1 前言

在水泥生产工艺流程中，水泥粉磨作为其中重要的生产环节，粉磨能耗对水泥生产整体能源消耗和成本支出影响较大。其中，主电机能耗占整个生产过程能源消耗的40%以上，因此，对水泥粉磨系统主电机设备进行节能降耗改造对于提升水泥生产的经济效益具有举足轻重的作用。

我公司水泥粉磨采用辊压机和球磨机组成的双闭路联合粉磨系统。水泥粉磨系统主要设备参数配置如表1所示。水泥粉磨系统年产量为120万吨，系统电耗高达27.5kW·h/t，其中，球机长期处于低转速运行状态，电耗高达 13kW·h/t，约占整个系统工序电耗的一半，与业内优秀企业相比，存在较大差距。为进一步节能降耗，公司针对水泥粉磨系统球磨机存在的问题进行了技术改造，改造后，球磨机能耗显著降低，取得了较好的改造效果。

2 水泥粉磨系统球磨机存在的问题

2.1 研磨体配置不合理

技改前，我公司水泥粉磨系统球磨机研磨体为纯钢球，一仓填充率约8%，二仓填充率约30%。钢球对物料进行破碎和研磨过程中，需消耗大量的能源，是导致球磨机电耗过高的因素之一。

2.2 球磨机转速不合理

辊压机工作效率较高，入磨物料 45μm 细度＜35%，球磨机转速较低，导致物料进入球磨机后停留时间较长，球磨机研磨效率前高后低，降低了生产效率，增加了系统电耗。

3 技改方案

3.1 采用主电机变频技术

通过采用主电机变频技术，根据球磨机的运行状况实时调整磨机转速，确保物料顺畅通过。

3.2 采用非金属研磨体

在保证球磨机研磨体填充率和研磨效率的前提下，通过减少球磨机研磨体装载量，可有效降低球磨机的运转电耗。实践表明，采取钢球与陶瓷球比例为2：1的研磨体置换方案，可在保证机运行性能的同时，显著降低磨机电耗。

4 技改方案实施

4.1 二仓钢球研磨体部分更换为陶瓷球

相较于钢球研磨体，陶瓷球研磨体密度小，重量轻了近 50%，能够有效降低磨机负荷，进而降低主机功率需求：陶瓷球为无机非金属材料，在研磨过程中产生的热量极小，不会产生静电，可极大削弱水泥颗粒间的静电吸附作用；陶瓷球研磨体磨耗极低，远低于钢球耗。此外，陶瓷球研磨体的微品研磨能力显著，可有效提高水泥成品中3～32μm颗粒的含量，优化水泥颗粒粒径分布，增强水泥强度。陶瓷球研磨体与钢球研磨体参数对比见表2。

针对水泥粉磨系统球磨机一仓的高破碎能力需求，改造时，一仓仍保留使用纯钢球，仅将二仓部分钢球更换为陶瓷球。鉴于一仓钢球最小直径为20mm，在更换二仓研磨体过程中，秉持二仓研磨体最大直径不超过一仓研磨体最小直径的原则，采用大陶瓷球搭配小钢球的方案，以维持球磨机的研磨效率，充分发挥陶瓷球与钢球的协同作用。二仓研磨体级配调整前后参数对比如表3所示。

4.2 球磨机主电机变频改造

在球磨机研磨体介质为相同体积的钢球和陶瓷球的条件下，陶瓷球粉磨产品的比表面积比钢球平均小约20%，且陶瓷球的质量比钢球小40%～50%。陶瓷球与钢球在磨机内部的运动轨迹不同采用陶瓷球研磨体的球磨机最佳转速与采用钢球研磨体的球磨机最佳转速也不同。

当前，普遍采用介质法向能量最大化原则设计水泥生产球磨机转速，此原则对于侧重破碎功能型的球磨机效果显著。然而，对于侧重研磨功能型的球磨机，此原则导致设备机械能严重过剩，造成巨大的能源浪费。为解决此问题，公司在球磨机主电机上增设了变频器，通过精确控制球磨机转速，实现能量利用的最优化。

