非金属矿粉体用立式磨的研究与应用

李晓光

（合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051）

【矿物加工】

非金属矿粉体用立式磨的研究与应用

李晓光

（合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051）

本文综述了非金属矿行业常用装备的技术现状，以HRM立式磨在叶蜡石、高岭土等非金属矿粉体产品加工中的应用为例，研究了立式磨装备的磨损机理以及辊套、分离器叶片等易损件耐磨处理技术，研制出适应非金属矿粉体产品生产的HRM1700X立式磨。应用结果表明，该装备生产细度d99.9≤45μm的产品时，单机产能是雷蒙磨6倍，达到12t/h，易损件使用寿命是雷蒙磨的5倍，吨产品平均电耗在56～58kWh/t，设备运转效率达到96%以上，达到了设计要求。该装备技术符合非金属矿粉体加工要求吨产品平均电耗低、运行效率高的原则。

立式磨；非金属矿；节能

1 引言

随着国内非金属矿产品应用领域的发展，雷蒙磨、环辊磨、球磨机等粉磨装备及其技术在一定程度上适应了Bond功指数＜15.0的非金属矿物产品加工的需求。但是，对于Bond功指数＞15.0的非金属矿物产品加工，上述装备技术还存在以下问题：①物料硬度高，造成装备的易损件磨损严重；②物料磨蚀性大、磨耗高，造成产品污染严重；③易损件更换频繁，造成装备运行效率低、检修维护率高，严重影响企业的经济效益[1-3]。

针对上述问题，国内非金属矿物产品生产企业的目光开始转向高效、节能型的立式磨装备与技术[1-3]。立式磨装备技术作为近年来非金属矿物干法粉磨与分级技术的主要进展之一[4]，其特点是单机生产能力大、吨产品平均电耗低，生产的产品纯度高、粒度分布窄，一次成品细度d97=10～44μm。

本文针对Bond功指数较高或高硅含量的非金属矿物料粉磨，分别从非金属矿物加工装备与技术、原料理化组成、产品要求、装备易损件的耐磨材料选择等角度，探索了HRM立式磨在叶蜡石、高岭土等非金属矿粉体产品加工中的应用情况。

2 装备技术应用分析

非金属矿行业的代表生产装备主要有雷蒙磨、环辊磨机、球磨机和立式磨等[1，4]，分别从适应原料的Bond功指数、适应产品细度、易损件使用寿命、最佳入料粒度、单机产能等角度分析了几种常见装备技术的特点，具体参数如表1所示。

2.1 雷蒙磨

适用于Bond功指数＜15.0的非金属矿物，多以生产d97≥28μm的粗粉产品为主，单机规模小。粉磨莫氏硬度≤3.0的非金属矿物时，易损件使用寿命可以达到120天；但是粉磨石英砂、叶蜡石、高岭土等Bond功指数＞15.0的非金属矿物时，其易损件使用寿命只能达到20天左右，磨损严重、磨耗高、且污染产品，影响装备的运行效率和企业的经济效益。

表1 常见的非金属矿物生产装备及其分析

2.2 环辊磨

适用于Bond功指数＜15.0的非金属矿物，以生产d97=8～22μm的(超)细粉产品为主，单机规模小。易损件使用寿命可以达到300天；但是粉磨石英砂、叶蜡石、高岭土等Bond功指数＞15.0的非金属矿物时，其易损件使用寿命只能达到30～60天，磨损严重、磨耗高、且污染产品，同样也会影响装备的运行效率和企业的经济效益。

2.3 球磨机与分级机

适用于Bond功指数＜26.0的非金属矿物粉磨分级，与分级机配套后可以生产d97=5～45μm的粗粉和细粉产品，单机规模较大。其衬板及研磨介质等易损件的使用寿命可以达到1 000天；但是对于Bond功指数=26.0的非金属矿物，其使用寿命有时只能达到100天，而且衬板及研磨介质磨损的部分进入产品中，对产品的纯度及其使用性能产生一定影响。为了不影响装备的运行效率，需定期进行检查、补充研磨介质；缺点是能耗较高。

