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摘要：本文以筒体衬板采用的为轻量化设计结构为例,概述了应用管磨机内衬材料的体会,探讨了粗磨仓,细磨仓衬板的磨损机理,提出了延长细磨仓衬板使用寿命的技术措施。
关键词：管磨机；粉磨生产率；磨损机理
在冶金行业，粉磨工艺至关重要，粉磨效果直接影响到成品质量，其中球磨机作为一种传统的粉磨设备，因操作简便、适应性强等特点一直在金属材料粉磨生产中占据着主要地位。粉磨机是建筑、冶炼和矿山等许多行业中普遍使用较多的一种粉磨设备，因此对粉磨机工作原理、内部结构的研究是非常有必要的，由于粉磨机的粉磨作用是通过磨球(研磨体)在磨内的旋转运动造成的。而生产过程中粉磨机衬板及研磨体的消耗量在生产费用中占比较大，从经济效益、社会效益和粉磨效率来看，提高粉磨效率和减少衬板磨损量，可以大大降低生产成本。
影响粉磨生产率的因素较多，例如：转速、衬板结构型式、衬板的材质、被磨物料的性质、物料的填充率、研磨体的级配及粉磨机的结构形式等等。衬板是粉磨机内部配置中易磨损部件，使用衬板不仅可以保护筒体，延长设备使用寿命，而且通过改变衬板的结构来控制磨球(研磨体)在筒体内的运动轨迹，并可以使磨球(研磨体)达到最佳运动状态来提高生产效率。
但这种基于概率破碎原理的粉磨设备，能量利用率很低，大部分能量被碰撞发热、噪声所消耗，真正用于粉磨做功的能量很少，粉磨效率低，电能有效利用率低，设备重，为了达到节能降耗的目的，经对目前正在使用的磨机进行调查分析，现提出对磨机进行磨内改造。
1现阶段存在的问题描述
在管磨机粉磨过程中，隔仓板与出磨篦板的作用主要是隔离各仓的研磨体，同时保证磨内气流与料流的正常流动，确保粉磨系统能够稳定高效运行。在新材料和新的加工方式问世之前，采用铸造工艺加工的隔仓板与出磨篦板及筒体衬板配置金属管磨机有着悠久的历史，但在使用上表现出一些令人不满意的效果，新材料和新的加工方式的技术突破，为改变这一现状带来了希望。在材料方面，通过采用特殊的热处理工艺，使材料基体获得马氏酸盐法，熟料掺量仅需25%左右；生产52.5等级矿渣硅酸盐，熟料掺量仅需35%左右。
目前冶金行业提倡节能降耗是一种新趋势，在金属材料生产整个工艺过程当中，粉磨工艺是整个过程中能耗最多的一个部分，即粉磨所消耗的电力占水泥生产总耗电的70%以上，而水泥粉磨电耗约占水泥生产总耗电的40%左右。
金属材料粉磨机内改造前，材料生产台时产量偏低，而且磨内物料循环量大，选粉机耗电量也高，提高系统风机转速时，进入磨机的物料增多，出磨细度不易控制且比表面积不合格；而系统风机转速降低时，V型选粉机的细粉分选效率也会随之降低；其主要表现有以下几点：
(1)磨机一仓在早期设计时长度较短，即一仓的容积率较小，当物料进入一仓进行粉碎时，由于长度不够对物料粉碎的效果不理想，在一仓的粉碎时间较长不能及时排到二仓，易造成磨头返料。此外，管磨机的夹装可靠性也是此机械现阶段在使用中存在的主要问题之一，大部分作业单位在使用管磨机进行粉磨作业时，会将管磨机端板上的螺栓孔进行工装连接，在其与作业车床进行连接处理时，连接螺栓将受到整体结构拉伸应力与剪切应力的影响，从而出现拉伸变形，此种变形会导致机械装夹出现发生松动，导致粉磨后的金属构件无法达到质量要求。
(2)由于生产工艺上的差别，有的磨机一仓存在球面偏高，即物料与研磨体(钢球)的比例不合理，这样会导致产量低，造成研磨体与筒体内部的磨损加快，增加了更换备件的频率，提高了使用成本。
(3)由于物料存在一定的水份，早期设计的隔仓篦板篦缝有被物料及碎钢球堵塞的现象，造成磨内通风不畅，物料不能及时被风带走，造成物料在一仓过粉磨，降低了磨机的产量。
