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粉磨过程的物料颗粒组成对粉磨能效和操作的影响陈猛1邹伟斌2尹日新1周春章1申文军11淮北矿业集团相山水泥有限责任公司（安徽淮北235000）2中国建材工业经济研究会水泥专业委员会（北京100024）水泥是国民经济发展不可或缺的建筑材料。由水泥诞生至今已有近200年的历史。期间水泥生产技术得到了不断发展，特别是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，利用现代流体力学，燃烧动力学，粉体工程学等现在科学理论和技术，并采用计算机及网络化信息技术为依托的新型干法水泥生产技术的应用。使得现代水泥生产具有高效，优质，节能，节约资源，符合环保和可持续发展的特点，水泥生产过程的高效率，低能能耗，一直就是水泥企业孜孜追求的的目标，也是水泥生产的一个永恒话题，就水泥生产系统的子系统粉磨系统而言，粉磨电耗在水泥生产综合电耗占有较大的比重，特别是面对水泥行业严峻的形势，对单个企业来讲，降低电耗就是降低生产成本、增加竞争力。多年来，国内为之进行了大量的研究工作，随着新型粉磨节能技术的发展，立式磨，挤压磨等新型粉磨设备的应用，使得这一现象大为缓解。但就我国国情来看，占主要地位的水泥粉磨设备仍然是管磨机，用管磨机粉磨生料和水泥占水泥生产综合电耗的60-70%，而其中的97%又作了无用功，但其粉磨设备结构相对简单、运转率高、操作和维护管理比较方便，球磨机制备的水泥颗粒组成及形貌粉磨具有优势，混凝土施工性能较好。随着水泥新标准的实施，对水泥的细度、比表面积的和颗粒组成都提出了更高的要求,对管磨机节能要求也愈显突出。因此，提高球磨机的粉磨效率，最大幅度地达到高细、高产和低能耗运行，仍是一项长期工作，提高磨机的粉磨效率仍具有重要的现实意义。为提高粉磨效率，近百年来许多学者从各个不同角度对粉碎理论进行了研究，提出了不少有价值的学说，在一定程度上近似地反映了粉碎过程的客观现实。其中，最著名的有三个基本理论：第一粉碎原理和雷廷格的粉碎表面积理论；第二粉碎原理即克尔皮切夫和基克的粉碎容积或重量理论；第三粉碎原理即邦德的粉碎工作指数理论。由于粉碎和细磨过程本身受着很多因素的影响，而这些因素在不同的条件下又有着不同的变化。诸如，物料的物理、化学性质、采用的破碎方法、在粉碎瞬间个物料之间所处的相互位置以及物料的形状、粒度、温度、均匀质性、湿度、产品的细度等。更难用一个简单公式加以全面概括，应当指出，只靠以上理论计算来确定粉碎机械功耗是不够的，必须同时参照实际工艺状况来确定。物料管磨机的粉磨是通过钢球的冲击、挤压、研磨作用克服物料晶体内部各质点及晶体之间的聚力，使大块物料变成小块以至细粉的过程。也即物料粉碎的本质是外力对物料做功，克服其质点的内聚力是才发生的。单就磨机破碎来说是利用钢球的冲击力来做功的，钢球提升高度和自身重量有限，其做功容易受细物料的吸收而减弱，同时物料在磨内也不是完全受限运动，其做功容易受细物料的吸收而减弱，单一颗粒的受力也是偶然的，导致管磨粉磨的也只能是利用集群效应来做功到物料上，粉磨功一部分用于物料生成的新的表面，变成固体的自由表面能；大部分能量则转变为热量散失于空间，而其他破碎机械因工作原理不同与管磨，其破碎效率远远高于管磨，在此基础上中国学者宏力曾提出了降低入磨物料粒度的多碎少磨的学术思想，在一定程度上提高了磨机的粉磨效率。但从另一方面来说，磨内的粉磨机理并没有多大改变，由于物料是受钢球的冲击而破碎，物料和钢球的状态符合碰撞原理。要想使钢球的冲击力发挥最大的冲击应力作用，物料在受冲击的瞬间应当是静止的，这就要求物料在受破碎时要有一定的填充量和颗粒组成，物料的颗粒组成和填充率能与钢球满足最佳堆积状态，使得钢球的势能被充分利用，磨机粉磨能够发挥较好的效率。合理的磨内物料颗粒组成有助于发挥钢球的粉碎与细磨作用，即物料要适应钢球级配的要求，从另一角度说明钢球级配要满足入磨物料的要求。