（入 磨 熟 料 粒 度＜5mm ，φk =26%，钢 球 直 径 d k =30mm ，钢 段 直 径 d z =
27mm ，钢 段 长 h z =27mm ，ψ=70%，物 料 填 充 度 φG =0.5）
（粉 磨 时 间 t =20m i n，其 它 参 数 同 图 1。 图 3 同 ）
图 3 R
=10%时的单位功耗与物料填充度的关系
乔 彬，乔龄山
（建筑材料工业技术情报研究所 ，北 京 100024）
中 图 分 类 号 ：TQ172.63 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1002－9877（2009）12-0013-06
目 前 ，在中国水泥工业的水泥磨制中 ，球 磨 机 仍 占主导地位。 球磨机细磨仓研磨体有些使用钢球 ，有 些 使 用 钢 段 ，就 研 磨 效 果 、能耗和磨损消耗等作用性 能 方 面 的 比 较 ，哪种形状的研磨体更好一些 ，在 国 内 外都一直是人们关注和争议的焦点问题 。 20 多 年 以 前 ，一般认为铁矿石细磨 、陶瓷原料尤其是湿法细磨 以用钢段为好， 干磨和水泥熟料粉磨以用钢球为好 。
也有人认为在同质量下钢段比钢球的表面积大 12%， 所以水泥粉磨以用钢段为好，能耗更低些 。 以前的水 泥磨细磨仓大多使用不同尺寸的钢段 。 近 30 余年，由 于水泥磨细磨仓结构发生一些变化 ，如出现了各种新 型 衬 板 ，挡 料 圈 （或 称 活 化 环 ）得 到 普 遍 应 用 ，以 及 高 耐 磨 钢 球 的 引 入 ，使磨耗费用在球 、段之间已没有太 大差别，钢球又重新受到水泥工业重视 。 对此国外文 献有过一些研究结果报道，本文就其中相关内容作简 要介绍，以供参考。
对 转 数 （ψ)为 磨 机 转 数占临界转数的百分数 ，物 料 填 充度（φG )为物料体积与研磨体空隙体积之比。
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图 2 和 图 3 显 示 ，在各物料填充度下 ，两 种 研 磨 体所获得的产品细度 （R 90） 和 粉 碎 率 （S 90） 都 大 致 相 同 ，与物料填充度的关系也很一致 ，随着物料填充度 的增大，粉碎效果变差，产品变粗，粉碎率下降 。 机械 功耗钢 段 高 于 钢 球 ，如 图 3 中 φG =1.0 时 的 单 位 功 耗 ， 钢段高出钢球 24%。两种研磨体的功率消耗和单位功 耗（A 90）都是随磨内物料量的增加而上升。
1982 年 K.Husemann 等的研究试验
[1]
为了比较在球磨机中钢球与钢段粉 碎 作 用 的 差 别 ，德 国 费 赖 贝 格 （Freiberg) 选 矿 研 究 所 K.Husemann 等作了一系列干法细磨试验。 其中有非连续式粉磨试 验，只用于研究粉碎过程；连续式粉磨试验 ，用于研究 粉碎过程和物料轴向传输过程。 另外还作了研磨体在 磨机横断面运动轨迹的照相，试验中没有考虑两种研 磨体的磨损情况。
1.1 非连续式粉磨试验
1 试 验 用 磨 Φ0.745m ×0.455m ， 平 衬 板 ， 物 料 为＜5mm 的水泥熟料。 用单个质量相同的钢球和钢段 为研磨体，试验不同研磨体尺寸 、种类、填充率（φk ，%) 和磨机相对转数（ψ，%)对粉碎结果的影响。 检测项目 有 产 品 90μm 筛 余 值 （R 90，%）、90μm 物 料 粉 碎 率 （ 单 位时间的产品产出率 S 90，min -1)、 机 械 功 率 消 耗 （P ，
