非金屬礦粉體用立式磨的研究與應(yīng)用

李曉光

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051）

【礦物加工】

非金屬礦粉體用立式磨的研究與應(yīng)用

李曉光

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051）

本文綜述了非金屬礦行業(yè)常用裝備的技術(shù)現(xiàn)狀，以HRM立式磨在葉蠟石、高嶺土等非金屬礦粉體產(chǎn)品加工中的應(yīng)用為例，研究了立式磨裝備的磨損機(jī)理以及輥套、分離器葉片等易損件耐磨處理技術(shù)，研制出適應(yīng)非金屬礦粉體產(chǎn)品生產(chǎn)的HRM1700X立式磨。應(yīng)用結(jié)果表明，該裝備生產(chǎn)細(xì)度d99.9≤45μm的產(chǎn)品時(shí)，單機(jī)產(chǎn)能是雷蒙磨6倍，達(dá)到12t/h，易損件使用壽命是雷蒙磨的5倍，噸產(chǎn)品平均電耗在56～58kWh/t，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率達(dá)到96%以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該裝備技術(shù)符合非金屬礦粉體加工要求噸產(chǎn)品平均電耗低、運(yùn)行效率高的原則。

立式磨；非金屬礦；節(jié)能

1 引言

隨著國內(nèi)非金屬礦產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，雷蒙磨、環(huán)輥磨、球磨機(jī)等粉磨裝備及其技術(shù)在一定程度上適應(yīng)了Bond功指數(shù)＜15.0的非金屬礦物產(chǎn)品加工的需求。但是，對(duì)于Bond功指數(shù)＞15.0的非金屬礦物產(chǎn)品加工，上述裝備技術(shù)還存在以下問題：①物料硬度高，造成裝備的易損件磨損嚴(yán)重；②物料磨蝕性大、磨耗高，造成產(chǎn)品污染嚴(yán)重；③易損件更換頻繁，造成裝備運(yùn)行效率低、檢修維護(hù)率高，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)非金屬礦物產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的目光開始轉(zhuǎn)向高效、節(jié)能型的立式磨裝備與技術(shù)[1-3]。立式磨裝備技術(shù)作為近年來非金屬礦物干法粉磨與分級(jí)技術(shù)的主要進(jìn)展之一[4]，其特點(diǎn)是單機(jī)生產(chǎn)能力大、噸產(chǎn)品平均電耗低，生產(chǎn)的產(chǎn)品純度高、粒度分布窄，一次成品細(xì)度d97=10～44μm。

本文針對(duì)Bond功指數(shù)較高或高硅含量的非金屬礦物料粉磨，分別從非金屬礦物加工裝備與技術(shù)、原料理化組成、產(chǎn)品要求、裝備易損件的耐磨材料選擇等角度，探索了HRM立式磨在葉蠟石、高嶺土等非金屬礦粉體產(chǎn)品加工中的應(yīng)用情況。

2 裝備技術(shù)應(yīng)用分析

非金屬礦行業(yè)的代表生產(chǎn)裝備主要有雷蒙磨、環(huán)輥磨機(jī)、球磨機(jī)和立式磨等[1，4]，分別從適應(yīng)原料的Bond功指數(shù)、適應(yīng)產(chǎn)品細(xì)度、易損件使用壽命、最佳入料粒度、單機(jī)產(chǎn)能等角度分析了幾種常見裝備技術(shù)的特點(diǎn)，具體參數(shù)如表1所示。

2.1 雷蒙磨

適用于Bond功指數(shù)＜15.0的非金屬礦物，多以生產(chǎn)d97≥28μm的粗粉產(chǎn)品為主，單機(jī)規(guī)模小。粉磨莫氏硬度≤3.0的非金屬礦物時(shí)，易損件使用壽命可以達(dá)到120天；但是粉磨石英砂、葉蠟石、高嶺土等Bond功指數(shù)＞15.0的非金屬礦物時(shí)，其易損件使用壽命只能達(dá)到20天左右，磨損嚴(yán)重、磨耗高、且污染產(chǎn)品，影響裝備的運(yùn)行效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 常見的非金屬礦物生產(chǎn)裝備及其分析

