磨煤机钢球最佳级配技术应用研究

第３０卷，总第１７１期　《节能技术》　Ｖｏ１．３０，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１７１　２０１２年１月，第１期　ＥＮＥＲＧＹ　ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｊａｎ．２０１２，Ｎｏ．１　磨煤机钢球最佳级配技术应用研究　宋绍伟　（国电菏泽发电有限公司，山东　菏泽２７４０３２）　摘要：应用钢球磨损稳态模型计算和工程试验确定钢球最佳级配和合理的钢球装载量；通过　改变高铬钢球的铬碳比，增添锰、钨等合金元素以及采用特殊的油淬火热处理工艺，研制成功了多　元高铬合金耐磨钢球，提高了最佳级配的稳定性，有效地降低了磨煤机电流，节能效益显著。实践　表明：火电厂使用该技术后，磨煤机钢球装载量减少３７％、电耗降低２３％、钢耗降低６１％，实现了　火电厂磨煤机的大幅度节能降耗；随着磨煤机负载的减小，大小齿轮、轴瓦和变速箱等设备的故障　率明显降低，设备寿命得到延长，同时也节省了大量的维护成本，具有广阔的推广前景。　关键词：磨煤机；钢球；级配；磨损；节能　中图分类号：ＴＫ２２３．２５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６３３９（２０１２）０１—００７９—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｂａｌｌ　Ｂｅｓｔ　Ｇｒａｄａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｌｌ　ＳＯＮＧ　Ｓｈａｏ—ｗｅｉ　（Ｓｔａｖ　Ｇｒｉｄ　Ｈｅｚｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｈｅｚｅ　２７４０３２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ——ｓｔａｔｅ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｂａｌｌ　ｇｒａｄｅ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｌｏａｄｉｎｇ；ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｅ　ｓｔｅｅｌ　ｂａｌｌｓ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｈｒｏｍｅ　ｒａｔｉｏｎ，　ａｄｄｉｎｇ　ｍａｎｇａｎｅｓｅ，ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｏｉｌ　ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ　ｄｉｖｅｒｓｅ　ｈｉｇｈ—ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｂａｌｌ　ｉｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｇｒａｄｉｎｇ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｌｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｒｅｄｕｃｅｄ　３７％ｂａｌｌ　ｍｉｌｌ　ｌｏａｄ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　２３％ｌｅｓｓ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎ—　ｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　６　１％ｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａ　ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ；ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｉｌｌ　