钢球磨煤机磨损特性技术研究

钢球磨煤机是火力发电厂的重要辅助设备，对一定尺寸的煤进行干燥、破碎和粉碎，以满足锅炉的燃烧需要[1-4]。钢球磨煤机的钢球消耗量大，为了降低钢材的消耗，必须对耐磨材料进行研究，寻找合适的高耐磨材料[5-7]。橡胶衬里是国内外最著名的研究成果之一，国内外对此进行了多方面的研究[8-10]。为了提高衬板的使用时间，国内已进行了相关研究。目前，主要研究橡胶衬垫的配方、衬板的结构参数以及磨煤机的操作等对衬板使用寿命的影响。试验结果表明，该材料可达到钢衬(双硬镍合金)的3～4倍，具有工作噪声小、重量轻、更换方便等优点。由于铬在中国短缺，所以铬的发展受到严重限制，但镍资源相对比较丰富，所以硬镍合金钢球的钢球磨煤机的使用将是发展研究的重点[11-14]。

本文根据钢球磨煤机的实际情况，提出钢球稳态磨损特性，建立稳态矩阵模型。将稳态仿真软件应用到某型号火电机组球内，采用磨球填充系统，以达到最佳的分级和加载系统，从而降低钢球磨煤机的耗钢量和功耗。

1 钢球磨煤机的工作原理及其应用

1.1 钢球磨煤机的构造及其工作原理

球磨机主要由旋转部、主轴承部、送料、卸料、传动等部分组成(见图1)，包括防尘罩、电动机、减速器、销钉联轴器等辅助部件，并配有辅助机械。旋转部分由筒体、法兰板和人孔盖组成。该管由钢板制成，为了防止研磨介质的冲击和磨损，并降低噪声，内壁有衬里。钢筒端部有凸缘并连接到端盖上，送料部分由空心轴颈铸钢件组成，在轴颈中，卸料部分由空心轴颈和栅板组成。传动部分由减速器和传动轴组成[15-17]。

图1 钢球磨煤机的组成示意图

钢球磨煤机是由电动机通过轴销联轴器和减速器驱动，带动旋转部分转动。转鼓装有研磨介质，即钢球。当圆筒旋转，在离心力和摩擦力的作用下，钢球将旋转筒体提升到一定高度，由于其自身的重力将下降，煤炭的筒体预计将下降。这种在煤粉冲击作用下的研磨形式，称为磨削过程。粉碎后的煤粉经制粉系统送出，再送入锅炉燃烧或储存在煤仓内。

1.2 钢球磨煤机的主要类型

钢球磨煤机是粉磨工艺中最重要的设备之一，按照不同形式可以分为多种类型。常见的钢球磨煤机分类如表1所示。

表1 钢球磨煤机分类

1.3 钢球磨煤机存在的问题

钢球磨煤机作为发电厂的主要破碎粉磨设备，在电厂、水泥、矿山、化工、冶金等行业的生产中发挥了巨大的作用。这些行业的生产效率在很大程度上取决于钢球磨煤机的生产效率。然而，由于工作环境恶劣，连续工作时间长，球磨机容易出现各种问题[18-20]，具体如下。

(1)进料端盖出现裂纹；

(2)清除废球不及时；

(3)无料位监视系统；

(4)滑动轴承损坏；

(5)制粉系统漏风；

(6)噪声大；

(7)制粉系统爆炸。

2 提高钢球磨煤机生产效率的因素分析

2.1 影响磨煤机出力因素的分析

球磨机中物料的粉磨过程非常复杂，常以磨煤机输出粉量(产量)来评定球磨机磨矿作业效率。

(1)磨水泥效率：

(1)

(2)磨煤炭效率：

Q=kD24n0.8φ0.6L

(2)

(3)磨矿石效率：

Q=kD2.5

(3)

式中 Q——磨煤机出力，t/h；k——磨煤机系数；V——磨煤机的工作容积，m3；D——磨煤机筒体内径，m；L——磨煤机筒体长度，m；G——装载的钢球质量，t；φ——装载的钢球充球系数；n——磨煤机转速，r/min。

2.2 磨球的选择

磨球反复冲击下表面，会产生多个塑性变形，导致裂纹的萌生和扩展，使磨球表面剥离，甚至断裂；另一方面，磨球反复震荡，使磨球和表面应力场发生变化，导致裂纹的萌生和扩展，最终导致磨球表面剥落，甚至破碎。

(1)磨球的直径及运转情况。磨球的直径越大，磨球的速度越高，磨球在滚筒中携带的能量越高，磨球的冲击能量就越大。因此，磨球材料的韧性越高，其抗冲击疲劳性能越好，不容易产生剥落和破碎。小球磨机中的磨球应优先考虑钢球材料的硬度，以减少磨球的摩擦。

(2)磨煤机的运转情况。磨煤机运行的关键是保证机器正常运行。在正常运行过程中，磨球与磨球、磨球和衬板之间都存在煤，构成三体磨粒磨损过程，选择磨球材料要考虑它是否具有良好的韧性，而不是追求高硬度。

(3)煤质的优劣。判断煤质的优劣有多种指标，例如：发热量、固定碳、挥发物、灰份、水分、硫分、可磨性系数和磨损系数等。

(4)磨球材质与衬板材质的配副性。煤表面的磨球和衬板的滑动、滚动、挤压运动将对两种煤在不同程度上对磨球和衬板的沟槽表面造成磨损、凿切、嵌入材料表面，甚至造成严重的磨损和撕裂。这种类型的嵌入通常发生在较软材料的一侧，并且磨粒磨损是选择性的。在MLD10的试验机中进行试验，不同质量的磨球和衬板材料的耐磨性表明：相同的内衬材料下，磨球的硬度越高，磨损往往较低，但炉衬侵蚀率趋于增加；在相同的研磨材料的条件下衬套的硬度提高，和衬里的磨损减少。