(4)粉磨机筒体衬板的配置不合理，针对粉磨机一仓筒体衬板其早期设计采用阶梯及双阶梯衬板，其表面为平面，依据粉磨原理，钢球与筒体衬板的接触面为点接触，粉碎效率较低。同时，管磨机内部顶针结构上附加的轴承构件在实际应用中还存在与机床主轴跳动设置不协调的问题，通常情况下表现在轴承结构与机床主轴的游离间隙较大，甚至会出现轴承高于机床主轴的跳动现象。一旦管磨机在运行中出现了此方面的问题，不仅会导致装置顶针上的定心出现失效现象，还会对机械作业中的精度造成负面影响。此外，支撑结构上的顶杆与机床主轴顶紧程度及其自身刚度也会对机械加工精度造成影响。针对此种问题，作业方通常会采用结构附加支撑法，进行机床主轴与顶针结构的重复定位处理，但如果在处理过程中，出现顶板外圆跳动高出机床主轴跳动的现象，或在加工处理时，管磨机自身出现了磨损问题，会导致设置的顶针出现定心失效问题。因此，现阶段针对管磨机的支撑定位法基本已被淘汰，否则需要在加工时采用提高零件定位精度的方式，进行机械操作，但按照此种方式进行管磨机操作，不仅会增加机械的使用与操作难度，还会在一定程度上提高作业成本。
(5)目前磨机内部所使用的筒体衬板多数为阶梯形状(一仓)，单块重量较重(约52Kg),进而加重了磨机的整体重量，使磨机主电机的电耗较大，导致系统能耗高，使用成本进一步上升。
(6)隔仓装置与筒体连接处采用固定块的安装方式，固定块为铸造件，其结构笨重，安装不便。隔仓装置上的隔仓篦板上有安装凸台，与隔仓支架之间形成一个空间型腔，且隔仓篦板后面安装有筛板，这种结构易造成物料的流通性差，不易通过。此外隔仓装置整体的宽度较厚，减少了粉磨机的容积率。此外，管磨机在实际应用中还存在刚度不足的问题，大部分管磨机在产出后具有圆筒长径比值较大、壁厚不足的问题，在使用此机械进行粉磨车削处理时，物料或构件会受到切削热、结构自重、机械操作振动、粉磨作用力等多种因素的共同影响，导致管磨机的作业难度增加。在深入对此机械的研究中发现，尽管管磨机的筒径较长，但结构中不同位置的筒壁较薄，作业过程中如果没有进行其内部切削作业温度的控制，会导致机械作业存在其他应力作用，从而影响到管磨机的作业效率与综合作业水平。
(7)因物料在磨内完成粉碎及研磨以后需要排出外部，当出料端的篦缝被堵塞后，物料不能及时排出，造成物料在二仓过粉磨，对产量及物料的形状都会产生影响，程度严重时磨头返料，磨尾不出料，因此需要定期对篦缝进行清理，劳动强度较大且困难，严重影响磨机的运转效率。
通过上述分析可知，管磨机现阶段在市场相关领域内的使用是存在较大问题的，无论使是其内部结构或是加工作业的工艺方案，都存在一定的不足，此种问题在不同程度上影响了管磨机的作业效率，甚至导致管磨机无法在使用中发挥预期的效果与价值。为解决此方面问题，提高机械的作业效率，下述将结合相关工作的实际作业需求，进行管磨机内部技改方案的优化设计。
2管磨机内部技改方案
为了改善以上问题，经过对粉磨工艺及磨机运行情况的调查分析，重新制定磨机内部配置方案，对磨内进行改造(联合粉磨系统)。
(1)为了提高一仓的粉碎效率及研磨功能，现将一仓原结构筒体衬板技改为大波纹衬板(4个波峰)，衬板波谷的直径与钢球直径相当，钢球可以很好的与其贴合，增大了钢球与波纹衬板的接触面积，当磨机旋转时，在磨内与衬板贴合的钢球可以在波谷内滚动与滑动，提高了粉碎效率，可以使物料短时间内达到相应的直径颗粒，能及时排出一仓。同时，在管磨机内增设一个研磨刚段作为支撑段，此时进入机械内的物料在完成筛分处理后，将按照粗细度，进入不同的作业仓。例如，较为精细的物料将进入小钢段进行研磨，相对较粗的物料将进入大钢段进行研磨，通过此种方式，使不同的物料可以在管磨机中进入与其细度匹配的作业仓内进行研磨处理。在大钢段中完成研磨后，达到精细标准的物料将继续进入小钢段进行研磨，通过此种方式进行管磨机内衬板的优化配置，不仅可以提高研磨的水平与研磨的综合效率，还可以使不同细度的物料在进入机械后均可以达到加工标准后再行排出。
