从工厂生产看水泥生料立磨系统的设计

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摘要：

水泥生料立磨系统是目前新建水泥生产线的首选，笔者从事设计院的设计工作多年，发现很多生产线的生料立磨系统工艺设计不尽合理，不能低耗、高效的运行，甚至影响到了正常生产。因此，需要引起设计人员重视。本文就这一系统的工艺设计谈谈自己的一些看法。

关键词：生料立磨、设计、选型

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

1.工艺流程

1.1双风机系统与三风机系统

双风机系统流程简单，电耗低，徐振宁等计算表明，双风机系统窑磨联合运行比三风机系统电耗降低2-3kwh/t生料，笔者参加过三条双风机系统调试服务，几个工厂运行参数如表1：

表1 三个工厂电耗统计

注：由于生料系统各工厂系统电耗统计区域划分不同，可能有一定差异

以上三条生产线的生料系统和熟料综合电耗并不理想，在生产管理较好的WL厂运行指标达不到国内同类型生产线的平均水平，主要是因为物料特性、海拔较高等原因，和工厂的流程选择也有较大关系。

电耗偏高原因分析：

1、磨机产量相对窑偏低时，需进行窑停磨开作业；磨机产量相对窑偏高时，需进行窑开磨停作业；磨机长期故障与生料库料位低时亦需进行停窑作业。这些情况均会造成窑尾排风机小马拉大车的现象。

2、窑尾收尘器进口负压在9000-10000Pa，整个系统高负压操作，容易造成系统漏风。系统漏风对窑尾风机处理风量影响大，而系统漏风严重恰是国内大部分厂家的共性问题，热工标定标明，国内几乎所有双风机生料粉磨系统漏风系统都大于10%，甚至有的生产线达到20%。

笔者认为，设计者应该充分考虑工厂投资理念、设备装备水平、管理水平和工厂主机设备能力以确定系统是否采用双风机系统，否则将弄巧成拙。

1.2外排流程的设计

山东JS水泥调试期间，该厂的“废弃料”堆积如山，短短两个月试生产，废弃料就达上千吨，同样的情况在很多生产线都有出现。我们通过流程分析，这些“废料”并不全是真正的废料，流程设计的不合理将会导致排料的增加。如此，现场操作维护难度将加大，生产成本会无谓的增加。图1是具有代表性三种不同流程设计：

图1 三种外排工艺流程

流程1，来自配料站物料和循环斗提回料混合后入三通阀，当金属探测仪探测到有金属信号时排入废渣仓，由废渣仓排出系统。排出系统的物料包括含金属物料、金属探测仪工作不可靠导致三通误动作排出的物料和立磨开停机三通动作打出的物料；山东JS水泥采用了流程1，不同的是其排渣皮带上漏设除铁器，而且入磨皮带由于位置偏紧，除铁器设置在提升机排料口之前，从磨机和提升机排出的金属根本没有经过除铁器，开停磨外排料也被排出系统，所以排渣量格外大。

流程2，来自配料站物料和循环斗提回料混合后入三通阀，当金属探测仪探测到有金属信号时排入废渣仓后，再经一遍除铁，重新进入外循环斗提，如仍然探测到有金属信号，即排出系统。排除系统的物料是经金属探测仪两次确认含金属的物料或两道金属探测仪均工作失误排出的废料。

流程3，来自配料站物料和循环斗提回料混合后入三通阀，当金属探测仪探测到有金属信号时排入废渣仓，然后排出系统，同流程1不同的是，开停磨时，排渣斗提回料可以通过三通排入缓冲仓，然后重新入磨。排出系统的物料包括含金属物料、金属探测仪工作不可靠导致三通误动作排出的物料。

不难看出流程1排渣量最大，而且有许多错误的“废弃料”排出；流程2排出废料最少，而且可靠系数较高；流程3排出废料量理论上与流程2相当，但可能会有因单个金属探测仪失误时排出更多的物料。如果把流程3入磨三通的外排料接入缓冲仓，其工作可靠性会更高，理论上是最佳的流程。

