陶瓷研磨体应用现状及其问题解析

（济南大学，山东 济南 250022）

水泥生产过程简称为：两磨一烧；即：磨生料、磨水泥、烧熟料。每生产1 t水泥需要粉磨3 t物料。包括：生料制备、煤粉制备和水泥粉磨；粉磨电耗占水泥生产总电耗的60%～70%。由于生料配合料和燃煤易碎性较好，容易粉碎、磨细，而水泥熟料相对难磨，所以水泥粉磨电耗约占粉磨电耗的50%以上。水泥粉磨节能是一个永恒的课题。

粉磨节能有两个主要途径：粉磨工艺节能和粉磨设备节能。

工艺节能包括：选择先进的工艺流程、加强磨内通风、合理使用助磨剂、改善物料的易磨性、减少糊球、糊衬板及过粉磨现象、提高粉磨效率等。

设备节能包括：选择先进的节能设备及附件，如辊压机、立磨、筒辊磨、高效选粉机；变频调速、现代可视化自动控制、新型研磨体等。

1 新型研磨体

“新型研磨体”俗称：陶瓷球，陶瓷球按其用途可分为填料陶瓷球、湿法研磨陶瓷球和干法研磨陶瓷球3种。

1.1 填料陶瓷球

填料陶瓷球又称：惰性陶瓷球（不与酸、碱发生化学反应），广泛用于石油、化工、化肥、天然气及环保等行业，作为反应器（釜）内催化剂的覆盖支撑材料和塔填料，净化装置中对液体或气体进行过滤的介质等。它属于“静态”工作的介质，价格便宜、不能当做“动态”工作的研磨体用。

1.2 湿法研磨陶瓷球

湿法研磨陶瓷球具有密度和机械强度高，耐磨性能好等优点。大部分用在间歇工作的湿法球磨机内（如陶瓷球磨机），因此，陶瓷球可以设定足够的时间来粉磨物料，而且磨机里的水，可以缓解陶瓷球之间和球与筒体内壁衬板的冲击碰撞，而不易碎球；但湿法研磨陶瓷球不宜用于干法水泥粉磨。

1.3 干法研磨陶瓷球

2015年我国在世界上首创的“水泥粉磨用陶瓷研磨体”属于干法研磨陶瓷球，简称：“陶瓷研磨体”，有一些在外形上与普通陶瓷球没有什么不同；但另外一些有明显的外形差异，如段型（短圆柱体）、球段型（段的两端为球形）、椭球形或其它异型等；从化学成分上看：除氧化铝含量超过90%之外，还添加了一部分改性增韧的微量元素：锆、锰、铜等，使陶瓷研磨体的抗冲击韧性能力大幅度提高；从生产工艺方面看：加强了计算机技术和数字化控制技术的发展，实现了烧成工艺自动化，合理调控热工制度（如烧结温度、升温速率、保温时间、烧成气氛等），降低烧成温度，加速烧结过程，阻止晶型转变，抑制晶体长大，制造出玻璃相含量低、微小晶粒结合为主的结构态陶瓷，从微观结构上解决了陶瓷研磨体的质量问题，在干法粉磨系统中的使用性能指标（碎球率、磨耗）远远优于普通陶瓷球。

试验研究表明，陶瓷研磨体的强度和抗冲击能力与其微观结构中微晶的粒度、含量及其结构致密程度有关；经扫描电镜检测，很容易判别陶瓷研磨体的质量好坏见图1。其中≤6 μm的微晶颗粒含量越多，结构越致密，陶瓷研磨体的质量越好。

图1 微晶氧化铝陶瓷研磨体SEM照片

表1 陶瓷研磨体应用效果（产品：P·O42.5）

2 陶瓷研磨体应用现状

经过2年多的应用实践，陶瓷研磨体在国内近百家水泥企业、主要采用的辊压机-球磨机联合水泥粉磨系统，应用陶瓷研磨体后，效果明显，已被接受和认可见表1。从表1数据可以看出，运行时间都在2000 h以上，有的超过3000 h，连续生产100多天，碎球率都在1%以下，出磨水泥温度降低8℃～20℃，磨机噪音减小15～18分贝，水泥粉磨系统降产幅度低于5%；单产电耗普遍降低10%～15%，节电3～6kWh/t；这样的水泥粉磨系统吨水泥电耗指标会降低到30kWh/t以下，有的低于25kWh/t，与立磨水泥终粉磨系统比较，单产电耗基本持平。

3 节电机理及存在问题的处理

球磨机主电机的运行功率受研磨体装载量的影响，应用陶瓷研磨体后，使球磨机装载量减少、整体负荷下降，因此，在主电机不更换的条件下，球磨机节电效果明显是必然的结果。

近几年，水泥行业产能过剩、利润下滑，在竞争中求生存、求稳定的水泥企业，创新驱动、开源节流，积极依靠科技进步，提升企业经济技术管理水平；节能减排、降本增效、推进供给侧结构性改革，成为日常工作中的重中之重。但是，我们还必须清醒地看到，陶瓷研磨体的应用不是简单的“替换”；也不是所有的水泥粉磨系统都能够应用陶瓷研磨体；还有一些应用中的操作习惯问题需要引起注意，不然，随之而来的“破球”和“降产”现象，会带来不必要的经济损失。

