结构陶瓷研磨体应用案例介绍

2019-11-09 14:32:34 来源:中国建材报

  ■武洪明

  陶瓷材料的应用,其发展历程是人类社会文明进步的展现。陶瓷的发展大致经过陶器→炻器→瓷器→传统陶瓷或普通陶瓷→先进陶瓷等几个阶段。对于先进陶瓷的称谓,在文献中也在使用技术陶瓷、现代技术陶瓷、工程陶瓷的称谓,本文拟使用工程陶瓷的称谓。工程陶瓷则是根据所要求的产品性能,通过严格的成份配比和生产工艺控制及使用相应的设备而制造出来的高性能材料。

  工程陶瓷(现代陶瓷)分为结构陶瓷与功能陶瓷。

  结构陶瓷分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷与玻璃陶瓷。

  氧化物与非氧化物主要分为以下两类:

  第一类,氧化物陶瓷:主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、其他氧化物陶瓷如莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷及复相氧化物增韧陶瓷等。

  第二类,非氧化物陶瓷:

  氮化物陶瓷:氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷。

  碳化物陶瓷:碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化钛陶瓷。

  硼化物陶瓷:主要有硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。

  其他非氧化物陶瓷:二硼化锆陶瓷、二硅化钼陶瓷。

  同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、高强度耐磨损抗冲刷、比重小(约为金属的1/3~2/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如在原材料工业的矿山、冶金、化工、有色、石油、建筑、建材、水泥等工业生产过程中成为不可或缺的设备部件防护材料与制成产品的工具与介质。但是,亦应注意到,陶瓷材料的最大缺点是脆性,在传统陶瓷的应用中成为致命的弱点,即使目前工程陶瓷的脆性有很大的改善,但其脆性仍是其在高应力磨料磨损工作环境在是无法规避的弱项。

  众所周知,大多数陶瓷材料与金属材料相比,其塑性变形能力差、对应力集中和裂纹敏感。显然,用陶瓷作为粉磨水泥的研磨体,其可靠性比金属材料差,即使是质地较为优良的结构陶瓷,在使用中也会出现异常情况,如研磨体碎裂,对冲击力较大工作环境的不适应等。故此陶瓷球不适宜用于依靠冲击力做功粉碎物料的水泥管磨机的头仓,即使在二仓(对于三仓磨)或尾仓(对于双仓磨),陶瓷球的碎球现象也有出现的记录。粉磨水泥出现的碎球现象,反映两方面问题:一是陶瓷球质量,二是粉磨工艺与操作。陶瓷球质量由其技术性能即机械性能与物理、化学性能来体现的。对决定用于粉磨水泥的结构陶瓷研磨体(球)质量的技术性能,以下几项:密度、硬度、耐压强度、刚度、断裂韧性的影响较大。我们知道,结构陶瓷的硬度、耐压强度比耐磨金属高的多,而密度、刚度(弹性模量)、断裂韧性的改进完善,是提高结构陶瓷产品质量和使用效果的关键。

  研磨类陶瓷球是用于球磨机、振动磨机等细粉碎设备的研磨体。研磨类陶瓷球具有硬度高、体积密度大、耐腐蚀等优点。结构陶瓷研磨体有常用的氧化铝、碳化硅、氮化硅等。氧化铝陶瓷研磨体,根据其Al2O3含量的不同,研磨陶瓷球微晶中铝研磨陶瓷球、高铝研磨陶瓷球等。

  氧化铝球具有高耐磨性、高硬度、高强度等优良特性,是球磨机、震动磨机等设备的研磨介质。氧化铝球的特点:白度高,对被研磨物料的品质没有影响;磨耗低,能够大大延长磨体的使用寿命;比重大,提高了研磨效率,降低研磨时间;耐高温、耐酸、耐碱和耐腐蚀。其外观是直径0.5到120毫米不等的白色球状,已经包含水泥粉磨用研磨体的规格。

  以下试举几个结构陶瓷研磨体应用案例。

  1.(HSCF)1号磨试验Ф3.2×13m开路球磨机联合粉磨系统。

  2台Ф3.2×13m开路球磨机联合粉磨系统,磨前配置有辊压机和打散分级机。1号磨改用陶瓷研磨体前,入磨物料细度为80um筛余<20%,台时产量约150t/h左右,粉磨工序电耗约25kWh/t左右,将一二仓全部改用陶瓷研磨体,台时产量平均为140吨,比原来的150吨下降了10吨左右;工序电耗由原来的25度下降为19.5度。

  2号磨试验Φ3.2m×13.0m

  HSCF水泥:辊压机规格1800×1600,额定功率2800Kw;v型选粉机HFV5000;高效选粉机水泥磨机Φ3.2m×13.0m功率1600Kw;研磨体为陶瓷球。水泥产量质量指标:入磨粒度80μm筛筛余15%,出磨粒度80μm筛筛余小于2%,比表面积370m2/kg,PC32.5水泥台时产量128t/h.去年8月份水泥粉磨工序电耗19.65kWh/t水泥。比公司26.8kWh/t水泥低7.15kWh/t水泥。

  HS水泥56台水泥磨机使用陶瓷球,其效果是降低水泥磨机主机电耗,工序电耗因此降低。磨机降低4~7Kwh/t吨水泥,工序降低3~4Kwh/t吨水泥。水泥磨机产量降低11%左右。