2.4 立式磨

对原料的适应性强，适用于Bond功指数＜26.0的非金属矿物粉磨分级，产品细度可以在d97=10～80μm之间任意调节，单机规模大。对于方解石、滑石等Bond功指数＜15.0的非金属矿物，其衬板和辊套等易损件的使用寿命可以达到1 000天；但是对于Bond功指数=26.0的非金属矿物，其易损件使用寿命只能达到80天，辊套和衬板磨损的部分也会进入产品中，对产品的纯度产生一定影响，为了不影响装备的运行效率，应定期进行检查辊套和磨盘衬板，易损件易于检修更换。与上述其他设备相比，立式磨具有物料适应性强、产品细度可调、规模化效益明显、运行效率高、吨产品能耗低等特点。

根据上述分析可见，雷蒙磨、环辊磨受易损件使用寿命低、单机规模小等影响，在非金属矿物粉体加工中受到限制；球磨机与分级机组合虽能满足规模化生产，但是吨产品能耗高严重制约了该装备技术在非金属矿物粉体加工中的应用。

非金属矿企业的目光开始关注高效节能型的立式磨装备及其技术，立式磨作为近年来粉体加工装备技术的主要设备，其既符合了非金属矿产业规模化升级的要求，又符合了国家节能减排政策的要求[1-3]。

3 非金属矿用立式磨研究

早期立式磨装备技术在国内非金属矿物粉体加工行业很少应用，而欧美、马来西亚、印尼和日本等国早在20世纪就开始采用立式磨装备技术进行非金属矿物加工，其应用领域不仅涉及方解石、白云石，还应用到高岭土、石英砂、叶蜡石等非金属矿物料加工[1-3]。随着国产立式磨在水泥和矿渣行业的成功应用，立式磨装备技术在国内非金属矿物加工行业开始兴起。下面以HRM立式磨为例，分别从磨损机理分析、易损件材料选择及其抗耐磨处理等角度具体研究了HRM立式磨装备技术粉磨非金属矿物的可行性。

3.1 磨损机理

根据立式磨的工作原理及构造分析，其磨损主要表现为挤压磨损和喷射(风扫)磨损，以及粘着性磨损、疲劳剥蚀类磨损和化学反应腐蚀磨损等[2]。挤压磨损表现为：工况下研磨装置与物料接触面间的磨损，立式磨的磨辊加压系统多为液压气动弹簧系统(刚度达1.5～3.2kN/mm)，工作压力大，可达400～800kN，粉磨组件在工作中受到很高的挤压力作用，且辊套与粉磨物料接触面间存在差速滑移，在辊套和磨盘表面表现为挤压和剪切磨损；喷射(风扫)磨损表现为：工况下磨内带料气流与风道接触面间的磨损，如磨内风环和分离器壳体、转子叶片及灰斗等处。

3.2 易损件耐磨研究

3.2.1 辊套

辊套作为立式磨最重要的研磨装置部件，其耐磨性能和可靠性至关重要，直接影响装备的运行效率。辊套在承受高压下与物料发生挤压和剪切作用，造成接触面挤压剪切磨损，磨辊磨损严重后，不仅产量会急剧下降引起电耗偏高，还会导致磨机振动加剧引起相关零部件的损坏。

(1) 高铬基材堆焊：传统立式磨的辊套基材通常采用高铬铸铁，外部堆焊8～30mm的耐磨焊材，磨损后可进行多次堆焊修复使用。关键是辊套基材的选择，有的高铬基材在堆焊前就存在未探测出的内部缺陷，在堆焊过程中就容易放大内部缺陷，研磨过程中造成基材乃至堆焊层爆裂；有的高铬基材在堆焊前没有缺陷，但是基材的可焊性不佳，堆焊后出现缺陷，只能作报废处理，造成较大的经济损失。因此，合适的高铬基材选择至关重要。

(2) 碳钢基材堆焊：由于受高铬基材可堆焊性能的影响，越来越多的立式磨制造企业开始探索采用焊接能好的碳钢作基材，外部堆焊耐磨焊材，形成内韧外硬的结构。相对于高铬铸铁其具有更高的耐磨性和耐冲击能力，而且磨损后可以通过再生堆焊反复多次使用。此种方式最大的风险就是耐磨层的剥离，为尽量避免剥落，需要从母材、堆焊、焊丝及施工工艺几个方面进行合理搭配。同时，为确保堆焊修复的经济性和效果，应确保每次再生堆焊前检查磨损情况不要伤及过渡层及基材。随着立式磨的大型化以及在线堆焊技术的发展，该技术发展迅速也更加实用。

