浅谈球磨机多级、二级配球

水泥 2005-03-30

钢球的级配是影响球磨机产质量的主要因素之一。对多仓磨机而言,一仓的钢球级配尤显得至关重要。按照一般交叉级配的原则,亦即上一仓的最小球径决定下一仓的最大球径,依此类推,一仓实际上主导了其他各仓的级配。目前,在球磨机一仓比较有代表性的配球方法有两种,一种是得到公认的应用最普遍的多级配球,另一种是近年来才开始采用的二级配球法。关于这种配球法国内外已有报道,对其褒贬不一。葛洲坝水泥厂从1992年起开始在Φ3m×9m水泥磨上试用二级配球,并延续应用至今。从这几年的应用效果来看,它与多级配球相比各有所长,孰优孰劣不能一概而定。本文即对这两种配球方法作一些初步的探讨。

1 一仓对研磨体级配的基本要求

　　球磨机一仓主要对物料进行冲击破碎。其作用效果的好坏直接影响到后面各仓研磨效率的发挥。能否达到预期的效果取决于研磨体的级配参数合理与否。主要包括:配合级数、球径(最大、最小、平均球径)的大小,以及不同规格的球所占的比例等。这些参数的选择除了受磨内结构、产品细度要求等因素的影响外,很大程度上是由入磨物料的特性如粒度、易磨性等决定的。反过来讲,要衡量钢球的级配是否合理,就要看它能否满足物料的要求。

　　物料在一仓内要得到有效的破碎,并达到适应二仓粉磨的粒度要求。在选择一仓的级配参数时必须综合考虑以下几点基本要求:

　　(1)要有足够的冲击力,即充当破碎介质的钢球所具有的撞击能量超过物料的强度极限。

　　(2)足够的冲击次数。当装载量一定时,与球径的大小有关。在保证足够冲击力的前提下,尽量缩小钢球的直径,以增加钢球的个数来提高对物料的冲击次数是提高粉磨效率的重要手段。

　　(3)适当的存料能力。为保证物料能被充分地粉碎,要求物料在仓内有一定的停留时间,即要控制物料流速,以防止物料流速过快而出现窜料现象。

2 多级配球法

　　多级配球法是一种传统的配球方法,通常选用3～5种不同规格的钢球。它最突出的特点是以入磨物料的粒度为依据。主要表现在以下几个方面:

　　(1)最大球径D根据物料的最大粒径d来确定,一般按D=28计算。

　　(2)各种钢球的配比一般遵循“中间大、两头小”的原则,与物料的粒度分布特性相似。

　　此外,配合级数、平均球径的确定也与物料的粒度特性密切相关。

　　根据入磨物料粒度的不均匀性对应地选用冲击力(即直径)不等的钢球以满足各种粒度的物料对冲击力的要求是多级配球的基本思路。在粉磨过程中,物料的粒度由大变小,数量逐渐增多,相应地,所需要的冲击力下降,对冲击次数要求增多,从理论上讲,多级配球与物料的这种变化过程是相适应的。平均球径是多级配球中的一个重要的综合参数。多级配球的冲击力、冲击次数、存料能力都能集中体现在平均球径的大小上。如平均球径越大则说明冲击力越强、存料能力越弱,而冲击次数就越少。

　　由于冲击力、冲击次数、存料能力均与平均球径有关,在实际应用中往往很难做到合理兼顾。一般说来,当某种物料需要较强的冲击力时,也需要在仓内停留的时间长一些。前者要求提高平均球径,而后者要求降低平均球径。这种矛盾的存在是导致多级配球难以适应物料变化的主要原因。多级配球的这种不足之处在水泥磨中表现尤为突出。如在生产矿渣水泥时显得冲击力过强,而生产未经破碎的纯熟料水泥时冲击力又显得不足。

　　前面谈到,从理论上分析,多级配球的特点与入磨物料的粒度特性及粉磨过程中物料粒度的变化情况相吻合,但实际应用效果却相差甚远。主要因为:

　　首先,钢球对物料作用过程是随机的,不存在选择性。即钢球不可能按冲击力的大小相对应地作用不用粒度的物料。能量小的钢球遇到坚硬的大颗粒物料时就会显得冲击力不足。对于小颗粒物料,大钢球又会显得能力过剩。由于能量不能得到合理分配,故难以实现多级配球的初衷。

　　其次,物料在粉磨过程中,粒度沿磨机轴向逐渐减小,而钢球在磨内沿轴向分布却是无序的(带分级衬板的除外)。因此,多级配球适应磨内物料变化的优势上不可能得到充分发挥。

　　第三,多级配球时常常发生钢球的分层现象,亦即较大的钢球向研磨体中心层附近移动造成冲击力不足。

3 二级配球法

　　二级配球法即通过选用两种直径相差较大的钢球来进行级配。其目的是为了提高一仓的冲击破碎能力,与一仓钢球的作用特点相吻合。

　　在二级配球中,由大球充当破碎介质。小球的作用主要有以下几点:

　　(1)起填充作用。降低大球间的空隙率,限制物料流速。

　　(2)起能量传递作用。大球通过它将能量传递到空隙中的物料上。

　　(3)将空隙中的物料“挤”出,置于大球的作用区域内。

　　二级配球主要考虑以下几个参数:

　　(1)大球的直径。与多级配球一样,取决于入磨物料的粒度。不同的是,它是以物料中所占比例较大的即有代表性的粒径为依据。实际应用中可以以多级配球中的次级球径为准。如在多级配球中最大球径为100mm,在二级配球中则应选择Φ90mm的钢球。

