水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗研究與應用

楊紀昌，仝麗娟，程 波

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039 2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

輥壓機 (又稱高壓輥磨機)是一種基于層壓粉碎原理的高效節(jié)能粉碎裝備，輥壓機裝備制造與應用技術于 20 世紀 80 年代后期由國家建材局牽頭從德國洪堡公司引入中國，首先應用于建材行業(yè)的水泥粉磨工藝中，隨著水泥行業(yè)的普遍應用，其突出的節(jié)能高效性能得到了水泥行業(yè)的認可。

礦山重型裝備國家重點實驗室 (以下簡稱“實驗室”)于 2010 年掛牌于中信重工機械股份有限公司，多年來一直致力于礦石碎磨試驗及礦山機械裝備選型試驗方法的研究，通過國外引進和自主創(chuàng)新的方式，開發(fā)了輥壓機料層粉碎設備選型試驗方法及節(jié)能高效的碎磨工藝流程，建立了試驗及裝備選型數(shù)據(jù)庫，推動了碎磨礦裝備及工藝向大型化、綠色化、高效節(jié)能化的方向發(fā)展[1]，為水泥生料輥壓機終粉磨工藝的應用推廣起到了推動作用。

1 輥壓機層壓粉碎機理

輥壓機工作原理如圖 1 所示，主要依靠兩個水平安裝且同步相向旋轉(zhuǎn)的擠壓輥進行高壓料層粉碎 (又稱粒子間粉碎)，物料層在被迫向下移動的過程中所受擠壓力逐漸增大，直至被粉碎且擠壓成密實的料餅從機下排出。料餅強度與物料水分有關，一般在生料制備過程中，主要物料為鈣質(zhì)原料石灰石，當入料綜合含水率大于 3.0%，料餅強度高，不易碎；當入料綜合含水率低于 2.0%，料餅易碎[2]。

圖1 輥壓機工作原理示意Fig.1 Sketch of operation principle of roller press

在水泥生料輥壓機擠壓粉碎工藝中，輥壓機出料料餅中含有大量的細粉，其中 -80 μm 的細小顆粒約占 15%～25%，-2.0 mm 的顆粒約占 60%～70%，且粗顆粒的內(nèi)部有許多微裂紋形成，可顯著改善水泥生料的易磨性和易燒性。物料經(jīng)破碎機單顆粒破碎與輥壓機高壓料層粉碎所得到的細粒級成品含量有較大區(qū)別，經(jīng)輥壓機高壓料層粉碎得到的細粒級成品含量明顯增加。破碎機和輥壓機破碎產(chǎn)品粒度分布對比如圖 2 所示，充分說明輥壓機高壓料層粉碎的高效性[1,3]。

圖2 破碎機與輥壓機破碎產(chǎn)品粒度分布對比Fig.2 Comparison of crusher and roller press in product size

2 水泥生料輥壓機終粉磨工藝

在水泥生料制備工藝中，最早采用球磨機工藝，后來隨著立式輥磨成套技術的發(fā)展，采用立磨傳統(tǒng)工藝制備水泥生料取得了較大的節(jié)能高效成果，近年來輥壓機終粉磨工藝以其更加突出的高效節(jié)能效果得到了普遍認可與應用，主要采用輥壓機+V 型選粉機 +動態(tài)選粉機的終粉磨工藝流程，如圖 3 所示。

3 輥壓機終粉磨裝備選型設計參數(shù)

圖3 輥壓機終粉磨工藝流程Fig.3 Flow of final grinding process involving roller press

在水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型設計計算時，需要通過開路試驗，了解輥壓機在不同擠壓力等條件下的單位通過量[4]、噸功耗及產(chǎn)品的粒度分布情況，以及在試驗達到穩(wěn)定后輥壓機的單位通過量、噸功耗、循環(huán)負荷及產(chǎn)品的粒度分布情況。通過試驗得到的這些參數(shù)，即可用于推算工業(yè)輥壓機的規(guī)格及處理能力，再結合 V 型選粉機及動態(tài)選粉機的選粉效率[5]，準確地估算水泥生料輥壓機終粉磨工藝系統(tǒng)的處理量及功率消耗。

在國際礦業(yè)界，針對輥壓機的擠壓粉碎試驗，輥壓機的擠壓力、噸功耗、單位通過量及循環(huán)負荷等試驗運行參數(shù)，一般是按照以下方式定義。

(1)擠壓輥比壓力 (N/mm2)為液壓缸對動輥軸承座的總推力F(N)/擠壓輥截面積S(mm2)，其中擠壓輥截面積S=擠壓輥直徑D×擠壓輥寬度B。

(2)噸功耗 (kW·h/t)為輥壓機處理每噸物料擠壓輥軸消耗的輸入軸凈功耗。

(3)單位通過量 (t·s/(h·m)3)為輥壓機通過量(t/h)/[擠壓輥截面積 (mm2)×線速度 (m/s)]。

(4)試驗循環(huán)負荷 (%)為返回料質(zhì)量/成品質(zhì)量。

(5)產(chǎn)品粒度分布 一般要分別分析輥壓機出料的中心料及邊緣料，進一步研究輥壓機的邊緣效應，按照邊緣效應的權值估算工業(yè)輥壓機的擠壓產(chǎn)品粒度分布[6]。