(2)技改前一仓筒体衬板的单重大约为52Kg，技改后的波纹衬板的单重约为原始设计的1/2，因此大大降低了磨机整体的重量，降低了磨机主电机的电耗，进而降低了磨机的使用成本。
(3)技改后的投影式双层新型隔仓支架结构，取消了固定块装置及传统隔仓装置上的筛板(非中心筛板)，与传统结构相比宽度减小了100mm，即宽度为250mm，整体重量降低了约4t，相对提升了磨机的容积率。在此基础上，在管磨机内部结构中，安装集成筛分功能的多层隔板，当管磨机球形仓库内的物料在进入机械后，具有筛分功能的隔板将进行仓内物料的主动筛分，与此同时，进入仓内的物料将根据多层隔板的筛分精度呈现粗物料与细物料相互分离的状态。完成对物料的分离处理后，粗物料将按照其进入路径返回球形仓，通过筛分后的细物料将及时进入作业仓。
(4)隔仓篦板直接安装在投影式隔仓支架上，隔仓篦板更换后，其篦缝由原来的8mm~12mm改为4mm~8mm，其篦板的通孔率提升了40%~50%，此结构可以防止物料及碎钢球的堵塞，保证隔仓篦板的良好通风及物料的流速，改善了物料的流通性。此外，为解决磨头在作业中出现扬尘问题，还可以在现有工作的基础上，增加管磨机的进料通道与螺旋筒之间的有效接合空间，通过此种方式，进一步实现对管磨机通风结构的优化，降低由于扬尘造成的机械扬尘问题。但在进行此方面内容的设计时，应注意对管磨机研磨中不同环节需风量的计算，应根据管磨机研磨的不同阶段，设计不同的进风量，确保设计的技术指标与选用的参数与管磨机规格适配，从而确保设计的内容符合管磨机实际改造与优化需求。
(5)安装隔仓支架时其安装位置向二仓方向移动250mm~500mm，改善物料粉碎及研磨的效果，容积率的提升可以解决磨头返料问题，有助于环境的保护。此外，根据隔仓支架在管磨机中的实际位置，可采用设置支架调节板的方式，进行整体结构的进一步优化，确保支架可以根据管磨机的实际作业工况进行综合调整，发挥支架在管磨机作业中更高的效能与价值，实现对整体结构的优化。
(6)二仓筒体衬板采用小波纹结构(波峰为5个)，采用与一仓波纹衬板相同的设计原理，其采用5个波纹的结构形式，主要是为了进一步提高衬板的研磨表面积，使物料的研磨效率和细度更高。在进行管磨机衬板的优化设计时应注意，要保证段仓内衬板结构在安装中的活化性，只有满足此方面的需求，才能确保设计的结构可以在实际应用中起到优化筒体作业效率或作业水平。因此，在进行距离筒体结构较远的衬板设计时，为避免钢段结构的筒体会由于机械无法带动出现作业效果或研磨精度无法达到预期的问题，可在设计时，根据管磨机研磨作业的实际需求与进入物料的粗细度，进行活化衬板数量的增加或删减，通过此种方式，降低或解决机械作业中“滞留区”对管磨机研磨精细度造成的负面影响，从而实现对不同段层结构运动效率的提升，提高管磨机的综合效率。在此基础上，为进一步实现对管磨机装置结构的优化及其在使用中性能的改进，还应在此项工作的基础上，对管磨机的出料结构进行优化，根据相关工作的实际作业需求，可在出料结构上增设物料分离隔断，使管磨机具有段、料分离的功能，此种方式不仅可以使管磨机在完成物料的处理后实现对处理物料的顺利排出，还可以避免在出料过程中刚段结构不发生溢出现象。
(7)出料篦板采用框架式防堵结构，安装时在其背面安装不锈钢制出料筛板，改变了原篦缝的结构形式，其篦板的通孔率提升了40%~50%，此种结构不但解决了原篦缝堵塞的问题，而且彻底解决了人力清理篦缝堵塞的难题，降低了劳动强度。为进一步实现对管磨机结构的优化，还应在现有设计内容的基础上，进行管磨机料位调节板的综合调整，增设调节板不仅可以对球仓内物料配比进行主动优化，还可以在操作管磨机时，通过调节隔仓板中心位置的倒料环进行仓体内料压差的优化，以此种方式，提高管磨机仓体的过料能力与物料综合流速。
