礦渣微粉管磨機用耐磨材料的選擇(上)

　　隨著我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與節(jié)能減排的深入推進(jìn)，工業(yè)廢渣高活性微粉的制備與應(yīng)用研究已成為水泥行業(yè)和混凝土行業(yè)的熱點課題。

　　眾所周知，?；郀t礦渣系冶金行業(yè)高爐冶煉生鐵加入石灰石或白云石作熔劑時排出的工業(yè)廢渣，每生產(chǎn)1t生鐵，大約排出0.3t~1.0t?；郀t礦渣。其礦物成分為CaO－SiO₂－Al₂O₃，三元相圖中處于C₂AS、CAS₂、CS、C₂S結(jié)晶區(qū)，其活性取決于化學(xué)成分和礦物組成及玻璃體含量。與通用水泥熟料成分相比，可將礦渣看作是一種經(jīng)過高溫煅燒的低鈣、高硅熟料，具有良好的后期強度持續(xù)增長能力。

　　制備礦渣微粉的粉磨工藝主要有以下幾種：（1）采用管磨機；（2）輥壓機+VSK選粉機+高效選粉機；（3）立磨；（4）筒輥磨。除管磨機外，后三種設(shè)備都實現(xiàn)了高效率的料床粉磨，粉磨電耗<45kWh/t，甚至<40kWh/t。盡管管磨機粉磨電耗要比立磨高出15kWh/t左右，但因立磨一次性投資較大，仍有多數(shù)企業(yè)采用管磨機制備礦渣微粉。本文擬對礦渣開流管磨機各倉抗磨件材料的選擇進(jìn)行探討，謬誤之處，懇望各位同仁予以批評指正。

　　一、管磨機各倉襯板、隔倉板、研磨體及其它抗磨件的磨損機理
　　1.磨頭襯板（端襯板、盲板）
　　礦渣磨與水泥磨內(nèi)配置沒有太大的區(qū)別，只是由于礦渣的玻璃體含量高、韌性好，顯微硬度大（HV650左右），高于新型干法窯熟料（HV550左右）。雖然入磨粒度一般在8mm以下，但因產(chǎn)地不同，化學(xué)成分﹑礦物組成及冷卻制度不同，其邦德功指數(shù)>17kWh/t，甚至>24kWh/t；以邦德功指數(shù)數(shù)據(jù)分類判斷礦渣的易磨性屬于堅硬的難磨物料，其粉磨特性是易碎難磨（易磨性極差），據(jù)某設(shè)計院測定礦渣的粉磨功指數(shù)比熟料高34%，保利休斯公司試驗礦渣易磨性比熟料高出31%。筆者在實際生產(chǎn)工作中還發(fā)現(xiàn)：在堿性礦渣﹙堿性系數(shù)MO=CaO＋MgO/SiO₂＋Al₂O₃>1.0﹚、中性礦渣﹙MO＝1.0﹚、酸性礦渣﹙MO<1.0﹚三個礦渣品種中，堿性渣的易磨性最好、中性渣居中、酸性渣的易磨性最差；隨著CaO/SiO₂比值的減小礦渣易磨性變差，且SiO₂含量越高，易磨性越差；急冷的礦渣易磨性好，慢冷的礦渣易磨性差。

　　管磨機內(nèi)部為四周不限的開放性粉磨空間，僅能依靠研磨體“集群研磨效應(yīng)”，仍不能像立磨、輥壓機那樣實現(xiàn)料床粉磨。磨頭襯板（端襯板、盲板）位于磨機一倉（粗磨倉）進(jìn)料端，因入磨礦渣的粒度較小，尚需充分考慮一倉的粗研磨功能，一倉內(nèi)所用鋼球直徑不大，一般最大球徑椎70mm或小于椎70mm，平均球徑大多數(shù)<45mm，球的沖擊負(fù)荷較小，且以粗研磨為主，故磨頭襯板受到球的擠壓并以1/3～2/3外圓周部位承受磨球及物料相對滑動研磨時形成切削，其磨損機理為切削磨損。

　　2.一倉（粗磨倉）襯板
　　礦渣磨機一倉（粗磨倉）所用襯板與水泥磨一倉基本相同，其工作表面形狀多數(shù)選用對研磨體提升能力較好的曲面階梯襯板，該襯板提升研磨體的運動軌跡為阿基米德對數(shù)螺線，對于同層研磨體的提升高度相同。

　　由于入磨礦渣的粒度均較小，對應(yīng)的一倉所配球徑一般多采用椎70mm~椎20mm之間的五級或六級級配，因級配中球徑較小，單位重量條件下球的個數(shù)多，對礦渣的粗磨能力良好。磨機運行過程中，一倉階梯襯板的磨損機理是由于受到研磨體集群的小能量高頻率沖擊，隨著時間的推移，其疲勞磨損和鑿削磨損的加劇而淘汰。