  2.(SSD)Φ3.2×13m联合粉磨系统,水泥磨二仓试用陶瓷研磨体研磨体。使用陶瓷研磨体后,水泥磨主电机电流由105A降至70A,水泥粉磨电耗的降低十分明显。其中P·O42.5R降低4.39kWh/t、P·II42.5R降低7.84kWh/t、P·O52.5R降低8.9kWh/t。台时产量降低范围在10%以内,而且经过适应性调整已基本达到恢复;质量方面,在其它条件不变的情况下,各品种水泥都表现出45μm筛余和比表面积同时降低、3天强度略有降低、28天强度略有上升的现象。在试验期间,进磨检查,所用陶瓷研磨体基本没有破损发现,从而验证了该研磨体确实具有高强、韧性好、耐磨等特点。

  3.(NXZ)¢3.6m×13m带辊压机双闭路联合粉磨系统。

  磨机系统:1#和2#,带辊压机双闭路联合粉磨系统。磨机为三仓磨。综合1#和2#两台磨机的情况,综合分析如下:

  1)、熟料入磨比表一直偏低,基本在130~160m2/kg之间。而正常数据应在180~220m2/kg之间。而对于陶瓷球的应用,要求从辊压机出来的物料细度越小,则越利于后面陶瓷球的工作。

  2)、从两次倒出的陶瓷球来看,都存在糊球现象。时测入磨水份0.9%,出磨温度90℃。陶瓷球如果用不好,磨内条件得不到优化,作为无机材料的陶瓷研磨体照样会糊球。

  3)、在使用陶瓷球时,用户应适当提高装载量,其填充率是钢球填充率的1.2~1.3倍,即37%~41%之间为宜。

  4)、为提高陶瓷球的应用成功率,必须提前全面研究整个粉磨系统的工艺状况、产质量以及能耗等信息。否则,任何一个小的变量都会影响到整体的使用效果,造成种种被动。

  5)、陶瓷球在这个案例里面,破碎率极低。完全没有因为破碎而影响到产品在磨机的使用。

  4.(ZYN)Φ4.2×13m联合粉磨系统,水泥磨二仓,试用陶瓷研磨体情况。二仓钢球设计装载量为160t,改装69t陶瓷研磨体。二仓装载量:由160t→下降到69t;二仓填充率:由32%→下降到27.6%;球磨机电流:由171A→下降到101A;平均台时:由216.35t/h→下降到169.14t/h;比表面积:由约380m2/kg→增加到>400m2/kg;平均电耗:由27.36kWh/t→25.86kWh/t水泥。

  水泥磨二仓改用80t陶瓷研磨体后,球磨机主机电流110A,系统的平均粉磨电耗PC32.5水泥降低了4.08kWh/t、PO42.5水泥降低了5.03kWh/t。

  5.球磨机(SDJXFL)Φ4.2×13m闭路磨粉磨生产系统。

  应用陶瓷研磨体效果:吨水泥粉磨电耗降低5kWh;水泥颗粒球形度得到提高,3~32μm的颗粒占比提高1~3个百分点;出磨水泥温度降低20℃以上;水泥标准稠度需水量降低;水泥与外加剂适应性变好;使水泥能够达到《水泥中水溶性铬(Ⅵ)的限量及测定方法》(GB31893-2015)国家标准要求。单位水泥产量研磨体消耗,一仓金属研磨体9.23g/t,二仓陶瓷研磨体6.03g/t,合计15.26g/t。

  结构陶瓷研磨体使用案例说明:

  (1)水泥磨机规格:Φ3.0×13.0m,Φ3.2×13.0m,Φ3.8×13.0m,Φ4.2×12.5m,Φ4.2×13.0m,Φ4.6m×14.5m,虽然最后规格磨机目前还没有详实的资料,但是案例包括了水泥工业磨机的主流规格。

  (2)磨机填装陶瓷研磨体有三仓或后两仓、双仓或尾仓。但是以双仓磨头仓钢球尾仓陶瓷研磨体的形式较好。应用陶瓷研磨体,要求入磨物料粒度细小,磨机设置两仓较为适宜。

  (3)使用钢球钢锻的磨机也有设置单仓的案例,使用陶瓷研磨体的单仓磨可以进行理论探讨与实践。

  (4)陶瓷研磨体仓磨机填充率一般不低于40%,而双仓磨头仓研磨体的填充率应与之匹配,其粉磨能力与效果为陶瓷研磨体粉磨、研磨提供细小颗粒的条件。

  (5)水泥粉磨系统双循环联合流程在几种粉磨系统中,占有优势。设备配置有辊压机、v型选粉机、磨机、选粉机。案例中不乏开流磨的配置。陶瓷研磨体仅是磨机一个仓的研磨介质。研究粉磨系统的的协调出力,是全局,陶瓷研磨体是系统、磨机、磨机内的一个环节。细节决定成败,对此环节从案例中体现出精细化管理的理念。

  (6)应用陶瓷研磨体的优势、劣势,规避注意的生产技术、陶瓷研磨体质量性能、市场等问题,在案例中有很多叙述,尤其是一些文献资料也有详细深入论述,本文不再一一列出。

  陶瓷材料在水泥行业的使用,范围逐步扩大,作用也在凸显,水泥行业对此的重视程度与日俱增。陶瓷研磨体作为粉磨硅酸盐水泥的研磨介质,自2014年起,风生水起,是粉磨工艺与研磨体材质选用一次重大技术改进。陶瓷材料的脆性即靠强韧化技术的创新来提高,也要靠水泥生产的工艺规范、操作管理实现最佳使用效果。陶瓷研磨体粉磨技术方兴未艾,节能减排降耗降本显现,是水泥企业进行技术创新一种有效模式。

  (作者单位:全国水泥专家联盟)

  责编:丁涛