王國慶

（合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051）

HRM17/2X立式磨在精細重鈣粉生產(chǎn)中的應(yīng)用與研制

王國慶

（合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051）

以年產(chǎn)8萬t精細化重質(zhì)碳酸鈣粉體生產(chǎn)線系統(tǒng)工藝設(shè)計與實踐為研究基礎(chǔ)，探索了HRM17/2X立式磨的研磨裝置、分級裝置的創(chuàng)新設(shè)計與研制。結(jié)果表明，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品單機規(guī)模達到6.7t/h，精細化程度達到2μm細粉體積含量≥28%、d100≤38μm、d50=4.0～4.6μ m，噸產(chǎn)品電耗≤55.39kWh/t。實現(xiàn)了HRM17/2X立式磨裝備技術(shù)創(chuàng)新，重鈣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)品精細化節(jié)能生產(chǎn)。

重質(zhì)碳酸鈣；精細粉；立式磨；節(jié)能

1 前言

近5年來，國內(nèi)重質(zhì)碳酸鈣(簡稱重鈣，GCC)等非金屬礦粉體需求高速增長，帶來了產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)品功能性不足、普通產(chǎn)品過剩等問題和行業(yè)發(fā)展難題[1]。如何解決上述問題，重點在于提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平。

雷蒙磨、環(huán)輥磨、球磨機等加工裝備技術(shù)雖然在一定程度上促進了重鈣等非金屬礦粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但還存在單機產(chǎn)能低、噸產(chǎn)品能耗高、產(chǎn)品穩(wěn)定性差、產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、裝備技術(shù)水平創(chuàng)新不足等問題[2，4，6]。因此，國內(nèi)科研院所及相關(guān)企業(yè)開始轉(zhuǎn)向高效節(jié)能型的立式磨裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新研究。

本文以年產(chǎn)8萬t精細化重鈣粉體生產(chǎn)線工程為研究基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)工藝設(shè)計與實踐，對HRM17/2X立式磨的研磨裝置、分級裝置等進行創(chuàng)新設(shè)計與研制，探索HRM立式磨如何適應(yīng)重鈣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；c產(chǎn)品精細化發(fā)展。

2 HRM17/2X立式磨研制

2.1 研制依據(jù)

重鈣作為一種低碳環(huán)保型非金屬礦物粉體填料，廣泛應(yīng)用于造紙、塑料、橡膠、油漆、涂料、人造大理石板材等下游行業(yè)。隨著應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)升級，對重鈣產(chǎn)品功能性提出更多個性化需求，目的是起到改善制品的強度、韌性、穩(wěn)定性、透氣性、遮蓋率、耐水性等功能性，同時起到大幅度降低成本的作用[1-4]。

結(jié)合上述功能性需求，作為粉體加工裝備研發(fā)企業(yè)，應(yīng)該從重鈣類非金屬礦粉體產(chǎn)品的粒度分布(d97、d100、2μm細粉體積含量、平均粒徑d50、比表面積)、顆粒形態(tài)、晶型結(jié)構(gòu)、白度、雜質(zhì)含量等與加工裝備的研磨效率、分級效率直接相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)上著手[2-5]，進行立式磨裝備的設(shè)計與研制。

本文以d97=22μm重鈣粉體產(chǎn)品的粒度及其分布等性能要求為依據(jù)，具體如表1所示。

根據(jù)表1中產(chǎn)品的d97、d100、平均粒徑d50、2μm細粉體積含量、比表面積等粒度及其分布等要求，結(jié)合HRM立式磨在其他非金屬礦粉體加工行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對原HRM立式磨的研磨裝置與分級裝置等進行創(chuàng)新設(shè)計。

表1 d97=22μm重鈣粉體產(chǎn)品粒度及其分布分析

2.2 研制方案

根據(jù)上述研制依據(jù)，在充分的市場調(diào)研基礎(chǔ)上，消化吸收國外先進的超細立式磨技術(shù)，結(jié)合HRM立式磨在精細重鈣粉體工程應(yīng)用分析，對原HRM立式磨的研磨裝置與分級裝置進行創(chuàng)新設(shè)計[2，7-8]，擬開發(fā)出HRM17/2X精細重鈣粉立式磨。

2.2.1 研磨裝置的研究與技術(shù)創(chuàng)新

立式磨的研磨裝置包含磨盤和磨輥，當(dāng)物料被喂入磨機后，在磨盤旋轉(zhuǎn)的作用下物料由磨盤中心向外側(cè)移動，進入磨輥和磨盤之間的研磨區(qū)域時，被磨輥和磨盤碾壓和磨擦，完成磨機的研磨作業(yè)。被研磨后的物料繼續(xù)向磨盤外移動被拋向磨機的風(fēng)環(huán)處進行淘洗，較細粉塵由風(fēng)環(huán)處的高速氣流帶向磨機頂部，這是一個初選的過程。流向磨機頂部的較細粉塵隨氣流進入選粉裝置開始后續(xù)分級作業(yè)。

