水泥联合粉磨工艺中的及高碳化铬高硬度研磨介质的研发与应用

前言

随着水泥工业的发展及技术进步，中国早已成为水泥生产大国。在此环境下，水泥产业升级与技术革新朝着纵深发展。其中，高效节能粉磨技术在新型干法水泥生产中推广应用起到了重要的推动作用，水泥联合粉磨工艺对提升产品质量、提高粉磨效率、节能降耗具有显著的技术优势，作为与联合粉磨工艺中管磨机配套应用的研磨介质的内在质量与机械性能及其关键。本文将主要介绍联合粉磨工艺中的及高碳化铬高硬度研磨介质的研发与应用。

一、 水泥联合粉磨工艺中应用的高硬度研磨介质研制背景

当今水泥工业，因产能过剩竞争十分激烈。只有积极采用新技术、新材料、新工艺、新设备，提升产品质量，降低生产成本，才能应对目前日益激烈的市场格局。立磨、辊压机等高效节能设备及大型管磨机相继投放市场，高效选粉机闭路粉磨技术在水泥生产中的应用，对水泥行业技术水平的整体提升起到了关键性的作用。目前除部分老企业进行技术改造外，新上线项目(包括水泥生产线和粉磨站项目)，多采用联合粉磨工艺，这是现阶段水泥粉磨技术的一大趋势。

由辊压机与动态（打散分级机）、静态分级设备（V形分级机、VSK分级机等）、管磨机构成的单、双闭路挤压联合粉磨工艺系统中，因辊压机对物料的循环挤压（循环次数3-5次），经分级后进入管磨机的物料粒度相对较小且内部裂纹较多，易磨性显著改善（邦德功指数比挤压前约降低25%左右），后续管磨机一仓的破碎功能由磨前预粉磨及分级设备取代，一仓有效长度缩短、所用研磨介质平均尺寸大幅度降低，相应延长了管磨机的细磨仓长比例，细磨仓内所配小研磨介质数量增多，显著提高了对物料的有效磨细功能和系统产量。由于颗粒较细物料进磨量大，若要实现粉磨效率最大化，只能通过增加研磨介质与物料之间接触总表面积的方式来达到最佳粉磨效能，技术上可采取降低研磨介质尺寸、增加其总体个数实现。以带有V形分级机的双闭路联合粉磨系统为例，经挤压分级后的入磨物料切割粒径在0.5mm，最大粒径<1.0mm，管磨机一仓功能由原来的破碎改变为粗研磨，所用球径可取Ф40mm-Ф20mm球四级级配或根据被磨物料易磨性引入Ф50mm或Ф17mm球形成五级级配，一般平均球径可取Dcp 23mm-30mm，即可满足粉磨要求。磨机二仓既能用球，也可用锻。用球时，可配Ф20mm、Ф17mm、Ф15mm、Ф12mm、Ф10mm球形成五级级配，平均球径可取Dcp 12mm-15mm，即可满足二仓物料的细研磨功能。二仓用锻时，可采用Φ14mmx14mm、Φ12mmx12mm、Φ10mmx10mm三级配，也可根据出磨篦板缝尺寸，引入Φ8mmx8mm或Φ8mmx10mm锻，形成四级级配，平均锻径Dcp 9mm-12mm左右。

与此同时，应用闭路粉磨新技术和开流粉磨节能技术-----磨内筛分技术的有效结合，强化磨内的粉磨效率，其技术核心是磨内筛分装置的设置和采用小规格研磨介质。管磨机是最好的水泥细磨与均化设备，其粉磨效率与研磨介质总表面积的0.6次方成正比，在相同装载量的前提下使用小规格研磨介质时总个数多，与物料接触研磨表面积增大，研磨次数增加。一方面可使出磨水泥中产生强度的有效颗粒含量得到提高，再通过新型高效选粉机的分选与收集，使水泥的颗粒级配合理、稳定可控；另一方面也使成品的颗粒形貌(球形度)更好，这些技术措施的实施都能最大程度的改善水泥性能，提高水泥的强度。

