楊紀(jì)昌，仝麗娟，程 波

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礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

輥壓機(jī) (又稱高壓輥磨機(jī))是一種基于層壓粉碎原理的高效節(jié)能粉碎裝備，輥壓機(jī)裝備制造與應(yīng)用技術(shù)于 20 世紀(jì) 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(yīng)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(yīng)用，其突出的節(jié)能高效性能得到了水泥行業(yè)的認(rèn)可。

礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (以下簡稱“實(shí)驗(yàn)室”)于 2010 年掛牌于中信重工機(jī)械股份有限公司，多年來一直致力于礦石碎磨試驗(yàn)及礦山機(jī)械裝備選型試驗(yàn)方法的研究，通過國外引進(jìn)和自主創(chuàng)新的方式，開發(fā)了輥壓機(jī)料層粉碎設(shè)備選型試驗(yàn)方法及節(jié)能高效的碎磨工藝流程，建立了試驗(yàn)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(jī)終粉磨工藝的應(yīng)用推廣起到了推動作用。

1 輥壓機(jī)層壓粉碎機(jī)理

輥壓機(jī)工作原理如圖 1 所示，主要依靠兩個(gè)水平安裝且同步相向旋轉(zhuǎn)的擠壓輥進(jìn)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(shí)的料餅從機(jī)下排出。料餅強(qiáng)度與物料水分有關(guān)，一般在生料制備過程中，主要物料為鈣質(zhì)原料石灰石，當(dāng)入料綜合含水率大于 3.0%，料餅強(qiáng)度高，不易碎；當(dāng)入料綜合含水率低于 2.0%，料餅易碎[2]。

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

在水泥生料輥壓機(jī)擠壓粉碎工藝中，輥壓機(jī)出料料餅中含有大量的細(xì)粉，其中 -80 μm 的細(xì)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(jī)單顆粒破碎與輥壓機(jī)高壓料層粉碎所得到的細(xì)粒級成品含量有較大區(qū)別，經(jīng)輥壓機(jī)高壓料層粉碎得到的細(xì)粒級成品含量明顯增加。破碎機(jī)和輥壓機(jī)破碎產(chǎn)品粒度分布對比如圖 2 所示，充分說明輥壓機(jī)高壓料層粉碎的高效性[1,3]。

圖2 破碎機(jī)與輥壓機(jī)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(jī)終粉磨工藝

在水泥生料制備工藝中，最早采用球磨機(jī)工藝，后來隨著立式輥磨成套技術(shù)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(jī)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(rèn)可與應(yīng)用，主要采用輥壓機(jī)+V 型選粉機(jī) +動態(tài)選粉機(jī)的終粉磨工藝流程，如圖 3 所示。

3 輥壓機(jī)終粉磨裝備選型設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 輥壓機(jī)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(jī)終粉磨工藝裝備選型設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要通過開路試驗(yàn)，了解輥壓機(jī)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(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后輥壓機(jī)的單位通過量、噸功耗、循環(huán)負(fù)荷及產(chǎn)品的粒度分布情況。通過試驗(yàn)得到的這些參數(shù)，即可用于推算工業(yè)輥壓機(jī)的規(guī)格及處理能力，再結(jié)合 V 型選粉機(jī)及動態(tài)選粉機(jī)的選粉效率[5]，準(zhǔn)確地估算水泥生料輥壓機(jī)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(jī)的擠壓粉碎試驗(yàn)，輥壓機(jī)的擠壓力、噸功耗、單位通過量及循環(huán)負(fù)荷等試驗(yàn)運(yùn)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(jī)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(jī)通過量(t/h)/[擠壓輥截面積 (mm2)×線速度 (m/s)]。

(4)試驗(yàn)循環(huán)負(fù)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(jī)出料的中心料及邊緣料，進(jìn)一步研究輥壓機(jī)的邊緣效應(yīng)，按照邊緣效應(yīng)的權(quán)值估算工業(yè)輥壓機(jī)的擠壓產(chǎn)品粒度分布[6]。

實(shí)驗(yàn)室在制定水泥生料輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范時(shí)，基于水泥生料粒度標(biāo)準(zhǔn)，特別關(guān)注了出料中0.125 mm (120 目)和 0.080 mm (190 目)篩孔通過量，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)輥壓機(jī)的單位通過量，計(jì)算出對應(yīng)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(jī)易磨性的判斷基準(zhǔn)。再結(jié)合工業(yè)輥壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，對水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝系統(tǒng)的產(chǎn)能和電耗進(jìn)行預(yù)估。

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

4 輥壓機(jī)終粉磨工藝裝備選型試驗(yàn)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(shí)還按比例加入礦化劑、晶種等。水泥生料細(xì)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(jié)晶二氧化硅或易燒性差的方解石、大理石等反應(yīng)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(yīng)提高生料的粉磨細(xì)度。通?？蓪⑸霞?xì)度控制在 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(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)室在研究水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝裝備選型試驗(yàn)方法時(shí)，對于輥壓機(jī)出料粒度分布，以考察 0.08 mm 方孔篩通過量為重點(diǎn)，以滿足閉路輥壓試驗(yàn)產(chǎn)品 0.08 mm 方孔篩篩余為基準(zhǔn)，選取合適的閉路分級篩孔尺寸。經(jīng)過多批次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，以 0.125 mm 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方孔篩為分級篩，進(jìn)行多次閉路輥壓試驗(yàn)，直到單位通過量、噸功耗、循環(huán)負(fù)荷等指標(biāo)穩(wěn)定后完成試驗(yàn)，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫并對各個(gè)不同廠家水泥原料輥壓機(jī)生料易磨性進(jìn)行對比分析研究，以數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和工業(yè)輥壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)來指導(dǎo)水泥生料終粉磨工藝中輥壓機(jī)裝備規(guī)格選型設(shè)計(jì)計(jì)算，并對系統(tǒng)處理量和功率消耗進(jìn)行估算。

