聯(lián)合粉磨系統(tǒng)粉磨介質(zhì)對耐磨襯板影響及優(yōu)化

閆玲娣，鄧東亮，陳明凱，王文煜，張玉彥，王利英

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

4河南省機(jī)械裝備智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450002

干法球磨機(jī)是粉磨物料的關(guān)鍵設(shè)備，磨內(nèi)襯板作為磨機(jī)重要部件，不僅可以保護(hù)筒體，使其免受粉磨介質(zhì)與物料的直接沖擊和摩擦[1]，還可以調(diào)整粉磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以增強(qiáng)粉磨介質(zhì)對物料的破碎、粉磨作用，從而達(dá)到提高粉磨效率及產(chǎn)量的目的[2]。

現(xiàn)階段越來越多的水泥廠采用輥壓機(jī)與磨機(jī)組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，以期達(dá)到降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。聯(lián)合粉磨系統(tǒng)入磨粒度小，存在微裂紋，其物料易磨性發(fā)生顯著改變，但其配套的水泥磨仍沿用老工藝下的襯板結(jié)構(gòu)，造成新工藝系統(tǒng)的潛力并沒有被充分挖掘。因此，針對聯(lián)合粉磨系統(tǒng)入磨顆粒的特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研發(fā)輕量化高效節(jié)能型襯板，提高其研磨能力和效率，挖掘磨機(jī)的增產(chǎn)潛力，是聯(lián)合粉磨系統(tǒng)水泥磨降耗增產(chǎn)的關(guān)鍵，是適應(yīng)市場需求的迫切要求。

本項(xiàng)目針對建材領(lǐng)域聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的水泥生產(chǎn)線，借助理論計(jì)算、顆粒運(yùn)動(dòng)模擬分析及試驗(yàn)分析等多種手段，研究磨機(jī)襯板及研磨介質(zhì)的運(yùn)行規(guī)律，深挖干法磨機(jī)的增產(chǎn)降耗潛力，實(shí)現(xiàn)襯板做功結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，對促進(jìn)我國工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

1 粉磨介質(zhì)對磨內(nèi)襯板影響的理論分析

粉磨介質(zhì)在磨機(jī)筒體內(nèi)以拋落和瀉落兩種狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。粉磨介質(zhì)上升和下落的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，會(huì)對襯板的微分表面積產(chǎn)生沖擊和摩擦作用。磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)一周與粉磨介質(zhì)在磨內(nèi)運(yùn)動(dòng)一周所需時(shí)間的比值約為1.5。在使用年限內(nèi)，粉磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)次數(shù)約為1.5×107～2.0×107以上，載荷類型屬于多次沖擊。因此，磨機(jī)襯板主要受力為粉磨介質(zhì)與物料的沖擊力、相對襯板的滑動(dòng)摩擦力及粉磨介質(zhì)與物料相對襯板的滾動(dòng)摩擦力。磨機(jī)襯板損壞的主要因素是沖擊力，由于沖擊時(shí)間不確定，用沖擊動(dòng)能來表達(dá)。當(dāng)磨機(jī)正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，粉磨介質(zhì)在筒體內(nèi)的最大降落高度[3]

式中：Di為磨機(jī)筒體的有效內(nèi)徑；α為粉磨介質(zhì)的脫離角。

粉磨介質(zhì)著落沖擊襯板時(shí)，其合速度

式中：g為重力加速度。

當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速比為 76% 時(shí)，粉磨介質(zhì)的脫離角為54°40′，沖擊動(dòng)能

式中：m為粉磨介質(zhì)的質(zhì)量。

將式 (2) 代入式 (3) 中，可得

式中：G為粉磨介質(zhì)的重力。

計(jì)算得到磨機(jī)襯板所受最大沖擊作用時(shí)的沖擊動(dòng)能，如表1 所列。

表1 粉磨介質(zhì)最大沖擊動(dòng)能Tab.1 Maximum impact kinetic energy of grinding medium

由表1 可以看出，在同規(guī)格研磨介質(zhì)的作用下，隨著磨機(jī)直徑增加，襯板承受的沖擊動(dòng)能逐漸增加；同規(guī)格磨機(jī)，隨著研磨介質(zhì)球徑增加，其襯板承受的沖擊力逐漸增加。因此，對于一級圈流或開流系統(tǒng)，入磨物料粒度大，粉磨介質(zhì)級配平均球徑大，襯板結(jié)構(gòu)和成分性能的調(diào)整以提高其抗沖擊能力為切入點(diǎn)，如增加襯板厚度、降低襯板中 C 元素含量等；對于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)或半終粉磨系統(tǒng)，入磨物料粒度小，粉磨介質(zhì)級配平均球徑小，襯板結(jié)構(gòu)和成分性能的調(diào)整以增加其耐磨性，提高襯板使用壽命為切入點(diǎn)，如適當(dāng)減少襯板厚度、提高襯板中 C 元素或 Cr 元素含量等。