以下几个表格是几个单位研磨介质规格及级配数据：

表1 合肥水泥院设计的阜阳中联水泥Φ4.2х13m双仓水泥磨中研磨介质的规格及级配如下：(装载量）

表2 合肥水泥院研发制造的第三代HFCG系列辊压机配套使用中信重工生产的Φ4.2x12.5m球磨机，在河南省大地水泥有限公司应用，其研磨介质的规格级配如下：(装载量233t)

表3  南京凯盛院设计的成都中联水泥公司，使用成都利君CLF150/90辊压机配套Φ4.2х13m水泥磨研磨介质规格及级配如下：(装载量）

表4 陕西崤山水泥Φ4.2х13m的水泥磨中的研磨介质规格及级配如下：（装载量230t）

通过以上表格数据反映，在配有辊压机与分级设备的联合粉磨系统中，缩小研磨介质的直径,提高研磨介质对物料的磨细能力是必然的技术趋势，但对研磨介质质量有及其严格的要求，其根本为高硬度、高耐磨性、表面光洁、不失圆、失效周期延长等等，是管磨机系统台时产量稳定的基本条件。安徽省宁国诚信耐磨材料有限公司针对水泥粉磨工艺的发展趋势与市场需求，深入水泥设计院、设备生产厂家及水泥生产企业调研，结合水泥企业粉磨工艺设备、物料性能、产品质量指标等相关要素，研制成功并推广应用的高碳化铬马氏体研磨介质(已申请专利)在以上相关企业应用效果显著，特点突出，是目前联合粉磨工艺系统中大型管磨机首选的优良产品。
 

二、 高碳化铬马氏体研磨介质（磨球、磨锻）的技术特点

水泥粉磨工艺是一项系统工程，研磨介质硬度低，表面光洁度差，磨耗成本高，球、锻径变化大，极易导致表面粘附，难以保持较高的粉磨效率。为此，研磨介质的质量不容忽视。根据国外水泥粉磨技术经验数据得知，当粉磨系统工艺参数相对稳定时，所用研磨介质质量对粉磨效率影响的因素占50%以上，故对研磨介质机械性能提出了更高的技术要求，国外水泥磨机多采用磨耗低（<10g/t-c）表面光洁度良好的高硬度研磨介质。由宁国诚信耐磨材料有限公司独家研制开发的高碳化铬高硬度研磨介质（HRC>63）应用于水泥联合粉磨系统，单仓球耗降低至25g/t-c以下，且不失圆、破碎率极低（<0.2%）、表面光洁度好（光亮不粘灰）、使粉磨系统长期保持较高而稳定的粉磨效率，系统电耗大幅下降，是水泥企业管磨机所用研磨介质的优先选择。

高碳化铬马氏体研磨介质是根据磨球使用的工况级配条件，通过改善化学成份提高铸造磨球的碳化铬含量，经过特殊的热处理工艺，使高硬度合金马氏体及碳化铬的数量增加、弥散分布更为均匀、合理, 硬度达到HRC63-HRC67，大幅提高了耐磨性能，级配相对稳定，极大延长了在磨内使用时间，增强了研磨功能，提高了产量，有效实现了水泥联合粉磨系统效益最大化。

通过优化化学成份来提高铸造磨球碳化铬含量，提高碳化铬骨架对基体的强化作用，并且增加了过冷奥氏体的稳定性，降低了材料的MS点，提高了材料的淬透性，淬火后的马氏体含碳量增加，基体的平均硬度大幅度提高，达到HRC63.5以上，从而增加了材料的耐磨性能，降低了磨耗，节约了研磨体的使用成本。