2.2 環(huán)輥磨

適用于Bond功指數(shù)＜15.0的非金屬礦物，以生產(chǎn)d97=8～22μm的(超)細(xì)粉產(chǎn)品為主，單機(jī)規(guī)模小。易損件使用壽命可以達(dá)到300天；但是粉磨石英砂、葉蠟石、高嶺土等Bond功指數(shù)＞15.0的非金屬礦物時(shí)，其易損件使用壽命只能達(dá)到30～60天，磨損嚴(yán)重、磨耗高、且污染產(chǎn)品，同樣也會(huì)影響裝備的運(yùn)行效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 球磨機(jī)與分級(jí)機(jī)

適用于Bond功指數(shù)＜26.0的非金屬礦物粉磨分級(jí)，與分級(jí)機(jī)配套后可以生產(chǎn)d97=5～45μm的粗粉和細(xì)粉產(chǎn)品，單機(jī)規(guī)模較大。其襯板及研磨介質(zhì)等易損件的使用壽命可以達(dá)到1 000天；但是對(duì)于Bond功指數(shù)=26.0的非金屬礦物，其使用壽命有時(shí)只能達(dá)到100天，而且襯板及研磨介質(zhì)磨損的部分進(jìn)入產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品的純度及其使用性能產(chǎn)生一定影響。為了不影響裝備的運(yùn)行效率，需定期進(jìn)行檢查、補(bǔ)充研磨介質(zhì)；缺點(diǎn)是能耗較高。

2.4 立式磨

對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，適用于Bond功指數(shù)＜26.0的非金屬礦物粉磨分級(jí)，產(chǎn)品細(xì)度可以在d97=10～80μm之間任意調(diào)節(jié)，單機(jī)規(guī)模大。對(duì)于方解石、滑石等Bond功指數(shù)＜15.0的非金屬礦物，其襯板和輥套等易損件的使用壽命可以達(dá)到1 000天；但是對(duì)于Bond功指數(shù)=26.0的非金屬礦物，其易損件使用壽命只能達(dá)到80天，輥套和襯板磨損的部分也會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品的純度產(chǎn)生一定影響，為了不影響裝備的運(yùn)行效率，應(yīng)定期進(jìn)行檢查輥套和磨盤襯板，易損件易于檢修更換。與上述其他設(shè)備相比，立式磨具有物料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品細(xì)度可調(diào)、規(guī)?；б婷黠@、運(yùn)行效率高、噸產(chǎn)品能耗低等特點(diǎn)。

根據(jù)上述分析可見，雷蒙磨、環(huán)輥磨受易損件使用壽命低、單機(jī)規(guī)模小等影響，在非金屬礦物粉體加工中受到限制；球磨機(jī)與分級(jí)機(jī)組合雖能滿足規(guī)?；a(chǎn)，但是噸產(chǎn)品能耗高嚴(yán)重制約了該裝備技術(shù)在非金屬礦物粉體加工中的應(yīng)用。

非金屬礦企業(yè)的目光開始關(guān)注高效節(jié)能型的立式磨裝備及其技術(shù)，立式磨作為近年來粉體加工裝備技術(shù)的主要設(shè)備，其既符合了非金屬礦產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?jí)的要求，又符合了國家節(jié)能減排政策的要求[1-3]。

3 非金屬礦用立式磨研究

早期立式磨裝備技術(shù)在國內(nèi)非金屬礦物粉體加工行業(yè)很少應(yīng)用，而歐美、馬來西亞、印尼和日本等國早在20世紀(jì)就開始采用立式磨裝備技術(shù)進(jìn)行非金屬礦物加工，其應(yīng)用領(lǐng)域不僅涉及方解石、白云石，還應(yīng)用到高嶺土、石英砂、葉蠟石等非金屬礦物料加工[1-3]。隨著國產(chǎn)立式磨在水泥和礦渣行業(yè)的成功應(yīng)用，立式磨裝備技術(shù)在國內(nèi)非金屬礦物加工行業(yè)開始興起。下面以HRM立式磨為例，分別從磨損機(jī)理分析、易損件材料選擇及其抗耐磨處理等角度具體研究了HRM立式磨裝備技術(shù)粉磨非金屬礦物的可行性。