　　實際運行中觀察發(fā)現(xiàn)一倉襯板有類似的磨損規(guī)律：在相同襯板材質(zhì)﹑同種被磨物料、相同磨損時間條件下，雙螺栓聯(lián)接的(雙孔)大塊階梯襯板磨損程度均大于單螺栓聯(lián)接的（單孔）小塊階梯襯板，這可能因大塊襯板的受力面積大、接受到研磨體沖擊次數(shù)多所致。礦渣磨內(nèi)一倉小塊階梯襯板的磨損比較均勻，進(jìn)磨測量其階梯大頭厚度，一般每塊小襯板之間大頭厚度最大磨損量與最小磨損量差值不超過3mm;而每塊雙螺栓聯(lián)接的(雙孔)大階梯襯板大頭厚度最大磨損量與最小磨損量相差值則在3mm~5mm。充分說明：相同抗磨材質(zhì)時，小塊階梯襯板的整體強度比大塊襯板好，且受力面積相對較小，磨機運行中受研磨體沖擊次數(shù)相對較少，故其磨損程度較小且均勻。

　　3.過渡倉、細(xì)磨倉襯板
　　礦渣管磨機的過渡倉（第二倉）及細(xì)磨倉（第三倉）多采用工作表面小波紋形狀襯板，厚度在50mm~65mm，單螺栓或雙螺栓聯(lián)接。其中細(xì)磨倉內(nèi)設(shè)有3~5圈“活化環(huán)”（或稱活化襯板），主要作用是激活微形研磨體的集群能量，消除滯留區(qū)，將微段研磨能力及粉磨功效的技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮至最大化。該“活化環(huán)”與研磨體、物料之間相對運動，其磨損機理以切削形式的磨料磨損為主。

　　礦渣磨的過渡倉和細(xì)磨倉除個別情況在過渡倉使用小球外，一般都采用較小規(guī)格段（椎18mm以下）或微段作研磨體，且細(xì)磨倉內(nèi)使用的微段最大直徑大多在椎14mm以下。由于采用小規(guī)格微段，單個段的重量小，在單倉裝載量相同條件下，微段的個數(shù)多，段與被磨物料間的總接觸面積大，是大規(guī)格段的2.5倍以上。磨機運轉(zhuǎn)過程中，磨內(nèi)最外層研磨體被襯板有規(guī)律地提升，其運動軌跡以低拋落為主，同時伴有與襯板之間的切向滑動摩擦；在細(xì)磨倉內(nèi)設(shè)置的幾圈“活化環(huán)”，可使小規(guī)格研磨體獲得更大的動能，充分顯示出微段在對微細(xì)顆粒物料粉磨作業(yè)中獨具的“集群研磨效應(yīng)”，強化對礦渣的磨細(xì)能力，最終使得比表面積≥430m²/kg、活性指數(shù)為S95或S105級的礦渣微粉。

　　綜合上述分析認(rèn)為：礦渣磨機過渡倉、細(xì)磨倉內(nèi)筒體襯板的磨損機理屬于低應(yīng)力劃傷式磨料磨損。

　　4.篩分隔倉板與磨尾出料篦板
　　篩分隔倉板與磨尾出料篦板其主要功能是：篩析過濾被磨物料；隔離研磨體；磨內(nèi)通風(fēng)。

　　三倉開流礦渣磨內(nèi)均設(shè)置兩道篩分隔倉板，每道篩分隔倉板都由安裝的固定支架、普通篦板﹙篦縫5mm~8mm﹚、內(nèi)篩分篩板（內(nèi)篩分篩板分為普通扇形和螺旋線形兩種結(jié)構(gòu)形式，以螺旋線形篩分效果最好，篩板縫一般在1.8mm~3mm之間取值）及盲板與中心導(dǎo)料錐組成。篩分隔倉板充分利用內(nèi)篩分篩板“小篦縫，大流通”的原理設(shè)計而成，普通篦板與內(nèi)篩分篩板、盲板與中心導(dǎo)料錐均安裝于固定支架上，采用螺栓聯(lián)接形式固定。其中內(nèi)篩分篩板上有足夠多的篩分縫﹙篩分縫有垂直90°和水平180°及弧線形三種形式﹚，用于過濾篩析粗顆粒物料，未能通過篩縫的顆粒則由中心導(dǎo)料錐返回頭倉重新粉碎，合乎粒度要求的物料才能進(jìn)入下一倉研磨；中心導(dǎo)料裝置承擔(dān)通風(fēng)及過料中的輸送、普通篦板和盲板的組合設(shè)置則是為了防止內(nèi)篩分篩板的磨損﹙內(nèi)篩分板可用厚度2.5mm～3.0mm的不銹鋼板制作，防磨效果更好﹚。

　　整套組合而成的篩分隔倉板安裝固定在磨機筒體上，隨磨機旋轉(zhuǎn)時對物料進(jìn)行篩分。篩分隔倉板磨損區(qū)域主要以1/3~2/3外圓周部分，此部分受到研磨體及物料相對滑動產(chǎn)生切削應(yīng)力與擠壓應(yīng)力，其磨損機理為切削磨損。

