（工商管理专业论文）火力发电厂球磨机改造的技术经济分析.pdf

摘要 球磨机经久耐用，煤种适应性广，是火力发电厂使用最多的磨煤设备。随着电力 事业的迅速发展，燃煤量不断增大。球磨机钢球和衬板的磨损消耗量也越来越大。球磨 机所具有的电耗率高、噪声大等缺点也日趋明显。为了保证电力事业的可持续发展，进 一步减少发电费用的投入，降低国家能源的消耗，对球磨机进行技术改造就显得十分必 要了。 影响球磨机经济运行的因素较多，首先是钢球和衬板由于选材和匹配不当，磨损 严重、消耗量大。其次是制粉系统电耗率偏高。 本文通过对球磨机铜球和衬板的磨损机理和失效原因分析，根据煤质的差别提出 了三种钢球和衬板匹配方案。并且分别以内蒙古海勃湾发电厂( 1 0 0 m w 机组) 和内蒙 古丰镇发电厂( 2 0 0 m w 机组) 为例，对上述三种方案和近年来我国火力发电厂普遍采 用的几种方案进行了较为详细的探讨，经过技术经济分析和比较，为以上两个发电厂确 定了经济合理的钢球和村板匹配方案。 球磨机制粉系统电耗占发电厂厂用电的比例较大，浪费了大量的电力资源。本文 分别从运行管理和维修管理方面提出了一些技术措施和方案。但是针对一台具体机组， 应该对球磨机制粉系统进行调整试验研究，然后再确定改造方案。本文结合实例对调整 试验研究改造进行了技术和经济效果分析。球磨机的运行噪声是锅炉车间最强的噪声 源，降噪改造具有重要的社会意义。本文给出了一些具体降噪技术方案，供各发电厂参 考选用。这方面的改造没有经济效益，但是按着国家环保和工业噪声标准的要求，发电 厂在条件允许的情况下应积极进行改造。 在技术经济评价中，本文采用了费用现值法、差额内部收益率法和费用一效益分 析法等经济学方法对各方案进行了比较分析。火力发电厂的发电成本主要是煤耗，球磨 机的运行费用只是发电费用中的一小部分，所以本文没有做风险分析和敏感性分析。本 文中使用的各项技术数据和指标均按国家电力企业有关规范执行，其余数据均按内蒙地 区实际情况取定。 通过讨论可以初步得出以下几点结论： 1 本文提出的三种钢球和衬板匹配方案并不是绝对的，发电厂具体采用时，必须 经过生产试验验证和技术经济分析。 2 球磨机钢球和衬板匹配方案选用的条件首先是经济合理，即在差额内部收益率 大于基准折现率的基础上，费用现值越小越经济。其次是在经济合理的基础上保证金属 磨损消耗量越低越好。 3 球磨机制粉系统电耗率降低改造针对的是具体机组，各个发电厂情况不同，改 造方案可能会有较大区别。实际改造时必须请专业技术人员对球磨机制粉系统进行调整 试验研究，方可制定改造方案。 关键词：球磨机；技术；改造；经济分析 a b i s t r a c t t h eb a l lm i l li sd u r a b l ea n da d a p t e df o ra l lk i n d so fc o a l i ti st h em a i ne q u i p m e n to f t h e r m a l p o w e rp l a n t 、m t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e rc a u s e ，t h eb u r n i n g c o a li s c o n s t a n t l ye n l a r g e d t h ew e a rc o n s u m p t i o n o fs t e e ls p h e r ea n d b a c k i n g s h e e ti sa l s om o r ea n d m o r e b i g t h ee l e c t r i c i t yc o n s u m i n g a n dn o i s ea r e h i g ho b v i o u s l y i t i s i m p o r t a n t t o r e c o n s t r u c tf o rb a l lm i l lw h i c hc a l lm a i n t a i nt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rc a u s e ，r e d u c et h ei n p u t o fc o s ta n dn a t i o ns o u r c eo f e n e r g y t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eb a l lm i l lo p e r a t i n ge c o n o m i c a l l yi sm o r e f i r s t t h ew e a r c o n s u m p t i o no fs t e e ls p h e r ea n db a c k i n gs h e e ti ss e r i o u s s e c o n d l y , e l e c t r i c i t yc o n s u m i n g r a t e o f m a k i n g p o w d e rs y s t e m i sh i g h n l r e ek i n d so fs t e e ls p h e r ea n dt h eb a c k i n gs h e e tm a t c h i n gs c h e m e sh a v eb e e np u t f o r w a r di nt h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s t h em a t c h i n gs c h e m e sa r e s t u d i e di nd e t a i lb yi n n e rm o n g o l i ah a ib o w a np o w e rp l a n tf 1 0 0 m wu n i t ) a n df e n gz h e n p o w e rp l a n t ( 2 0 0 m wu n i t ) a n dt h es u i t a b l em a t c h i n gs c h e m e s a r es e l e c t e df o rt w o p l a n t s m u c hp o w e rr e s o u r c eh a sb e e nw a s t e db e c a u s eo fh i g he l e c t r i c i t yc o n s u m i n go fm a k i n g p o w d e rs y s t e m s o m et e c h n o l o g ym e a s