(3) 耐磨陶瓷及涂层：关于耐磨陶瓷及其涂料的使用，已经在一些特定的非金属矿物粉体加工中应用。相比其他材料更加容易施工，降低了成本。随着材料技术的发展，该技术将会在有些特定行业得到快速发展。

3.2.2 分离器转子及其叶片

分离器转子是分级装置的核心部件，起到阻断粗颗粒、分离出细粉产品的作用。在分离过程中，转子要承受一定量的物料冲击，克服较大的系统阻力，工况下还受离心力和振动等因素的影响，所以磨损较大。目前较适宜的材料是耐磨钢板(比如罗奇中国和耐钢的产品)，其加工性和可焊性都较好，并且是全厚度同等硬度，使转子的动静平衡效果好，可以抵御两面磨损，抗磨效果好。据采用合肥中亚建材装备有限责任公司HRM1700立式磨的叶蜡石企业反馈，采用该技术的转子使用两年以后转子结构依然完整。至于耐磨涂料的使用，需考察脱落的涂层会不会影响产品的用途。

另外，分离器壳体受到的磨损比较单一，主要是含尘气流冲刷造成的风蚀磨损，且此处风速仅为3～6mm/s，建议根据所分离物料的磨蚀性及其用途要求，采用16Mn钢、复合耐磨钢板等。必要时也可采用耐磨涂料，效果较好，但是价格较高。

3.2.3 导向风环

导向风环的作用是确保磨内通风流畅、淘洗粗颗粒排出进入外循环，扬起细颗粒进入分离器分选。通过强制变向提高气流速度，此处流速达到30～60m/s，气流中含有大量粗粉和细粉，磨损情况比较严重，由于叶片间距小厚度薄，且存在气流冲击引起的振动，因此耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料都不适宜，耐磨钢板使用效果也不是很好。根据经验，我们选择了复合耐磨钢板，将耐磨面朝向气流，效果较好，可以使用2年以上。至于复合耐磨钢板的焊接问题，建议将焊接位置的耐磨材料刨掉，露出底层，先用普通焊条将钢板之间焊牢，然后再次堆焊耐磨焊条，这样的焊接件才是牢固的，不会脱焊。

4 非金属矿用立式磨应用分析

近年来，由于能源成本的节节攀升，下游使用行业对产品品质要求又在不断提高，以及非金属矿加工中的高能耗等问题，激起行业对研发新型节能磨机的需求。立式磨由于其独特的节能效果、单机产能大的优势而被行业广泛认可[1]。下面以研制的非金属矿用立式磨在叶蜡石、高岭土等产品加工中的应用为例，进行简要说明。

4.1 叶蜡石

叶蜡石[Al2(Si4O10)(OH)2]被广泛用作耐火材料、陶瓷、建筑材料、玻璃纤维、分子筛的原料和辅料，此外在人造金刚石、石油、电气等方面也有应用。以叶蜡石类矿物为主要原料生产的玻璃纤维是一种新型无机非金属材料，具有质轻、高强耐腐蚀、绝缘、隔热、吸音等优异性能，有“第二钢材”之誉称。

浙江某集团公司是亚洲叶蜡石规模化生产企业之一，该公司所采用的叶蜡石原料的理化特征如表2所示。

表2 叶蜡石理化性能分析

该公司主要用叶蜡石粉作为玻纤行业的原料，该行业对产品粒度分布要求高、d99.9指标控制严格。立式磨生产的叶蜡石粉体产品特性及能耗效果如表3所示。

表3 HRM1700X立式磨生产的叶蜡石粉体产品及电耗分析

该公司对使用立式磨与雷蒙磨生产的同类叶蜡石产品进行运行对比，结果如表4所示。

由表4可见，生产同类产品，立式磨的吨产品平均电耗比雷蒙磨节省18.7%；单机产能是雷蒙磨的6倍；易损件使用寿命是雷蒙磨的5～7倍。同等生产规模的情况下，立式磨的投资额度比雷蒙磨略高6%，但是其运行维护费用比雷蒙磨低56%。经过上述分析，该公司后期生产线陆续采用19台套HRM1700X立式磨生产叶蜡石微粉。