放血刀kW ——通 过 转 矩 测 量 ），粉 磨 时 间 （t ，min)和 R 90=10%
时的单位功耗（A 90，kWh/t ）。
图 1 为 90μm 筛余值与粉磨时间的关系。 从中可 以 看 出 ，钢球与钢段的粉磨效果相同 ，产 品 细 度 上 的
图 4 Φ0.3m×0.9m 试验磨的筛析曲线
（ψ=74.2%，喂 料 量 m i =15k g /h,φk =30%。 图 5 和 图 7 同)
图 5 研磨体和物料沿磨机轴向的分布
图 6 磨 尾 卸 料 量 m A 与进料区段时间的关系
（①0.9m 长 磨 ，参 数 同 图 4；②0.6m 长 磨 ψ=85%，m i =15k g /h ，φk =30%)
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关于钢球尺寸大小的影响 ，未 用 图 展 示 ，在 试 验 参 数 φk =20% ，φG =1.0，ψ =70% ，d k =12、20、25mm 以 及
同 质 量钢段的条件下 ，总 的 结 果 是 ：粉磨效果随研磨
体尺寸加大而得到改善，同质量的钢球与钢段之间仅 有微小差别，钢段的功率消耗明显高于钢球的 。 由于 研磨体尺寸与物料没有实现最佳匹配所带来的 不 利 影 响 ，钢段也较钢球更为不利 ，反过来也可以说钢球 的级配对物料易磨特性变化的适应性更好些 。
磨机转数的影响实际意义不大 ，这里简略地介绍 一下试验结果。 在产品细度方面两种研磨体的差别不 大，在粉碎率方面，钢球与转数的关系更密切些 ，随着 转数增加，粉碎率也逐渐上升。 与用钢球比较，钢段的 单 位 功耗在相对转数 ψ=70% 时 高 出 约 32% ， 在 ψ= 80%时高出约 33%，两种研磨体的最低单位功耗都在 ψ=80%左右的区段。 1.2 连续式粉磨试验
料量同为 m i =15kg/h 。0.6m 长的磨机，曲线上升段的斜 率大一些，是因为磨机转数较高，其它参数都相同。
试验用熟料预破碎 至 粒 度 ＜1mm ， 球 磨 机 直 径 0.3m ，长度 0.6m 和 0.9m ，平衬板，出料 筛 板 带 直 径
8mm 的圆 孔 ， 过 料 面 积 占 40%， 使用相同当量直径 （d k =d aq =10mm ）研磨体（一种尺寸，即无级配），钢球或 钢段的装载量相同。 检测筛余值（R 90）、勃氏比表面积 （O B ，cm 2/g)、 研磨体和物料量 （包括沿磨机长度的分 布）、物料通过量和传输速度 （u ，cm/min ），用颜示 踪 剂检测停留时间分布 ， 从而得出博登施泰因因数 （Bodensteinzahl ，Bo=uL/D ，L 为 磨
机 长 度 ，mm ）和 分 散 系 数 （D ，cm 2/min)， 并 用 分 散 模 型 （ 对 数 正 态 分 布 ） 进 行评价。
沿磨机有效长度 （L i ，mm ） 在 磨 内 取 样 做 筛 析 曲 线（见图 4），用钢球与用钢段时的细度分布和终点细 度 大 致 相 同 ，钢段的细度稍高一些 ，但也仅刚刚超过 统计检测误差上限。 用较高磨机转数和变换喂料量的 试验结果也与此相同，这也证实了非连续式粉碎性能 试验结果是正确的。