3.1 降低“碎球率”的措施

目前国内生产制造的水泥球磨机，都是按照钢球、钢锻为研磨体、入磨物料粒度≤25 mm而设计的。在应用陶瓷研磨体时，为了减少磨内研磨体的破碎，必须注意几点。

（1）空仓装磨时，应先加料、后加球。

我国水泥行业已经强制性地淘汰了φ3 m以下的球磨机；各企业在研磨体装磨时，都采用电动葫芦吊装卸载，此时的落差都在3 m以上，陶瓷研磨体卸落到镶有铸钢衬板的仓内，会撞击衬板、使研磨体内部产生不同程度的微裂纹，影响今后的使用寿命。所以，空仓装磨时应先加进2～3 t散装水泥，以缓解卸载落差的冲撞力，防止陶瓷研磨体受损。

（2）陶瓷研磨体不宜用在球磨机的第一仓。

尽管目前水泥粉磨系统大部分采用了预粉碎设备，将入磨物料粒度减小了许多，但入磨物料粒度≥5 mm时，球磨机的第一仓，仍需要研磨体处于抛落状态，以冲击粉碎作用为主、将大块物料粉碎成细颗粒；此时，研磨体不仅受到强大的“反作用力”，而且也难免碰撞到磨内密布的铸钢衬板、隔仓板及其它构件上；所以，这样的工况，不适合韧性有限的陶瓷研磨体工作；否则，会出现较高的破损率。影响水泥粉磨系统产、质量的因素很多，根据具体球磨机结构特点，在什么情况下可以使用陶瓷研磨体？各企业还需认真对待。在球磨机水泥粉磨系统中，陶瓷研磨体最适宜的工作状态是倾泻状态见图2。

（3）尽可能缩短隔仓板后面的“空料区”。

图2 球磨机内研磨体的运动状态

图3 双层隔仓板后边的空料区

水泥球磨机筒体内设置有双层隔仓板，前面一层是由多块篦板拼装而成，后一层是没有篦缝的盲板和中心卸料锥（通风口）组成。前仓磨细的颗粒可以通过篦缝流入隔仓板夹层中；再经过后一层盲板上的扬料板带起，落到中部卸料锥的外壁溜滑到下一仓（尾仓）。卸料锥中心内壁是磨机的中心通风口，在磨内风速的作用下，从卸料锥外壁落下的细颗粒，会被吹走、离开隔仓板一段距离，形成一个“研磨体多、物料少”的“空料区”，直接影响了这一仓的有效利用率见图3。

如果这一仓装填的是陶瓷研磨体，还会引起研磨体之间、研磨体与钢衬板之间的碰撞和磨损，缩短研磨体使用寿命、加快碎球率的提高。因此，在使用陶瓷研磨体之前，尽可能增加扬料板的长度，使其接近筒体，让进入隔仓板夹层的细颗粒迅速地被带起、落入下一仓的物料更多；同时，中控操作适当减风、降低中心风速，缩短“空料区”的长度，减少陶瓷研磨体的“自残”损失，增加有效做功。

（4）调整操作习惯、谨防“空磨”运行。

球磨机水泥粉磨系统在使用钢球、钢锻时，“空磨启动后再加料”和“卸空物料后再停磨机”，已经是司空见惯的操作习惯。因为钢球、钢锻不惧怕铸钢衬板；同时轻载启动球磨机，有利于安全运转和节电。还有的时候，磨头供料不足、甚至断料，球磨机空转几十分钟也“不会有”多大损失。

然而，使用陶瓷研磨体后，这些操作习惯，变成了“碎球现象”最常见的“杀手”。瓷球与钢衬板的碰撞、摩擦，会产生众多的微裂纹、不停地运动会加速裂纹的扩展，最后导致研磨体开裂；瓷球开裂的表面，十分坚硬，像一把把锋刃、劈向其它的研磨体，没有物料阻挡和缓冲，造成研磨体更大面积的损伤，一场“碎球大战”就会迅速蔓延开来。发现磨头断料，5 min之内必须停磨。

3.2 减少“降产”的途径

使用陶瓷研磨体为什么会引起水泥磨“降产”呢？毫无疑问，在工艺条件没有改变的情况下，是更换了研磨体才出现了“降产”。钢球的容重为4.5 t/m3，而陶瓷研磨体的容重为2.2 t/m3，根据牛顿第二定律，作用力与物体的质量成正比；在球磨机内研磨体对物料所产生的作用力，无论是冲击力还是研磨力，都会变小；出力少了，做的功就小了。虽延长做功的时间可以弥补损失，但干法水泥球磨机是连续工作的磨机，很难做到延长做功时间，为了确保出磨产品的细度合格率，只好减少磨头加料量，“降产”就是必然结果。

