陶瓷研磨體應用現狀及其問題解析

（濟南大學，山東 濟南 250022）

水泥生產過程簡稱為：兩磨一燒；即：磨生料、磨水泥、燒熟料。每生產1 t水泥需要粉磨3 t物料。包括：生料制備、煤粉制備和水泥粉磨；粉磨電耗占水泥生產總電耗的60%～70%。由于生料配合料和燃煤易碎性較好，容易粉碎、磨細，而水泥熟料相對難磨，所以水泥粉磨電耗約占粉磨電耗的50%以上。水泥粉磨節能是一個永恒的課題。

粉磨節能有兩個主要途徑：粉磨工藝節能和粉磨設備節能。

工藝節能包括：選擇先進的工藝流程、加強磨內通風、合理使用助磨劑、改善物料的易磨性、減少糊球、糊襯板及過粉磨現象、提高粉磨效率等。

設備節能包括：選擇先進的節能設備及附件，如輥壓機、立磨、筒輥磨、高效選粉機；變頻調速、現代可視化自動控制、新型研磨體等。

1 新型研磨體

“新型研磨體”俗稱：陶瓷球，陶瓷球按其用途可分為填料陶瓷球、濕法研磨陶瓷球和干法研磨陶瓷球3種。

1.1 填料陶瓷球

填料陶瓷球又稱：惰性陶瓷球（不與酸、堿發生化學反應），廣泛用于石油、化工、化肥、天然氣及環保等行業，作為反應器（釜）內催化劑的覆蓋支撐材料和塔填料，凈化裝置中對液體或氣體進行過濾的介質等。它屬于“靜態”工作的介質，價格便宜、不能當做“動態”工作的研磨體用。

1.2 濕法研磨陶瓷球

濕法研磨陶瓷球具有密度和機械強度高，耐磨性能好等優點。大部分用在間歇工作的濕法球磨機內（如陶瓷球磨機），因此，陶瓷球可以設定足夠的時間來粉磨物料，而且磨機里的水，可以緩解陶瓷球之間和球與筒體內壁襯板的沖擊碰撞，而不易碎球；但濕法研磨陶瓷球不宜用于干法水泥粉磨。

1.3 干法研磨陶瓷球

2015年我國在世界上首創的“水泥粉磨用陶瓷研磨體”屬于干法研磨陶瓷球，簡稱：“陶瓷研磨體”，有一些在外形上與普通陶瓷球沒有什么不同；但另外一些有明顯的外形差異，如段型（短圓柱體）、球段型（段的兩端為球形）、橢球形或其它異型等；從化學成分上看：除氧化鋁含量超過90%之外，還添加了一部分改性增韌的微量元素：鋯、錳、銅等，使陶瓷研磨體的抗沖擊韌性能力大幅度提高；從生產工藝方面看：加強了計算機技術和數字化控制技術的發展，實現了燒成工藝自動化，合理調控熱工制度（如燒結溫度、升溫速率、保溫時間、燒成氣氛等），降低燒成溫度，加速燒結過程，阻止晶型轉變，抑制晶體長大，制造出玻璃相含量低、微小晶粒結合為主的結構態陶瓷，從微觀結構上解決了陶瓷研磨體的質量問題，在干法粉磨系統中的使用性能指標（碎球率、磨耗）遠遠優于普通陶瓷球。

試驗研究表明，陶瓷研磨體的強度和抗沖擊能力與其微觀結構中微晶的粒度、含量及其結構致密程度有關；經掃描電鏡檢測，很容易判別陶瓷研磨體的質量好壞見圖1。其中≤6 μm的微晶顆粒含量越多，結構越致密，陶瓷研磨體的質量越好。