實驗室在制定水泥生料輥壓機終粉磨試驗技術規(guī)范時，基于水泥生料粒度標準，特別關注了出料中0.125 mm (120 目)和 0.080 mm (190 目)篩孔通過量，同時結合試驗輥壓機的單位通過量，計算出對應的-0.125 和 -0.080 mm 單位生成量，以此作為數(shù)據(jù)庫中各輥壓機易磨性的判斷基準。再結合工業(yè)輥壓機系統(tǒng)運行參數(shù)，對水泥生料輥壓機終粉磨工藝系統(tǒng)的產(chǎn)能和電耗進行預估。

經(jīng)過多家現(xiàn)場水泥生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比，目前實驗室研發(fā)的水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗方法較為可靠，而且更容易推廣應用，已形成中信重工專用的水泥生料輥壓機終粉磨選型試驗方法技術規(guī)范。

4 輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗方法

水泥生料一般是由石灰質(zhì)原料、黏土質(zhì)原料及少量校正原料組成，有時還按比例加入礦化劑、晶種等。水泥生料細度一般控制在 0.08 mm 方孔篩篩余12% 左右，0.20 mm 方孔篩篩余小于 1.0%。如果生料中含有較多的結晶二氧化硅或易燒性差的方解石、大理石等反應活性差的原料，或者由于采用煤矸石等工業(yè)廢渣代替了一部分黏土，應提高生料的粉磨細度。通?？蓪⑸霞毝瓤刂圃?0.08 mm 方孔篩篩余 5% 左右，0.20 mm 方孔篩篩余小于 0.5%。在普通硅酸鹽水泥實際生產(chǎn)中，如果不影響水泥熟料的燒成，水泥生料粒度分布可以放粗到 0.08 mm 方孔篩篩余 15%～18%，0.20 mm 方孔篩篩余小于 2.0%，甚至 0.20 mm方孔篩篩余可以小于 3.0%。粗顆粒經(jīng)過輥壓機高壓料層擠壓后，內(nèi)部充滿了微裂紋，可以改善水泥生料的易燒性。

因此，實驗室在研究水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗方法時，對于輥壓機出料粒度分布，以考察 0.08 mm 方孔篩通過量為重點，以滿足閉路輥壓試驗產(chǎn)品 0.08 mm 方孔篩篩余為基準，選取合適的閉路分級篩孔尺寸。經(jīng)過多批次試驗研究發(fā)現(xiàn)，以 0.125 mm 標準方孔篩為分級篩，可以基本滿足水泥生料產(chǎn)品的 0.08 mm 方孔篩篩余含量要求。因此以 0.125 mm標準方孔篩為分級篩，進行多次閉路輥壓試驗，直到單位通過量、噸功耗、循環(huán)負荷等指標穩(wěn)定后完成試驗，建立試驗數(shù)據(jù)庫并對各個不同廠家水泥原料輥壓機生料易磨性進行對比分析研究，以數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和工業(yè)輥壓機運行數(shù)據(jù)來指導水泥生料終粉磨工藝中輥壓機裝備規(guī)格選型設計計算，并對系統(tǒng)處理量和功率消耗進行估算。

實驗室在φ420 mm×100 mm 輥壓機試驗平臺 (見圖 5)上，針對水泥生料輥壓機終粉磨工藝進行了大量的試驗研究，建立并完善了中信重工特有的試驗方法規(guī)范。

圖5 φ420 mm×100 mm 試驗輥壓機Fig.5 φ420 mm×100 mm test roller press

(1)進行開路輥壓粉碎試驗，研究壓力、輥速變化對物料粉碎效果的影響，進行水泥生料料層擠壓效果分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，對于大多數(shù)水泥生料輥壓粉碎，擠壓輥比壓力在 3.5 N/mm2比較合適，輥壓機處理量、噸功耗都較為適中。確定了開路條件擠壓輥試驗壓力分別為 2.03、3.38、4.73 N/mm2；輥子線速度為 0.49 m/s，線速度選擇準則為基于輥面直徑上浮15%。根據(jù)大量的輥壓試驗研究，適當提高轉(zhuǎn)速可以增加輥壓機出料產(chǎn)品細度，單位通過量稍有減小，但影響不大。

(2)以 0.125 mm 標準方孔篩為分級篩，對水泥生料進行閉路循環(huán)輥壓粉碎試驗，研究單位通過量、噸功耗、循環(huán)負荷等指標達到穩(wěn)定狀態(tài)后的水泥生料粉碎效果，可以較好地滿足水泥生料終粉磨工藝的產(chǎn)品細度要求，并以此為基準建立試驗數(shù)據(jù)庫，結合工業(yè)輥壓機運行數(shù)據(jù)，綜合評定不同廠家水泥生料的輥壓機層壓粉碎效能。