除此之外，目前水泥球磨机是为金属研磨体量身定做的粉磨设备，它要求钢球的填充率不超过50%，由于陶瓷研磨体的容重仅有钢球的二分之一，如果填充率不变，陶瓷研磨体的装载量，只能是钢球的一半，粉磨做功的能力就更小了。

再者，球磨机是一个连续运转的粉磨设备，物料从磨头加入，到磨尾卸出，只有18～20 min的有限时间，没有更多的机会给研磨体做功，物料进来多了，出磨的细粉必然“跑粗”，要保证产品细度合格率，只能减少进磨的物料量，才能磨得细一些；以上这些，就是使用陶瓷研磨体会引起球磨机“降产”的原因。

怎样才能减少水泥球磨机使用陶瓷研磨体后的“减产”幅度呢？我们可以将“能量转换的分配”作为切入点。水泥球磨机的工作过程，实质上是一个将电能转换成机械能、利用研磨体将物料由大块粉碎成小块、由粗颗粒粉磨成细颗粒的过程。在此过程中，做功的机械能也是撞击做功和摩擦做功同时作用并转换分配的过程，大块变小块阶段需要撞击做功多一些；而粗颗粒变细颗粒阶段，需要摩擦做功为主要形式。从研磨体的质量大小方面来分析，大球的撞击做功强于小球的做功；而从研磨体的种类方面来看，陶瓷研磨体的摩擦做功优于金属研磨体的做功。球磨机的生产过程是一个能量转换且合理分配的过程，所以，更换研磨体之后，只要“重新分配、力求合理”，适当加大各仓的填充率，就可以实现新的粉磨平衡，减少其“降产”的幅度。

在水泥粉磨过程中，粗颗粒物料变成细颗粒物料需要摩擦做功，摩擦做功又分为滚动摩擦做功和滑动摩擦做功。研究表明：相同小规格的陶瓷研磨体滑动摩擦做功比金属研磨体略有优势；物料越细，优势越明显。因此，在研磨水泥成品的阶段，陶瓷研磨体能够发挥更好的作用。与钢球、钢段对比，装载量相同时，陶瓷研磨体

的数量多、比表面积大，同时与物料接触的面积和机会更多，有利于提高研磨效率。这对于减少水泥球磨机使用陶瓷研磨体后的“降产”幅度有帮助，应充分发挥其作用。

避免水泥球磨机减产的具体做法可参照如下：

（1）力求预粉碎的辊压机和V选系统提供更细的入磨物料粒度；同时，应保证入磨物料平均水分≤1.5%。

（2）球磨机磨头加料方式，要改溜管加料方式为螺旋进料方式，缩短磨头“空料区”的长度，提高头仓的利用率见图4。

（3）如果需要缩小隔仓板的篦缝宽度，不应焊堵，而是更换新的隔仓板，增大整体通过面积（篦缝总面积）；如果调整隔仓板位置，要确保头仓长度大于3.5 m。

（4）力求入磨物料粒度：闭路R0.08≤45%；开路R0.08≤35%。

（5）更换磨机头仓阶梯衬板为中波型衬板，改变研磨体运动形式由抛落状态变为倾泻状态；转化研磨体的做功形式，使摩擦做功大于撞击做功。

（6）入磨物料粒度达到要求后，头仓钢球最大球径不要超过φ50 mm，最好≤φ40 mm，平均球径：25～31 mm；填充率增加到34%以上，最佳范围：37%～39%；确保进入研磨仓的细度符合要求（闭路R 0.08≤25%；开路R 0.08≤15%）。

（7）尾仓陶瓷研磨体最大球径≤φ25 mm，平均球径：15～20 mm，填充率范围：40%～42%；尽量不使用更小规格的陶瓷研磨体，以免堵塞磨尾出料篦缝。

（8）工业运行实践证明：异型陶瓷研磨体（短柱型）研磨能力优于球型；因为它与物料的接触面积主要是线接触，而球型研磨体主要是点接触；对于摩擦做功，短柱型更有优势，对于缩小降产的幅度十分有利。但短柱型研磨体初期磨耗大于球形，因为在运行初期，短柱型端面的棱边会首先研磨掉，慢慢形成一个圆滑的过渡面；因此，初期磨耗较高，运行一段时间后，磨耗基本稳定下来，与球型研磨体持平，且没有破碎见图5。

图4 球磨机进料方式

图5 短柱型陶瓷研磨体（陶瓷段）运行后的变化

一般来说，使用陶瓷研磨体之后出现了“降产”现象，幅度在10%之内，这是正常情况。我们只要认真总结经验，采取必要的技术措施，一定可以逐步缩小降产的幅度（≤5%）。

4 结 语

陶瓷研磨体是一种为现代水泥工业节能、环保而服务的新型研磨体，它不仅在改善水泥产品质量、强度不变的前提下，节约水泥粉磨电耗；还可以降低生产车间噪音、减少水泥产品的重金属（水溶性六价铬）污染。有利于我们坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境，实行最严格的生态环境保护制度，形成绿色发展方式和生活方式，建设美丽中国，为人民创造良好生产和生活环境，为全球生态安全做出贡献，实现我们为之奋斗、不懈追求的目标和理想。