矿渣微粉管磨机用耐磨材料的选择(上)

　　随着我国循环经济的发展与节能减排的深入推进，工业废渣高活性微粉的制备与应用研究已成为水泥行业和混凝土行业的热点课题。

　　众所周知，粒化高炉矿渣系冶金行业高炉冶炼生铁加入石灰石或白云石作熔剂时排出的工业废渣，每生产1t生铁，大约排出0.3t~1.0t粒化高炉矿渣。其矿物成分为CaO－SiO₂－Al₂O₃，三元相图中处于C₂AS、CAS₂、CS、C₂S结晶区，其活性取决于化学成分和矿物组成及玻璃体含量。与通用水泥熟料成分相比，可将矿渣看作是一种经过高温煅烧的低钙、高硅熟料，具有良好的后期强度持续增长能力。

　　制备矿渣微粉的粉磨工艺主要有以下几种：（1）采用管磨机；（2）辊压机+VSK选粉机+高效选粉机；（3）立磨；（4）筒辊磨。除管磨机外，后三种设备都实现了高效率的料床粉磨，粉磨电耗<45kWh/t，甚至<40kWh/t。尽管管磨机粉磨电耗要比立磨高出15kWh/t左右，但因立磨一次性投资较大，仍有多数企业采用管磨机制备矿渣微粉。本文拟对矿渣开流管磨机各仓抗磨件材料的选择进行探讨，谬误之处，恳望各位同仁予以批评指正。

　　一、管磨机各仓衬板、隔仓板、研磨体及其它抗磨件的磨损机理
　　1.磨头衬板（端衬板、盲板）
　　矿渣磨与水泥磨内配置没有太大的区别，只是由于矿渣的玻璃体含量高、韧性好，显微硬度大（HV650左右），高于新型干法窑熟料（HV550左右）。虽然入磨粒度一般在8mm以下，但因产地不同，化学成分﹑矿物组成及冷却制度不同，其邦德功指数>17kWh/t，甚至>24kWh/t；以邦德功指数数据分类判断矿渣的易磨性属于坚硬的难磨物料，其粉磨特性是易碎难磨（易磨性极差），据某设计院测定矿渣的粉磨功指数比熟料高34%，保利休斯公司试验矿渣易磨性比熟料高出31%。笔者在实际生产工作中还发现：在碱性矿渣﹙碱性系数MO=CaO＋MgO/SiO₂＋Al₂O₃>1.0﹚、中性矿渣﹙MO＝1.0﹚、酸性矿渣﹙MO<1.0﹚三个矿渣品种中，碱性渣的易磨性最好、中性渣居中、酸性渣的易磨性最差；随着CaO/SiO₂比值的减小矿渣易磨性变差，且SiO₂含量越高，易磨性越差；急冷的矿渣易磨性好，慢冷的矿渣易磨性差。

　　管磨机内部为四周不限的开放性粉磨空间，仅能依靠研磨体“集群研磨效应”，仍不能像立磨、辊压机那样实现料床粉磨。磨头衬板（端衬板、盲板）位于磨机一仓（粗磨仓）进料端，因入磨矿渣的粒度较小，尚需充分考虑一仓的粗研磨功能，一仓内所用钢球直径不大，一般最大球径椎70mm或小于椎70mm，平均球径大多数<45mm，球的冲击负荷较小，且以粗研磨为主，故磨头衬板受到球的挤压并以1/3～2/3外圆周部位承受磨球及物料相对滑动研磨时形成切削，其磨损机理为切削磨损。

　　2.一仓（粗磨仓）衬板
　　矿渣磨机一仓（粗磨仓）所用衬板与水泥磨一仓基本相同，其工作表面形状多数选用对研磨体提升能力较好的曲面阶梯衬板，该衬板提升研磨体的运动轨迹为阿基米德对数螺线，对于同层研磨体的提升高度相同。

　　由于入磨矿渣的粒度均较小，对应的一仓所配球径一般多采用椎70mm~椎20mm之间的五级或六级级配，因级配中球径较小，单位重量条件下球的个数多，对矿渣的粗磨能力良好。磨机运行过程中，一仓阶梯衬板的磨损机理是由于受到研磨体集群的小能量高频率冲击，随着时间的推移，其疲劳磨损和凿削磨损的加剧而淘汰。