图 5 为磨内钢球 （段）量(m k ，k g)和物料量(m,k g)在 磨机长度方向的分布， 研磨体的分布是很均匀的 ，而 物 料 高 度 分 布 可 分 3 个 区 域 ：进 料 区 、未 受 干 扰 的 中 间区和出料区。 用钢段的料面通常都低于用钢球的 。 中间区约占磨机全长的 80%，两种研磨体的整体分布 状 态 相 同 ，料面都呈一直线 ，并以相同的倾角向出料 端倾斜，这也表明在中间区物料轴向传输速度是向磨 尾方向逐渐增加的，也许是因为物料细度逐渐增加所 致。
图 6 为对 2 个不同长度的磨机 ，用钢球与钢段时 进料阶段的状态比较 。 时间 t=0 时磨 内 没 有 物 料 ，喂 从图 6 可以看出，用钢段的磨机较快地达到了稳 定 状 态 ， 而两种情况的细度增长率相同 （如 图 4 所 示），所以只能说明钢段对物料的传输更快一些 。 0.9m
图 7 物料在磨内传输参数百分值比较
图 8 不同研磨体当量直径的物料传输速度
（磨 机 参 数 同 图 6 的②)
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15 -渗透印章
乔 彬，等：钢球与钢段在水泥粉磨中的作用性能对比试验
长钢段磨与 0.6m 长钢球磨达到稳定状态的进料时间 相同，从这点也能看出两种研磨体在物料传输速度方
面的差别程度。
图 7 为钢球与钢段在磨内对物料传 输 特 性 的 汇 总，图中各参数的含义如下：
补充的连续粉 磨 试 验 ，结 果 列 于 表 1。 在 功 率 消 耗 和 单位功耗方面，钢球与钢段间的差别与用平衬板和单 一尺寸研磨体的试验结果相一致 ，用钢段的能耗高出 用钢球的能耗约 16%。
t E ——进料时 间 ，min, 即从开始向磨内喂料到通 过量达到平衡状态的时间。 t E 越短，物料流速越快。
m ge s ——达到平衡状态时的 磨 内 物 料 总 量 ，kg 。 m ges 越小，物料流速越快。
u ——轴向物料平均流速 ，cm/min ，在以示 踪 原 子
或颜示踪剂作物料停留时间试验 ，并以分散模型计 算 时 ，它表示物料在轴向有序运动过程 ，又 称 运 流 系 数（Konvektions Koeffizient)。 u 越大，物料轴向流速越 高。
D ——分散系数（Dispersions Koeffizient)，cm 2/min,
节能真空炉
也是分散模型中的一个参数，它表示物料无序运动过 程 ，也是衡量物料混合程度的参数 ，以物料单位时间 位移平方表示。 D 越大，物料在磨内混合的越好。 B o ——博登施泰因因数，uL/D ， 它显示磨内物料 轴向运动和径向混合性能间 的 比 较 ，Bo 越 高 ，物 料 在 磨内轴向流速越快，相对混合程度越差。
表 1 连续式粉磨试验结果
90 注 ： 试验磨的参数为 ： 磨 机 直 径 d m =0.76m ， 长 L=1.0m ，ψ=74%，φk =
25%，入 磨 熟 料 粒 径 d ＜5.0mm ，m i =0.3t/h 。
1.3 在磨机径向平面的观察试验
为了进一步了解两种研磨体在磨内的运动特性 ， 还从磨机端面作了观察试验 。 试 验 用 球 磨 直 径 0.745m 和 0.3m ，装 平 衬 板 ，端面用透明玻璃盖板 ， 以 Pentacon SIX TL 相机拍照研磨 体 运 动
状 态 ， 对 拍 摄影像用钢球脱离角 αL 和撞击角 β 两个参数进行评 价。αL 是磨机运行时研磨体从磨壁脱离点的矢径与纵 坐 标 轴 （y 轴 ）正 轴 间 的 夹 角 ，β 是 最外层降落钢球与 磨壁撞击点的矢径与正 y 轴 间 的 夹 角 。 图 9 和 图 10
