高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)在水泥聯(lián)合粉磨工藝中的應(yīng)用

提要：本文分析了高碳化鉻高硬度研磨介質(zhì)的研制背景,，對其優(yōu)良的機(jī)械性能進(jìn)行了探討，論述了在大型水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中應(yīng)用所取得的良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，建議在各種水泥管磨機(jī)中推廣使用，促進(jìn)節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)升級。

關(guān)鍵詞:高碳化鉻  高硬度研磨介質(zhì)  聯(lián)合粉磨系統(tǒng)  應(yīng)用

前言

隨著水泥工業(yè)的發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，中國早已成為水泥生產(chǎn)大國。在此環(huán)境下，水泥產(chǎn)業(yè)升級與技術(shù)革新朝著縱深發(fā)展。其中，高效節(jié)能粉磨技術(shù)在新型干法水泥生產(chǎn)中推廣應(yīng)用起到了重要的推動作用，水泥聯(lián)合粉磨工藝對提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高粉磨效率、節(jié)能降耗具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，作為與聯(lián)合粉磨工藝中管磨機(jī)配套應(yīng)用的研磨介質(zhì)的內(nèi)在質(zhì)量與機(jī)械性能及其關(guān)鍵。本文將主要介紹聯(lián)合粉磨工藝中的及高碳化鉻高硬度研磨介質(zhì)的研發(fā)與應(yīng)用。

一、 水泥聯(lián)合粉磨工藝中應(yīng)用的高硬度研磨介質(zhì)研制背景

當(dāng)今水泥工業(yè)，因產(chǎn)能過剩競爭十分激烈。只有積極采用新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，才能應(yīng)對目前日益激烈的市場格局。立磨、輥壓機(jī)等高效節(jié)能設(shè)備及大型管磨機(jī)相繼投放市場，高效選粉機(jī)閉路粉磨技術(shù)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用，對水泥行業(yè)技術(shù)水平的整體提升起到了關(guān)鍵性的作用。目前除部分老企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造外，新上線項目(包括水泥生產(chǎn)線和粉磨站項目)，多采用聯(lián)合粉磨工藝，這是現(xiàn)階段水泥粉磨技術(shù)的一大趨勢。

由輥壓機(jī)與動態(tài)（打散分級機(jī)）、靜態(tài)分級設(shè)備（V形分級機(jī)、VSK分級機(jī)等）、管磨機(jī)構(gòu)成的單、雙閉路擠壓聯(lián)合粉磨工藝系統(tǒng)中，因輥壓機(jī)對物料的循環(huán)擠壓（循環(huán)次數(shù)3-5次），經(jīng)分級后進(jìn)入管磨機(jī)的物料粒度相對較小且內(nèi)部裂紋較多，易磨性顯著改善（邦德功指數(shù)比擠壓前約降低25%左右），后續(xù)管磨機(jī)一倉的破碎功能由磨前預(yù)粉磨及分級設(shè)備取代，一倉有效長度縮短、所用研磨介質(zhì)平均尺寸大幅度降低，相應(yīng)延長了管磨機(jī)的細(xì)磨倉長比例，細(xì)磨倉內(nèi)所配小研磨介質(zhì)數(shù)量增多，顯著提高了對物料的有效磨細(xì)功能和系統(tǒng)產(chǎn)量。由于顆粒較細(xì)物料進(jìn)磨量大，若要實(shí)現(xiàn)粉磨效率最大化，只能通過增加研磨介質(zhì)與物料之間接觸總表面積的方式來達(dá)到最佳粉磨效能，技術(shù)上可采取降低研磨介質(zhì)尺寸、增加其總體個數(shù)實(shí)現(xiàn)。以帶有V形分級機(jī)的雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)為例，經(jīng)擠壓分級后的入磨物料切割粒徑在0.5mm，最大粒徑<1.0mm，管磨機(jī)一倉功能由原來的破碎改變?yōu)榇盅心?，所用球徑可取?0mm-Ф20mm球四級級配或根據(jù)被磨物料易磨性引入Ф50mm或Ф17mm球形成五級級配，一般平均球徑可取Dcp 23mm-30mm，即可滿足粉磨要求。磨機(jī)二倉既能用球，也可用鍛。用球時，可配Ф20mm、Ф17mm、Ф15mm、Ф12mm、Ф10mm球形成五級級配，平均球徑可取Dcp 12mm-15mm，即可滿足二倉物料的細(xì)研磨功能。二倉用鍛時，可采用Φ14mmx14mm、Φ12mmx12mm、Φ10mmx10mm三級配，也可根據(jù)出磨篦板縫尺寸，引入Φ8mmx8mm或Φ8mmx10mm鍛，形成四級級配，平均鍛徑Dcp 9mm-12mm左右。

