,这不失为增强陶瓷研磨体抵抗冲击动应力、解决破损问题的选项之一。

  陶瓷研磨体的发展前景:

  实际上以上的分析已经给出了答案,关键的破损问题是可以解决的、台时产量的下降是可以解决的。因此,陶瓷研磨体是有发展前景的!

  即使在现有技术水平下,某公司在不到一年之内,已经推广了50多台水泥磨,不用问其使用效果如何,单就这个推进速度就说明了问题。更何况,在陶瓷研磨体的生产上、在陶瓷研磨体的使用上,特别在球磨机结构对陶瓷研磨体的适应性改进上,还有不少可以挖掘的潜力。

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  关于陶瓷研磨体技术下一步的发展方向,应该由目前的“低台时低功率降电耗”(台时产量少降低、主机功率多降低,达到节电目的),转向“同功率高台时降电耗”(主机电流不降低、台时产量大幅度提高,达到节电的目的),以充分发挥原有主机及其动力系统的能力。不再是台时产量少降低的问题,而是台时产量如何大幅度提高的问题。

  关于下一步的技术措施,至少有以下几点可以考虑:

  1)陶瓷研磨体具有节电效果,那么陶瓷衬板、隔仓板怎么样呢?减轻重量也有节电效果;尽管节电效果不如陶瓷研磨体,但其使用寿命会大幅延长,这也是一块效益。而且陶瓷衬板为整体结构件,在抗碎方面比陶瓷研磨体更成熟。

  2)陶瓷研磨体降低了出磨温度,为原来由于温度高 而不敢采用的胶带提升机 创造了使用条件。胶带提升机比板链、环链提升机 具有明显的节电效果,这是深化改造的又一块效益。

  3)采用陶瓷研磨体的前提是控制入磨细度,几乎不再需求破碎功能了。进一步讲,就是球磨机的做功机理发生了根本变化,对研磨体的轨迹性抛落需求降低了,其内部结构也应该做适应性改造,改进的方向主要是将抛落性冲击功能向滚动磨擦功能的转变。

  对抛落性冲击功能的需求减小,为提高研磨体的填充率创造了空间条件。这既是提高球磨机内空间利用率的需要(目前只有可怜的30%左右),也是充分利用原有传动能力的需要(单从传动能力上讲,研磨体的比重减轻了一半,其填充率就可以增加一倍,应该提高到60%左右),更是向高效率的辊压机转移做功负荷、提高整个系统能力和效率的需要(目前,使用陶瓷研磨体的系统,多数台时产量是下降的)。

  4)具体对球磨机磨内结构的改造,还需要在使用实践中“摸着石头过河”,但至少包括如下内容:

  ●球磨机的长径比如何确定(能否缩短),

  ●高填充率的研磨体如何分仓(能否单仓),

  ●高填充率研磨体的进一步活化(包括活化环的型式和布局、包括筒体衬板的带球能力),

  ●隔仓板、出口筛板对高填充率的适应性等。

  5)使用陶瓷研磨体后,系统的台时产量不但不应该降低,相反应该大幅度提高才对。

当然,系统台时产量的提高受制于其 现有辅机、特别是辊压机系统的制约。具体提高多少,取决于对现有系统能力的再平衡,或在条件允许的情况下对系统辅机的改进程度。

  有个案显示,有的联合粉磨系统,能够将入磨细度控制到20%以下,这是绝大部分联合粉磨系统做不到的,为什么?

  6)在磨内结构改进以后,有可能由改进的活化环取代现有的隔仓板,从而降低系统的通风阻力,降低系统风机的电耗,这又是一块节电效益。

(责任编辑:武文博)

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