磨煤機鋼球最佳級配技術應用研究

宋紹偉

(國電菏澤發電有限公司，山東 菏澤 274032)

0 引言

鋼球磨煤機煤種適應性廣，運行安全可靠，維修方便，在我國火力發電機組中得到了較廣泛的應用。但其金屬耗量大，制粉電耗高，據統計，磨煤機一般每磨制1 t煤鋼球的磨損為120～300 g，個別磨煤機甚至更高［1］。通過調節鋼球最佳裝載量、球徑配比、鋼球及襯瓦的材料特性及補球參數，可起到防磨降耗的作用。我國火電廠磨煤機鋼球直徑的選擇一直沿用前蘇聯的標準，國內磨煤機的鋼球規格尚無統一標準［2－3］。在補球方面，往往認為大球會磨成小球，絕大多數火電廠根據經驗單純補加一種大球，造成磨煤機內球荷平均粒度的增大，使磨煤機不能工作在最佳鋼球級配。結合我國磨煤機的性能參數和煤質特性，確定鋼球的最佳級配和補球參數對于降低磨煤機的鋼耗和電耗具有至關重要的作用。

1 火電廠磨煤機鋼球存在的問題

目前，我國電力行業使用的鋼球主要有低鉻鑄鐵鋼球(含鉻2%左右)、高鉻鑄鐵鋼球(含鉻12%左右)。這兩大類鋼球的共同缺點是:

(1)鋼球表層與心部的耐磨性相差較大，使鋼球在磨損過程中直徑的減小很不均衡，從而使鋼球的級配發生較大的偏離，造成煤粉細度較差或煤粉產量降低?，F用的鋼球，其表層晶粒細、中心晶粒粗，造成表層硬度高，中心硬度低，并且表層與中心的硬度相差較大。這樣的鋼球在使用過程中，表層磨損較慢，在一定的時間內鋼球直徑減小值較小;中心磨損較快，在一定時間內鋼球直徑減小值較大，因此較快的磨損失效，使有效的小直徑鋼球減少，改變了鋼球級配，降低了小直徑鋼球的比例，煤粉細度就會變差。此外，硬度不均勻的鋼球在磨煤過程中容易失圓，磨煤效率下降。以上兩個因素，使磨煤機中必須加入較多的鋼球，才能保證煤粉的細度和產量，這樣增大了磨煤機的載荷，耗電量也隨之增大。

(2)鋼球的耐磨性較差，鋼球的磨損速度快，導致小直徑鋼球難以在火力發電廠推廣應用。在磨煤機裝球總重量相同的條件下鋼球的平均直徑減小，則鋼球的個數或表面積就增多或增大，磨煤的作用點或作用面積隨之增多或增大，在一定的條件下磨制煤粉的效率也就更高。但是，鋼球的耐磨性不高、小直徑鋼球磨損到失效的時間會很短，從而造成頻繁地停機清理廢球，嚴重地降低了磨煤機的運轉率［4］。

2 多元高鉻合金抗磨鋼球的研制

2.1 多元高鉻合金抗磨鋼球的化學成分

多元高鉻合金抗磨鋼球用鉻錳鎢抗磨鑄鐵制作，以鉻、錳、鎢為主加元素，以硅為輔助元素，再配以適當的熱處理技術，使鋼球金屬致密、沖擊值高、外形完整。經多次試驗室試驗，多元高鉻合金抗磨鋼球的化學成分(重量百分數)見表1。

表1 多元高鉻合金抗磨鋼球的化學成分

2.2 多元高鉻合金抗磨鋼球的機械性能及金相組織

利用Axiovert200 MAT型顯微鏡和HT－2000A金屬硬度計測定多元高鉻合金抗磨鋼球和普通低鉻鑄鐵鋼球的金相組織及硬度，其中心部為鋼球的球心附近位置，外部為靠近鋼球表面的位置，中部為二者之間部位。從表2可以看出多元高鉻合金抗磨鋼球平均硬度63 HRC，且硬度分布比較均勻;低鉻鑄鐵鋼球平均硬度為49.67 HRC。

