1 前言
玻璃纖維的主要化學成分是SiO2、Al2O3、CaO等,引入這些成分的原材料主要是葉蠟石,我國葉蠟石儲量豐富,為國內企業生產玻璃纖維奠定了資源優勢。隨著池窯等先進技術的引進,玻璃纖維生產在窯爐方面已突破了產能提高的瓶頸,使國內企業從生產到技術都跨上新的臺階,具備了規模優勢。但是葉蠟石粉磨制約著該行業發展,之前,粉磨葉蠟石的主要設備為雷蒙磨,臺時產量只有1t左右,效率低、能耗高、產品粒度難于控制。如何大幅度提高葉蠟石粉磨的產能,節能降耗成為玻璃纖維大規模生產必須解決的技術難題。
HRM型立式磨是合肥水泥研究設計院在廣泛吸收國外先進技術、總結國內外立式磨應用經驗的基礎上研發出的一種烘干兼粉磨的高效節能設備。它既有萊歇磨可翻輥檢修的優點,又具有MPS磨輥套可翻面使用壽命長的特點。集細碎、烘干、粉磨、選粉、輸送為一體,具有粉磨效率高、電耗低、烘干能力大、產品細度易于調節、工藝流程簡單、占地面積小、噪音低、無粉塵污染、磨耗低、檢修方便、運行可靠等優點。上述優點已在水泥生料粉磨、煤粉制備、脫硫用石灰石粉制備等過程中所證實。泰山玻璃纖維股份有限公司鑒于HRM型立式磨的優秀業績,確定合作研制10t/h級葉蠟石粉磨系統,公司負責系統工藝,研究院負責葉蠟石粉磨的磨機開發。
2 設備設計方案
雙方確定,磨機粉磨葉蠟石的產量≥8t/h,細度為葉蠟石微粉粒度達到45μm(99%通過),單位產品能耗明顯低于雷蒙磨。為使新型設備滿足此要求,我們首先研究了葉蠟石的物理特性,了解到它為層狀結構硅酸鹽礦物,常呈鱗片狀、葉片狀或致密塊狀集合體,測試了它的邦德功指數,為設備設計提供物料特性數值。我們以磨制水泥生料的HRM1700 立式磨為原型,研制磨制葉蠟石的HRM1700X型立式細磨機,對原來同規格型號的生料磨作如下內容的修改設計:①傳動系統;②磨盤襯板和磨輥輥套的形狀設計;③分離器的新結構設計;④耐磨材料的選擇。
3 設備結構及技術參數
立磨工作原理:利用磨輥對磨盤上的物料進行擠壓,并依靠氣流和分離器將符合細度要求的顆粒帶出磨外,經收塵器收集而成為成品;在立磨內部,氣流中粒度較大的顆粒在重力作用下,重新落回磨盤進行粉磨(這個過程要進行多次,才能使其細度達到要求)。
葉蠟石立式細磨的設計建立在水泥生料立磨的基礎上,雖然同屬料床粉磨原理,但由于磨制不同的物料,其特性的差別對運行效果有很大的影響。對于粉磨葉蠟石來說,如何穩定料床、減少振動、提高粉磨效率是該設備設計的核心內容。圍繞這些關鍵問題對上節確定修改設計的內容選擇合理的技術參數和結構。
3.1 技術參數
粉磨物料: 葉蠟石;磨盤中徑1700mm;磨輥直徑1400mm;寬度460mm;磨輥數量2個;傳動功率400kW;產量10~15t/h;產品細度100目100%通過,200目99.9%通過,325目(45μm)99%通過;成品水分<1%。
3.2 設備結構
立式磨由分離器、殼體、磨輥磨盤、傳動臂、傳動裝置、機架、加壓裝置、限位裝置等幾部分組成,設備結構詳見圖1。主要修改設計簡述如下。
(1) 傳動系統。
立磨的主傳動系統是指磨盤、主減速機、主電動機等三大部分,磨盤的轉速將是我們探討的重點之一。立式磨粉磨物料,是由磨輥多次滾壓和磨削落在磨盤上的物料,磨盤轉動的同時,物料受離心力的作用而外移,磨盤的轉速決定了物料在磨盤上的運動速度和停留時間,磨盤轉動愈快,物料外移的速度也愈快,難磨的物料可能因尚未磨到合理的細度而移送出磨盤外,從而使產品達不到要求的細度和粉磨效率低下;反之,過粉磨也會使粉磨效率低下。磨盤轉速不同亦同樣會造成磨盤上物料間相互摩擦力和運動軌跡的不相同。要提高粉磨產品的細度和磨機的粉磨效率,磨盤轉速必須和物料的被粉磨速度相平衡和匹配,因此不同的磨機結構和粉磨不同物料的磨機磨盤轉速是不相同的。
過高的K 值會導致磨盤上料流速度較快,不利于料床的形成。由于葉蠟石原料粒度較小,成品水分和細度要求較高,造成磨盤上物料的流動性較好,不易形成料床,為增加其在磨盤上的停留時間,首先要降低磨盤的轉速。為此,我們進一步研究了國外著名立磨磨制水泥生料和礦渣的情況及葉蠟石和礦渣在特性方面的差別與共同點。國際上著名的立磨在粉磨水泥生料和礦渣時的K 值數據見表1。
礦渣和葉蠟石在化學成分及Bond功指數上相差不大,都在20~25kW/t范圍內,只是葉蠟石的成品細度要比礦渣要求的高。因此我們設計的葉蠟石立式磨的K值也要象磨礦渣那樣采用比生料磨的K 值小10%~20%,葉蠟石立磨的磨盤轉速比同類型同規格的生料磨要低15%左右,確定磨盤轉速為29r/min。
(2) 磨盤襯板和磨輥輥套的設計。