圖1 微晶氧化鋁陶瓷研磨體SEM照片

表1 陶瓷研磨體應用效果（產品：P·O42.5）

2 陶瓷研磨體應用現狀

經過2年多的應用實踐，陶瓷研磨體在國內近百家水泥企業、主要采用的輥壓機-球磨機聯合水泥粉磨系統，應用陶瓷研磨體后，效果明顯，已被接受和認可見表1。從表1數據可以看出，運行時間都在2000 h以上，有的超過3000 h，連續生產100多天，碎球率都在1%以下，出磨水泥溫度降低8℃～20℃，磨機噪音減小15～18分貝，水泥粉磨系統降產幅度低于5%；單產電耗普遍降低10%～15%，節電3～6kWh/t；這樣的水泥粉磨系統噸水泥電耗指標會降低到30kWh/t以下，有的低于25kWh/t，與立磨水泥終粉磨系統比較，單產電耗基本持平。

3 節電機理及存在問題的處理

球磨機主電機的運行功率受研磨體裝載量的影響，應用陶瓷研磨體后，使球磨機裝載量減少、整體負荷下降，因此，在主電機不更換的條件下，球磨機節電效果明顯是必然的結果。

近幾年，水泥行業產能過剩、利潤下滑，在競爭中求生存、求穩定的水泥企業，創新驅動、開源節流，積極依靠科技進步，提升企業經濟技術管理水平；節能減排、降本增效、推進供給側結構性改革，成為日常工作中的重中之重。但是，我們還必須清醒地看到，陶瓷研磨體的應用不是簡單的“替換”；也不是所有的水泥粉磨系統都能夠應用陶瓷研磨體；還有一些應用中的操作習慣問題需要引起注意，不然，隨之而來的“破球”和“降產”現象，會帶來不必要的經濟損失。

3.1 降低“碎球率”的措施

目前國內生產制造的水泥球磨機，都是按照鋼球、鋼鍛為研磨體、入磨物料粒度≤25 mm而設計的。在應用陶瓷研磨體時，為了減少磨內研磨體的破碎，必須注意幾點。

（1）空倉裝磨時，應先加料、后加球。

我國水泥行業已經強制性地淘汰了φ3 m以下的球磨機；各企業在研磨體裝磨時，都采用電動葫蘆吊裝卸載，此時的落差都在3 m以上，陶瓷研磨體卸落到鑲有鑄鋼襯板的倉內，會撞擊襯板、使研磨體內部產生不同程度的微裂紋，影響今后的使用壽命。所以，空倉裝磨時應先加進2～3 t散裝水泥，以緩解卸載落差的沖撞力，防止陶瓷研磨體受損。

（2）陶瓷研磨體不宜用在球磨機的第一倉。

盡管目前水泥粉磨系統大部分采用了預粉碎設備，將入磨物料粒度減小了許多，但入磨物料粒度≥5 mm時，球磨機的第一倉，仍需要研磨體處于拋落狀態，以沖擊粉碎作用為主、將大塊物料粉碎成細顆粒；此時，研磨體不僅受到強大的“反作用力”，而且也難免碰撞到磨內密布的鑄鋼襯板、隔倉板及其它構件上；所以，這樣的工況，不適合韌性有限的陶瓷研磨體工作；否則，會出現較高的破損率。影響水泥粉磨系統產、質量的因素很多，根據具體球磨機結構特點，在什么情況下可以使用陶瓷研磨體？各企業還需認真對待。在球磨機水泥粉磨系統中，陶瓷研磨體最適宜的工作狀態是傾瀉狀態見圖2。

（3）盡可能縮短隔倉板后面的“空料區”。

圖2 球磨機內研磨體的運動狀態

圖3 雙層隔倉板后邊的空料區

水泥球磨機筒體內設置有雙層隔倉板，前面一層是由多塊篦板拼裝而成，后一層是沒有篦縫的盲板和中心卸料錐（通風口）組成。前倉磨細的顆粒可以通過篦縫流入隔倉板夾層中；再經過后一層盲板上的揚料板帶起，落到中部卸料錐的外壁溜滑到下一倉（尾倉）。卸料錐中心內壁是磨機的中心通風口，在磨內風速的作用下，從卸料錐外壁落下的細顆粒，會被吹走、離開隔倉板一段距離，形成一個“研磨體多、物料少”的“空料區”，直接影響了這一倉的有效利用率見圖3。

