彭凌云，董苑，劉棟強

1 前言

水泥行業(yè)面臨日益嚴峻的節(jié)能降耗壓力，特別是GB 16780-2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》標準的出臺，促進了各水泥生產(chǎn)企業(yè)利用停機時間對生產(chǎn)設(shè)備進行節(jié)能降耗升級改造。在水泥生產(chǎn)過程中，粉磨系統(tǒng)電耗占全部生產(chǎn)用電的60%～70%，因此，進行粉磨系統(tǒng)改造、降低粉磨系統(tǒng)電耗是水泥生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗的主要目標之一。

立磨終粉磨系統(tǒng)具有工藝流程簡單、占地面積小、操作維護簡單等優(yōu)點，是水泥生產(chǎn)企業(yè)常用的成品制備粉磨系統(tǒng)。其中，立磨是粉磨系統(tǒng)運行的主要設(shè)備，集研磨、選粉、烘干等功能于一體，也是節(jié)能降耗改造的重點設(shè)備。

某水泥廠有兩臺型號相同的國產(chǎn)水泥立磨，磨盤直徑?4.6m，配置2個主動磨輥和2個輔助磨輥，裝機功率3 150kW，水泥立磨系統(tǒng)配置見表1。自投產(chǎn)以來，立磨穩(wěn)定性差、振動大，頻繁出現(xiàn)振動跳停情況，運轉(zhuǎn)率和臺時產(chǎn)量低，電耗高，嚴重影響了水泥生產(chǎn)。一段時期的統(tǒng)計結(jié)果顯示，兩臺水泥立磨平均產(chǎn)量均為90t/h 左右，1 號水泥立磨主機電耗20.59kW·h/t，2 號水泥立磨主機電耗22.95kW·h/t，雖已多次對這2臺磨機進行過調(diào)整，但立磨穩(wěn)定性較差的問題一直未得到妥善解決，提產(chǎn)降耗收效甚微。

表1 水泥立磨系統(tǒng)配置

2020 年，該水泥廠采用天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“天津水泥院”）新型研磨區(qū)技術(shù)，對兩臺水泥立磨進行了局部結(jié)構(gòu)升級改造，改變物料在立磨磨盤上的流速及運動軌跡，加寬立磨有效研磨區(qū)，在提升立磨穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)率，提產(chǎn)降耗效果明顯。改造后，在相同水泥配比和成品細度情況下，1號水泥立磨提產(chǎn)38%，系統(tǒng)電耗下降3.0kW·h/t；2 號水泥立磨提產(chǎn)22%，系統(tǒng)電耗下降2.6kW·h/t。

2 立磨工作原理和問題分析

立磨是利用料床粉碎原理進行物料研磨的設(shè)備，料床主要由磨輥、磨盤及磨盤上的物料組成。立磨工作時，一方面，磨輥直接施壓在物料上，對物料進行擠壓粉碎，另一方面，磨盤回轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心加速度，使磨盤上受磨輥擠壓的物料顆粒間形成運動速度差，受剪切力而粉碎。料床擠壓和剪切粉碎相結(jié)合，最終達到產(chǎn)品粒徑要求。

假想立磨料床工作時，物料顆粒間存在“摩擦系數(shù)”，若物料顆粒受擠壓和剪切力小，則摩擦系數(shù)較小，磨輥和物料間會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，料床厚度波動大、薄厚不均，磨機振動大，產(chǎn)量低，電耗高[1]。如何提高摩擦系數(shù)，成為解決立磨頻繁振動、提產(chǎn)降耗的關(guān)鍵，常用的方法有增加磨內(nèi)擋料圈高度和“向料床噴水”兩種，但這兩種方法均存在缺陷。雖然增加擋料圈高度會提高立磨穩(wěn)定性，但同時也會導致料層加厚、電耗升高。如果向料床噴水過多或噴水位置不當，則易引起水泥的早期水化反應(yīng)，從而影響水泥性能。

通過該水泥廠的現(xiàn)場測量和標定數(shù)據(jù)可知，水泥立磨磨輥有效研磨區(qū)寬度為140mm，僅占全部輥寬的20%。磨輥有效研磨區(qū)寬度窄，立磨工作時，物料受壓面積小，料床上的物料在磨輥施壓粉碎前急速跑離；物料在受剪切粉碎前，顆粒間難以形成速度差，產(chǎn)生的剪切力小，物料間摩擦系數(shù)小。另外，立磨主電機消耗功率較低，額定功率為3 150kW，實際消耗功率＜2 000kW，做功不足額定功率的63%。

天津水泥院技術(shù)團隊研究發(fā)現(xiàn)，在立磨磨盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，調(diào)整磨盤與磨輥的嚙合形式，可適當降低物料在磨盤上的流速，改善物料在磨盤上的運動軌跡。調(diào)整磨盤與磨輥的嚙合形式，不僅能夠增加磨盤上的物料間的摩擦系數(shù)，還能增加物料被粉磨的次數(shù)，加寬有效研磨區(qū)，從而提高磨機的穩(wěn)定性及粉磨效率。

3 改造方案

3.1 磨輥研磨區(qū)改造

（1）在不改變磨盤轉(zhuǎn)速的情況下，改變磨盤和主輥的嚙合形式，將原水平磨盤結(jié)構(gòu)修改為略帶角度的斜盤，維持磨輥中徑、磨輥母線與磨盤的間隙不變，調(diào)整磨輥母線角度。

