引言

通过实施磨外预粉碎来大幅度降低入磨物料粒度，从而有效提高系统粉磨效率（即“多破少磨”）的理念，早已被广大粉磨工作者所接受。但在具体作业中影响磨机粉磨效率的因素很多，目前尚无成熟的理论可以简单便捷地应用，很多需要在具体的生产实践中，结合不同工艺条件加以分析研究。
现仅就磨外预粉碎合理的工艺选择及其设备选型中的几个共性的问题，进行概括分析如下：
一、磨外预粉碎最佳粒径的确定
预粉碎对磨机增产的量化计算公式，最早由浙江大学的王仁东教授在上个世纪五十年代所提出。
Q∝1/dA       ………（1）
式中：Q—磨机产量 t/h
dA —磨机喂料粒度 mm（指80%通过筛孔孔径）
x —指数，约0.25
（x值随着原料及工艺流程变化而不同。如：闭路水泥磨取0.10，生料磨和开路水泥磨取0.15，少数达0.20。）
通过邦德（Bund）公式及一系列修正值来计算更客观一些：
W=10Wi·（1/P-1/F）·A1·A2·A3·A4·A5·A6  …(2)
（A1、A2、A3、A4、A5、A6为校正系数）
Q=N/W     …………(3)
Q—磨机产量  t/h
N—磨机需用功率
假定下列参数，按公式（2）、（3）计算结果见表1-1
1.喂料粒度20 mm
2.熟料Wi=15  生料Wi=11
3.成品粒度：P·O42.5R为35μm，P·O32.5R为50μm，生料65μm
4.予破碎后入磨粒度分别为4、6、8 mm
 

从以上公式及表中所列计算值可以看出，降低入磨物料粒度可有效地提高磨机产量。

早在上世纪五六十年代，国内许多工厂采用予破碎这一措施，取得了磨机增产、电耗下降的工艺效果。当然由于受当时耐磨材料的局限，细碎机锤头磨损严重使用寿命短，随之而来破碎效果下降、综合费用升高而逐步放弃了预粉碎工艺。

值得提出的是：随着破碎粒度的减小，破碎电耗增加，粉磨电耗下降。在较大粒度时，粉磨电耗的降低幅度超过破碎电耗的增加，但在较小粒度时破碎电耗迅速增加，其增长幅度足以超过粉磨电耗的下降。因此，从技术经济角度来说，并不是破碎粒度越小越好，而是有一个合理的范围。要根据具体的工况条件，经济合理地选择入磨物料粒度。

 

d₁—d₂粉碎系统的经济粒度范围。

人们在生产实践中通过把大量数据统计分析，总结出了粉碎系统的经济粒度与磨机规格的经验关系。如北京水泥研究院认为：对大型磨机来讲，入磨物料的粒度与磨机的有效直径之比为0.005较为经济。我们认为这一经验数据是建立在以往传统破碎机基础上的概念。新的破碎机型、新的破碎理论产生后，特别是所谓超级耐磨材料应用与细碎机后，这一相对平衡关系已经被打破。

一系列新技术、新材料应用于细碎机后，我们给出的经济粒度关系是：

F₉₀=K·n·D_i    ……………（4）

F₉₀——入磨物料粒度（90%通过的筛孔孔径）

K——校正系数（与物料的易磨易碎性、工艺、装备、流程等有关）

n——磨机规格系数（0.0015—0.0035）大磨取上限、小磨取下限

D_i——磨机的有效内径

依据上述经验公式可以推导出目前较为理想的熟料入磨粒度详见表1-3

 

 

上表所提数据与文（3）中较为接近，也是我们多年在生产实践中总结出的经验数据。

 

二、磨外预粉碎工艺流程的选择

磨外预粉碎建立后，为磨机增产提供了有力的前提条件，许多企业收到了不错的效果。但有部分企业反映收效不明显，磨机增产节电的收益不足以抵消予粉

碎设备新增的动力和材料消耗费用 ；也有相当部分水泥厂新上细碎机后，磨机产量无明显变化，不得已将装好的予粉碎设备弃之不用或撤除，给企业造成了损失。据我们了解在熟料细碎方面，安装后又撤除的企业占所有使用熟料细碎机企业的80%以上。因此一部分人对磨外予粉碎产生了不同的看法，这无疑是“只见树木不见森林”的!而正是这种现象给予粉碎技术的推广和发展造成了严重的干扰和混乱