由于襯板承受沖擊次數(shù)高達(dá) 1.5×107～2.0×107以上，說明襯板所受載荷性質(zhì)為小能量的多次沖擊。襯板磨損本質(zhì)上屬于疲勞磨損，多次沖擊的能量較小，作用極短，應(yīng)力應(yīng)變速度很快，以沖擊波的形態(tài)在襯板內(nèi)傳播。如果襯板表面質(zhì)量差，有缺陷，會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)裂紋源，并迅速擴(kuò)展造成襯板斷裂破壞。因此，不僅要在結(jié)構(gòu)和材料方面提升襯板抗沖擊能力，還要提高襯板的表面質(zhì)量，保證其使用壽命。

基于以上理論分析，從襯板材料、結(jié)構(gòu)拓?fù)涞冉嵌龋瑢δ?nèi)襯板進(jìn)行優(yōu)化改造。根據(jù)磨內(nèi)系統(tǒng)工況，對襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，增大易磨損區(qū)域的材料硬度與抗沖擊能力，減小非易磨區(qū)域的厚度，得到輕量化的襯板，從而降低運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷能耗，降低用戶使用成本，增加有效研磨空間，延長襯板的使用壽命，提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率，減少維修更換次數(shù)。

2 不同結(jié)構(gòu)襯板作用下粉磨介質(zhì)運(yùn)行規(guī)律

某水泥生產(chǎn)線φ3.8 m×13.0 m 磨機(jī)基本參數(shù)如表2 所列。

表2 磨機(jī)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of ball mil

當(dāng)磨機(jī)型號與轉(zhuǎn)速確定后，襯板截面設(shè)計(jì)成為整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。使用 EDEM 對襯板不同截面進(jìn)行仿真，以獲得最佳襯板截面。截面形狀設(shè)計(jì)思路為：采用不同提升角度的溝槽階梯襯板，增大其提升效果；采用中波紋襯板，提升角度不斷變化，增大其研磨面積。通過創(chuàng)建不同結(jié)構(gòu)的襯板 EDEM 計(jì)算模型，對磨內(nèi)粉磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行離散元分析，確定利于物料研磨的襯板結(jié)構(gòu)。

根據(jù)計(jì)算內(nèi)容，選擇的模型為在接觸力計(jì)算方面精確度高且高效的赫茲-米德林無滑移模型 [Hertz-Mindlin (No Slip)]，該接觸模型可以被看作是一個(gè)“彈簧-阻尼器”的配置，原理圖如圖1 所示。

圖1 赫茲-米德林接觸模型原理Fig.1 Principle of Hertz-Mindlin contact model

建立不同結(jié)構(gòu)類型的襯板模型，如圖2 所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)襯板離散元幾何模型Fig.2 Discrete element geometric models of liners in different structures

通過對不同襯板模型及離散元參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下不同襯板模型的磨內(nèi)鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3 所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)襯板運(yùn)行過程中鋼球的運(yùn)動(dòng)情況Fig.3 Motions of steel balls during operation of liner in different structures

由圖3 可以看出，鋼球運(yùn)動(dòng)低速區(qū) (中間黑色區(qū)域) 內(nèi)，鋼球與物料之間相對運(yùn)動(dòng)較弱，研磨效果較差；鋼球運(yùn)動(dòng)中速區(qū) (灰色區(qū)域) 內(nèi)，鋼球與物料之間的相對運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，是物料研磨的主要區(qū)域，對磨礦效果起決定作用；鋼球運(yùn)動(dòng)高速區(qū) (靠近圓心黑色區(qū)域)內(nèi)，鋼球在磨機(jī)內(nèi)被拋起，對物料主要起破碎作用。

磨機(jī)工作過程中，主要依靠鋼球與物料之間的相對運(yùn)動(dòng)完成物料的研磨，應(yīng)盡量減少磨內(nèi)低速運(yùn)動(dòng)的鋼球數(shù)量。對比不同襯板結(jié)構(gòu)磨機(jī)內(nèi)低速運(yùn)動(dòng)鋼球的數(shù)量，結(jié)果如表3 所列。

表3 不同結(jié)構(gòu)襯板磨內(nèi)低速鋼球的數(shù)量對比Tab.3 Comparison of numbers of low-speed steel balls in mill with liners in different structures

由表3 可知，采用中波紋襯板結(jié)構(gòu)，磨內(nèi)低速運(yùn)動(dòng)的鋼球數(shù)量最少，其研磨效果最好。

對不同襯板作用下磨內(nèi)鋼球的提升高度進(jìn)行對比，如圖4 所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)襯板磨內(nèi)鋼球提升高度對比Fig.4 Comparison of lifting heights of steel balls in mill with liners in different structures

由圖4 可知，采用溝槽階梯襯板，磨內(nèi)鋼球提升最大高度為 1.091 m；采用帶弧度的溝槽階梯襯板，磨內(nèi)鋼球提升最大高度為 1.199 m；采用中波紋襯板，磨內(nèi)鋼球提升最大高度為 1.282 m。因此，中波紋襯板破碎粉磨物料的效果最好。