（2）通過在線堆焊的方式，完成磨盤襯板和磨輥輥套外形的改造，在線改造停機時間短，工作量小。該改造方案改變了物料在磨盤上的流速和運動軌跡，將物料受切向力、離心力和摩擦力的狀態(tài)，改變?yōu)槭芮邢蛄?、離心力、摩擦力和部分重力的狀態(tài)。同時，該改造方案采用的技術(shù)為天津水泥院近年來研發(fā)的新技術(shù)，先后經(jīng)歷了理論計算、實驗室研究和半工業(yè)實驗，最終實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。改造后，不僅提高了立磨穩(wěn)定性，還增加了物料在磨盤上被粉磨的次數(shù)，減小了邊緣效應(yīng)，提高了粉磨效率。

3.2 下料管改造

該水泥廠立磨原下料管的落料點高度距磨盤＞1m，無法保證物料正常落在磨盤中心，易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，使一些物料未經(jīng)磨輥粉磨就直接甩離磨盤；不但影響粉磨效率，還會增加磨內(nèi)通風阻力。本次改造延長了直段下料管，使其距磨盤高度縮短為500mm，同時，相應(yīng)延長了喂料溜管，使其插入至直段下料管內(nèi)。

3.3 導風環(huán)改造

原導風環(huán)水平方向夾角角度較小，不僅影響風環(huán)處阻力和帶料能力，還會使一些成品物料再次被吹回磨盤，破壞料床穩(wěn)定，本次改造對原導風環(huán)角度進行了調(diào)整。

3.4 回轉(zhuǎn)下料器改造

原水泥立磨喂料采用回轉(zhuǎn)下料器，易產(chǎn)生磨損，影響鎖風效果，造成磨內(nèi)通風量不足。本次改造將回轉(zhuǎn)下料器改為立式鎖風給料器，該設(shè)備利用料位進行鎖風，使用變頻電機，根據(jù)進料量實現(xiàn)自動調(diào)速，使立磨殼體內(nèi)保持合適料位。

4 改造效果

該水泥廠利用生產(chǎn)淡季，完成了對兩臺水泥立磨磨盤磨輥研磨區(qū)、下料管、導風環(huán)及喂料裝置的改造，每臺磨機的改造周期約為20d，改造效果顯著。

4.1 立磨振動值降低

本次改造在不增加磨內(nèi)噴水的前提下，兩臺立磨均由頻繁跳停轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)運行，水平和垂直方向振動值均下降至1.5mm/s 以內(nèi)。改造前后立磨振動趨勢對比見圖1。

圖1 改造前后立磨振動趨勢對比

4.2 磨輥有效研磨區(qū)加寬

改造前，兩臺立磨磨輥的有效研磨區(qū)寬度僅為輥寬的20%，改造后，運轉(zhuǎn)1 000h后測量，磨輥有效研磨區(qū)寬度為260mm，占輥寬的35%，有效加寬了研磨區(qū)寬度，達到了預(yù)期改造效果。加寬研磨區(qū)后，不僅提升了立磨穩(wěn)定性，實現(xiàn)了提產(chǎn)增效，還有效延長了輥套襯板耐磨件的使用壽命。

4.3 立磨提產(chǎn)降耗

改造前，1 號水泥立磨磨輥加載壓力最高9.0MPa，主機消耗功率約1 850kW；2號水泥立磨磨輥加載壓力最高8.5MPa，主機消耗功率約2 000kW。改造后，1號水泥立磨加載壓力為11.0MPa，主機消耗功率約2 400kW，增幅30%，2號水泥立磨加載壓力為11.0MPa，主機消耗功率2 300kW，增幅15%。

1號水泥立磨在熟料占比73%時，改造前后成品細度折算到相同成品細度下，產(chǎn)量由改造前的90t/h 上升至125t/h，增幅38%，主機電耗由20.59 kW·h/t下降至19.38kW·h/t，風機電耗由6.75kW·h/t下降至6.12kW·h/t，系統(tǒng)電耗合計下降3.0kW·h/t。2號水泥立磨在熟料占比87%時，改造前后成品細度折算到相同細度下，產(chǎn)量由改造前的90t/h上升至110t/h，增幅22%，主機電耗由22.95kW·h/t 下降至20.7kW·h/t，風機電耗由6.2kW·h/t下降至5.6kW·h/t，系統(tǒng)電耗合計下降2.6kW·h/t。兩臺水泥立磨改造前后產(chǎn)量和電耗對比見表2。

表2 兩臺水泥立磨改造前后產(chǎn)量和電耗對比

5 結(jié)語

（1）本次對國產(chǎn)水泥立磨研磨區(qū)的改造，采用天津水泥院專利技術(shù)（ZL201420246816.8），在兩臺立磨上均取得了顯著效果，有效解決了原立磨存在的穩(wěn)定性差、產(chǎn)量低、主電機消耗功率低、有效研磨區(qū)寬度窄、能耗高的問題。

（2）改造采用在線堆焊的方式，改變了磨盤襯板和磨輥輥套的外形，改造周期短，投資回報率高。

（3）本次改造項目為解決水泥立磨運行穩(wěn)定性問題及提高物料摩擦系數(shù)，提供了新的解決思路，也為水泥行業(yè)節(jié)能降耗做出了貢獻。