我们认为造成上述问题的原因，主要是预粉碎工艺流程和予粉碎主机选型（选型问题留待下文阐述）等一系列问题不当造成的。

磨外预粉碎的建立为磨机提供了更好的物料条件，但必须从根本上掌握了这种磨外预粉碎带来的变化规律，才能够充分发挥磨外预粉碎给磨机增产降耗所带来的潜力，更大幅度地提高粉磨效率。

1937年俄国科学家提出了经典粉磨动力学公式：

R=R₀·eˉk·t     ………(4)

R—粉磨时间后某一粗颗粒级的累计筛余百分数

R₀—粉磨开始时粗级别含量，一般以100%计。

e—自然对数的底

k—比例系数

t—粉磨时间

1954年L·Bass导出了当代基本粉磨动力学公式：

 

(d/d_t)·[M_i（t）]=S_i M_i（t）+∑B_ijS_jM_j（t）…(5)

                                                         j=1

                                                         i≥1

M_i、M_j——表示粒度i、j在总颗粒质量W中的重量百分数

S_i、S_j——表示粒度i、j的单位粉碎速率

B_ij——表示粒度j粉碎至粒度i的重量百分数

t—粉碎时间

公式⑷、⑸阐明了一个基本的粉磨规律，即“在粉磨过程中初期粗级别含量高，粉磨速度快，随着粉磨时间的增加粗级别含量减少，粉磨速度变慢”。对此可简单地归纳为以下经验公式：

V=dR/dt=n·R    ………(6) 

V —粉磨速度

R—粗颗粒比例

t—粉磨时间

n—系数

简单地归纳一句话：“粉磨速度（粉磨效率）与粗颗粒比例呈正比”。这在一定程度上解释了磨机沿轴向筛析曲线的斜度变化规律，即在入磨端曲线陡，随着向磨机中部延伸细粉增加，粗颗粒减少，曲线变得越来越平缓—粉磨速度越来越低（当然，这其中尚有其它因素的综合作用）。故此，简单地用热平衡法推论出磨机能量利用律只有3～7%（甚至不足1%），显然是值得怀疑的。

磨机总能量利用率是指一个系统平均值。

磨机自磨头向磨尾细粉的比例越来越多，其对研磨体的缓滞作用越来越严重。俄罗斯学者研究发现仅在钢球表面吸附5～20μm微细粉，即可减小80%的冲击破碎效果。这种现象的影响是巨大的，自八十年代中期至今，我们已做过100台以上各种规格的磨机的筛析曲线，结果发现了这样一个有普遍性的规律——在常规工艺条件下，熟料给料粒度F80=20 mm左右，大约距离磨头仅1.25 m处物料的粒度即已变为P80=1.5 mm（这当然也有其它因素，在此不过多讨论）。由此可见磨机在各项有利的条件下，其粉磨效率是相当高的。，之所以宏观上显示低效率，是由于在向后的过程中细粉量越来越高又不能及时排出造成的。掌握了这一规律，就可以有的放矢地调整工艺，从而大幅度提高粉磨效率，增加经济

效益。短闭路磨、康比丹磨、筛分磨，即是这一技术较好的应用范例。

粗颗粒的直径无绝对标准，它只是一个相对值。在上节我们所讨论的予粉碎粒度选择，均指的是90%通过筛孔的孔径尺寸，那麽剩余10%不能通过的即成为相对粗颗粒。这部分粗颗粒进入磨机中，由于其比例低，客观上很难应用现成的研磨体级配方案去适应。经验配球法在许多工况条件下并不完全适用是客观的，至少在物料未能正向分级前不理想是不争的事实。在应用磨外予粉碎后，反而造成磨内工艺参数选择（如研磨体的级配、仓长比、各仓填充率等）无法准确匹配到位，导致磨机产量增加不明显。个别厂在减小平均球径、缩短I仓（理论上有一定的道理）后，反而造成减产，其实就是这部分粗颗粒“惹的祸”。在具体操作上，这部分粗颗粒在I仓中逐渐积聚、抬高料面，致使I仓料球比不合适，粗磨效果降低。在表现上首先是出磨物料粒度变粗、循环负荷加大，继而磨音变闷、细度不稳定（开路磨磨尾大量吐渣），最终在磨头出现“返料”而减产。因