ｌｏａｄ　ｄｅ—　ｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅａｒｓ，ｂｅａｒｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ　ｒｅ－　ｄｕｃｅｄ，ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｌｉｆｅ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｓａｖｉｎｇ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｃｏｓｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｒｏａｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｌ；ｂａｌｌ；ｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｗｅａｒ；ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　Ｏ　引言　方便，在我国火力发电机组中得到了较广泛的应用。　但其金属耗量大，制粉电耗高，据统计，磨煤机一般　钢球磨煤机煤种适应性广，运行安全可靠，维修　每磨制１　ｔ煤钢球的磨损为１２０～３００　ｇ，个别磨煤机　甚至更高　。通过调节钢球最佳装载量、球径配　收稿日期２０１１一ｏ９一ｏ４　修订稿日期２０１１一ｌ０—２６　比、钢球及衬瓦的材料特性及补球参数，可起到防磨　作者简介：宋绍伟（１９７７～），男，学士，工程师，主要从事火电厂　降耗的作用。我国火电厂磨煤机钢球直径的选择一　节能管理工作。　直沿用前苏联的标准，国内磨煤机的钢球规格尚无　・７９・　统一标准　Ｊ。在补球方面，往往认为大球会磨成　２．２多元高铬合金抗磨钢球的机械性能及金相组织　利用Ａｘｉｏｖｅｒｔ２００　ＭＡＴ型显微镜和ＨＴ一２０００Ａ　金属硬度计测定多元高铬合金抗磨钢球和普通低铬　铸铁钢球的金相组织及硬度，其中心部为钢球的球　小球，绝大多数火电厂根据经验单纯补加一种大球，　造成磨煤机内球荷平均粒度的增大，使磨煤机不能　工作在最佳钢球级配。结合我国磨煤机的性能参数　和煤质特性，确定钢球的最佳级配和补球参数对于　降低磨煤机的钢耗和电耗具有至关重要的作用。　心附近位置，外部为靠近钢球表面的位置，中部为二　者之问部位。从表２可以看出多元高铬合金抗磨钢　球平均硬度６３　ＨＲＣ，且硬度分布比较均匀；低铬铸　铁钢球平均硬度为４９．６７　ＨＲＣ。　表２　多元高铬合金抗磨钢球与低铬铸铁钢球硬度比　较表　１　火电厂磨煤机钢球存在的问题　目前，我国电力行业使用的钢球主要有低铬铸　铁钢球（含铬２％左右）、高铬铸铁钢球（含铬１２％　左右）。这两大类钢球的共同缺点是：　（１）钢球表层与心部的耐磨性相差较大，使钢　球在磨损过程中直径的减小很不均衡，从而使钢球　的级配发生较大的偏离，造成煤粉细度较差或煤粉　产量降低。现用的钢球，其表层晶粒细、中心晶粒　多元高铬合金抗磨钢球淬火回火后的组织为：　回火马氏体加铬、锰、钨复合碳化物。其中共晶碳化　物呈细小的粒状和菊花状，分布弥散均匀，二次碳化　物呈点状分布在回火马氏体基体上（见图１）；而普　粗，造成表层硬度高，中心硬度低，并且表层与中心　的硬度相差较大。这样的钢球在使用过程中，表层　磨损较慢，在一定的时间内钢球直径减小值较小；中　心磨损较快，在一定时间内钢球直径减小值较大，因　此较快的磨损失效，使有效的小直径钢球减少，改变　了钢球级配，降低了小直径钢球的比例，煤粉细度就　会变差。此外，硬度不均匀的钢球在磨煤过程中容　通低铬铸铁钢球二次碳化物分布不均匀（见图２）。　多元高铬合金抗磨钢球碳化物的尺寸细小，分布较　均匀，将基体有效地保护起来；另外，较硬的马氏体　基体可以很好地支撑坚硬的碳化物。而且马氏体也　可以较好地抵抗煤矸石的犁沟作用，使碳化物不容　易从基体中剥落。因此，多元高铬合金抗磨钢球具　有极高的耐磨性。　易失圆，磨煤效率下降。以上两个因素，使磨煤机中　必须加入较多的钢球，才能保证煤粉的细度和产量，　这样增大了磨煤机的载荷，耗电量也随之增大。　