與此同時，應(yīng)用閉路粉磨新技術(shù)和開流粉磨節(jié)能技術(shù)-----磨內(nèi)篩分技術(shù)的有效結(jié)合，強(qiáng)化磨內(nèi)的粉磨效率，其技術(shù)核心是磨內(nèi)篩分裝置的設(shè)置和采用小規(guī)格研磨介質(zhì)。管磨機(jī)是最好的水泥細(xì)磨與均化設(shè)備，其粉磨效率與研磨介質(zhì)總表面積的0.6次方成正比，在相同裝載量的前提下使用小規(guī)格研磨介質(zhì)時總個數(shù)多，與物料接觸研磨表面積增大，研磨次數(shù)增加。一方面可使出磨水泥中產(chǎn)生強(qiáng)度的有效顆粒含量得到提高，再通過新型高效選粉機(jī)的分選與收集，使水泥的顆粒級配合理、穩(wěn)定可控；另一方面也使成品的顆粒形貌(球形度)更好，這些技術(shù)措施的實(shí)施都能最大程度的改善水泥性能，提高水泥的強(qiáng)度。

以下幾個表格是幾個單位研磨介質(zhì)規(guī)格及級配數(shù)據(jù)：

表1 合肥水泥院設(shè)計的阜陽中聯(lián)水泥Φ4.2х13m雙倉水泥磨中研磨介質(zhì)的規(guī)格及級配如下：(裝載量）

表2 合肥水泥院研發(fā)制造的第三代HFCG系列輥壓機(jī)配套使用中信重工生產(chǎn)的Φ4.2x12.5m球磨機(jī)，在河南省大地水泥有限公司應(yīng)用，其研磨介質(zhì)的規(guī)格級配如下：(裝載量233t)

表3  南京凱盛院設(shè)計的成都中聯(lián)水泥公司，使用成都利君CLF150/90輥壓機(jī)配套Φ4.2х13m水泥磨研磨介質(zhì)規(guī)格及級配如下：(裝載量）

表4 陜西崤山水泥Φ4.2х13m的水泥磨中的研磨介質(zhì)規(guī)格及級配如下：（裝載量230t）

通過以上表格數(shù)據(jù)反映，在配有輥壓機(jī)與分級設(shè)備的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，縮小研磨介質(zhì)的直徑,提高研磨介質(zhì)對物料的磨細(xì)能力是必然的技術(shù)趨勢，但對研磨介質(zhì)質(zhì)量有及其嚴(yán)格的要求，其根本為高硬度、高耐磨性、表面光潔、不失圓、失效周期延長等等，是管磨機(jī)系統(tǒng)臺時產(chǎn)量穩(wěn)定的基本條件。安徽省寧國誠信耐磨材料有限公司針對水泥粉磨工藝的發(fā)展趨勢與市場需求，深入水泥設(shè)計院、設(shè)備生產(chǎn)廠家及水泥生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研，結(jié)合水泥企業(yè)粉磨工藝設(shè)備、物料性能、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)等相關(guān)要素，研制成功并推廣應(yīng)用的高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)(已申請專利)在以上相關(guān)企業(yè)應(yīng)用效果顯著，特點(diǎn)突出，是目前聯(lián)合粉磨工藝系統(tǒng)中大型管磨機(jī)首選的優(yōu)良產(chǎn)品。