如果這一倉裝填的是陶瓷研磨體，還會引起研磨體之間、研磨體與鋼襯板之間的碰撞和磨損，縮短研磨體使用壽命、加快碎球率的提高。因此，在使用陶瓷研磨體之前，盡可能增加揚料板的長度，使其接近筒體，讓進入隔倉板夾層的細顆粒迅速地被帶起、落入下一倉的物料更多；同時，中控操作適當減風、降低中心風速，縮短“空料區”的長度，減少陶瓷研磨體的“自殘”損失，增加有效做功。

（4）調整操作習慣、謹防“空磨”運行。

球磨機水泥粉磨系統在使用鋼球、鋼鍛時，“空磨啟動后再加料”和“卸空物料后再停磨機”，已經是司空見慣的操作習慣。因為鋼球、鋼鍛不懼怕鑄鋼襯板；同時輕載啟動球磨機，有利于安全運轉和節電。還有的時候，磨頭供料不足、甚至斷料，球磨機空轉幾十分鐘也“不會有”多大損失。

然而，使用陶瓷研磨體后，這些操作習慣，變成了“碎球現象”最常見的“殺手”。瓷球與鋼襯板的碰撞、摩擦，會產生眾多的微裂紋、不停地運動會加速裂紋的擴展，最后導致研磨體開裂；瓷球開裂的表面，十分堅硬，像一把把鋒刃、劈向其它的研磨體，沒有物料阻擋和緩沖，造成研磨體更大面積的損傷，一場“碎球大戰”就會迅速蔓延開來。發現磨頭斷料，5 min之內必須停磨。

3.2 減少“降產”的途徑

使用陶瓷研磨體為什么會引起水泥磨“降產”呢？毫無疑問，在工藝條件沒有改變的情況下，是更換了研磨體才出現了“降產”。鋼球的容重為4.5 t/m3，而陶瓷研磨體的容重為2.2 t/m3，根據牛頓第二定律，作用力與物體的質量成正比；在球磨機內研磨體對物料所產生的作用力，無論是沖擊力還是研磨力，都會變小；出力少了，做的功就小了。雖延長做功的時間可以彌補損失，但干法水泥球磨機是連續工作的磨機，很難做到延長做功時間，為了確保出磨產品的細度合格率，只好減少磨頭加料量，“降產”就是必然結果。

除此之外，目前水泥球磨機是為金屬研磨體量身定做的粉磨設備，它要求鋼球的填充率不超過50%，由于陶瓷研磨體的容重僅有鋼球的二分之一，如果填充率不變，陶瓷研磨體的裝載量，只能是鋼球的一半，粉磨做功的能力就更小了。

再者，球磨機是一個連續運轉的粉磨設備，物料從磨頭加入，到磨尾卸出，只有18～20 min的有限時間，沒有更多的機會給研磨體做功，物料進來多了，出磨的細粉必然“跑粗”，要保證產品細度合格率，只能減少進磨的物料量，才能磨得細一些；以上這些，就是使用陶瓷研磨體會引起球磨機“降產”的原因。

怎樣才能減少水泥球磨機使用陶瓷研磨體后的“減產”幅度呢？我們可以將“能量轉換的分配”作為切入點。水泥球磨機的工作過程，實質上是一個將電能轉換成機械能、利用研磨體將物料由大塊粉碎成小塊、由粗顆粒粉磨成細顆粒的過程。在此過程中，做功的機械能也是撞擊做功和摩擦做功同時作用并轉換分配的過程，大塊變小塊階段需要撞擊做功多一些；而粗顆粒變細顆粒階段，需要摩擦做功為主要形式。從研磨體的質量大小方面來分析，大球的撞擊做功強于小球的做功；而從研磨體的種類方面來看，陶瓷研磨體的摩擦做功優于金屬研磨體的做功。球磨機的生產過程是一個能量轉換且合理分配的過程，所以，更換研磨體之后，只要“重新分配、力求合理”，適當加大各倉的填充率，就可以實現新的粉磨平衡，減少其“降產”的幅度。