粉磨物料的特性決定重鈣立式磨的研磨作業(yè)在設(shè)計上應(yīng)重點考慮以下幾個方面：穩(wěn)定的粉磨料床、與磨機規(guī)格相適應(yīng)的產(chǎn)能及在研磨過程中需產(chǎn)生足夠的細粉。

(1) 穩(wěn)定粉磨料床的形成是立式磨超細粉磨的前提。超細粉磨與普通粉磨相比，料床上物料的顆粒級配有著很大差異，平均顆粒的粒徑小很多，細粉含量多很多，物料在磨盤上的流動性很大，這樣穩(wěn)定的粉磨料床很難形成。為解決此難題，本項目創(chuàng)新如下：

①磨盤轉(zhuǎn)速可調(diào)。通過增加變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)磨盤工作轉(zhuǎn)速，這樣在出現(xiàn)料床不穩(wěn)定的情況下可采用降低磨盤轉(zhuǎn)速的手段來減小物料的流動性。

②加大磨輥有效粉磨作業(yè)面的寬度。該項創(chuàng)新有效地解決了磨輥在碾壓物料時因物料向兩旁滑動而出現(xiàn)“陷入”的現(xiàn)象。

③采用小曲率研磨曲線的輥—盤配合設(shè)計。這樣物料在向磨盤外側(cè)移動時會經(jīng)過較陡的爬坡后拋出，對物料的移動形成了阻滯，利于料床的穩(wěn)定。

④設(shè)計高風(fēng)速風(fēng)環(huán)。由于風(fēng)環(huán)處的風(fēng)速很高，形成“噴吹”效果，可將拋向風(fēng)環(huán)上方的物料中細粉淘洗干凈送至分級裝置，從而有效避免了更多細粉隨外循環(huán)系統(tǒng)回至磨盤重新加入至料床中影響料床的穩(wěn)定性。

(2) 提高研磨作業(yè)中的細粉產(chǎn)出效率是超細立式磨的關(guān)鍵技術(shù)。本項目創(chuàng)新如下：

①高比壓輥—盤配合面設(shè)計。在研磨作業(yè)中，磨輥和磨盤對夾在其間的物料擠壓時為高比壓工作狀態(tài)，物料在一次經(jīng)過輥—盤的間隙時出粉率大大提高，且出現(xiàn)大量＜2μm細粉，這是后續(xù)分級作業(yè)的基礎(chǔ)。

②高磨輥壓力設(shè)計。首先，高磨輥壓力為研磨作業(yè)的高比壓實現(xiàn)提供了可能；第二，高磨輥壓力可更有效地將磨機驅(qū)動的能量傳遞至研磨部位作功，充分發(fā)揮磨機的功率，保證了磨機的產(chǎn)量指標(biāo)。

(3) 本項目超細立式磨進行創(chuàng)新設(shè)計前后各研磨參數(shù)對比見表2。

輥—盤配合如圖1所示，風(fēng)環(huán)設(shè)計如圖2所示。

表2 創(chuàng)新設(shè)計前后研磨參數(shù)對比

2.2.2 分級裝置的研究與技術(shù)創(chuàng)新

超細立式磨與普通立式磨的本質(zhì)區(qū)別在于超細立式磨的產(chǎn)品細度遠超普通立式磨，如本項目研究的超細立式磨產(chǎn)品細度可達d97≤22μm。分級裝置的優(yōu)化設(shè)計是達到產(chǎn)品細度要求指標(biāo)的保證。

要實現(xiàn)超細微粉的分級首先要選擇合理的選粉形式，如普通的動態(tài)選粉裝置就無法達到精細分級要求。本項目采用的是動—靜態(tài)組合式分級裝置(見圖3)，靜葉片起到粗篩大顆粒的目的，動葉片起到控制產(chǎn)品d97、d100粒度指標(biāo)、達到精細分級的作用。這為分級裝置的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖1 輥—盤配合示意圖

圖2 風(fēng)環(huán)示意圖

圖3 動—靜態(tài)組合式分級裝置

在分級裝置中，分級轉(zhuǎn)子是核心。本項目在分級轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計上進行了如下創(chuàng)新：