即为这组粉磨试验的研磨体运动特性照片 。 图 9 为未 加物料时的状态 ，图 9a 装 d k =10mm 钢 球 ，可 以 看 出 ， 钢 球 的运行比较平稳 、均 匀 有 序 ，没有多少向下抛落 的钢球。 钢球以最外圈有序排列的钢球链为基本形式 上 升 ，到一定位置与磨壁脱离 ，在后续钢球的影响下 又继续升高一段后才转向掉落到钢球堆上向下滚落 。 由于钢球与磨壁附着力小，所以钢球重新整理有序排 列 的 区 域 比 较 大 ，好 似 钢 球 拖 裙 ，且有明显可以区分 图 7 显 示 ， 所有在同等条件下的试 验 结 果 都 表 明，钢段对物料的传输性能优于钢球。 传输速度高、混 合程度低、进料时间和停留时间短 ，料面低；博登施泰 因因数高，但物料流速高对提高粉碎效率不利。
图 8 为在不同研磨体当量直径下的物料流速 。 可 以看出，所用几种尺寸钢段时的物料流速都高于用同 级别钢球的。 由此推测，用级配研磨体时的情况也会 如此，钢段磨的物料流速更快些。
在所有连续式粉磨试验中 ，当出料细度达到水泥 细度时，用钢球粉磨的水泥比用钢段粉磨的更容易结 团 。 当 时 还 用 一 台 Φ0.7m 装凸棱衬板的小球磨作了
的边界。 图 9b 用的是当量直径 d 为 10mm 和 11mm aq 的钢段，以 1∶1 配 比 混 配 。 钢段与磨
壁间的相对滑动 较小， 研磨体被提升的高度较大 ，α 缩 小 ，β 扩 大 ，向 L 下降落的研磨体量 明 显 增 多 ， 钢段堆好像被松散 开，重新整理有序排列的区域大大缩小。
项 目
钢 球 级 配
Φ23～50mm
钢 段 级 配
Φ20mm ×20mm ～Φ42mm ×42mm
产 品 细 度 R /% 49.5 51.0 功 率 消 耗/kW 3.8 4.4 单 位 功 耗 A/(kWh/t)
12.7
14.7
图 9 没 有 物 料 时 Φ0.3m 磨仓横断面照片
（ψ=74.2%，φK =30%，φG =0）
图 10 有 物 料 时 Φ0.3m 磨仓横断面照片
智能召唤
（熟 料 粒 度＜1mm ，约 2kg ）
图 11 脱离角和撞击角与磨机相对转数的关系
（d m =0.745m ，φk =30%,d k =d a q =30mm ）
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排列的钢球链向上运行，但重新整理有序排列的区域
界限不清楚。 滑落现象随转数升高而加剧。 钢段则因 为 与 磨 壁 附 着 性 好 ，运行特性受转数影响较大 ，转 数 增 大 ，αL 缩 小 ，β 无 大 变 化 ，可视作恒定不变 ，在 较 高 转数下钢段堆被很强地松散开 ，大部分钢段处于抛落 状 态 。 加 入物料后随转数升高 ，αL 缩 小 、β 增 大 （ 见 图 11）。 装 填 物被带起的高度更高 ， 其 运 行 状 态 与 Φ0.3m 磨
仓 的 照 片 （图 10）相 似 。 在改变磨机转数的 试 验 中 还 发 现 ，提高转数会使物料向磨壁集聚 ，尤 其 装钢球时更为明显。 钢段磨在所有试验转数下都能看 到一个排列无序的好似自由活动的钢段与物料 混 合 料堆，但它的断面积不大。 这个自由运动的混合料堆 要消耗更多的能量，并使装填料