（２）钢球的耐磨性较差，钢球的磨损速度快，导　致小直径钢球难以在火力发电厂推广应用。在磨煤　机装球总重量相同的条件下钢球的平均直径减小，　则钢球的个数或表面积就增多或增大，磨煤的作用　点或作用面积随之增多或增大，在一定的条件下磨　制煤粉的效率也就更高。但是，钢球的耐磨性不高、　小直径钢球磨损到失效的时间会很短，从而造成频　繁地停机清理废球，严重地降低了磨煤机的运转　率　图１　多元高铬合金抗磨钢球　２　多元高铬合金抗磨钢球的研制　２．１　多元高铬合金抗磨钢球的化学成分　多元高铬合金抗磨钢球用铬锰钨抗磨铸铁制　作，以铬、锰、钨为主加元素，以硅为辅助元素，再配　以适当的热处理技术，使钢球金属致密、冲击值高、　外形完整。经多次试验室试验，多元高铬合金抗磨　钢球的化学成分（重量百分数）见表１。　表１　多元高铬合金抗磨钢球的化学成分　品种　Ｃ　Ｓｉ＋Ｍｎ＋ｗ　ｃｒ　Ｐ　Ｓ　图２低铬铸铁钢球　多元高铬合金抗磨钢球／＞２．４％＞／２，０％　≥１８％≤Ｏ．１０％≤Ｏ．１０％　・８０・　３　应用钢球磨损稳态模型计算钢球最佳级　配系数　钢球磨损的结果是其直径随磨损时间的增长而　减少，就单个钢球来说，直径的减少是一个随机过　程。然而在特定的磨煤机中，钢球群体直径的减少　则表现出很强的统计特征。当装入钢球直径为如　时，随着磨损时间ｔ的变化，剩在滚筒中的钢球直径　减小的分布规律也随之变化。磨煤机钢球磨损的稳　在一个工作周期钢球Ｇ　ｔ，钢球价格为Ｐ元／ｔ，　磨制每吨煤的钢球磨损成本　为　＝　（６）　合理的钢球装载量和钢球级配使磨煤机出力　大，降低制粉电耗及钢耗　７　３。磨煤机的规格（直径、　总长）不同、转速不同、衬板形状不同、所磨燃料不　同、煤粉细度要求不同钢球级配也就不同。首先根　据燃煤的可磨系数、燃煤粒度、磨煤机直径确定最大　态数学模型为　），１　Ｐ１１（　）　０　０　Ｙｚ　Ｐ２１（　）　Ｐ２２（￡）　×　：　●　ｉ　●　：　０　ｙ　Ｐ　１（　）　Ｐ　２（　）　Ｐ　（　）　式（１）中｛　｝为磨煤机的装球级配向量；｛Ｙ｝为　连续磨煤ｔ天后驻留在滚筒中的钢球级配向量；　【ｐ（￡）】为对应于连续ｔ天的钢球磨损稳态特性矩　阵，它是下三角矩阵，其中的第　行第ｊ－列元素Ｐｏ（　）　表示装人第　级别球变成第　级别球的概率　Ｊ。　对于１台其他各种参数都固定，而只有钢球直　径变化的磨煤机，其出力与钢球直径的平方根成反　比　Ｂｍｌ日ｌＩｌ２　ｌ＝√鲁ｄ　（２一　）　式中　Ｂ　——钢球直径ｄ　时的磨煤机出力／ｔ・　ｈ～；　Ｂ　——钢球直径ｄ　时的磨煤机出力／ｔ・　ｈ～。　磨煤机出力与钢球直径的平方根成反比，磨煤　机电流基本不变，则取用小直径钢球有利于降低磨　煤电耗。而直径小的钢球磨损量大，所以应根据各　钢球级配下磨煤电耗成本和钢球磨损成本综合考虑　确定钢球的最佳级配。　假设将有效钢球分为ｎ个级别，在求得钢球磨　损矩阵【ｐ（￡）】后，可求某一钢球级配下磨煤机磨煤　一个工作周期后滚筒内第ｉ级钢球的剩余量　＝　×ｙｉ／１００＝　【∑ｐ　ｘ￣］／ｌｏｏ；　＝１，２，　…，凡　（３）　则第　级别钢球的损耗量△　，为　△　＝　一　（４）　则钢球总磨损量△　为　△　：∑△　（５）　钢球直径，确保最大粒度的燃煤被迅速破碎；其次根　据煤粉细度要求、燃煤的可磨系数确定最小钢球的　直径，确保燃煤微粒被迅速碾破。对未安装除杂设　施的输煤系统要特别注意各种煤矸石的可磨系数；　以钢球级配稳定，装球总重量一定的条件下钢球个　数尽量多为原则，确定各种规格钢球的比例；适当考　虑煤粉细度均匀性分布；运行２　０００　ｈ仔细记录、分　析、调整，从而确定补加球方案。在此钢球级配下的　制粉出力可根据式（３）计算求出相应可计算磨每吨　煤的磨煤电耗。根据发电成本可计算磨煤电耗成　本，算出磨煤电耗成本和钢球磨损成本之和，确定出　钢球的最佳级配。　４　实际应用　４．１设备概述　某电厂二期工程２　ｘ　３００　ＭＷ亚临界燃煤机组，　每台锅炉安装有３台双进双出磨煤机，额定电流　１５６　Ａ，功率１　４００　ｋＷ。试验前磨煤机钢球加装比　例　８０：　６０：ｑ￣５０：　０：　３０＝１０：２５：２９：２１：１５，实　际钢球装载量为８３　ｔ／／台，磨煤机电流在１３０　Ａ左　右，补充钢球为ｑｂ６０，年平均补充添加钢球消耗量　３０　ｔ。磨煤机技术参数见表３，锅炉设计燃用８５％的　无烟煤和１５％的半无烟煤的混合物，煤种的特性见　表４。　