附图（一）为￠40mm以下砂型铸造磨球化学成份改变前后经过热处理的金相组织对比图片：

从以上金相图片可以明显的看出：￠40mm以下砂型铸造高铬磨球随着碳化铬数量的增加，其硬度值显著提高。

附图（二）为￠40mm以下砂型铸造磨球碳化铬与硬度的对比关系

从以上硬度曲线可以明显的看出：￠40mm以下砂型铸造磨球（锻）由于其直径较小，热处理过程中淬透性良好，表里硬度一致，其硬质相高铬铁碳化物（M7C3）硬度高（HV≥1100）与其他高硬度合金碳化物合金马氏体（HV500-1000）在金相组织中呈弥散化分布，与韧性基体交叉庇护，从而使研磨介质获得了优良的机械性能。随着碳含量的增加，洛氏硬度明显增加，由于碳化铬的溶解，过冷奥氏体溶碳量相应的增加，淬火后马氏体碳化铬增加，基体平均硬度大大提高，所以研磨体整体硬度明显的增加，而且随着球径的变小硬度也逐渐增加，其耐磨性也相应的增加。相当于传统的高铬铸铁研磨介质而言，其磨耗和破损率显著降低，使用寿命大大提高。

三． 高碳化铬马氏体研磨介质（磨球、磨锻）应用

通过优化化学成份提高磨球中碳化铬含量（其硬度可达到1100HV以上），可显著提高研磨介质硬度。产品问世后，在国内多家水泥企业中推广应用，均获得了良好的技术经济效果及效益。辽宁昌庆水泥公司使用的Φ30mm高碳化铬球，经检验洛氏硬度达到了HRC64，在陕西崤山水泥联合粉磨中Φ30mm的高铬球的硬度达到了HRC63.5以上；连云港中联Φ3.8х13m磨机中Φ30以下研磨介质洛氏硬度HRC>63，经过一年的运行清仓统计，单仓球耗23.04g/t-c，破碎率仅为0.18%，球锻的整体使用情况良好；阜阳中联装机调试一月即达产；为了进一步扩大影响，该公司与冀东启新水泥公司签订了高碳化铬马氏体研磨介质的供货合同，冀东启新公司生产18万吨水泥，仅补加了2吨高碳化铬研磨体。

四. 结束语

在水泥联合粉磨系统中推广应用的高碳化铬马氏体高硬度研磨介质（磨球、磨锻），有如下显著的技术优势：

1、适应性强：可广泛应用于各种粉磨工艺。尤其是最大球径为Φ40mm以下的砂型高铬铸球，用在联合粉磨系统中管磨机的一仓、二仓，技术经济效果更为突出。

2、 磨耗量低：生产实践证明，在粉磨工况稳定，研磨介质硬度相同前提下下，球径越小，磨耗越低。Φ40mm以下砂型高硬度高碳化铬研磨介质HRC>63，破碎率<0.2%，单仓磨耗<25g/t-c。高硬度低破损，且失效周期延长，整台磨可连续使用三年以上，甚至更长。

3、节约成本：研磨介质硬度越高，研磨后表面光洁度越好，管磨机的粉磨效率越高，高碳化铬马氏体高硬度研磨介质几何尺寸合理，磨合后表面光滑不粘料，磨机运行达产快，磨耗成本低，企业使用后经济效益显著提高。

综上所述，虽然研磨介质的研发都朝着提高硬度、降低磨耗的方向发展，但目前国内尚未发现研磨体HRC达到65±2的报道。安徽宁国诚信耐磨材料公司自主研发的高碳化铬马氏体高硬度研磨介质，从增加碳化铬数量达到再次提高硬度的目标已经实现，填补了此项空白(比利时马可托公司Φ30mm以下的介质的硬度有此规范)，达到世界先进水平。该公司对此产品已申报专利，不久将对此产品进行应用鉴定，高碳化铬马氏体高硬度研磨介质是耐磨材料行业的一场革命。

鉴于高碳化铬高硬度研磨介质优良的机械性能，适用于各种配有管磨机的水泥粉磨系统，建议在国内大型水泥联合粉磨系统广泛应用，以高性价比高硬度低磨耗研磨介质，提升我国水泥粉磨工艺技术装备水平，推进节能减排及低碳经济的进一步升级。