（钢段和物料 ）循环次 数加大。 图 10 为加入细粒熟料后的照片 ，αL 和 β 的 状 态 和变化与图 9 相似。 其中图 10a 显示，加入物料后钢 球 滑 落 的 量 减 少 ，抛 落 的 量 增 加 ，重新整理有序排列 的区域界限看不清楚。 钢球与物料的抛落运动很明显 按 照 各自的固定轨迹运行 ，一部分被抛得较远 ，这 个 现象是钢球在上升阶段就进行有序排列运动的结果 。 照片还显示，大部分物料在上升运动的钢球之间向回 流动， 仅有少部分物料被抛到磨仓空间较远的地方 ， 图 10b 为钢段磨加入物料后的情况 ，与图 10a 比较主 要的区别是 ：虽然脱离角 αL 较小，但抛落轨迹宽度却 比较窄， 也分辨不清钢段有各自独立的抛落轨迹 ，很 明显，钢段能更好地携带物料一起运行 。 由于脱离角
（αL ）小 ，撞 击 角 （β）大 ，与 钢 球 比 较 ，沿磨壁向下滑落 的物料量也较少，磨内的钢段与物料单位时间的循环 次 数 也 比 较 高 。 研磨体循环次数高和携带物料 能 力 强，就是在连续粉磨中物料流速快和轴向混合程度差 的原因。
在 Φ0.745m 的磨机上做了磨机转数的 影 响 试 验 ， 钢球与钢段运行特性差别基本上与在 Φ0.3m 磨 上拍摄的情况相同 ， 并得出以下几个主要结论 （见 图 11）。 没有物料时，在所试验的转数范围内，钢球的 2000 年 W.Scheibe 的研究试验[2]
2 W.Scheibe 在 2000 年 11 月的一次 “矿物材料的
选 矿 与 再 循 环 ”的研讨会上作了一个关于 “改 善 球 磨 机湿法粉磨过程的试验研究”的报告，其中指
出，球磨 机的研磨体钢球与钢段各有其不同的优缺点 ，视粉磨 条件而异。 就发展趋势而言，对干法细磨，尤其在水泥 工业，用钢球比用钢段更为有利 ，粉磨效果好 ，特别是 单 位 能 耗 低 。 还有一个理由是 ，直 径≤20mm 高 耐 磨 的小钢球供货途径得到改善，使用这种小钢球在单位 磨耗方面也是经济的。 在他的一系列试验中也有一组 用钢球和钢段湿法粉磨的对比试验 ，所用试验球磨机 为Φ0.75m×2.5m ，研 磨 体 填 充 率 φk 为 25%，相 对 转 数
ψ 为 71.4%。 使用同质量 （单个质量约 44g ）的 单 一 尺 寸研磨体， 钢段尺寸为 Φ20mm×20mm ， 钢球直 径 为 22mm ， 因为一般认为钢段比同质量的钢球有更大的
茂发跳跳糖运行状态没有大的变化，αL 和 β 几乎没有改变， 由此 可 以 认 定 ，所装钢球不受磨机转数变化影响 ，始 终 以 相对恒定的循环次数运行。 还能清楚看出 ，数层有序
图 12 使用不同衬板和研磨体时 ，产 量 和
单位能耗与产品细度的关系
图 13 用钢球与钢段磨制的水泥比表面积对比
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乔 彬，等：钢球与钢段在水泥粉磨中的作用性能对比试验
比 表 面 积 ，对细磨更加有利 ，所 以 选 用 d 80=350μm 的 细砂作为粉磨物料作细磨试验。 试验时
选用了两种衬 板 ，一 种 为 平 衬 板 （G P ），另一种为带一道凸棱的 提 升 衬板（HP ），凸棱高 45mm ，材质为铸钢。
图 12 为这组试验结果汇总图。 总的来看，用凸棱 衬板的产量都高于用平衬板的 。 用凸棱衬板时 ，与用 钢段比，用钢球的优越性更加明显。 与此相反，在该试 验 条 件 下 ，使 用 平 衬 板 时 ，钢段所达到的产量高于钢 球的，因为钢段被磨机带起的高度高 ，粉碎作用大些 。 对 比 两者的单位能耗 ，在相同产品细度下 ，用 钢 段 总 是高于用同质量钢球的。 以上这些试验结果在用管磨 机作细磨试验也得到了证实 。 当 产 品 细 度 达 到 d 50 为 4～10μm 时，用钢段粉磨的单位能耗比用同质量钢 球时的单位能耗高出近 20kWh/t 。