在水泥粉磨過程中，粗顆粒物料變成細顆粒物料需要摩擦做功，摩擦做功又分為滾動摩擦做功和滑動摩擦做功。研究表明：相同小規格的陶瓷研磨體滑動摩擦做功比金屬研磨體略有優勢；物料越細，優勢越明顯。因此，在研磨水泥成品的階段，陶瓷研磨體能夠發揮更好的作用。與鋼球、鋼段對比，裝載量相同時，陶瓷研磨體

的數量多、比表面積大，同時與物料接觸的面積和機會更多，有利于提高研磨效率。這對于減少水泥球磨機使用陶瓷研磨體后的“降產”幅度有幫助，應充分發揮其作用。

避免水泥球磨機減產的具體做法可參照如下：

（1）力求預粉碎的輥壓機和V選系統提供更細的入磨物料粒度；同時，應保證入磨物料平均水分≤1.5%。

（2）球磨機磨頭加料方式，要改溜管加料方式為螺旋進料方式，縮短磨頭“空料區”的長度，提高頭倉的利用率見圖4。

（3）如果需要縮小隔倉板的篦縫寬度，不應焊堵，而是更換新的隔倉板，增大整體通過面積（篦縫總面積）；如果調整隔倉板位置，要確保頭倉長度大于3.5 m。

（4）力求入磨物料粒度：閉路R0.08≤45%；開路R0.08≤35%。

（5）更換磨機頭倉階梯襯板為中波型襯板，改變研磨體運動形式由拋落狀態變為傾瀉狀態；轉化研磨體的做功形式，使摩擦做功大于撞擊做功。

（6）入磨物料粒度達到要求后，頭倉鋼球最大球徑不要超過φ50 mm，最好≤φ40 mm，平均球徑：25～31 mm；填充率增加到34%以上，最佳范圍：37%～39%；確保進入研磨倉的細度符合要求（閉路R 0.08≤25%；開路R 0.08≤15%）。

（7）尾倉陶瓷研磨體最大球徑≤φ25 mm，平均球徑：15～20 mm，填充率范圍：40%～42%；盡量不使用更小規格的陶瓷研磨體，以免堵塞磨尾出料篦縫。

（8）工業運行實踐證明：異型陶瓷研磨體（短柱型）研磨能力優于球型；因為它與物料的接觸面積主要是線接觸，而球型研磨體主要是點接觸；對于摩擦做功，短柱型更有優勢，對于縮小降產的幅度十分有利。但短柱型研磨體初期磨耗大于球形，因為在運行初期，短柱型端面的棱邊會首先研磨掉，慢慢形成一個圓滑的過渡面；因此，初期磨耗較高，運行一段時間后，磨耗基本穩定下來，與球型研磨體持平，且沒有破碎見圖5。

圖4 球磨機進料方式

圖5 短柱型陶瓷研磨體（陶瓷段）運行后的變化

一般來說，使用陶瓷研磨體之后出現了“降產”現象，幅度在10%之內，這是正常情況。我們只要認真總結經驗，采取必要的技術措施，一定可以逐步縮小降產的幅度（≤5%）。

4 結 語

陶瓷研磨體是一種為現代水泥工業節能、環保而服務的新型研磨體，它不僅在改善水泥產品質量、強度不變的前提下，節約水泥粉磨電耗；還可以降低生產車間噪音、減少水泥產品的重金屬（水溶性六價鉻）污染。有利于我們堅持節約資源和保護環境的基本國策，像對待生命一樣對待生態環境，實行最嚴格的生態環境保護制度，形成綠色發展方式和生活方式，建設美麗中國，為人民創造良好生產和生活環境，為全球生態安全做出貢獻，實現我們為之奮斗、不懈追求的目標和理想。