3.1 磨損機(jī)理

根據(jù)立式磨的工作原理及構(gòu)造分析，其磨損主要表現(xiàn)為擠壓磨損和噴射(風(fēng)掃)磨損，以及粘著性磨損、疲勞剝蝕類磨損和化學(xué)反應(yīng)腐蝕磨損等[2]。擠壓磨損表現(xiàn)為：工況下研磨裝置與物料接觸面間的磨損，立式磨的磨輥加壓系統(tǒng)多為液壓氣動(dòng)彈簧系統(tǒng)(剛度達(dá)1.5～3.2kN/mm)，工作壓力大，可達(dá)400～800kN，粉磨組件在工作中受到很高的擠壓力作用，且輥套與粉磨物料接觸面間存在差速滑移，在輥套和磨盤表面表現(xiàn)為擠壓和剪切磨損；噴射(風(fēng)掃)磨損表現(xiàn)為：工況下磨內(nèi)帶料氣流與風(fēng)道接觸面間的磨損，如磨內(nèi)風(fēng)環(huán)和分離器殼體、轉(zhuǎn)子葉片及灰斗等處。

3.2 易損件耐磨研究

3.2.1 輥套

輥套作為立式磨最重要的研磨裝置部件，其耐磨性能和可靠性至關(guān)重要，直接影響裝備的運(yùn)行效率。輥套在承受高壓下與物料發(fā)生擠壓和剪切作用，造成接觸面擠壓剪切磨損，磨輥磨損嚴(yán)重后，不僅產(chǎn)量會(huì)急劇下降引起電耗偏高，還會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)振動(dòng)加劇引起相關(guān)零部件的損壞。

(1) 高鉻基材堆焊：傳統(tǒng)立式磨的輥套基材通常采用高鉻鑄鐵，外部堆焊8～30mm的耐磨焊材，磨損后可進(jìn)行多次堆焊修復(fù)使用。關(guān)鍵是輥套基材的選擇，有的高鉻基材在堆焊前就存在未探測(cè)出的內(nèi)部缺陷，在堆焊過程中就容易放大內(nèi)部缺陷，研磨過程中造成基材乃至堆焊層爆裂；有的高鉻基材在堆焊前沒有缺陷，但是基材的可焊性不佳，堆焊后出現(xiàn)缺陷，只能作報(bào)廢處理，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，合適的高鉻基材選擇至關(guān)重要。

(2) 碳鋼基材堆焊：由于受高鉻基材可堆焊性能的影響，越來越多的立式磨制造企業(yè)開始探索采用焊接能好的碳鋼作基材，外部堆焊耐磨焊材，形成內(nèi)韌外硬的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于高鉻鑄鐵其具有更高的耐磨性和耐沖擊能力，而且磨損后可以通過再生堆焊反復(fù)多次使用。此種方式最大的風(fēng)險(xiǎn)就是耐磨層的剝離，為盡量避免剝落，需要從母材、堆焊、焊絲及施工工藝幾個(gè)方面進(jìn)行合理搭配。同時(shí)，為確保堆焊修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性和效果，應(yīng)確保每次再生堆焊前檢查磨損情況不要傷及過渡層及基材。隨著立式磨的大型化以及在線堆焊技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)發(fā)展迅速也更加實(shí)用。

(3) 耐磨陶瓷及涂層：關(guān)于耐磨陶瓷及其涂料的使用，已經(jīng)在一些特定的非金屬礦物粉體加工中應(yīng)用。相比其他材料更加容易施工，降低了成本。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)將會(huì)在有些特定行業(yè)得到快速發(fā)展。

3.2.2 分離器轉(zhuǎn)子及其葉片

分離器轉(zhuǎn)子是分級(jí)裝置的核心部件，起到阻斷粗顆粒、分離出細(xì)粉產(chǎn)品的作用。在分離過程中，轉(zhuǎn)子要承受一定量的物料沖擊，克服較大的系統(tǒng)阻力，工況下還受離心力和振動(dòng)等因素的影響，所以磨損較大。目前較適宜的材料是耐磨鋼板(比如羅奇中國和耐鋼的產(chǎn)品)，其加工性和可焊性都較好，并且是全厚度同等硬度，使轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡效果好，可以抵御兩面磨損，抗磨效果好。據(jù)采用合肥中亞建材裝備有限責(zé)任公司HRM1700立式磨的葉蠟石企業(yè)反饋，采用該技術(shù)的轉(zhuǎn)子使用兩年以后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)依然完整。至于耐磨涂料的使用，需考察脫落的涂層會(huì)不會(huì)影響產(chǎn)品的用途。