　　实际运行中观察发现一仓衬板有类似的磨损规律：在相同衬板材质﹑同种被磨物料、相同磨损时间条件下，双螺栓联接的(双孔)大块阶梯衬板磨损程度均大于单螺栓联接的（单孔）小块阶梯衬板，这可能因大块衬板的受力面积大、接受到研磨体冲击次数多所致。矿渣磨内一仓小块阶梯衬板的磨损比较均匀，进磨测量其阶梯大头厚度，一般每块小衬板之间大头厚度最大磨损量与最小磨损量差值不超过3mm;而每块双螺栓联接的(双孔)大阶梯衬板大头厚度最大磨损量与最小磨损量相差值则在3mm~5mm。充分说明：相同抗磨材质时，小块阶梯衬板的整体强度比大块衬板好，且受力面积相对较小，磨机运行中受研磨体冲击次数相对较少，故其磨损程度较小且均匀。

　　3.过渡仓、细磨仓衬板
　　矿渣管磨机的过渡仓（第二仓）及细磨仓（第三仓）多采用工作表面小波纹形状衬板，厚度在50mm~65mm，单螺栓或双螺栓联接。其中细磨仓内设有3~5圈“活化环”（或称活化衬板），主要作用是激活微形研磨体的集群能量，消除滞留区，将微段研磨能力及粉磨功效的技术优势发挥至最大化。该“活化环”与研磨体、物料之间相对运动，其磨损机理以切削形式的磨料磨损为主。

　　矿渣磨的过渡仓和细磨仓除个别情况在过渡仓使用小球外，一般都采用较小规格段（椎18mm以下）或微段作研磨体，且细磨仓内使用的微段最大直径大多在椎14mm以下。由于采用小规格微段，单个段的重量小，在单仓装载量相同条件下，微段的个数多，段与被磨物料间的总接触面积大，是大规格段的2.5倍以上。磨机运转过程中，磨内最外层研磨体被衬板有规律地提升，其运动轨迹以低抛落为主，同时伴有与衬板之间的切向滑动摩擦；在细磨仓内设置的几圈“活化环”，可使小规格研磨体获得更大的动能，充分显示出微段在对微细颗粒物料粉磨作业中独具的“集群研磨效应”，强化对矿渣的磨细能力，最终使得比表面积≥430m²/kg、活性指数为S95或S105级的矿渣微粉。

　　综合上述分析认为：矿渣磨机过渡仓、细磨仓内筒体衬板的磨损机理属于低应力划伤式磨料磨损。

　　4.筛分隔仓板与磨尾出料篦板
　　筛分隔仓板与磨尾出料篦板其主要功能是：筛析过滤被磨物料；隔离研磨体；磨内通风。

　　三仓开流矿渣磨内均设置两道筛分隔仓板，每道筛分隔仓板都由安装的固定支架、普通篦板﹙篦缝5mm~8mm﹚、内筛分筛板（内筛分筛板分为普通扇形和螺旋线形两种结构形式，以螺旋线形筛分效果最好，筛板缝一般在1.8mm~3mm之间取值）及盲板与中心导料锥组成。筛分隔仓板充分利用内筛分筛板“小篦缝，大流通”的原理设计而成，普通篦板与内筛分筛板、盲板与中心导料锥均安装于固定支架上，采用螺栓联接形式固定。其中内筛分筛板上有足够多的筛分缝﹙筛分缝有垂直90°和水平180°及弧线形三种形式﹚，用于过滤筛析粗颗粒物料，未能通过筛缝的颗粒则由中心导料锥返回头仓重新粉碎，合乎粒度要求的物料才能进入下一仓研磨；中心导料装置承担通风及过料中的输送、普通篦板和盲板的组合设置则是为了防止内筛分筛板的磨损﹙内筛分板可用厚度2.5mm～3.0mm的不锈钢板制作，防磨效果更好﹚。

　　整套组合而成的筛分隔仓板安装固定在磨机筒体上，随磨机旋转时对物料进行筛分。筛分隔仓板磨损区域主要以1/3~2/3外圆周部分，此部分受到研磨体及物料相对滑动产生切削应力与挤压应力，其磨损机理为切削磨损。