此应将这部分粗颗粒（10%）设法处理掉，使入磨物料不仅细而且粒度均匀。以ф2.2m磨机为例，事实上最大粒径100%控制在5 mm以下时，相对粗颗粒比例（如3～5mm的部分）大大增加，磨机的效率明显提高。这时才真正可以缩小I仓研磨体平均球径、缩短I仓长度，使磨内粗磨、细磨功能大大加强，使整个系统的细碎、粗磨、细磨三部分功能在更高的基础上实现“平衡” ，从而真正实现磨机粉磨效率的大幅度提高。

 

 

其典型工艺流程如下页示意图：

 

广东省某企业Ф2.6×13m水泥磨，配置郑州鼎盛工程技术有限公司出品的PCF70细碎机，加装Ф1.2×4m回转筛前后的效果对比表2-1 （详见下页）

表2-1

	产量	比表面积	增产幅度	节电幅度	新增动力	备注
未装细碎机前	27t/h	341㎡/kg			/
细碎机未装筛	32t/h	348㎡/kg	18.51%	11.40%	75kw
细碎机加装筛	36t/h	355㎡/kg	33.33%	20.60%.	75＋5.5kw

 由此可见，采用预粉碎装备是否控制超粗颗粒。，对系统的增产节能效果的影响非常大。一般来讲，预粉碎采用闭路工艺可使系统增产幅度成倍加大，同时节电效果也基本成倍。而增加筛分装置的投资通常只占总技改投资的10%左右。

   在此我们推荐理想的预粉碎系统是：（详见下页示意图）

 

有条件的筛分设备以使用旋振筛为好，筛孔尺寸应根据细碎机能力、筛机筛分效率来确定。一般宜在表1-3所推荐经济粒度范围内，最多不宜超过其20%。

三、磨外予粉碎主机设备的选型

广义上讲许多粉碎设备均可作为磨前予粉碎设备。目前主要用于矿石粉碎的机械类设备，主要有两大分支、八大类别、几十个系列数百个品种规格。

 

但要满足磨外予粉碎要求，必须具备如下性能：

1.大破碎比      i≥20

2.小出料粒度     P₈₀≤10 mm

3.有终端细度调节装置；

4.设备结构简单、运行可靠；

5.造价相对低廉、维护便利。

界定上述性能指标可以看出层（挤）压破碎类设备，因破碎比小、出料粒度粗、结构往往较复杂笨重，而非理想设备。

辊压机属于该类设备特例，但因其系统繁杂、投资巨大、运行要求高，其运

行领域较窄，在此不作为向广大水泥企业推荐的主流设备。

很显然冲击类破碎设备可满足破碎比大、出料粒度细的要求。但冲击类中反击破、立轴破及“石打石”类无真正有效终端细度控制手段（如篦条等），系统参数容易受易损件磨损而波动，继而影响整个系统效率的提高。特别要注意的是这几类设备即便在系统中即便加装了筛分设备，但由于自身磨损后破碎效率急剧下降，导致物料虽然可通过筛孔，但筛下物中细粉含量太少，入磨物料的颗粒组成仍在频繁地变化，亦将影响磨机能力的发挥。

在此可以得出结论：锤式破碎机不仅有破碎比大、破碎产品粒度小的特点，加之自身有可靠的细度控制调整装置（可调式篦板），并且结构最为简单、维护简便费用低，因而是磨外预破碎的首选设备。