另外，分離器殼體受到的磨損比較單一，主要是含塵氣流沖刷造成的風(fēng)蝕磨損，且此處風(fēng)速僅為3～6mm/s，建議根據(jù)所分離物料的磨蝕性及其用途要求，采用16Mn鋼、復(fù)合耐磨鋼板等。必要時(shí)也可采用耐磨涂料，效果較好，但是價(jià)格較高。

3.2.3 導(dǎo)向風(fēng)環(huán)

導(dǎo)向風(fēng)環(huán)的作用是確保磨內(nèi)通風(fēng)流暢、淘洗粗顆粒排出進(jìn)入外循環(huán)，揚(yáng)起細(xì)顆粒進(jìn)入分離器分選。通過強(qiáng)制變向提高氣流速度，此處流速達(dá)到30～60m/s，氣流中含有大量粗粉和細(xì)粉，磨損情況比較嚴(yán)重，由于葉片間距小厚度薄，且存在氣流沖擊引起的振動(dòng)，因此耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料都不適宜，耐磨鋼板使用效果也不是很好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了復(fù)合耐磨鋼板，將耐磨面朝向氣流，效果較好，可以使用2年以上。至于復(fù)合耐磨鋼板的焊接問題，建議將焊接位置的耐磨材料刨掉，露出底層，先用普通焊條將鋼板之間焊牢，然后再次堆焊耐磨焊條，這樣的焊接件才是牢固的，不會(huì)脫焊。

4 非金屬礦用立式磨應(yīng)用分析

近年來，由于能源成本的節(jié)節(jié)攀升，下游使用行業(yè)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求又在不斷提高，以及非金屬礦加工中的高能耗等問題，激起行業(yè)對(duì)研發(fā)新型節(jié)能磨機(jī)的需求。立式磨由于其獨(dú)特的節(jié)能效果、單機(jī)產(chǎn)能大的優(yōu)勢(shì)而被行業(yè)廣泛認(rèn)可[1]。下面以研制的非金屬礦用立式磨在葉蠟石、高嶺土等產(chǎn)品加工中的應(yīng)用為例，進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

4.1 葉蠟石

葉蠟石[Al2(Si4O10)(OH)2]被廣泛用作耐火材料、陶瓷、建筑材料、玻璃纖維、分子篩的原料和輔料，此外在人造金剛石、石油、電氣等方面也有應(yīng)用。以葉蠟石類礦物為主要原料生產(chǎn)的玻璃纖維是一種新型無機(jī)非金屬材料，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)耐腐蝕、絕緣、隔熱、吸音等優(yōu)異性能，有“第二鋼材”之譽(yù)稱。

浙江某集團(tuán)公司是亞洲葉蠟石規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)之一，該公司所采用的葉蠟石原料的理化特征如表2所示。

表2 葉蠟石理化性能分析

該公司主要用葉蠟石粉作為玻纖行業(yè)的原料，該行業(yè)對(duì)產(chǎn)品粒度分布要求高、d99.9指標(biāo)控制嚴(yán)格。立式磨生產(chǎn)的葉蠟石粉體產(chǎn)品特性及能耗效果如表3所示。

表3 HRM1700X立式磨生產(chǎn)的葉蠟石粉體產(chǎn)品及電耗分析

該公司對(duì)使用立式磨與雷蒙磨生產(chǎn)的同類葉蠟石產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

由表4可見，生產(chǎn)同類產(chǎn)品，立式磨的噸產(chǎn)品平均電耗比雷蒙磨節(jié)省18.7%；單機(jī)產(chǎn)能是雷蒙磨的6倍；易損件使用壽命是雷蒙磨的5～7倍。同等生產(chǎn)規(guī)模的情況下，立式磨的投資額度比雷蒙磨略高6%，但是其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比雷蒙磨低56%。經(jīng)過上述分析，該公司后期生產(chǎn)線陸續(xù)采用19臺(tái)套HRM1700X立式磨生產(chǎn)葉蠟石微粉。

表4 立式磨與雷蒙磨生產(chǎn)的葉蠟石粉體運(yùn)行投資對(duì)比

4.2 高嶺土

高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)具有良好的可塑性和耐火性等理化性質(zhì)。其礦物成分主要由高嶺石、埃洛石、水云母、伊利石、蒙脫石以及石英、長石等礦物組成。主要用于造紙、陶瓷和耐火材料、涂料、橡膠填料、搪瓷釉料和白水泥原料等工業(yè)部門。