由于磨球硬度越高，衬板磨损量趋于增加，磨球磨损损失趋于减小，因此磨球和衬板材料硬度必须有适当的比例。

3 钢球磨煤机钢球磨损特性分析

3.1 选择磨球的材料及其要求

磨球选材必须遵守科学性、先进性、经济性的原则。在具体选材的过程中，必须考虑实际的工况条件，综合所有的因素，最终选出适合的磨球，才会取得最佳的经济效益。

具体的来讲，对磨球材料的要求见表2。

表2 磨球的材料的要求

3.2 影响磨球磨损规律理论因素的分析

磨球磨损主要包括磨料磨损和疲劳磨损两个方面。磨球的失效可以概括为以下几种机制。

(1)切削和凿削磨损机制；

(2)变形磨损机制；

(3)疲劳磨损机制；

(4)脆性剥落机制。

几种机理并非同时对钢球失效起主要作用，不同材料、不同工况条件下的磨损机理是不同的。钢球磨损机理的变化，大约有四种情况。

(1)钢球磨煤机大小不同；

(2)磨球材料不同；

(3)磨料特性不同；

(4)运动时间不同。

4 磨球材料的试验性研究及分析

根据生产实践要求，选择了直径分别为20、30、60 cm三种钢球进行耐磨性对比试验。通过这一试验，从实践中验证高铬铸铁钢球与其他两种直径不一样钢球的相对良好的耐磨性能，并验证高铬铸铁钢适用于火力发电厂磨煤机磨煤的需求。本试验使用的磨料为刚玉砂。其主要成分为Al2O3，硬度值为HV1430。悬浮剂为聚丙烯酞胺(HPAM)。

目前，我国燃煤火电厂使用的钢球磨煤机绝大部分采用的是普通锻钢磨球，这种磨球的球耗略高，使用的煤耗一般为幼煤。由于普通锻钢磨球的耐磨性差，这会使金属的消耗量增大，生产成本提高，钢球磨煤机的出力不稳定，补球及清仓筛选次数频繁，这些情况不仅会严重影响到磨煤机的运转率，而且也会浪费大量人力、物力和资金，造成不必要的损失。

本试验采用的是1 500×300格子型磨煤机。磨煤机转速是30 r/min，转速率是80%，高堰式单螺旋分级机组成的钢球磨煤机组。试验给出的矿粒度在20 mm以内，矿石硬度偏低，装球量为8 t，填充率在40%～45%，处理矿量为8.5～8.8 t/h，磨矿浓度73.75%，溢流浓度35%～38%，产品细度65.68%。

磨矿后分别清理磨球，磨球磨损试验清理结果如表3所示。

根据戴维斯理论可得磨损率计算方法。

(4)

式中 D——磨球直径，m；t——工作时间，s；W——一个磨球的质量，kg；

表3 磨球磨损试验清理结果

则磨球从直径Da磨到所要求直径Db所需时间为

(5)

将试验数据代入式(4)则可得到K、n的值，从而得到磨球的磨损规律。

5 试验结果的记录处理

试验前以及试验后数据积累如表4和表5所示。

表4 试验前数据记录

表5 试验前数据记录

钢球磨煤机内钢球的运动一般分为泻落式、抛落式和离心式三种典型状态如图2所示。

图2 钢球磨煤机内钢球的运动形式

当矿物的破坏类型为脆性破坏时，煤块变形小，吸收的变形能小，能量浪费小，破碎的效率高。因此，钢球的尺寸大小应尽可能使煤块的破坏形式呈脆性破坏，从而使煤块在一次作用下发生破碎。

在抛落式工作状态，物料所受到钢球的冲击和磨剥作用中，以冲击作用为主。冲击作用的大小随钢球尺寸大小的变化而变化。钢球直径大，破碎力大，对物料的冲击作用大，物料容易破碎，但也易发生过粉碎；相反，钢球直径小，破碎力小，对物料的冲击作用小，难以破碎物料。因此，在磨煤机中应使用适宜大小的钢球尺寸。而细磨时多采用泻落式运动，钢球以研磨为主并辅以轻微冲击作用。

由于试验进行的时间不是很长，所以钢球的磨损较少，现象并不是很明显，但是试验数据基本与公式相吻合，而且公式也可以自己推理。

根据密度公式可得：

(6)

也可推理出试验前后质量间的关系，更是可以推理出质量与时间之间的关系

D=D0e-kt

(7)

(8)

从而根据密度，质量公式可得提钢球质量：

G=G0e-3kt

(9)

式中 D0——磨损前的钢球直径，m；k——比例常数。

因此，可以根据磨损规律和试验后的数据验证公式。

6 结语

(1)火力发电厂燃烧煤种多样，挥发分低，煤粉比例比较大，球磨机制粉系统在我国火力发电厂得到广泛应用，在电厂锅炉中的各种煤磨、球磨、机磨的煤消耗量最高。

(2)电动机驱动重型钢球磨煤机和钢球轧制，钢球磨煤机在空载和满负荷运行时能耗很小。及时清理无磨煤能力的废钢球和杂物，是降低钢球磨煤机能耗的有效措施。

(3)本次试验中20、30、40 cm钢球配比为320：94：40； 质量比为1：1：1。通过数据及图文分析可知，钢球的磨损速度不但和钢球的质量成正比，也和钢球的表面积成正比，既验证了经验公式的正确性，也验证了推理公式的精准性。

(4)本试验的试验数据与试验公式较吻合，从而能够把理论与实践结合起来，既验证了理论又结合了实践，从而更加丰富了研究的内容。