表2 多元高鉻合金抗磨鋼球與低鉻鑄鐵鋼球硬度比較表

多元高鉻合金抗磨鋼球淬火回火后的組織為:回火馬氏體加鉻、錳、鎢復合碳化物。其中共晶碳化物呈細小的粒狀和菊花狀，分布彌散均勻，二次碳化物呈點狀分布在回火馬氏體基體上(見圖1);而普通低鉻鑄鐵鋼球二次碳化物分布不均勻(見圖2)。多元高鉻合金抗磨鋼球碳化物的尺寸細小，分布較均勻，將基體有效地保護起來;另外，較硬的馬氏體基體可以很好地支撐堅硬的碳化物。而且馬氏體也可以較好地抵抗煤矸石的犁溝作用，使碳化物不容易從基體中剝落。因此，多元高鉻合金抗磨鋼球具有極高的耐磨性。

圖1 多元高鉻合金抗磨鋼球

圖2 低鉻鑄鐵鋼球

3 應用鋼球磨損穩態模型計算鋼球最佳級配系數

鋼球磨損的結果是其直徑隨磨損時間的增長而減少，就單個鋼球來說，直徑的減少是一個隨機過程。然而在特定的磨煤機中，鋼球群體直徑的減少則表現出很強的統計特征。當裝入鋼球直徑為dz時，隨著磨損時間t的變化，剩在滾筒中的鋼球直徑減小的分布規律也隨之變化。磨煤機鋼球磨損的穩態數學模型為

式(1)中{x}為磨煤機的裝球級配向量;{y}為連續磨煤t天后駐留在滾筒中的鋼球級配向量;[ p (t) ]為對應于連續t天的鋼球磨損穩態特性矩陣，它是下三角矩陣，其中的第i行第j列元素pij(t)表示裝入第j級別球變成第i級別球的概率［5］。

對于1臺其他各種參數都固定，而只有鋼球直徑變化的磨煤機，其出力與鋼球直徑的平方根成反比［6］

式中 Bm1——鋼球直徑 d1時的磨煤機出力/t·h－1;

Bm2——鋼球直徑 d2時的磨煤機出力/t·h－1。

磨煤機出力與鋼球直徑的平方根成反比，磨煤機電流基本不變，則取用小直徑鋼球有利于降低磨煤電耗。而直徑小的鋼球磨損量大，所以應根據各鋼球級配下磨煤電耗成本和鋼球磨損成本綜合考慮確定鋼球的最佳級配。

則第i級別鋼球的損耗量ΔWi為

則鋼球總磨損量ΔW為

在一個工作周期鋼球G t，鋼球價格為P元/t，磨制每噸煤的鋼球磨損成本M為

合理的鋼球裝載量和鋼球級配使磨煤機出力大，降低制粉電耗及鋼耗［7］。磨煤機的規格(直徑、總長)不同、轉速不同、襯板形狀不同、所磨燃料不同、煤粉細度要求不同鋼球級配也就不同。首先根據燃煤的可磨系數、燃煤粒度、磨煤機直徑確定最大鋼球直徑，確保最大粒度的燃煤被迅速破碎;其次根據煤粉細度要求、燃煤的可磨系數確定最小鋼球的直徑，確保燃煤微粒被迅速碾破。對未安裝除雜設施的輸煤系統要特別注意各種煤矸石的可磨系數;以鋼球級配穩定，裝球總重量一定的條件下鋼球個數盡量多為原則，確定各種規格鋼球的比例;適當考慮煤粉細度均勻性分布;運行2 000 h仔細記錄、分析、調整，從而確定補加球方案。在此鋼球級配下的制粉出力可根據式(3)計算求出相應可計算磨每噸煤的磨煤電耗。根據發電成本可計算磨煤電耗成本，算出磨煤電耗成本和鋼球磨損成本之和，確定出鋼球的最佳級配。