表３磨煤机技术参数　项目　参数　型号　ＳＶＥＤＡＬＡ１４’一０”×１８’一０”　磨煤机出口温度／ｑＣ　１３５～１５５　各种钢球规格／ｍｍ　８０／６０／５ｏ／４ｏ，３ｏ　各种钢球比例／［％］　ｌ０／２５／２９／２ｌ／１５　简体转速／ＲＰＭ　１６．７７　制粉能力／ｔ・ｈ　５８．３　煤粉细度Ｒ９０／［％］　１Ｏ　额定电流／Ａ　１５６　额定功率／ｋＷ　１　４００　・８１・　表４设计煤种特性　项目　数值　试验结果表明，由于装球总量减少３７％，使磨　煤机的负荷大幅度降低，磨煤机的运行电流同比降　低约３０　Ａ，节电率２３％；项目实施后磨煤机制粉能　力无明显变化，煤粉细度更加合适；单台磨煤机功率　空干基碳ｃ　／［％］　空干基氢日　ｄ／［％］　空干基氧Ｏｄ／［％］　空干基氮Ⅳ　ｄ／［％］　空干基硫ｓａｄ／［％］　全水分Ｍ　／［％］　空干基水分Ｍ　ｄ／［％］　空干基灰分Ａａｄ／［％］　干燥无灰基挥发分　ａｆ／［％Ｊ　收到基低位发热量Ｑ　。／ｋＪ・ｋｇ　可磨系数ＨＧＩ／［％］　降低：△Ｐ＝，／３　ＵＡＩｃｏｓ￣ｐ＝，／３　Ｘ　６．３×３０×０．８５＝　２７８　ｋＷ・ｈ；钢耗同比降低约７３　ｇ／ｔ；随着负载的减　小，磨煤机大、小牙轮齿面温度普遍下降了１０￣Ｃ；另　外，轴瓦和变速箱、衬瓦等设备的故障率明显降低，　设备寿命得到延长，同时也节省了大量的维护成本。　运行后根据磨煤机出力、电流及煤粉细度情况　补加　０以上的钢球适量。合理补球的原则为：　ｏ　．、　４．２装机应用试验　加　应用钢球磨损稳态模型计算和工程试验确定钢　球最佳级配和合理的钢球装载量。三台磨煤机的试　验情况见表５。　表５项目实施前后磨煤机运行参数比较　ｍ＆　∞勰　¨　（１）保证补球后磨煤机中有效钢球含量等于额定装　球量；（２）补球后应使钢球级配更加协调；（３）优先　补加大球　＃３Ａ磨煤机　＃３Ｂ磨煤机　＃３Ｃ磨煤机　８３　８２　８１　８０—３０　８０—３Ｏ　８０—３０　６０—２Ｏ　１３０　１２８　１２７　１０２　４０～５５　４０～５５　９．１６　９．１２　１２０　９１　８１　１２０　１２０　４７　８４　８７　７７　７３　７８　６６　项目实施前　４０～５４　４０～５４　４０～５３　４０～５３　８．３５　８．５　８．７　８．２　＃３Ａ磨煤机　＃３Ｂ磨煤机　５５　５０　６０—２０　９７　９６　４７　４７　７５　７６　６３　６７　项目实施后　＃３Ｃ磨煤机　５０　６Ｏ一２Ｏ　５　结论　（１）探索了双进双出磨煤机最佳钢球级配的规　律。首先根据燃煤的可磨系数、燃煤粒度、磨煤机直　径确定最大钢球直径，确保最大粒度的燃煤被迅速　破碎；其次根据煤粉细度要求、燃煤的可磨系数确定　最小钢球的直径，确保燃煤微粒被迅速碾破；以钢球　级配稳定，装球总重量一定的条件下钢球个数尽量　多为原则，确定各种规格钢球的比例。　（２）火电厂使用多元高铬合金抗磨钢球级配　后，磨煤机的装球重量可减少３７％，磨煤机电耗可　降低２３％，磨煤机的钢球消耗可降低６１％，从而实　现火电厂磨煤机的大幅度节能降耗。磨煤机实施钢　球级配后，随着负载的减小，磨煤机大、小牙轮齿面　碳化物，并具有较好的形态、大小和分布，能很好地　保护较硬的马氏体基体；多元高铬合金抗磨钢球表　层及心部的洛氏硬度均大于６３　ＨＲＣ，且硬度差较　小，因此钢球具有很好的耐磨性和级配稳定性。　参考文献　［１］刘英雄，毛爱珍．球磨机钢球直径的优化选择［Ｊ］．　中国电力，１９９６，２９（６）：１１—１３．　［２］贾鸿祥．制粉系统设计与运行［Ｍ］．北京：水利电力　出版社，２００２．　［３］王晓光，邓家营，安国民．钢球磨煤机的优化运行试　验［Ｊ］．节能技术，２００５，２３（５）：４１７—４２１．　［４］陈平，任立军．火电厂球磨相铬锰钨抗磨铸铁磨球　的研制与应用［Ｊ］．中国电力，２００９，４２（１１）：２０—２２．　［５］余涛，张翠珍，刘亮．钢球磨煤机钢球的最佳级配与　补球参数［Ｊ］．长沙理工大学学报，２００７，４（１）：６８—８３．　［６］段希祥．我国粗磨球磨机钢球尺寸状况的分析［Ｊ］．　矿冶工程，１９９８，１８（１）：２６．　温度普遍下降了１Ｏ　；另外，轴瓦和变速箱、衬瓦等　设备的故障率明显降低，设备寿命得到延长，同时也　节省了大量的维护成本。　（３）获得了高耐磨性钢球的生产工艺。多元高　［７］郑福国，郝山武．双进双出钢球磨煤机直吹式制粉　系统的经济运行［Ｊ］．节能技术，２００６，２４（２）：１５４—１５８．　铬合金抗磨钢球的碳化物为高硬度的铬、锰、钨复合　・８２・