但是锤式破碎机作为传统破碎机，自19世纪在英国诞生以来，已历经一百多年的历史却无法应用于强磨蚀性物料（如熟料）的细碎，其主要原因是锤头的磨损问题没有很好地解决。

表3-1（详见下页）

年  代	材质（典型代表）	约相当硬度	约相对耐磨性	约使用寿命	约成本
第一代 （七十年代末之前）	锰钢 Mn13、Mn13CrMo Mn7、Mn18	HRC20	1	4—5天	5000 元/吨
第二代 （八十年代中、前）	合金钢 42MnCr2MoRe 65SiMnCr4MoNiCu	HRC45	>3	6—7天	7000 元/吨
第三代 （八十年代末、前）	高铬 Cr15Mo2CuRe Cr15Mo2NiVTi	HRC60	>10	8—9天	9000 元/吨
第四代 （九十年代前中期）	超高铬 Cr20Mo2NiCu Cr205Mo2NiVTi	HRC65	>20	10—12天	14000 元/吨
第五代 （九十年代中后期）	硬质合金 YG11C、YG15 YK20、YK25	HRC75	>50	12—15天	350000 元/吨

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

从表3-1可以看出仅仅通过提高材料耐磨性来解决熟料破碎，看来还不能完全解决。要想真正令人满意地从根本上解决这一问题，必须要有新的思路和手段。

经过多年的探索，我们发现在目前几种主要高效破碎机中，都存在这样一个严重问题：熟料卡在锤头（板锤）与衬板之间被强制硬挤压、硬磨檫，由于熟料本身的高强度，高磨蚀性（尤其是旋窑熟料），造成锤头与衬板的剧烈磨损，同时造成电机功率急剧增加，整机工作条件恶化。这就是锤头（板锤）磨损严重寿命短的根本原因。

显然若要根本解决锤头（板锤）的寿命，单纯靠提高材料耐磨性是事倍功半，无法令人满意的。必须设法利用熟料自身高速运动自相撞击破碎，最大程度减少

熟料与金属接触，从而大幅度减轻锤头（板锤）磨损负荷，事半功倍地从根本上解决磨损问题。

 

随着经济发展和技术进步以及对锤式破碎机的深入研究，“石打石”解理粉碎碎技术于上个世纪五十年代，由美国科学家正式提出。

这种高效破碎理论可概括为如下两点：

①、        自然界常规物料无论外表是否光滑，

其自身内部都是密布无数个缺陷、裂纹源的。

②、        物料与物料如果高速自相撞击，那

麽裂纹不只是在物料一个或几个断面上发生，裂

纹将沿着物料自身无数个缺陷发展，最后物料被

破碎成无数个小颗粒。                                     图3-2解理破碎

基于以上理论，一种全新的集锤式破碎机出料细度细且可控、结构简单、维护便利、造价低和反击式破碎机粉碎效率高、破碎比大及“石打石”破碎机自破碎节能、低金属磨损等综合优点的复合型细碎机应运而生。

PCF高效复合细碎机是郑州鼎盛公司吸取德国BHS公司先进技术，应用国

内外近年来破碎工业新技术、新理念而开发成功并于1999年获得国家技术专利。

PCF高效复合细碎机转子上部有一个很大的破碎腔：

 

由于破碎腔内密集悬浮着物料层，后续进入破碎机的物料如同子弹打靶一样，射入密集的物料层中，破碎腔内恰如“枪林弹雨”、“子弹横飞”，物料间相互产生高速自相撞击而高效率地解理破碎，破碎后的细小颗粒之间又产生剧烈的搓磨产生更多细粉，最后失去动能的物料穿过蓖缝宽度一定的卸料篦子卸出。

由于PCF细碎机集锤式、反击式、“石打石”等各类设备的优越性于一身，最终在熟料破碎领域脱颖而出。

可以毫不夸张地说，PCF系列细碎机是目前国内最为成功的主流机型。目前我公司已批量生产国内最大的熟料细碎机PCF200型（200吨/小时），且已成功打入国际市场。

PCF系列细碎机具有以下显著特点：

⒈产品粒度细

可有效地将熟料破碎至平均粒度≤3 mm以下，产品大部分呈粉状。

⒉超长的耐磨件使用寿命

由于采用三室曲面型破碎腔，使得物料受打击功大大提高，硬挤压磨损减少，从而极大地减少了对锤头和篦板的磨损。加之本公司专有的超级锤头技术的广泛应用，使得锤头等耐磨件具有超长的使用寿命。在蒙西高新材料公司，一套锤头（PCF200）破碎回转窑熟料18万吨；在广东花东二水、宝岗特水等厂，一套锤头（PCF70）满负荷使用五个月，令人惊叹!