4 實際應用

4．1 設備概述

某電廠二期工程2×300 MW亞臨界燃煤機組，每臺鍋爐安裝有3臺雙進雙出磨煤機，額定電流156 A，功率1 400 kW。試驗前磨煤機鋼球加裝比例 Φ80∶Φ60∶Φ50∶Φ40∶Φ30=10∶25∶29∶21∶15，實際鋼球裝載量為83 t/臺，磨煤機電流在130 A左右，補充鋼球為Φ60，年平均補充添加鋼球消耗量30 t。磨煤機技術參數見表3，鍋爐設計燃用85%的無煙煤和15%的半無煙煤的混合物，煤種的特性見表4。

表3 磨煤機技術參數

表4 設計煤種特性

4.2 裝機應用試驗

應用鋼球磨損穩態模型計算和工程試驗確定鋼球最佳級配和合理的鋼球裝載量。三臺磨煤機的試驗情況見表5。

表5 項目實施前后磨煤機運行參數比較

試驗結果表明，由于裝球總量減少37%，使磨煤機的負荷大幅度降低，磨煤機的運行電流同比降低約30 A，節電率23%;項目實施后磨煤機制粉能力無明顯變化，煤粉細度更加合適;單臺磨煤機功率降低× 30 × 0.85=278 kW·h;鋼耗同比降低約73 g/t;隨著負載的減小，磨煤機大、小牙輪齒面溫度普遍下降了10℃;另外，軸瓦和變速箱、襯瓦等設備的故障率明顯降低，設備壽命得到延長，同時也節省了大量的維護成本。

運行后根據磨煤機出力、電流及煤粉細度情況補加Φ60以上的鋼球適量。合理補球的原則為:(1)保證補球后磨煤機中有效鋼球含量等于額定裝球量;(2)補球后應使鋼球級配更加協調;(3)優先補加大球。

5 結論

(1)探索了雙進雙出磨煤機最佳鋼球級配的規律。首先根據燃煤的可磨系數、燃煤粒度、磨煤機直徑確定最大鋼球直徑，確保最大粒度的燃煤被迅速破碎;其次根據煤粉細度要求、燃煤的可磨系數確定最小鋼球的直徑，確保燃煤微粒被迅速碾破;以鋼球級配穩定，裝球總重量一定的條件下鋼球個數盡量多為原則，確定各種規格鋼球的比例。

(2)火電廠使用多元高鉻合金抗磨鋼球級配后，磨煤機的裝球重量可減少37%，磨煤機電耗可降低23%，磨煤機的鋼球消耗可降低61%，從而實現火電廠磨煤機的大幅度節能降耗。磨煤機實施鋼球級配后，隨著負載的減小，磨煤機大、小牙輪齒面溫度普遍下降了10℃;另外，軸瓦和變速箱、襯瓦等設備的故障率明顯降低，設備壽命得到延長，同時也節省了大量的維護成本。

(3)獲得了高耐磨性鋼球的生產工藝。多元高鉻合金抗磨鋼球的碳化物為高硬度的鉻、錳、鎢復合碳化物，并具有較好的形態、大小和分布，能很好地保護較硬的馬氏體基體;多元高鉻合金抗磨鋼球表層及心部的洛氏硬度均大于63 HRC，且硬度差較小，因此鋼球具有很好的耐磨性和級配穩定性。

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［3］王曉光，鄧家營，安國民.鋼球磨煤機的優化運行試驗［J］.節能技術，2005，23(5):417 －421.

［4］陳平，任立軍.火電廠球磨相鉻錳鎢抗磨鑄鐵磨球的研制與應用［J］.中國電力，2009，42(11):20 －22.

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［7］鄭福國，郝山武.雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統的經濟運行［J］.節能技術，2006，24(2):154 －158.