(8)磨内装置进行重新配置后，钢球级配的合理性将影响磨机的产量和物料的研磨性能，为了达到更好的级配要求，以获得更高的填充率，提高有效容积率，采用如下公式进行理论计算，并结合实际经验情况进行微调，以得到最佳的钢球级配和填充率。根据实际需求与作业情况，进行管磨机内部结构与工艺参数的改造与优化。改造管磨机内部直径时，设定一仓的直径为φ2500mm、二仓的直径为φ2500mm、三仓的直径为φ2510mm；改造管磨机管道长度时，设定一仓的管道长度为3.50m、二仓的管道长度为2.85m、三仓的管道长度为6.55m。在此基础上，结合实际情况，优化管磨机有效容积(m3)、仓长比例(%)、介质容量(t/m3)、装载量(t)、填充率(%)、平均球径(mm)。
按照上述内容，进行管磨机在研磨过程中技术参数的优化，通过此种方式，实现对其作业效率与综合作业水平的优化与提升。但在设计中应注意的是，针对不同的作业段，应进行参数合理调整范围的设计，例如，针对φ100(t)的仓体，需要调整一仓的工艺参数为3.15，对于φ60(t)的仓体，需要调整二仓的工艺参数为4.5，按照此种方式，对不同结构的仓体在作业中的系数进行优化调整，明确只有满足此方面设计需求，才能确保改造后的管磨机可以在实际应用中发挥预期的研磨效果。
(9)对磨机内部整体技改后，其整体重量有了较大幅度的下降，约下降了20t~30t，大大降低了磨机的功耗，提高运行效率，节约衬板。同时，将混合材料与熟料等物料通过联合存储仓倒入管磨机内，研磨的气体将经过除尘器与收尘器进行净化处理，但在此过程中，要注意对管磨机内部风速与实际进风量的调节，避免出现内部风速不足影响机械作业效率与作业水平的问题。
(10)为实现对管磨机内衬板配置改造优化效果的客观评估，在完成上述设计后，将改造后的管磨机应用到真实的作业环境中，联合技术部门、车间、生产科室等，对管磨机在实际应用中的技术参数与核心指标进行标定。标定过程中，根据管磨机的皮带长度及皮带上的物料量，对管磨机在作业过程中每圈作业时间等参数进行计算。在此基础上，收集管磨机研磨后的物料，对物料进行取样，并将其送至实验室进行化验与检测，设定不同的检测指标，对不同工况下的管磨机运行状态进行分析，通过此种方式，掌握改造后管磨机研磨成果的细度，从而实现对管磨机改造前后的实际应用效果进行客观、科学评估。
3总结
通过改造简化了隔仓支架的安装形式，且由原宽度350mm改为250mm，提高了磨机的容积率，降低了磨机的整体重量，解决了破碎钢球和物料堵塞问题，使磨内通风更加通畅，提高了物料的流速，增加了产量。
筒体衬板依据不同的工艺系统，也进行了更换，由原阶梯形状改为波纹结构，不但提高物料的粉碎及研磨效率，还降低了整体磨机的重量，使磨机的运转率进一步得到提升。
出料篦板改为框架式防堵结构，与出料筛板组合一体安装于出料端，可以更好的改善磨内通风，使物料尽快排出，提高磨机产量。
由于筒体衬板采用的为轻量化设计结构，使整体的磨内重量降低了约30吨，大大降低了磨机的运行电流。对比发现磨机台时产量上升了10t/h，磨机主电机运行电流下降9A，按年计划单台(套)生产水泥139.1万吨，电费节省按0.51元/t，预计节省电费成本70.9万元，其水泥产量增产按8.64万吨/年，单价按350元/t计算，其年增值为3024万元。
4结语
通过对本方案(φ4.2x14.5m粉磨机)的实施与改造，彻底解决了磨内通风不畅，过粉磨、磨头返料、篦缝堵塞、出料跑粗、饱磨等问题，磨机产量得到提高，从运行的结果和数据统计可知，改造后满足了节能降耗的目的，在金属材料比表面积基本相同的条件下，采用优化粉磨工艺的矿渣少熟料强度最高，是采用分别粉磨工艺，强度最低的是采用混，磨机整体粉磨效率提升明显，取得了良好的经济效益和社会效益。
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