⒊高效节能

腔型的合理设计使大量无效、有害磨檫功转变为打击破碎物料的有效功，而致破碎效率大大提高，单位电负荷产量明显高于同类产品。

⒋结构简单、占地少、维修便利、使用可靠

PCF系列细碎机克服以往熟料细碎机构繁杂、庞大、重量重的弱点。结构简单、占地面积少、更换易损件快捷便利、加之采用优质材料部件使得整机性能极为可靠。

四、磨外预粉碎系统关键耐磨材料的选择

在水泥企业中细碎机使用成功与否，很大程度上取决于破碎机内选用的耐磨材料，特别是对于熟料细碎机尤为突出。据粗略统计，至少有80%以上的水泥企业，应用熟料细碎机都失败了。

相对而言，石灰石细碎机的情况要好得多，但也绝不是100%都如此。其原因是石灰石的破碎比和破碎功都要远大于熟料（熟料的初始粒径小于石灰石且本身含有部分粉状物料），而且由于石灰石的地质结构和生成年代的不同，其强度、硬度、韧性、易碎性、易磨性、岩相组织、化学成分、解理程度及风化状况都会导致石灰石的磨蚀性发生重大变化。许多企业中同样锤头，石灰石的使用寿命不及熟料。因此石灰石细碎机耐磨材料的选用，也非常重要。

这里以熟料细碎机为例，介绍一下耐磨材料的选用。

在熟料细碎机中，耐磨材料的磨损程度由重到轻的排列顺序为：

锤头       篦板      反击板        侧衬板

磨损最严重、情况最糟糕的当属锤头，这是困扰业界几十年的头疼问题，而其又是熟料细碎机应用成败的关键之所在。

早期关于磨料磨损的研究可以追溯到阿门斯顿（1669），近代关于粉碎机械受磨件的研究，即磨料磨损的系统研究应是拉宾诺维奇（1965）、理查森（1969）、赫鲁晓夫（1974）等。

磨料磨损模型示意图如下：（详见下页图4-1）

 

 dv/dl—滑行单位长度被切削下来金属得体积

Δl—磨料所承受的载荷

P—金属的硬度

θ—磨料斜面与金属基体水平面的夹角。（是表示磨料特性的常数。）

这里也可将磨料磨损，用简单的公式表示：

q=dv/dl∝W/P

q-磨损率

即磨损率与外加载荷成正比和基体硬度成反比。因此，通过减轻锤头的磨损负荷（过高的线速度会导致锤头负荷加重），是提高锤头使用寿命的重要手段之一。郑州鼎盛公司PCF细碎机是通过在破碎机上部设置大的自破碎腔，让物料先自相高速撞击破碎，在解决了大部分的粗中碎工作量后，仅有少量的细碎工作交由锤头与蓖板间的剪切挤研完成。另一方面则要选择合适硬度的耐磨材料做锤头。

为什麽在锤式熟料细碎机中，耐磨材料居然困扰业界几十年之久?究竟什麽样的耐磨材料对锤式熟料细碎机才真正有效呢?

R .C .D理查森（英）提出的经典抗磨公式如下：

只有：    Hu/Ha>0.8     ε∝Hu

Hu—被磨金属硬度

 Ha—磨料硬度

ε—材料相对耐磨性

即只有被磨金属的硬度高于磨料硬度的0.8倍以上时，提高被磨金属硬度方可大幅度提高耐磨性。因为此时磨料的硬度相对变低，相反耐磨金属可使磨料棱角变钝，而在Hu/Ha≥2时，耐磨性趋于无穷大，也就是耐磨金属几乎没有磨损，此时的磨损失效可能是刮伤和金属疲劳所造成的。

 

M曲线是依据经典抗磨公式而作出的

N曲线是我们在水泥行业十几年艰苦努力摸索出的针对熟料细碎锤头的实际模拟曲线。也可用经验公式表达：

Hu/Ha>1.2～1.6

即被磨金属（锤头）硬度大于熟料硬度的1.2～1.6倍以上时，继续提高锤头硬度（当然前提是金属应有足够的强韧性配合和足够的短裂韧性KIC，这就要求材料的冶金铸造和相关金相组织都应是高质量的），将极大地提高锤头的耐磨性，从而彻底根治锤头寿命问题。