表4 立式磨与雷蒙磨生产的叶蜡石粉体运行投资对比

4.2 高岭土

高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)具有良好的可塑性和耐火性等理化性质。其矿物成分主要由高岭石、埃洛石、水云母、伊利石、蒙脱石以及石英、长石等矿物组成。主要用于造纸、陶瓷和耐火材料、涂料、橡胶填料、搪瓷釉料和白水泥原料等工业部门。

国内某公司在考察了HRM1700X立式磨在叶蜡石行业的运行情况后，采用2台套该型号设备用于煅烧高岭土的粉磨生产。其原料理化指标如表5所示，立式磨生产的高岭土粉体产品特性及能耗效果如表6所示。

表5 高岭土理化性能分析

表6 HRM1700X立式磨生产的高岭土粉体产品及电耗分析

该行业对产品粒度分布要求高、d99.9指标控制严格。

根据业主提供的表6数据分析，HRM1700X立式磨生产高岭土微粉表现出：产品粒度分布窄、纯度高、流动性好、单机生产能力大、吨产品平均电耗低的特点。再者装备运行效率高、维护成本低，明显提升了企业的生产线自动化水平和经济效益，节省了用工成本，增强了企业的市场竞争力。

5 结语

非金属矿物的开发利用水平已经成为衡量一个国家经济综合发展水平的重要标志之一，而非金属矿物加工装备与技术更是衡量一个国家非金属矿资源开发利用水平的重要标志。

HRM1700X立式磨装备技术达到了非金属矿粉体加工的要求，生产d99.9≤45μm的产品时，单机产能是雷蒙磨6倍，达到12t/h，易损件使用寿命是雷蒙磨的5倍，吨产品平均电耗在56～58kWh/t，设备运转效率达到96%以上。经检测，该项目运行技术指标达到项目设计指标，达到同类装备国际先进水平。

“十三五”期间，装备技术创新和工业化技术创新是非金属矿粉体产业转型升级的重点[1，4]，HRM立式磨在非金属矿行业应用的成功，必将有利于非金属矿产业技术发展和产品创新，提升我国非金属矿粉体装备技术在国际上的竞争力。

[1]秦广超.HRM超细立式磨的研制与应用分析[J].中国粉体技术，2016，22(4)：78-82.

[2]袁凤宇，张志宇，邓小林.粉磨叶蜡石立式磨的开发和应用[J].中国非金属矿工业导刊，2008(5)：43-46.

[3]郑水林.非金属矿加工与应用(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2008：13-42.

[4]秦广超.“十三五”期间重质碳酸钙产业转型升级发展探析[J].中国非金属矿工业导刊，2016(2)：1-5，13.

2017年新年伊始，地勘中心收到中国地质调查局资源评价部发来的感谢信。信中充分肯定了地勘中心领导对地调工作的高度重视，参与项目的陈军元、高树学等主要成员在支撑重要矿产资源调查计划业务推进、编制百项成果报告、新疆奇台县黄羊山晶质石墨找矿重大突破等方面给予资源评价部的大力支持。

2016年，地勘中心承担了中国地质调查局的地质调查项

Research and Application of Vertical Roller Mill Producing Non-metallic Mineral Powder

LI Xiao-guang
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

This paper summarizes the technical status of the common equipment used in nonmetal mining industry. HRM vertical roller mill used in pyrophyllite, kaolin and other non-metallic mineral powder products processing as an example. Study on the wear mechanism of vertical grinding equipment, and wear resistant processing technology of parts such as roller sleeve and blade of separator. develope for the HRM1700X vertical roller mill used in non-metallic mineral powder producing. The application results show that the equipment production fineness of d99.9≤45μm, stand-alone capacity is 6 times of Raymond mill, to 12t/h, service life of wearing parts is 5 times of raymond mill, the average power consumption per ton of product is 56～58kWh/t, the equipment efficiency reached above 96%, meet the design requirements. The equipment and technology in line with the principle of non-metallic mineral powder processing requirements, low average power consumption per ton of product with high purity and high efficiency.

vertical roller mill; non-metallic minerals; energy-saving

TD453

A

1007-9386(2017)01-0023-04

2016-12-07