因此，设计人员在设计外循环系统时，不但要考虑立磨的保护，而且也要注意通过更好的流程设计来降低废弃料的量，以确保操作可靠、效益最好。

1.3 立磨热风阀的设计

磨机故障时需要进磨检查，许多工厂在窑开磨停时，对磨进行检修。此时，磨机内负压很大，磨内温度很难降下来，而且粉尘飞扬，作业环境很差。究其原因，除中控操作员调整不当外，主要是磨机进、出口阀门锁风不严造成的。磨机进、出口各处阀门设计一般采用电动百叶阀，而百叶窗式的阀门泄漏率是最高的，加工好的在2%左右，很多都在5%以上，一般都达不到设计院1.5%的要求。如果尾排风机一旦跳停，就会造成磨内正压，使磨内检修变成一项危险作业。在磨机进口热风阀的设计上，要充分考虑窑开磨停状态下的磨机检修作业，可在热风百叶阀前再加一道电动高温插板阀，窑磨联合作业时插板阀常开，通过调整百叶阀开度来调整入磨风量；当进行磨内检修作业时，该阀关闭，把磨系统和窑尾废气处理系统隔断，成为两个独立系统，使磨内作业环境变得轻松。目前，许多生产线采用了该设计，取的了很好的效果。

2.立磨的选型

2.1规格的选型

磨机规格选型是否合适，跟生产线经济效益是直接挂钩的。比如，有些生产线因为前期取样没有代表性，导致立磨选型不适；有些生产线所在区域执行峰谷分时电价，因选型偏小，不能合理避峰，造成生产成本增加。因此，立磨的规格确认需要引起设计人员的重视。

以某欧洲公司供货的磨机为例：磨盘直径5000mm与 4750mm的两台磨机，价格相差390万元（含国内分交），系统设备总重量增加75吨，气体管路系统和附属设备规格几乎不需改变，总投资增加约在500万元。但生产采用规格略大的磨机，可以保证生料库的高库位，生料均化效果好，熟料质量也可以得到保证。浙江CS水泥生产线窑最大喂料量400吨，采用的生料立磨设计产量保证值为450t/h，实际产量能达到480 t/h（均为磨损前期），该磨机83%的运转率就可以满足窑100%运转的生料供应，以小时产量440吨计算，每年运行310天，每天避峰3个小时，避峰率80%，平峰电价差额0.35元/kwh，（峰/平/谷电价分别是1.11/0.76/0.38元/kwh）

吨生料电耗21kwh计，则每年可节约成本

440×3×21×0.35×310×80%÷10000=241万元，

仅按避峰节电算，2年即可收回因加大规格增加的投资，而且生料库可以经常保持在高料位，均化效果好，熟料质量明显提高，取得了较好经济效益。

立磨规格的选型正确带来的经济效益是比较明显的，选型不当造成的损失也是巨大的，充足的生料供应是验证系统设计的一个条件，设计院对立磨选型不宜完全依赖于生料磨供货商，在选型过程中需要做以下工作：

① 在初期为磨机厂家提供实验样品时，设计院要给予跟踪指导，确保取样有代表性，以便磨机厂家的选型科学准确。

② 国内生产线，因提产、超产，其窑系统最大生产能力能达到设计能力的110%，甚至达到120%，设计者要根据窑系统及辅助设备的选型，合理提出立磨的产量要求。

③ 根据国内生产情况看，各型磨机的实际产量偏差大小不等，设计者要根据立磨供货商原料实验报告、类似生产线设备运转情况，及时与供货商沟通并提出建议，以确保磨机选型不致有偏差，从而保证系统生料供应充足，窑系统能发挥最大效能。

④ 从物料平衡角度和工厂设备实际运转率考虑，立磨生产能力宜在窑实际最大生产能力的1.1～1.2倍。

⑤ 对磨机设计产量偏紧的选型，不妨把磨机或电机放大一个型号。

2.2 从总平面布置角度考虑

对场地有限制的项目，如改造项目，不仅要考虑上述的条件，还要对立磨的占地面积给予考虑。四辊磨热风管道需要从两侧进风，磨机占地面积相对偏大，热风管道与管道支架会影响设备的吊装和检修。而三辊磨会相对节省空间，同样产量的的三辊磨会比四辊磨节省约20%占地面积。图1为同一工厂两条5000吨生产线相同产量的三辊与四辊立磨的俯视图，纵向上节省5.7米，由于磨机结构形式的不同，三辊磨对检修空间要求不高，只需在电机一侧留足检修空间，对于占地位置紧张的项目可以起到积极的作用。