钢球与物料在磨内的运动因为受筒体力的作用在磨内存在着两种基本运动状态，一种是一层一层的以磨机筒体横断面集几何中心为圆心，按照同心圆弧的轨迹随着筒体回转作向上运动，此时钢球和物料是相对静止的；另一种是一层一层的按抛物线轨迹抛落下来，此时钢球的势能转化为动能，进而将筒体内的物料击碎，完成上述的破碎过程。实际上由于受到筒体转速、内衬工作表面形状、钢球自身重力以及对物料的冲击做功。钢球有滑动和滚动现象，因为内层研磨体向上的线速度较小，研磨体下落是也不是完全的抛落运动，而是呈倾泻状态下的滑落运动，由此产生了钢球对物料的磨削应力、弯矩，对物料以研磨作用为主。在破碎过程中，每一块物料都可能破碎成不同粒级，并产生一定的成品，研磨体的磨损过程属于磨粒磨损、表面疲劳磨损、微动磨损的一般特征:磨粒磨损是物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失；表面疲劳磨损与两接触表面在交变接触压应力有关；微动磨损与表面相对静止物体但在外界变动负荷影响下的小振幅的相对振动（小于100μm）有关，此时接触表面间产生大量的微小磨损粉末。因而物体的磨损量和材料的材质、硬度、相对运动速度、脉动频度、温度、摩擦力，摩擦系数，接触面积等因素密切相关，只考虑研磨体与物料的关系时，物料的颗粒组成和表面形状以及填充率、钢球的相对运动速度，磨损因素影响很大。如现行的磨内筛分技术、磨前预破碎技术，为微型研磨体的应用创造了条件，一方面是基于接触面积的增大，另一方面也包涵了物料颗粒尺寸对研磨体适用性的要求，也即需用力的不同。实际上颗粒尺寸及组成的改变影响的不仅仅是这一方面，由于研磨过程中物料的颗粒尺寸远小于研磨体的尺寸，物料与研磨体的接触情况也决不是简单的面与面的接触，而是颗粒集群聚合作用到研磨体群的“集群研磨效应”。物料与研磨体接触的面积和接触摩擦角受颗粒的组成和填充状况的影响。同时颗粒的组成不同、颗粒的尺寸形貌、表面能、裂纹、填充情况影响到动静摩擦角的不同，进而影响到研磨体对物料的相对运行状态。同时粉磨产品的来源也不仅局限于研磨体的直接作用，在磨机和研磨体共同作用下物料之间也存在相互挤压，运动，或相对运动或相对静止。同样适应磨料磨损的一般规律，这些影响因素都会造成研磨体研磨效应的改变，进而影响磨机的生产效率。如果单就物料在磨内的宏观运动方面来说，由于受到料位差，磨内通风及筒体回转的共同作用下从磨头流向磨尾，直至排除磨外，其在磨内停留时间受物料的静、动摩擦角、磨内结构、蓖板蓖缝、通孔率、磨内通风、研磨体级配等因素决定了物料在磨内的颗粒分布，反过来也会影响物料在磨内的静、动摩擦角、磨内通风及物料停留时间与磨机的粉磨效果从颗粒间粘附性、凝聚性来说，微小的颗粒物料由于受高温，粒子表面能，布朗运动和声震动以及磁力等作用，使粒子间相互碰撞而引起颗粒凝聚；颗粒的粘附性对物料的粉磨，分级，输送及贮存过程产生影响，但就对粉磨过程来说，物料的粘附会使粉磨效率下降。影响粘附性的因素很多，主要有是颗粒自身及颗粒之间的作用力的影响，这些作用力：颗粒之间的相互交错构筑的结构力、颗粒表面剩余能量引力、微分分子间的作用力、吸着水份的毛细管力、微裂纹力及静电引力等。这些力可能同时起作用，只是对不同物料，不同颗粒特性，其影响程度不同。颗粒的粒径变小，比面积增大，会使这种作用加强，同时较多的物料填充率也会是其缓冲作用加强，从这个角度来讲合理颗粒组成及物料填充率有助于改善磨内的粉磨状况。对于物料在磨内的颗粒组成及填充率，影响研磨体与物料在磨内的运动状态、研磨体对物料作用力及粉磨效果；以下列举一些常见案例来说明物料的颗粒组成对实际操作和粉磨效果的关联：生产案例一：对于开路磨或者是闭路磨，在停磨时为保证磨机下次启动安全，一般都是将磨内物料排空，一般摇磨时间控制在10-20分钟。开磨时将喂料量从设计产量的80%-90%开始喂料，然后逐渐加产到到正常产量。受操作过程的影响大概需要30-60分钟，磨机达稳定的运行状态，当磨机喂料从100%产量开始，随后出现饱磨现象，出磨物料的质量也很难到达要求。