國內(nèi)某公司在考察了HRM1700X立式磨在葉蠟石行業(yè)的運(yùn)行情況后，采用2臺(tái)套該型號(hào)設(shè)備用于煅燒高嶺土的粉磨生產(chǎn)。其原料理化指標(biāo)如表5所示，立式磨生產(chǎn)的高嶺土粉體產(chǎn)品特性及能耗效果如表6所示。

表5 高嶺土理化性能分析

表6 HRM1700X立式磨生產(chǎn)的高嶺土粉體產(chǎn)品及電耗分析

該行業(yè)對(duì)產(chǎn)品粒度分布要求高、d99.9指標(biāo)控制嚴(yán)格。

根據(jù)業(yè)主提供的表6數(shù)據(jù)分析，HRM1700X立式磨生產(chǎn)高嶺土微粉表現(xiàn)出：產(chǎn)品粒度分布窄、純度高、流動(dòng)性好、單機(jī)生產(chǎn)能力大、噸產(chǎn)品平均電耗低的特點(diǎn)。再者裝備運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低，明顯提升了企業(yè)的生產(chǎn)線自動(dòng)化水平和經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了用工成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)語

非金屬礦物的開發(fā)利用水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，而非金屬礦物加工裝備與技術(shù)更是衡量一個(gè)國家非金屬礦資源開發(fā)利用水平的重要標(biāo)志。

HRM1700X立式磨裝備技術(shù)達(dá)到了非金屬礦粉體加工的要求，生產(chǎn)d99.9≤45μm的產(chǎn)品時(shí)，單機(jī)產(chǎn)能是雷蒙磨6倍，達(dá)到12t/h，易損件使用壽命是雷蒙磨的5倍，噸產(chǎn)品平均電耗在56～58kWh/t，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率達(dá)到96%以上。經(jīng)檢測(cè)，該項(xiàng)目運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到同類裝備國際先進(jìn)水平。

“十三五”期間，裝備技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新是非金屬礦粉體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重點(diǎn)[1，4]，HRM立式磨在非金屬礦行業(yè)應(yīng)用的成功，必將有利于非金屬礦產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品創(chuàng)新，提升我國非金屬礦粉體裝備技術(shù)在國際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]秦廣超.HRM超細(xì)立式磨的研制與應(yīng)用分析[J].中國粉體技術(shù)，2016，22(4)：78-82.

[2]袁鳳宇，張志宇，鄧小林.粉磨葉蠟石立式磨的開發(fā)和應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2008(5)：43-46.

[3]鄭水林.非金屬礦加工與應(yīng)用(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：13-42.

[4]秦廣超.“十三五”期間重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展探析[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2016(2)：1-5，13.

2017年新年伊始，地勘中心收到中國地質(zhì)調(diào)查局資源評(píng)價(jià)部發(fā)來的感謝信。信中充分肯定了地勘中心領(lǐng)導(dǎo)對(duì)地調(diào)工作的高度重視，參與項(xiàng)目的陳軍元、高樹學(xué)等主要成員在支撐重要礦產(chǎn)資源調(diào)查計(jì)劃業(yè)務(wù)推進(jìn)、編制百項(xiàng)成果報(bào)告、新疆奇臺(tái)縣黃羊山晶質(zhì)石墨找礦重大突破等方面給予資源評(píng)價(jià)部的大力支持。

2016年，地勘中心承擔(dān)了中國地質(zhì)調(diào)查局的地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)

Research and Application of Vertical Roller Mill Producing Non-metallic Mineral Powder

LI Xiao-guang
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

This paper summarizes the technical status of the common equipment used in nonmetal mining industry. HRM vertical roller mill used in pyrophyllite, kaolin and other non-metallic mineral powder products processing as an example. Study on the wear mechanism of vertical grinding equipment, and wear resistant processing technology of parts such as roller sleeve and blade of separator. develope for the HRM1700X vertical roller mill used in non-metallic mineral powder producing. The application results show that the equipment production fineness of d99.9≤45μm, stand-alone capacity is 6 times of Raymond mill, to 12t/h, service life of wearing parts is 5 times of raymond mill, the average power consumption per ton of product is 56～58kWh/t, the equipment efficiency reached above 96%, meet the design requirements. The equipment and technology in line with the principle of non-metallic mineral powder processing requirements, low average power consumption per ton of product with high purity and high efficiency.

vertical roller mill; non-metallic minerals; energy-saving

TD453

A

1007-9386(2017)01-0023-04

2016-12-07