葉蠟石超細粉磨時磨盤上物料中含有更細的1~40μm微細顆粒,生產時由于氣流原因導致料床的物料含有大量氣體,即所說的料床已有流態化的趨勢,使立磨不能有效地嚙入大量的顆粒群,造成輥輪的滑動或輥前堆積。磨盤上物料細粉多摩擦力和接觸面之間的摩擦力很小,流動速度很快,料床很薄,僅有少量物料流進入有效的碾磨區域,使得操作不穩。以上這些現象導致磨輥的陷落、滑動、振動等惡性后果。解決此問題,一方面要求磨盤上的物料在進入碾磨區域前必須進行部分排氣,從而使磨輥、磨盤可較順利有效的碾磨物料。另一方面要有效地阻滯物料,調整磨盤上擋料環的高度,降低磨盤上物料的運動速度,達到磨機穩定運行。
葉蠟石的磨輥采用輪胎型,一方面是為了避免磨輥工作面的邊緣磨損效應,可翻面再使用,延長了使用壽命,另一方面也是基于我們在超細重鈣、超細煤系高嶺土等方面所取得的成熟的應用經驗,以及德國Krup Plysius AG的RM型礦渣磨和日本Kobe Steel的OK型礦渣熟料磨的成功應用范例。但是在磨輥及襯板的幾何設計尺寸方面,輪胎型磨輥的弧面趨于陡,利用單輥自行準備料床的原理控制料床減少振動。磨輥內側,輥盤間隙大,形成料床準備區,料床松散;磨輥外側,輥盤間隙小,料床進一步密實,形成高效粉磨區。在整個粉磨過程中,即使成品比表面積很大,也能做到平穩操作,振動小。磨輥與襯板合理配合見圖2。
(3) 分離器的新結構。
分離器的主要功能是將合格的物料及時分離出來。選擇適合葉蠟石立式磨分離器(高效組合式選粉機),重點考慮選粉區域部分以及顆粒運動的控制,盡可能限制磨內出現的無規則運動量,我們調整了動態轉子與導向葉片的間距、動態轉子轉速、導向葉片片數和幾何尺寸、并且對轉子采用氣封,能有效地避免大顆粒進入成品,從而降低循環負荷,提高研磨效率。分離器中物料分離見圖3。
經過破碎的不同品位的粒狀葉蠟石儲存在各自的碎石倉中,倉下裝有閥門和控制配料比例的調速電子皮帶秤,各皮帶秤按系統的需要把一定量的葉蠟石卸出,除鐵后經斗式提升機、鎖風用的回轉葉輪給料機喂入立磨內,在立磨內通過磨輥和磨盤的相對運動而產生擠壓、碾磨成粉體。粉體通過磨內選粉裝置選粉,合格的粉體隨磨內的氣流帶出磨外,被高濃度袋收塵器收集為成品,粗顆粒落到磨盤上繼續粉磨。根據碎石的原始水分含量,磨內通風可采用自然風或通入由熱風爐產生的熱風,使原料帶入的水分蒸發,保證產品含水率在1%以下。為提高立磨的粉磨效率,在磨內選粉內循環的基礎上,工藝布置采用了能把磨機吐渣由系統設備返回的設計,通過調整吐渣返回量可以提高粉磨效率,并能延長磨輥及磨盤的壽命。收塵器收集的葉蠟石粉成品經輸送裝置送入葉蠟石粉倉,以備使用。
(4) 耐磨材料選擇。
對于粉磨Bond功指數大于20的原料來說,立式磨磨輥、磨盤上的耐磨材料均采用現場再生補焊修復技術,不僅是解決生料立式磨保持良好工作狀態問題,更重要的是要大幅度提高材料利用率,節約資源、降低勞動強度、提高設備及工藝系統的運轉率。
磨輥和磨盤襯板磨損比較嚴重,磨損只發生在一個有限區域內,利用檢修期間對輥套磨損區進行表面修復,堆焊過程自動在磨外或磨內完成。
4 工藝系統和運行效果
4.1 工藝流程
葉蠟石粉磨工藝系統流程見圖4,簡述如下。
經過破碎的不同品位的粒狀葉蠟石儲存在各自的碎石倉中,倉下裝有閥門和控制配料比例的調速電子皮帶秤,各皮帶秤按系統的需要把一定量的葉蠟石卸出,除鐵后經斗式提升機、鎖風用的回轉葉輪給料機喂入立磨內,在立磨內通過磨輥和磨盤的相對運動而產生擠壓、碾磨成粉體。粉體通過磨內選粉裝置選粉,合格的粉體隨磨內的氣流帶出磨外,被高濃度袋收塵器收集為成品,粗顆粒落到磨盤上繼續粉磨。根據碎石的原始水分含量,磨內通風可采用自然風或通入由熱風爐產生的熱風,使原料帶入的水分蒸發,保證產品含水率在1%以下。為提高立磨的粉磨效率,在磨內選粉內循環的基礎上,工藝布置采用了能把磨機吐渣由系統設備返回的設計,通過調整吐渣返回量可以提高粉磨效率,并能延長磨輥及磨盤的壽命。收塵器收集的葉蠟石粉成品經輸送裝置送入葉蠟石粉倉,以備使用。
5 結論
HRM1700X葉蠟石立式細磨的運行效果說明,與雷蒙磨相比,單機生產能力提高了10倍,滿足了玻璃纖維生產需要的葉蠟石粉磨大規模工業化生產的需要,同時,單位產品能降和設備消耗比雷蒙磨粉磨系統降低40%以上。近來,浙江省桐鄉玻纖建設了9條采用此設備的葉蠟石粉磨生產線,亦取得良好的業績。此設備的大范圍推廣,必將促進玻璃纖維生產企業迅速提高企業規模和節能減排降耗。
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