實(shí)驗(yàn)室在φ420 mm×100 mm 輥壓機(jī)試驗(yàn)平臺 (見圖 5)上，針對水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，建立并完善了中信重工特有的試驗(yàn)方法規(guī)范。

圖5 φ420 mm×100 mm 試驗(yàn)輥壓機(jī)Fig.5 φ420 mm×100 mm test roller press

(1)進(jìn)行開路輥壓粉碎試驗(yàn)，研究壓力、輥速變化對物料粉碎效果的影響，進(jìn)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(jī)處理量、噸功耗都較為適中。確定了開路條件擠壓輥試驗(yàn)壓力分別為 2.03、3.38、4.73 N/mm2；輥?zhàn)泳€速度為 0.49 m/s，線速度選擇準(zhǔn)則為基于輥面直徑上浮15%。根據(jù)大量的輥壓試驗(yàn)研究，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速可以增加輥壓機(jī)出料產(chǎn)品細(xì)度，單位通過量稍有減小，但影響不大。

(2)以 0.125 mm 標(biāo)準(zhǔn)方孔篩為分級篩，對水泥生料進(jìn)行閉路循環(huán)輥壓粉碎試驗(yàn)，研究單位通過量、噸功耗、循環(huán)負(fù)荷等指標(biāo)達(dá)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(xì)度要求，并以此為基準(zhǔn)建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合工業(yè)輥壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，綜合評定不同廠家水泥生料的輥壓機(jī)層壓粉碎效能。

(3)針對開路試驗(yàn)、分級閉路試驗(yàn)的出料產(chǎn)品，準(zhǔn)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(yīng)，指導(dǎo)輥壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及輥壓機(jī)終粉磨工藝裝備及系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

在試驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室依靠可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法和檢測手段建立了可靠的操作規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，尤其是輥壓試驗(yàn)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(yàn)中，利用遙測擠壓輥輸入軸運(yùn)行轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的方法，可準(zhǔn)確推算輥壓粉碎凈功耗，指導(dǎo)輥壓機(jī)裝備功率的估算；利用物料的 Bond 金屬磨損指數(shù)，并結(jié)合輥壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫估算輥壓機(jī)擠壓輥輥面壽命，指導(dǎo)輥壓機(jī)輥面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)室對近十家水泥公司的水泥生料進(jìn)行了輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)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(jī)終粉磨粉碎效果的關(guān)聯(lián)關(guān)系，支撐水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝系統(tǒng)的裝備選型、產(chǎn)能估算及能耗預(yù)測。

5 輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)室依據(jù)以上輥壓試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，對試驗(yàn)結(jié)果列表如表 1～5 所列，有利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建立及完善。

表1 開路輥壓試驗(yàn)條件與結(jié)果Tab.1 Conditions and results of open-circuit rolling test

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

表3 閉路輥壓試驗(yàn)條件與結(jié)果Tab.3 Conditions and results of closed-circuit rolling test

6 數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用

按照制定的水泥生料輥壓機(jī)終粉磨選型試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，對十幾家用戶的物料進(jìn)行了開閉路輥壓試驗(yàn)研究，建立了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫 (見表 6)，通過試驗(yàn)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(yàn)穩(wěn)定情況下的擠壓粉碎效果及產(chǎn)能、功耗情況。同時(shí)也對投產(chǎn)的水泥生料輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)進(jìn)行了大量的調(diào)研，收集了現(xiàn)場工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)庫。結(jié)合這些數(shù)據(jù)可以分析估算新建水泥生料輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)能、電耗，確定輥壓機(jī)的型號規(guī)格及裝機(jī)功率，指導(dǎo)輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)選型計(jì)算。

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

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

7 結(jié)語

礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一直致力于輥壓機(jī)層壓粉碎技術(shù)的研究應(yīng)用，促進(jìn)了輥壓料層粉碎技術(shù)進(jìn)步，以及高效節(jié)能粉碎磨礦工藝的推廣應(yīng)用，在水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝裝備選型試驗(yàn)技術(shù)研究與應(yīng)用方面取得了一些成果。

表6 不同水泥原料輥壓機(jī)粉磨閉路試驗(yàn)結(jié)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(jī)試驗(yàn)平臺上，開發(fā)設(shè)計(jì)了水泥生料輥壓機(jī)終粉磨工藝裝備選型試驗(yàn)技術(shù)，為水泥行業(yè)高效節(jié)能裝備輥壓機(jī)的試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了有效的技術(shù)方法。

(2)科學(xué)界定了擠壓輥比壓力的應(yīng)用范圍及合理的擠壓輥轉(zhuǎn)速，并利用先進(jìn)可靠的檢測方法與儀器裝置，可準(zhǔn)確地檢測輥壓機(jī)試驗(yàn)通過量、擠壓輥轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步推算出輥壓試驗(yàn)機(jī)的單位通過量、噸功耗等運(yùn)行參數(shù)，推動了水泥行業(yè)輥壓機(jī)應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步。

(3)輥壓機(jī)試驗(yàn)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(jī)應(yīng)用技術(shù)的國際化推廣。

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

(5)建立了水泥生料輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，為水泥生料輥壓機(jī)終粉磨生產(chǎn)線的科研開發(fā)、籌劃建設(shè)、設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)踐應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。