　　磨尾出料篦板的磨损机理与磨头衬板（端衬板、盲板）、筛分隔仓板相同。

　　5.研磨体
　　矿渣磨机除一仓采用钢球外，过渡仓和细磨仓均使用小规格钢段或微段。在粉磨过程中，粉磨工艺状况、磨内温度、被磨物料粉磨特性﹙易磨性、入磨水分等﹚、衬板材料机械性能、工作表面形状以及研磨体自身的硬度和韧性等综合因素决定了研磨体破损率及磨损值﹙量﹚的大小。

　　磨球的磨损机理是以切削、变形与疲劳剥落形式为主的磨料磨损。尤其在夏季，磨内温度较高﹙>100℃﹚时，较大直径磨球产生变形、失圆的概率高于小球，但目前一仓内多采用直径椎70mm以下的磨球，一般变形、失圆较少，球的破损率也相对较低。磨机实际运行一段时间后开仓检查，也证实了不同直径磨球间的磨损规律:尽管直径大小的磨球磨损机理相同，但直径小的磨球因其填充于大球空隙之间受到“庇护”，相对而言，球径磨损值﹙量﹚明显小于大直径磨球。以椎70mm~椎20mm六级配球为例，椎20mm、椎30mm小球的磨损值﹙量﹚要比椎70mm球要小的多，同时，小直径球产生变形、失圆、破损的也比较少。

　　过渡仓和细磨仓内所用较小规格或微段的磨损机理仍属于三体磨料磨损和疲劳磨损，硬度低时磨损量加剧，且伴有严重的段面粘附及衬板工作表面粘附现象。当采用高硬度耐磨合金材料制成的衬板、研磨体之间配副时，在研磨过程中两者都具有优良的耐磨性能，还能够显著提高衬板的使用寿命；硬质研磨体良好的表面光洁度，可有效避免粘附，可使整个粉磨系统始终保持较高而稳定的粉磨效率。

　　笔者曾在Φ2.2mm×7.5m、Φ2.2m×6.5m两台闭路水泥粉磨系统磨机的细磨仓内比较过低铬合金段与轴承钢段(在收集的废旧轴承上拆下来的段，仅供试验用。轴承钢段HRC＞60，低铬合金段HRC＞48，两种段表面硬度相差HRC12)的表面光洁度与磨损状况:这两个系统均采取共同粉磨工艺生产矿渣水泥，矿渣掺入量＞35％，在入磨物料综合水分1.5%～2.8%之间时，细磨仓内的轴承钢段表面丝毫不受入磨物料水分的影响，表面光洁度依然良好，未见有粘附现象；当入磨综合水分达到1.8%时，低铬段表面则随入磨物料综合水分的增大而粘附，衬板表面亦如此。当入磨物料综合水分＞2.2%时，低铬段与衬板表面均已出现严重粘附，磨机台时产量显著降低﹙由18t/h降低至15t/h，降产幅度达16.7%；水泥成品细度则由3.0%增大到5.2%﹚。

　　除入磨物料水分因素导致研磨体及衬板表面粘附外，磨内粉磨温度过高，也是造成表面粘附的另一个重要原因。夏季时，磨机细磨仓内温度高(＞100℃)，既使入磨物料水分＜1.8%，但因磨内温度过高，低铬段和衬板表面却粘附严重，而高硬度的轴承钢段表面仍然保持良好的光洁度，未曾出现粘附和大的磨损。

　　该试验的主要目的是证实高硬度金属耐磨材料与一般硬度金属耐磨材料在相同工况条件下的表面光洁度。试验结果证明了管磨机粉磨水泥或矿渣微粉时，引起衬板及研磨体表面粘附的三个原因：一是入磨物料水分大(综合水分>2.2%);二是磨内粉磨温度高(细磨仓>100℃)；三是衬板及研磨体材料硬度偏低(HRC<50)，尤其是研磨体硬度偏低时，表面粘附、光洁度差、系统产量低、能耗成本高的现象更为突出。为避免物料水分及磨内高温引起的研磨体及衬板工作表面粘附形成缓冲垫层，导致粉磨效率下降，磨内研磨体、衬板必须选用机械性能优良的高硬度合金耐磨材料，在一定的粉磨工况条件下，研磨体与衬板的表面光洁度决定了粉磨系统的生产效率。