(3)針對開路試驗、分級閉路試驗的出料產(chǎn)品，準確分析其中心料及邊緣料粒度分布情況，考察物料輥壓粉碎的邊緣效應，指導輥壓機運行參數(shù)的設計計算，以及輥壓機終粉磨工藝裝備及系統(tǒng)的可靠設計及應用。

在試驗過程中，實驗室依靠可靠、準確的試驗方法和檢測手段建立了可靠的操作規(guī)范和技術規(guī)范，尤其是輥壓試驗操作方法和參數(shù)測定與國際接軌，保證國內(nèi)外業(yè)界能夠通用，得到了國內(nèi)外多家用戶的肯定。在輥壓粉碎試驗中，利用遙測擠壓輥輸入軸運行轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的方法，可準確推算輥壓粉碎凈功耗，指導輥壓機裝備功率的估算；利用物料的 Bond 金屬磨損指數(shù)，并結合輥壓機運行數(shù)據(jù)庫估算輥壓機擠壓輥輥面壽命，指導輥壓機輥面的結構設計。

實驗室對近十家水泥公司的水泥生料進行了輥壓機終粉磨試驗，建立了試驗數(shù)據(jù)庫，利用 0.125 mm單位產(chǎn)量的概念，建立各家物料輥壓機終粉磨粉碎效果的關聯(lián)關系，支撐水泥生料輥壓機終粉磨工藝系統(tǒng)的裝備選型、產(chǎn)能估算及能耗預測。

5 輥壓機終粉磨試驗數(shù)據(jù)

實驗室依據(jù)以上輥壓試驗技術規(guī)范，對試驗結果列表如表 1～5 所列，有利于試驗數(shù)據(jù)庫的建立及完善。

表1 開路輥壓試驗條件與結果Tab.1 Conditions and results of open-circuit rolling test

表2 開路輥壓試驗入料及輥壓產(chǎn)品粒度分析結果Tab.2 Analysis results of feed and product of open-circuit rolling test

表3 閉路輥壓試驗條件與結果Tab.3 Conditions and results of closed-circuit rolling test

6 數(shù)據(jù)庫的建立與應用

按照制定的水泥生料輥壓機終粉磨選型試驗技術規(guī)范，對十幾家用戶的物料進行了開閉路輥壓試驗研究，建立了相應的試驗數(shù)據(jù)庫 (見表 6)，通過試驗數(shù)據(jù)庫對比，可以看出不同用戶水泥生料樣品在閉路輥壓試驗穩(wěn)定情況下的擠壓粉碎效果及產(chǎn)能、功耗情況。同時也對投產(chǎn)的水泥生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)進行了大量的調(diào)研，收集了現(xiàn)場工業(yè)運行數(shù)據(jù)，建立了現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)庫。結合這些數(shù)據(jù)可以分析估算新建水泥生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)能、電耗，確定輥壓機的型號規(guī)格及裝機功率，指導輥壓機的設計選型計算。

表4 閉路輥壓試驗入料及產(chǎn)品粒度分析結果Tab.4 Analysis results of feed and product of closed-circuit rolling test

表5 閉路輥壓試驗穩(wěn)定產(chǎn)品粒度分析結果Tab.5 Size analysis results of stable product of closed-circuit rolling test

7 結語

礦山重型裝備國家重點實驗室一直致力于輥壓機層壓粉碎技術的研究應用，促進了輥壓料層粉碎技術進步，以及高效節(jié)能粉碎磨礦工藝的推廣應用，在水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗技術研究與應用方面取得了一些成果。

表6 不同水泥原料輥壓機粉磨閉路試驗結果Tab.6 Final grinding closed-circuit test results of various cement raw material roller press

(1)在φ420 mm×100 mm 輥壓機試驗平臺上，開發(fā)設計了水泥生料輥壓機終粉磨工藝裝備選型試驗技術，為水泥行業(yè)高效節(jié)能裝備輥壓機的試驗研究及設計應用提供了有效的技術方法。

(2)科學界定了擠壓輥比壓力的應用范圍及合理的擠壓輥轉(zhuǎn)速，并利用先進可靠的檢測方法與儀器裝置，可準確地檢測輥壓機試驗通過量、擠壓輥轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，進一步推算出輥壓試驗機的單位通過量、噸功耗等運行參數(shù)，推動了水泥行業(yè)輥壓機應用的技術進步。

(3)輥壓機試驗參數(shù)與國際接軌，定義了擠壓輥比壓力、單位通過量等通用參數(shù)，有利于中國水泥行業(yè)輥壓機應用技術的國際化推廣。

(4)利用 0.125 mm 分級篩進行閉路輥壓試驗，既使閉路試驗產(chǎn)品粒度分布基本滿足了水泥生料粒度分布的標準要求，又建立了不同廠家物料對比分析的基準依據(jù)，為全面系統(tǒng)研究水泥生料輥壓機終粉磨技術及應用起到了引領與推動作用。

(5)建立了水泥生料輥壓機終粉磨試驗數(shù)據(jù)庫和工業(yè)運行數(shù)據(jù)庫，為水泥生料輥壓機終粉磨生產(chǎn)線的科研開發(fā)、籌劃建設、設計計算及實踐應用提供了可靠的技術支撐。