在實(shí)際生產(chǎn)中，筒體襯板采用溝槽階梯襯板或帶弧度的溝槽階梯襯板，單塊質(zhì)量約為 34～38 kg；采用中波紋襯板，單塊質(zhì)量約 24.5～26.5 kg。針對這 3種結(jié)構(gòu)襯板進(jìn)行顆粒流體分析，中波紋襯板的粉磨效果最好，且研磨面積大，質(zhì)量最輕。采用中波紋襯板結(jié)構(gòu)，不僅有利于提高破碎粉磨效率，還能在一定程度上降低磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。

3 聯(lián)合粉磨系統(tǒng)下耐磨襯板材料及性能研究

針對聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，輥壓機(jī)嚴(yán)格控制了入磨粒度的大小及均勻性，使水泥磨承擔(dān)了更少的破碎功能，能更好地提高其研磨效率，減小研磨體對襯板的沖擊強(qiáng)度[4]，因此，其入磨粒度小，研磨介質(zhì)直徑小 (最大直徑為 40 mm)，同時(shí)考慮到材料、鑄造工藝等對襯板疲勞強(qiáng)度、耐磨性的影響，對筒體襯板的化學(xué)成分和熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。筒體襯板改造前后的化學(xué)成分如表4 所列。

表4 襯板改造前后化學(xué)成分Tab.4 Chemical compositions before and after liner transformation %

由表4 可知，改造后，元素 C 和 Cr 的含量明顯增加，有助于襯板耐磨性的提升；導(dǎo)致襯板性能脆硬的元素 Si 含量降低至 0.3%～0.7%，同時(shí)有害元素 P和 S 含量減小，可降低脆裂傾向。

按照襯板改造后的化學(xué)成分，對襯板進(jìn)行試制。襯板通過電爐加熱，油池淬火，淬火+回火熱處理。

選取試驗(yàn)件及原材質(zhì)襯板試樣 (見圖5) 進(jìn)行解剖分析及硬度測量，檢測結(jié)果如表5 所列。

圖5 試驗(yàn)件及原材質(zhì)襯板試樣Fig.5 Liner samples in test and with original materials

表5 硬度及金相組織Tab.5 Hardness and metallographic structure

由表5 可知，改造后，襯板的硬度達(dá)到 55～60 HRC，其金相組織主要為馬氏體。

4 實(shí)際應(yīng)用

某水泥生產(chǎn)線配備的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)：180-160 輥壓機(jī) (裝機(jī)功率為 2×1 600 kW)+V 型選粉機(jī)+雙分離高效選粉機(jī)+φ3.8 m×13.0 m 水泥磨 (裝機(jī)功率為2 500 kW)，主要用于生產(chǎn) PO42.5 水泥。磨機(jī)為閉路磨，粉磨介質(zhì)最大球直徑為 30 mm，襯板一倉采用中波紋襯板，二倉采用超薄小波紋襯板，襯板材質(zhì)為新型耐磨鑄鋼，硬度達(dá)到 55～60 HRC，為防止襯板薄弱點(diǎn)斷裂，設(shè)計(jì)加強(qiáng)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。整體襯板質(zhì)量較常規(guī)襯板減輕約 12% 以上，在一定程度上降低了磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷及單機(jī)能耗。襯板平均厚度較常規(guī)薄 10% 以上，增加有效研磨容積約為 1.5～2.5 m3，提高了粉磨效率。

目前該生產(chǎn)線上磨機(jī)襯板已使用 19 800 h，經(jīng)現(xiàn)場反饋，一倉、二倉的襯板形狀未發(fā)現(xiàn)明顯變化，說明該襯板磨損量很小。因此，較傳統(tǒng)襯板，該襯板的使用壽命可延長 1 倍以上，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度與維修成本；較常規(guī)磨機(jī)，該磨機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá) 280 t/h 以上，產(chǎn)量有一定程度的提高。

5 結(jié)語

(1) 針對聯(lián)合粉磨系統(tǒng)入磨粒度小，粉磨介質(zhì)平均球徑小，襯板承受沖擊動(dòng)能低等特點(diǎn)，其襯板在結(jié)構(gòu)和成分性能上的調(diào)整主要以增加襯板的耐磨性，提高襯板的使用壽命為切入點(diǎn)。

(2) 與溝槽階梯襯板相比，采用中波紋襯板，磨內(nèi)粉磨介質(zhì)提升的最大高度增加，破碎、粉磨物料的效果較好。

(3) 通過增加襯板材質(zhì)中 C 和 Cr 元素的含量，提高了襯板的耐磨性和硬度，延長了襯板的使用壽命。

筆者介紹的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)下粉磨介質(zhì)對耐磨襯板影響及優(yōu)化方案，不僅可提高粉磨效率，降低磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷及單機(jī)能耗，還為干法球磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)提供了新的思路，在干法粉磨裝備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面積累了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)新型節(jié)能粉磨裝備在建材、礦山領(lǐng)域的推廣起到了關(guān)鍵示范作用。