下面还以熟料为例：

在正常锻烧条件下的熟料矿物组成大致为（C3S＋C2S）约75%左右，（C3A＋C4AF）约20%左右，其硬度约在HV450左右。尽管金属与非金属不是相同的硬度测试体系，但为便于分析采用类比的方法可得出如下结论：即材料若要抵抗熟料磨损，其起始硬度应在HV540～720以上。这个硬度在锤式细碎机中应是篦板的硬度范围，而锤头要想根本解决（其Hu/Ha>2），即锤头硬度应在HV1000以上（相当于HRC72以上），这样高的硬度值又要保持良好的强韧性配合和高

KIC值耐磨材料，在目前通过常规铸造手段生产，几乎是不可能的。

无论市场上怎麽炒做，高铬也好，超高铬也好，还是高钒高铬也罢，以及种种新奇的铸造材料工艺，在熟料细碎机上只能靠锤头伸缩调节、反向调头使用等，靠增加绝对金属磨损量来实现勉强对付、凑时间的作用。这不仅增加了工人的劳动强度、降低了设备的运转率，而且还应该注意的是该类材料锤头刃部极易磨圆，导致物料细碎能力迅速严重下降，细粉量减少。同时硬挤压磨檫增加，电机负荷加重，材料磨损进一步恶化，这是一种典型的恶性循环。

解决这一问题的思路是选择，在具有高强韧性、高断裂韧性KIC前提下，拥有超高硬度的超级材料——硬度仅次于人造金刚石的TiC——就是明智选择之一。TiC硬度高达HV2300以上，远远超过熟料硬度的2倍以上，此时熟料对它几乎不造成磨损。事实上用TiC制作的锤头在整个使用过程中，自始至终基本无太大的磨损，锤头刃部始终保持锋利，故此破碎效率高、细度稳定。从而在根本上彻底解决了锤头的磨损问题，这项技术于1999年由郑州鼎盛公司科技人员，在呕心沥血多年之后，奉献给水泥行业广大用户的新世纪礼物。该成果技术已于2000年取得了专利证书，公司为纪念特命名为“2000款超级耐磨锤头”，简称“超级锤头”。她的诞生标志着我国熟料细碎技术新纪元的到来。

蒙西水泥有限公司应用PCF200破碎熟料的效果见表4-1

 

注：⒈所破熟料为华新窑型熟料

⒉锤头实际应用时间为2000、4、7～2000、7、28，共计118天；

⒊该套锤头实际破碎熟料为18万吨；

⒋该破碎机破碎熟料的吨电耗约为0.57～0.79度（比常规电耗1.1～1.5度，低近一倍，这是因为“石打石”自破碎与锤头始终保持锋利的综合结果）

根据表4-1可很方便地计算出每次测定样品中5㎜以下的总量，其结果按时间先后以①—⑦代表，作出曲线图如下：

 

很显然，该设备设计生产能力在5㎜通过量为80%以上时为200t/h.

从图4-3可以看出：在锤头的整个使用周期内，破碎产品的粒度始终较为稳定且较细，新旧锤头并无明显差异。5㎜通过量特别高的第②、⑤次，主要是喂料量不足，第①、④次5㎜通过量相对偏少的原因是喂料量偏高了。

从这个例子证明：PCF细碎机锤头自始至终保持锋利，细碎效果稳定从而保持细粉量稳定。

超级锤头的示意图（详见下页图4-4）

 

结  论

磨外予粉碎是一个涉及参数设计、工艺布置、设备选型及耐磨材料配套的多学科系统专业技术，其中水泥熟料细碎为甚。

在这里我们系统地回顾总结了多方面的经验和教训，有以下四条主要结论：

⒈磨外予粉碎物料的技术经济粒度，视磨机的规格、工艺条件不同而不同。

⒉磨外予粉碎系统中是否配置有筛分装置，是改造水平高低的重要标志。

⒊磨外予粉碎应选择破碎比大、出料粒度细、有终端细度调节装置、能耗低

结构简单、维护便利的破碎机型。

⒋磨外予粉碎主机配用耐磨材料是系统技术经济指标的关键点，直接决定预

粉碎成败与否。(参考文献略)