另外，改造过程中应用高压变频器配套球磨机传动系统驱动的方式，有效解决了大功率电动机的启动、并网、负荷调整等问题。球磨机应用专用变频器解决了大功率水泥粉磨系统的陶瓷球研磨体变频调速拖动和持久平稳运行的问题。本次技改使用CHIC2000系列球机调速专用高压“交-直-交”变频器，采用功率单元串联的方式实现直接高压输出。系统电气控制及保护逻辑可由现场集中管理控制，亦可通过变频应用系统配套的协调控制系统柜实现便捷操作。球磨机主电机系统电气控制改造示意如图1所示。

5 技改效果

5.1 二仓研磨体更换效果

二仓部分钢球研磨体更换为陶瓷球前后水泥粉磨系统球磨机运行参数对比如表4所示。由表4可知，二仓部分钢球更换为陶瓷球后，球机台时产量略有降低，二仓研磨效率也略有降低，但并不明显。水泥粉磨系统球磨机主电机电流明显降低约20A，这与研磨体的装载量有直接关系。此外出磨水泥温度显著下降约5℃，这与更换的陶瓷球的材料性能有关。陶瓷球为无机非金属材料，在研磨过程中产生的热量非常少，几乎不会产生静电因此其研磨温度也会相应降低。二仓研磨体更换陶瓷球前后水泥成品性能指标对比见表5。

由表5所示，二仓研磨体部分钢球更换为陶瓷球后，成品水泥比表面积、水泥强度、颗粒级配变化不大，均达到了成品水泥标准，进一步验证了研磨体调整方案的可行性。

5.2 球磨机主电机增加变频器后的改造效果

未使用变频器前的球磨机产量与主电机单耗见表6，使用变频器后，主电机频率对球磨机生产P·O42.5水泥台时产量及电耗的影响见表7。

由表7可知，当主电机频率为 52.5Hz时，球磨机台时产量最佳，平均为268.38t/h；当主电机频率为51.5Hz时，主电机单耗最佳，平均为11.69kW·h/t；当主电机频率>52.5Hz时，因磨内水泥流速过快导致水泥细度未达到高效选粉机选粉标准，产生较多的回粉，不得不降低球磨机台时产量。因此，综合考虑水泥粉磨系统球磨机台时产量与主电机电耗，选择最佳主电机频率为51.5Hz。

相较改造前，使用变频器后，生产P·O42.5 水泥时，球磨机台时产量增加约40mh，主电机单耗降低约 1.3kW·h/t。

5.3 经济效益及节能效果

本次技改工作中，球磨机主电机变频系统成本约 70万元，陶瓷球研磨体按1.5万/吨计算，共计成本约37.5万元，两项合计成本 107.5万元。技改后，水泥粉磨系统电耗由27.5kW·h/t降至 26.2kW·h/t.节电率达4.73%，年节电量1560000kW，按年产水泥 120万吨计算，年可节约电费共106.08万元，投资回收周期为 1.01年。

5.4 改造注意事项

在陶瓷球研磨过程中，由于其脆性较大，极易产生碎球现象，导致缝堵塞、磨内负压增大、物料无法及时出磨等严重后果，进而引发磨头吐料、减产等问题。在选择陶瓷球时，应优先选择压制球避免使用滚制球。压制球的结构更为紧密，强度更高，耐磨性更好，能够有效降低碎球风险。此外，应尽可能选择大陶瓷球配小钢球的级配方案，既能保证研磨效果，又能降低陶瓷球碎裂风险。同时，需定期进入磨内检查篦缝并及时清理堵料，保证磨内通风及物料通过顺畅。

6 结语

本次改造通过将水泥粉磨系统球磨机二仓的部分钢球研磨体更换为陶瓷球，并增设主电机变频器，精准控制磨机转速，有效提升了球磨机工作效率，显著降低了能源消耗，且对水泥成品质量及各项指标影响较小，球磨机主电机单耗较改造前降低了约1.3kW·h/t，为企业带来了显著的经济效益。