(1) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

①轉(zhuǎn)子葉片大偏角設(shè)計。大偏角葉片在工作時增大了粉塵通過轉(zhuǎn)子時的難度，從而起到對超細粉的選擇性通過作用。

②增加轉(zhuǎn)子在軸向上的高度。轉(zhuǎn)子高度增加后，轉(zhuǎn)子的有效選面積增大，通過轉(zhuǎn)子的氣—固相流速大大降低，這樣就有利于待分級的氣—固相流中更多較大粒徑的顆粒提前進行沉降至轉(zhuǎn)子下方的灰斗中，從而大大提高了轉(zhuǎn)子的分級效率。

(2) 轉(zhuǎn)子的運行參數(shù)設(shè)計中轉(zhuǎn)速是最重要的控制參數(shù)。本項目中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)計為高轉(zhuǎn)速，而且還可在一定范圍內(nèi)進行實時調(diào)節(jié)，從而保證了轉(zhuǎn)子進行超細分級的實現(xiàn)并可根據(jù)實際需求分級出不同的產(chǎn)品。

在本項目的研發(fā)過程中，運用了最先進的計算機模擬流場分析手段對磨內(nèi)流場進行分析，采用初方案分析→方案改進→再分析→方案再改進的閉環(huán)設(shè)計及優(yōu)化方法，對分級裝置整體結(jié)構(gòu)進行循環(huán)改進，直到最終達到滿意的方案。配合采用合理的轉(zhuǎn)子間隙密封方式，確保分級精度與分級效率兼顧。圖4為分級裝置的流場。

圖4 分級裝置流場

(3) 本項目的轉(zhuǎn)子采用了新型耐磨材料，極大提高了轉(zhuǎn)子的耐磨性，減少了因轉(zhuǎn)子的磨損而產(chǎn)生帶入超細產(chǎn)品中的雜質(zhì)。

2.3 設(shè)計指標(biāo)

擬通過上述設(shè)計創(chuàng)新，使HRM17/2X精細重鈣粉立式磨的技術(shù)指標(biāo)達到表3的要求。

3 工程應(yīng)用與分析

3.1 原料及方案規(guī)劃

3.1.1 原料理化性能

國內(nèi)某知名重鈣粉體企業(yè)所選用的原料為方解石，礦石樣品的理化指標(biāo)如表4所示。

3.1.2 方案規(guī)劃

根據(jù)上述原料理化指標(biāo)以及國內(nèi)重鈣產(chǎn)品市場需求，該企業(yè)考察國內(nèi)外重鈣粉體加工裝備與技術(shù)后，與合肥水泥研究設(shè)計院、合肥中亞建材裝備有限責(zé)任公司等單位合作，結(jié)合各單位在粉體加工與應(yīng)用研究等方面的寶貴經(jīng)驗，就新建的精細化重鈣微粉生產(chǎn)線工程的產(chǎn)品規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)備選型與配套、系統(tǒng)工藝路線設(shè)計等進行了深入分析研究。具體如下：

表3 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計指標(biāo)及其要求

表4 原料理化指標(biāo)

(1) 年產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)8萬t。

(2) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：細度d97=8～44μm的中高端產(chǎn)品。

(3) 工藝路線：立式磨+二次分級+濕法研磨的系統(tǒng)工藝集成。

設(shè)計方案本著產(chǎn)品滿足市場基礎(chǔ)需求及部分高端市場需求，提升產(chǎn)品附加值，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益為目的。采用高效節(jié)能、綠色環(huán)保裝備與技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟與社會效益為目的。

3.2 工藝流程設(shè)計

該公司HRM17/2X年產(chǎn)8萬t重鈣微粉生產(chǎn)線工藝流程示意如圖5所示。

其工藝和產(chǎn)品精細化設(shè)計思路是：①325～600目的重鈣微粉(基礎(chǔ)需求)產(chǎn)品直接由立式磨出品；②干法800～1 250目中高端精細產(chǎn)品由二次分級完成；③2μm含量60%～95%的中高端精細產(chǎn)品利用二次分級下品做原料，經(jīng)過濕法研磨制得。目的是在滿足市場基礎(chǔ)需求的基礎(chǔ)上，提升產(chǎn)品精細化程度，滿足市場中高端產(chǎn)品需求。同時完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品應(yīng)用性能和附加值。

圖5 年產(chǎn)8萬噸精細化重鈣微粉工藝示意圖

3.3 應(yīng)用分析與評價

3.3.1 運行指標(biāo)分析

根據(jù)上述設(shè)計方案與工藝流程，分別從合理進料粒度、最佳磨盤轉(zhuǎn)速、磨盤擋料環(huán)位置與高度設(shè)定、磨環(huán)間隙大小選擇、磨輥壓力、分離器轉(zhuǎn)速設(shè)定等關(guān)鍵運行參數(shù)的角度，對HRM17/2X立式磨的技術(shù)性能進行了實踐應(yīng)用研究與分析。