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二、 高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)（磨球、磨鍛）的技術(shù)特點(diǎn)

水泥粉磨工藝是一項系統(tǒng)工程，研磨介質(zhì)硬度低，表面光潔度差，磨耗成本高，球、鍛徑變化大，極易導(dǎo)致表面粘附，難以保持較高的粉磨效率。為此，研磨介質(zhì)的質(zhì)量不容忽視。根據(jù)國外水泥粉磨技術(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)粉磨系統(tǒng)工藝參數(shù)相對穩(wěn)定時，所用研磨介質(zhì)質(zhì)量對粉磨效率影響的因素占50%以上，故對研磨介質(zhì)機(jī)械性能提出了更高的技術(shù)要求，國外水泥磨機(jī)多采用磨耗低（<10g/t-c）表面光潔度良好的高硬度研磨介質(zhì)。由寧國誠信耐磨材料有限公司獨(dú)家研制開發(fā)的高碳化鉻高硬度研磨介質(zhì)（HRC>63）應(yīng)用于水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，單倉球耗降低至25g/t-c以下，且不失圓、破碎率極低（<0.2%）、表面光潔度好（光亮不粘灰）、使粉磨系統(tǒng)長期保持較高而穩(wěn)定的粉磨效率，系統(tǒng)電耗大幅下降，是水泥企業(yè)管磨機(jī)所用研磨介質(zhì)的優(yōu)先選擇。

高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)是根據(jù)磨球使用的工況級配條件，通過改善化學(xué)成份提高鑄造磨球的碳化鉻含量，經(jīng)過特殊的熱處理工藝，使高硬度合金馬氏體及碳化鉻的數(shù)量增加、彌散分布更為均勻、合理, 硬度達(dá)到HRC63-HRC67，大幅提高了耐磨性能，級配相對穩(wěn)定，極大延長了在磨內(nèi)使用時間，增強(qiáng)了研磨功能，提高了產(chǎn)量，有效實(shí)現(xiàn)了水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)效益最大化。

通過優(yōu)化化學(xué)成份來提高鑄造磨球碳化鉻含量，提高碳化鉻骨架對基體的強(qiáng)化作用，并且增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低了材料的MS點(diǎn)，提高了材料的淬透性，淬火后的馬氏體含碳量增加，基體的平均硬度大幅度提高，達(dá)到HRC63.5以上，從而增加了材料的耐磨性能，降低了磨耗，節(jié)約了研磨體的使用成本。

附圖（一）為￠40mm以下砂型鑄造磨球化學(xué)成份改變前后經(jīng)過熱處理的金相組織對比圖片：

從以上金相圖片可以明顯的看出：￠40mm以下砂型鑄造高鉻磨球隨著碳化鉻數(shù)量的增加，其硬度值顯著提高。

附圖（二）為￠40mm以下砂型鑄造磨球碳化鉻與硬度的對比關(guān)系

從以上硬度曲線可以明顯的看出：￠40mm以下砂型鑄造磨球（鍛）由于其直徑較小，熱處理過程中淬透性良好，表里硬度一致，其硬質(zhì)相高鉻鐵碳化物（M7C3）硬度高（HV≥1100）與其他高硬度合金碳化物合金馬氏體（HV500-1000）在金相組織中呈彌散化分布，與韌性基體交叉庇護(hù)，從而使研磨介質(zhì)獲得了優(yōu)良的機(jī)械性能。隨著碳含量的增加，洛氏硬度明顯增加，由于碳化鉻的溶解，過冷奧氏體溶碳量相應(yīng)的增加，淬火后馬氏體碳化鉻增加，基體平均硬度大大提高，所以研磨體整體硬度明顯的增加，而且隨著球徑的變小硬度也逐漸增加，其耐磨性也相應(yīng)的增加。相當(dāng)于傳統(tǒng)的高鉻鑄鐵研磨介質(zhì)而言，其磨耗和破損率顯著降低，使用壽命大大提高。