　　(2)两种球的配比。原则上应保证小球的掺入量不影响大球的填充率。一般小球占大球重量的3%～5%,实际应用中应先取下限,然后根据生产情况进行增补。

　　(3)小球的直径。它取决于大球间空隙的大小,即与大球的直径有关。据有关资料介绍,小球直径应为大球的13%～33%。

　　在多级配球中,物料对钢球的冲击力、冲击次数、存料能力的要求都依赖于平均球径。在二级配球中,钢球的冲击力、冲击次数由大球的直径来决定,而存料能力主要与小球的直径、装载量有关,受大球直径的影响很小,从而缓解了冲击力、冲击次数与存料能力之间的矛盾。因此,相对来讲,二级配球比较简单,在参数的选择上也比较容易做到综合考虑。

4 两种配球法的应用效果及认识

　　表1为葛洲坝水泥厂Φ3m×9m水泥磨一仓先后实施的两种配球方案。

表1 Φ3m×9m水泥磨一仓两种配球方案比较

钢球规格（mm）		Φ100	Φ90	Φ80	Φ70	Φ60	Φ30	合计
装载量（t）	多级	3.0	5.0	7.0	4.0	3.0		22.0
装载量（t）	二级		21.3				0.7	22.0
钢球个数	多级	729	1670	3318	2836	3375		11908
钢球个数	二级		7114					7114
容积密度（kg/m3）	多级	4620
容积密度（kg/m3）	二级	4623
平均球径（mm）	多级	80.45
平均球径（mm）	二级	89.73

　　在装载量相等的情况下,多级配球因钢球的总个数多(Φ30mm的钢球作用很小,不纳入二级配球的总数中),故具有的冲击次数较二级配球多。从平均球径的大小可知,二级配球具有较强的冲击力。

　　两种配球的存料能力可以通过容积密度的大小来比较。多级配球的容积密度等量于其加权球径即平均球径为80.45mm的钢球堆积密度,约为4620 kg/m3。在二级配球中,假设小球在不影响填充率的情况下充分填入大球的空隙中,则小球的掺入使Φ90mm钢球的容积密度提高了32.8kg/m3,即达到4623 kg/m3,与多级配球的容积密度十分接近,因此可以认为它们的存料能力是相同的。

　　葛洲坝水泥厂采用二级配球后,水泥磨的平均台时产量提高了1.3t/h(见表2),其原因主要与以下两点因素有关:

表2 两种配球方法的磨机台时产量比较(t/h)

配球方式	425RP·O	425P·S	425K·D	525D	525P·O	合计
多级配球	28.73	25.66	24.27	24.71	23.9	24.75
二级配球	28.06	25.48	24.31	26.03	25.3	26.05

　　(1)该厂Φ3m×9m水泥磨入磨熟料中难磨矿物C2S和C4AF含量较高,易磨性差(相对易磨系数一般在0.76～0.84之间),入磨前未经预破碎,粒度大且不稳定。

　　从熟料的特性来分析,需要加大一仓钢球的冲击力,在多级配球时即要提高钢球的平均球径,但平均球径的提高又会导致空隙率增加,钢球的存料能力减弱而容易出现窜料现象。因此平均球径往往很难提高到满足熟料的冲击力要求。物料的粒度越大、强度越高时,存料能力与冲击力之间的矛盾在多级配球中表现就越突出。在二级配球中则不存在这种矛盾,因为它可以通过大球和小球来分别满足物料对冲击力和存料能力的要求,故体现出优越性。

　　(2)生产品种多。该厂目前生产的水泥有三个标号十个品种。不同品种的水泥除了细度控制指标有很大的区别外,矿渣掺量一般有0～50%的波动范围,从而引起入磨物料的综合粒度和易磨性有较大的波动。

　　由于生产品种变化频繁,与级配参数密切相关的物料粒度、易磨性和细度指标无法把握,故很难选择出合理的级配参数。表1中的多级配球方案实际上是一个综合方案,对各个单一的水泥品种都不可能是最佳的。这也是采用多级配球产量较低的原因之一。

　　从表2可以看出,对于各个单一的水泥品种,二级配球的台时产量并不总是高于多级配球,说明其使用效果并不具有绝对优势,因此,不能根据某特定的粉磨条件下的台时产量的高低来判断两种配球方式的好坏。两种不同的配球方法有各自的优缺点,实际应用中应当结合物料的特点来进行综合分析。
二级配球的特点是冲击力强,相比之下,多级配球的特点是冲击次数多。对球磨机一仓而言,足够的冲击力和冲击次数都是非常重要的,实际的应用效果则要看它们的特点能否转化为各自的优点。

5 结论

　　总的来说,当物料粒度小、易磨性好时,宜采用多级配球,因为此时提高钢球的冲击次数是主要的。反之,当物料粒度大、强度高时,提高钢球的冲击力是一仓粉磨的关键,故采用二级就体现出优越性。

　　由于侧重点不同,两种配球的使用效果受物料变化的影响程度有很大差别。多级配球对物料的变化比较敏感,磨机产质量波动较大。二级配球对物料的变化反映比较迟钝,产量相对稳定。具体地讲,当物料朝有利于粉磨的方向发展时,多级配球产量上升的幅度要高于二级配球。反之,多级配球产量下降的程度又超过二级配球。因此多级配球适用于生产品种少,入磨物料特性较稳定的球磨机。

　　应该指出的是,两种配球方法的适用性除了与物料特性有关外,还受到磨机的结构、粉磨流程、产品细度等粉磨条件的影响。如多级配球与分级衬板配合使用,效果就会更好一些。

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