从磨内颗粒分布要满足研磨体级配的要求来说，就是因为原料的颗粒分布与磨机稳定运行时的颗粒分布不同，达到成品所需的时间也不同，磨机相对粉磨能力下降导致的。针对物料颗粒分布对磨机粉磨过程的影响。某公司操作人员在综合考虑闭路磨的特点和磨机启动安全，在停磨时减少摇磨时间，开磨时减少拉风，选粉机打高转速，这样开磨时的喂料量可以提高到98%—100%，磨机也能在10—30分钟达到稳定状态。生产案例二：某公司生料制备系统采用天津水泥工业设计院开发的Φ4.6×（10+3.5）m烘干兼粉磨的中卸式磨，系统主机设备配置及性能参数见表1表1主机设备配置与性能参数设备名称型号、规格、能力生料磨规格：Φ4.6×（10+3.5）m，主电机型号：YRKK900-8功率：3550KW、装载量：190t、设计能力：190t/h、入料粒度≤25mm出磨斗提NBH600×45.75m，输送量：690t/h，功率：132KW组合式选粉机型号：TLS3100，能力180-220t/h，成品细度：0.08mm方孔筛余≤12%，功率：110KW风量：260000-320000m3/h循环风机型号：R6-2×39NO23.5F，风量：320000m3/h，风压：7500Pa，电机型号：YRKK560-6，功率：1000KW入库斗提型号：N-TGD630×50.43m，能力：250t/h，功率：55KW该类型的磨机把风扫磨和二级短磨的优点集中于一体，具有较强的烘干能力，要求的入磨粒度≤25mm，由于是两端进料，粗磨仓与细磨仓的平衡依靠回粉分料阀来调整。该公司生料粉磨系统生产初期分料阀位置在开度20%，磨机系统运行稳定。随着石灰石矿山大破锤头磨损，导致石灰石入磨粒度改变，入磨较大，磨机系统工况出现周期性波动，磨机粉磨效率下将，产量降低，磨机产量由215t/h下降到202t/h，磨出磨成品成分也随着波动，操作人员通过摸索调整将分料阀位置调整到25%左右，取得了较好的效果，系统产量较未调整前有所提高，磨机产量由平均202t/h提高到208t/h，磨机的粉磨效率较未调整前提高了2.97%，出磨产品质量稳定。磨系统工况的变化表现之一见出磨提升机负荷电流，出磨提升机负荷电流调整前后趋势见图1、图2：原因在于入磨石子粒度增大后配球没有调整，研磨体的冲击力不够，磨内物料较粗，物料之间的间隙增大，同时磨内细物料的减少，使得流动性较差，钢球的研磨能力也降低。由于物料的颗粒尺寸及自粉磨作用改变，导致磨机的粉磨能力降低，物料在磨内的停留时间增加，受到磨内容积影响，物料颗粒分布在磨内有一个自调整的过程。当研磨体尺寸不适应入磨物料的粒度时，磨内粉磨状况呈现周期性变化，如果粒度继续增大必然导致磨机饱磨。图1出磨提升机电流趋势(注：黑色趋势为提升机电流)图2出磨提升机电流趋势(注：黑色趋势为提升机电流)该公司生料磨在余热发电系统投入后，入磨系统温度降低，满足不了烘干要求，喂料量有所下将，操作员将分料阀从25%调整到23%.出磨风温上升了3℃，在保持原先的出磨温度下单位产量增加了5吨，磨机产量从200t/h调整到205t/h，磨机的粉磨效率未为调整前的102.5%。原因在于物料烘干不好，物料韧性增加，同时相同颗粒的物料粘性也增加，缓冲作用增加，研磨体达到最佳粉磨效果所要的物料的颗粒分布和填充率也不用，粗磨仓破碎研磨能力下降，调整分料阀后优化了磨内的颗粒分布和填充率，磨机的粉磨效率得到改善。对于中卸磨来说，寻求磨内物料的最佳颗粒分布和填充率，在分料阀上的调整还有如下例子：如安徽淮北众城水泥公司2号生料磨（Φ3.5×10m中卸磨）在配料组份块状砂岩矿改为粉状砂岩下脚料一段时间后，其分料阀控制器故障，无法确定分料阀位置，调整不便，为方便操作，该车间管理人员将分料阀关死，物料全部进细磨仓同样获得较好的粉磨效果。磨机产量由76—82t/h调整到80—85t/h。虽然误打误撞，但实际上也正好适应了入磨物料的粒度变化。如山东德州中联大坝水泥有限公司两台Φ4.6×（10+3.5）m中卸烘干原料磨在在生料制备过程中，配料组份之一的粉煤灰掺加量较高（8%以上），粉煤灰的流