三． 高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)（磨球、磨鍛）應(yīng)用

通過優(yōu)化化學(xué)成份提高磨球中碳化鉻含量（其硬度可達(dá)到1100HV以上），可顯著提高研磨介質(zhì)硬度。產(chǎn)品問世后，在國內(nèi)多家水泥企業(yè)中推廣應(yīng)用，均獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果及效益。遼寧昌慶水泥公司使用的Φ30mm高碳化鉻球，經(jīng)檢驗(yàn)洛氏硬度達(dá)到了HRC64，在陜西崤山水泥聯(lián)合粉磨中Φ30mm的高鉻球的硬度達(dá)到了HRC63.5以上；連云港中聯(lián)Φ3.8х13m磨機(jī)中Φ30以下研磨介質(zhì)洛氏硬度HRC>63，經(jīng)過一年的運(yùn)行清倉統(tǒng)計，單倉球耗23.04g/t-c，破碎率僅為0.18%，球鍛的整體使用情況良好；阜陽中聯(lián)裝機(jī)調(diào)試一月即達(dá)產(chǎn)；為了進(jìn)一步擴(kuò)大影響，該公司與冀東啟新水泥公司簽訂了高碳化鉻馬氏體研磨介質(zhì)的供貨合同，冀東啟新公司生產(chǎn)18萬噸水泥，僅補(bǔ)加了2噸高碳化鉻研磨體。

四. 結(jié)束語

在水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的高碳化鉻馬氏體高硬度研磨介質(zhì)（磨球、磨鍛），有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢：

1、適應(yīng)性強(qiáng)：可廣泛應(yīng)用于各種粉磨工藝。尤其是最大球徑為Φ40mm以下的砂型高鉻鑄球，用在聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中管磨機(jī)的一倉、二倉，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果更為突出。

2、 磨耗量低：生產(chǎn)實(shí)踐證明，在粉磨工況穩(wěn)定，研磨介質(zhì)硬度相同前提下下，球徑越小，磨耗越低。Φ40mm以下砂型高硬度高碳化鉻研磨介質(zhì)HRC>63，破碎率<0.2%，單倉磨耗<25g/t-c。高硬度低破損，且失效周期延長，整臺磨可連續(xù)使用三年以上，甚至更長。

3、節(jié)約成本：研磨介質(zhì)硬度越高，研磨后表面光潔度越好，管磨機(jī)的粉磨效率越高，高碳化鉻馬氏體高硬度研磨介質(zhì)幾何尺寸合理，磨合后表面光滑不粘料，磨機(jī)運(yùn)行達(dá)產(chǎn)快，磨耗成本低，企業(yè)使用后經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

綜上所述，雖然研磨介質(zhì)的研發(fā)都朝著提高硬度、降低磨耗的方向發(fā)展，但目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)研磨體HRC達(dá)到65±2的報道。安徽寧國誠信耐磨材料公司自主研發(fā)的高碳化鉻馬氏體高硬度研磨介質(zhì)，從增加碳化鉻數(shù)量達(dá)到再次提高硬度的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，填補(bǔ)了此項空白(比利時馬可托公司Φ30mm以下的介質(zhì)的硬度有此規(guī)范)，達(dá)到世界先進(jìn)水平。該公司對此產(chǎn)品已申報專利，不久將對此產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用鑒定，高碳化鉻馬氏體高硬度研磨介質(zhì)是耐磨材料行業(yè)的一場革命。

鑒于高碳化鉻高硬度研磨介質(zhì)優(yōu)良的機(jī)械性能，適用于各種配有管磨機(jī)的水泥粉磨系統(tǒng)，建議在國內(nèi)大型水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，以高性價比高硬度低磨耗研磨介質(zhì)，提升我國水泥粉磨工藝技術(shù)裝備水平，推進(jìn)節(jié)能減排及低碳經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步升級。

參考文獻(xiàn)：

徐寧 《我國水泥工業(yè)大型節(jié)能粉磨技術(shù)及裝備的研發(fā)與應(yīng)用》，選自《中國建材報》2010年6月3日