3辅助设备的选型

3.1除铁器

以湖北ZL5000吨生产线为例，该线LM48.4立磨，共配置3台盘式普通电磁除铁器，使用过程中发现，非自卸式的盘式电磁除铁器清理除铁器上的废铁比较麻烦，须将除铁器移出皮带外侧断电清理，不能在线清理。如果采用价格和工作性能相近的自卸式永磁除铁器，则有较多的优势。表2为两种除铁器的价格比较。

表2 两种除铁器的价格比较

两种除铁器的磁场感应强度均为≥70 Mt（悬挂高度为300mm时）,可有效吸起重量0.1-35kg

自卸式永磁除铁器一般不启动，只有在岗位工巡检发现除铁器吸铁较多时现场点动排除，2.2kw的排铁皮带每天驱动1-2次即可，每次运行不超过1分钟，电力消耗几乎为零，按年运转率80%、电力0.6元/kwh计算，每年耗电约85000kw，折合人民币5.1万元，而且可以在线清理，不会因为设备没有启动而导致设备运行把铁件带入磨内，该设备的运行可以不接入中控DCS系统，由现场控制即可。

故立磨系统除铁器设计以采用自卸式除铁器为佳，从节能降耗角度考虑宜采用永磁除铁器。

3.2喂料装置的选型

立磨的喂料装置主要有液压式三道锁风阀和回转锁风阀两种。

液压式三道锁风阀的液压传动、电控系统复杂，故障率较高，维护工作量大，容易磨损造成漏风，且阀板磨损后锁风效果变差。由于该处负压较大，漏风量很大，对生料磨的产量和单位电耗影响明显。当某个闸门在关闭时卡料就会失去锁风作用，导致系统差压和磨机入口负压急剧下降，使磨机产量降低，排渣口吐渣量大，严重时磨机无法运行。三道锁风阀的优点是防堵能力好，在实际使用中几乎不会因料粘出现堵料现象。大型回转锁风阀使用故障率低，锁风效果好，得到了广泛应用，但也有不足之处：由于其自身结构的原因，在物料水分高时，叶片内容易集料，当集料严重时甚至造成通过量不足，运行电流偏高，直至卡料引起设备跳停。设备设计一般在侧端盖和叶片中心接入热风对其部件进行加热，但从现场运行看，实际效果并不象设备厂家宣传的那样有效，有些工厂甚至采用了机械式双道重锤翻板阀来代替回转锁风阀以解决堵料问题。

目前大型生料磨一般都倾向于配置回转锁风阀作为锁风装置， 而且如果业主不对喂料装置提出要求，磨机厂家会提供其习惯使用的喂料装置，而不是根据项目的物料情况进行选择。笔者认为2500吨及以上级生产线配套的生料磨采用叶轮直径较大的回转锁风阀较好，对2500吨生产线配套生料磨如果采用粘土和含土量较大的石灰石作为原料时，特别是在南方湿热多雨地区，宜采用三道锁风阀。设计过程中，设计人员应根据实际情况，在为业主提供招标技术文本时，明确提出要求或给予警示。

3.3对废渣仓外排皮带选型的建议

常见的废渣仓排渣设计一般是通过皮带机把排渣排入循环斗提，排渣由岗位工通过排渣仓下的棒闸控制，排渣量很难控制，排渣量偏大时会导致磨机振动跳停或者其它故障发生。

设计时排渣装置宜采用有计量功能的皮带机或者皮带秤，这样可以根据外循环斗提负荷大小，调整排渣速度，也可以在磨内料层较薄时，通过增加皮带称的给料量来调整，短时间就可以把磨内料层调整到位。

3.4冷风阀

在窑尾收尘器和磨机进口设有冷风阀，以便在突发状态下开启，对设备进行保护。国内生产线一般设计采用百叶阀，如前述，百叶阀泄漏率比较高，有些项目采用百叶阀，肉眼都可以观察到其关闭不严，站在冷风阀附近就能明显感觉到负压很大，这些漏风往往不能引起业主的注意，系统漏风对立磨运行造成的影响在此不在论述。笔者建议，立磨系统冷风阀宜采用密封性能相对较好的电动蝶阀为宜。