經(jīng)過三個月的設(shè)備研制及系統(tǒng)工藝優(yōu)化，HRM 17/2X立式磨生產(chǎn)的產(chǎn)品運行技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

由表5可見，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達到了設(shè)計指標(biāo)要求，其中d100、d50、2μm細粉體積分?jǐn)?shù)、噸產(chǎn)品能耗等指標(biāo)還優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。

在HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品基礎(chǔ)上，我們重新調(diào)整HRM17/2X立式磨的磨盤轉(zhuǎn)速、磨輥壓力、分級機轉(zhuǎn)速以及磨內(nèi)過風(fēng)速度，探索了d97≤18μm產(chǎn)品的生產(chǎn)，具體運行指標(biāo)如表6所示。

表5 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品運行指標(biāo)分析

表6 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97≤18μm運行指標(biāo)分析

由表6可見，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97≤18 μ m產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達到了該檔次產(chǎn)品的市場應(yīng)用要求值指標(biāo)。

3.3.2 產(chǎn)品升級條件考察

從重鈣深加工工藝角度來看，立式磨的產(chǎn)品不僅要滿足市場基礎(chǔ)需求，而且需滿足二次分級對立式磨出粉的要求，以便產(chǎn)品精細化程度的提升，更好的適應(yīng)市場中高端需求，提高產(chǎn)品附加值。

滿足產(chǎn)品升級的關(guān)鍵條件為細粉的體積分?jǐn)?shù)，即立式磨生產(chǎn)的產(chǎn)品中10μm、5μm細粉的含量，下面分別考察上述運行產(chǎn)品的細粉體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表7。

表7 產(chǎn)品的細粉含量及二次分級要求情況

從表7中列出的產(chǎn)品10μm、5μm細粉的含量來看，已經(jīng)達到了二次分級的要求值，完全滿足產(chǎn)品升級條件。

根據(jù)上述運行指標(biāo)分析與產(chǎn)品升級條件考察可見，HRM17/2X立式磨已經(jīng)達到設(shè)計要求，不僅實現(xiàn)了一次性產(chǎn)品規(guī)?；⒕毣a(chǎn)，同時滿足了產(chǎn)品升級加工的條件，為重鈣產(chǎn)業(yè)裝備技術(shù)進步和產(chǎn)品精細化升級創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)語

HRM17/2X精細重鈣粉立式磨所生產(chǎn)d97=22μm的產(chǎn)品單機規(guī)模達到6.7t/h，精細化程度達到2μm細粉體積分?jǐn)?shù)≥28%、d100≤38μm、d50=4.0～4.6μm，噸產(chǎn)品電耗≤55.39kWh/t。設(shè)備運轉(zhuǎn)效率達到98%。經(jīng)安徽省科技廳鑒定，該裝備技術(shù)項目運行技術(shù)指標(biāo)達到或優(yōu)于項目設(shè)計指標(biāo)，達到同類裝備國際先進水平。

HRM17/2X精細重鈣粉立式磨的成功研制，不僅有助于國內(nèi)重鈣產(chǎn)品精細化技術(shù)升級，還有助于促進我國非金屬礦粉體加工裝備技術(shù)升級，同時也提升了我國非金屬礦粉體裝備技術(shù)在國際上的競爭實力。

[1]秦廣超.新常態(tài)下重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)調(diào)整[J].中國粉體技術(shù)，2016，22(3)：90-95.

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

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The Application and Development of HRM17/2X Vertical Roller Mill in the Production of Fine Ground Calcium Carbonate Powder

WANG Guo-qing
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

In this paper, combined with the non-metallic mineral industry technology innovation and development direction and the characteristics of the demand for its products under the economic new normal. Study on the process and practice of the production line system of fine ground calcium carbonate (GCC) powder with an annual output of 80 thousand tons. The innovation design and development of the grinding device and grading device of HRM17/2X vertical roller mill are explored. The results show that the HRM17/2X vertical roller mill production d97=22μm single scale products reached 6.7t/h, the degree of precision reached 2μm fine powder volume content is more than 28%, d100≤38μm, d50=4.0～4.6μm, energy consumption per ton of products is less than or equal to 55.39kWh/t. It realized that the technology innovation of HRM17/2X vertical grinding equipment, GCC industry scale, product fine energy-saving production.

ground calcium carbonate (GCC); fine powder; vertical roller mill; energy-saving

TD453

A

1007-9386(2017)01-0027-05

2016-12-02