试验时的物料喂料 量 分 别 为 15、25、35 和 45kg/h ， 待 磨况稳定后检测产品的比表面积和颗粒分布 。 从粉磨 效 果 上 看 ，用小钢球比用大钢球好 ，用级配钢球比用 单 一 尺 寸 钢 球 好 ，用钢球比用钢段好 ，部 分 试 验 结 果 绘于图 13。 从中可以看出，即使用级配钢段与单一尺 寸钢球比较，钢段的粉磨效果也不如可比直径的钢球 好。 粗钢段效果最差，细钢段虽有很大改善，但仍不如 可比直径钢球，如Φ10mm 钢球的效果好。 这里还要补 充 说 明 一 下 ，用 小 研 磨 体 ，包括钢球和钢段能够提高 产品比表面积和产 量 ，但颗粒分布变窄 ，n 值 高 ，水 泥 标 准 稠度用水量增大 ，对改善混凝土性能不利 ，大 研 磨体可以使产品颗粒分布变宽 ， 降低水泥用水量 ，生 产厂必须根据具体情况确定，选用合适级配的钢球。
4 结束语
本文所选的 3 篇文献各有侧重 ，第一篇揭示了钢 球和钢段在球磨机中的运行特性 ，包括研磨体对物料 的传输和在磨机横断面上的运行轨迹 ， 以 及 产 品 细 度、能耗等基本参数。 第二篇的试验用了工业生产常 用的凸棱衬板，检测了在不同产品细度下的产量和能 耗。 第三篇的试验更接近生产实际 ，检测了产品细度 这一主要参数，对现行的带辊压机的联合粉磨系统很 有 参 考 意 义 。 从这些文献所介绍的试验结果可 以 看 出 ，在水泥细磨球磨机中 ，用钢球比用钢段的粉磨效 果更好。 钢球的排列比较有序，按固定轨迹运行，携带 物 料 少 ，大部分物料都沉积在下面 ，受钢球冲击和研 磨的机会多，作用大。 所以不仅物料在轴向的运行速 度 慢 ，混 合 的 好 ，而且产品产量高 ，细 度 细 ，单 位 能 耗 低， 在使用淘汰的轴承滚珠作小钢球时效果更好 ，磨 耗 也 不 高 。 钢 段 则 相 反 ，在磨内排列比较乱 ，运 动 无 序，并不能充分发挥钢段表面积大和所谓线接触的优 势，携带物料多，有较大部分物料被抛在空中 ，受不到
3 200
4 年德国水泥研究所的试验[3]
德国水泥研究所也曾对几种水泥粉 磨 工 艺 和 配 球情况作了对比试验， 在 2004 年发表的文献中也有 一组钢球与钢段粉磨效果的对比数据 。 它是模拟在辊 压机和开路球磨组成的联合粉磨系统中 ，开
路球磨的 粉磨过程，所用试验磨为 Φ0.4m ×1.2m ，作连续式半工 业性粉磨试验。 所用物料为来自一家水泥厂经辊压机 和选粉机处理过的熟 料 细 粉 ， 勃氏比表面积为 245
m 2/kg 。 掺有助磨剂 ， 所用钢球直 径 为 6、8、10、13、15
和 20mm ， 各种钢球分别试验 ， 再 用 2 组 级 配 钢 球 做 试验，一组由 Φ13mm 和 Φ15mm 钢球组成，另 一 组 由
Φ6m m 、Φ8mm 和 Φ10mm 钢球组成。 钢段都用级配的
做 试 验 ， 一组用较小钢段 ， 段 径 分 别 为 7、8 和 9mm ，
另 一 组 用 较 粗 钢 段 ，段 径 分 别 为 12、17、19 和 20mm 。
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