3.5外循环设备的选型

目前各立磨厂家提供的流程均采用物料外循环系统，以达到进一步节电的目的。

3.5.1吐渣口和吐渣循环斗提的连接设备

部分磨机排渣斗提可以就近布置，排渣溜子和排渣斗提可以直连。大部分的磨机二者的连接一般需要借助其他输送设备，可选用的设备主要有皮带输送机和振动给料机两种。

振动给料机占地面积小，布置简单，在输送排渣的同时具有锁风的作用，但该设备是密封输送，无法布置除铁器，噪音大，操作和维护相对麻烦，立磨排渣控制不当时容易压死，而且振动电机与壳体连接部位需承受高速振动的影响，一旦开裂，焊接后的强度有限，设备故障率会明显升高。一些工厂为了防止该设备壳体振裂，不得不减料或加大磨机用风以降低磨机排渣，影响了设备产量和系统电耗。皮带机使用没有这些弊端，运行平稳，操作维护简单，对下料口没有锁风功能的问题，可以通过重锤翻板阀解决，安装重锤调整翻板阀，锁风效果也很好。

3.5.2循环斗提的选型

生料立磨正常运行吐渣量由立磨厂家提供，以前有高达100-200%的排渣量设计，目前不多见，不同的磨机吐渣量一般设计在10-30%不等，该提升机输送物料为块状物料，工作条件恶劣，建议采用适合块状物料输送的板链式提升机

2010年甘肃AD水泥2500t吨生产线排渣提升机因为磨辊加压故障，提升机过流，由于操作员判断有误，导致了提升机减速机壳体开裂，影响生产时间48小时。外循环斗提电流过高,导致压死、磨机跳停的现象,此类事故在立磨系统运行中出现比较多。现场人员处理工作量大,也影响了生产，我们经常能在水泥技术类期刊上看到一些关于如何降低外循环排渣量的文章，因此，循环斗提的选型需要引起设计人员的重视。

在实际运行过程中，下列情况会对外排量增大：

①由于操作上的问题，如磨辊加压故障、落辊不及时，物料外排量突然增大，操作严重失误时，特别是在调试期间，操作员对磨机的设备性能不太熟悉，有可能达到甚至超过喂料量的100%；

②排渣仓放料时，棒闸开度调节不当，造成提升机电流瞬间增大；

③破碎机严重磨损，石灰石粒度偏大，外循环的排渣量增大；

④磨辊在磨损后期，研磨能力下降，磨外循环加大。

前两个原因排渣会瞬时增大，对提升机的影响较大，立磨厂家只提供正常运行的排渣量，设计时一般会放大一定系数进行选型，往往不能达到实际生产的要求，笔者认为设计须按最极端的情况考虑，外循环斗提机（包括吐渣口和吐渣循环斗提的连接设备）需按100%的排渣量考虑，以确保在磨机本体出现故障时，不至于导致提升机压死甚至损坏，影响生产。另外，立磨在正常运行排渣量很少，提升机加大规格会导致电耗的增加，我们可以设计为变频调速形式，以降低设备运行电耗。

4电气设计的一个细节

磨机厂家在供货的同时，一般会同时供应控制柜，通常，控制柜对磨机各附属设备的电流、温度、压力、压差、油位、油流量等信号全部输入至现场控制柜PLC进行处理。但在不少项目出现了这种情况，由于选粉机电流、分格轮电流或磨辊轴承温度未接入DCS系统，中控操作员操作过程比较盲目，不能根据设备负荷即时调整运行参数，设备堵料或有隐患时不能及时发现，导致磨机跳停，有些磨机厂家甚至不为用户提供磨机料层检测仪表。因此，设计院应该从方便用户的角度出发，在招标文件提供时明确设备供货范围，明确需要接入中控的信号，并要求厂家在控制柜上留足通道，以方便使用者操作维护。

5结语

立磨系统低耗高效运行，生料供应充足，化学成分均衡稳定是评价整条生产线设计成功与否的一个重要内容，设备选型和流程设计关系到整个工厂的技术经济指标，设计过程要结合成功项目的生产情况和设计项目的实际情况确定方案，审查过程最好能有有实际生产经验的技术人员参与，以确定最佳的方案，以确保生产可靠，经济合理，使业主获得最大的经济效益。

参考文献

徐振宁，刘东莱，潘朝平，《新型干法水泥厂电耗评述》水泥工程，2008，（4）:1-9