　　磨尾出料篦板的磨損機理與磨頭襯板（端襯板、盲板）、篩分隔倉板相同。

　　5.研磨體
　　礦渣磨機除一倉采用鋼球外，過渡倉和細(xì)磨倉均使用小規(guī)格鋼段或微段。在粉磨過程中，粉磨工藝狀況、磨內(nèi)溫度、被磨物料粉磨特性﹙易磨性、入磨水分等﹚、襯板材料機械性能、工作表面形狀以及研磨體自身的硬度和韌性等綜合因素決定了研磨體破損率及磨損值﹙量﹚的大小。

　　磨球的磨損機理是以切削、變形與疲勞剝落形式為主的磨料磨損。尤其在夏季，磨內(nèi)溫度較高﹙>100℃﹚時，較大直徑磨球產(chǎn)生變形、失圓的概率高于小球，但目前一倉內(nèi)多采用直徑椎70mm以下的磨球，一般變形、失圓較少，球的破損率也相對較低。磨機實際運行一段時間后開倉檢查，也證實了不同直徑磨球間的磨損規(guī)律:盡管直徑大小的磨球磨損機理相同，但直徑小的磨球因其填充于大球空隙之間受到“庇護(hù)”，相對而言，球徑磨損值﹙量﹚明顯小于大直徑磨球。以椎70mm~椎20mm六級配球為例，椎20mm、椎30mm小球的磨損值﹙量﹚要比椎70mm球要小的多，同時，小直徑球產(chǎn)生變形、失圓、破損的也比較少。

　　過渡倉和細(xì)磨倉內(nèi)所用較小規(guī)格或微段的磨損機理仍屬于三體磨料磨損和疲勞磨損，硬度低時磨損量加劇，且伴有嚴(yán)重的段面粘附及襯板工作表面粘附現(xiàn)象。當(dāng)采用高硬度耐磨合金材料制成的襯板、研磨體之間配副時，在研磨過程中兩者都具有優(yōu)良的耐磨性能，還能夠顯著提高襯板的使用壽命；硬質(zhì)研磨體良好的表面光潔度，可有效避免粘附，可使整個粉磨系統(tǒng)始終保持較高而穩(wěn)定的粉磨效率。

　　筆者曾在Φ2.2mm×7.5m、Φ2.2m×6.5m兩臺閉路水泥粉磨系統(tǒng)磨機的細(xì)磨倉內(nèi)比較過低鉻合金段與軸承鋼段(在收集的廢舊軸承上拆下來的段，僅供試驗用。軸承鋼段HRC＞60，低鉻合金段HRC＞48，兩種段表面硬度相差HRC12)的表面光潔度與磨損狀況:這兩個系統(tǒng)均采取共同粉磨工藝生產(chǎn)礦渣水泥，礦渣摻入量＞35％，在入磨物料綜合水分1.5%～2.8%之間時，細(xì)磨倉內(nèi)的軸承鋼段表面絲毫不受入磨物料水分的影響，表面光潔度依然良好，未見有粘附現(xiàn)象；當(dāng)入磨綜合水分達(dá)到1.8%時，低鉻段表面則隨入磨物料綜合水分的增大而粘附，襯板表面亦如此。當(dāng)入磨物料綜合水分＞2.2%時，低鉻段與襯板表面均已出現(xiàn)嚴(yán)重粘附，磨機臺時產(chǎn)量顯著降低﹙由18t/h降低至15t/h，降產(chǎn)幅度達(dá)16.7%；水泥成品細(xì)度則由3.0%增大到5.2%﹚。

　　除入磨物料水分因素導(dǎo)致研磨體及襯板表面粘附外，磨內(nèi)粉磨溫度過高，也是造成表面粘附的另一個重要原因。夏季時，磨機細(xì)磨倉內(nèi)溫度高(＞100℃)，既使入磨物料水分＜1.8%，但因磨內(nèi)溫度過高，低鉻段和襯板表面卻粘附嚴(yán)重，而高硬度的軸承鋼段表面仍然保持良好的光潔度，未曾出現(xiàn)粘附和大的磨損。

　　該試驗的主要目的是證實高硬度金屬耐磨材料與一般硬度金屬耐磨材料在相同工況條件下的表面光潔度。試驗結(jié)果證明了管磨機粉磨水泥或礦渣微粉時，引起襯板及研磨體表面粘附的三個原因：一是入磨物料水分大(綜合水分>2.2%);二是磨內(nèi)粉磨溫度高(細(xì)磨倉>100℃)；三是襯板及研磨體材料硬度偏低(HRC<50)，尤其是研磨體硬度偏低時，表面粘附、光潔度差、系統(tǒng)產(chǎn)量低、能耗成本高的現(xiàn)象更為突出。為避免物料水分及磨內(nèi)高溫引起的研磨體及襯板工作表面粘附形成緩沖墊層，導(dǎo)致粉磨效率下降，磨內(nèi)研磨體、襯板必須選用機械性能優(yōu)良的高硬度合金耐磨材料，在一定的粉磨工況條件下，研磨體與襯板的表面光潔度決定了粉磨系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。