u r e sa n ds c h e m e s a r ep u tf o r w a r dw i mt h em o v i n ga n d m a i n t e n a n c em a n a g e m e n t b u t t h et e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o ns h o u l db ec a r r i e do nb yw a yo f s t u d y i n ga n dt e s tt ot h em a k i n gp o w d e rs y s t e mo ft h eb a l lm i l l t e c h n o l o g ya n de c o n o m y e r i e c ta n a l y z i n gh a v eb e e nd o n ec o m b i n i n gt h ee x a m p l ef o rt h ew h o l et r i a ls t u d y i n g t h e o p e r a t i n g n o i s eo f b a l lm i l li st h es t r o n g e s tn o i s es o u r c eo f b o i l e rw o r k s h o p s o m et e c h n o l o g y s c h e m e sh a v eb e e ng i v e nt of a l ln o i s e t h i sr e c o n s t r u c t i o nh a sn oe c o n o m i cb e n e f i tb u t a c c o r d i n g t on a t i o ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n dt h e i n d u s t r y n o i s ec r i t e r i o n t h e r e c o n s t r u c t i o ns h o u l d b ed o n ef o rp o w e r p l a n t t h ee c o n o m i cm e t h o d ss u c ha sc p v ( c o s tp r e s e n tv a l u e ) ，a i r r ( i n t e m a lr a t eo f r e t u r n ) a n dc b ( c o s t - b e n e f i t ) a r ea d o p t e dt oj u d g et h ep r o j e c t s t h em a i nc o s to ft h e r m a lp o w e r p l a n tc h i e f l yi st h ec o a lc o n s u m p t i o n ，a n d t h eo p e r a t i n gc o s to fb a l lm i l li so n l yt h eo n es m a l l p a r t i ti sn o tn e c e s s i t yt od or i s ka n ds e n s i t i v i t ya n a l y s i s a 1 lt e c h n o l o g yd a t aa n dq u o t a si n t h i sa r t i c l ea r ea 1 1c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fn a t i o np o w e r e n t e r p r i s e a n da l lm e o t h e rd a t aa r et a k e n a c c o r d i n g t o 也ei n t e r i o rr e a lc i r c u m s t a n c e so f i n n e r m o n g o l i a d i s t r i c t w ec a nd r a ws o m ec o n c l u s i o na f t e rd i s c u s s i o n ： 1 i ti sn o ta b s o l u t ef o rt h et h r e ek i n d so fs t e e l s p h e r e sa n db a c k i n gs h e e tm a t c h i n g s c h e m e s t h e y c a nb eu s e di nt h ep o w e t p l a n ta f t e rt e c h n o l o g i c a lt e s ta n de c o n o m i ca n a l y s i s 2 t h ec o n d i t i o no fc h o o s i n gs t e e l s p h e r e sa n db a c k i n gs h e e tm a t c h i n gs c h e m ei s e c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l ef i r s t l y i no t h e rw o r d ，w h e na i i 汛i s b i g g e rt h a ni c p vi sm o r e s m a l la n dm o r ee c o n o m i c a l n e x ti st h a tw e a rc o n s u m p t i o nc a p a c i t yi sm o r e1 0 wa n dm o r e g o o d 3 t h er e c o n s t r u c t i o na b o u tr e d u c i n ge l e c t r i c i t y c o n s u m i n gr a t e o fm a k i n gp o w d e r s s y s t e m s i s a g a i n s td i r e c t l y t h ec o n c r e t eu n i t e a c h p o w e rp l a n t i s d i f f e r e n t ，a n d t h e r e c o n s t r u c t i o ns c h e m ei sp r o b a b l yd i f f e r e n t 1 1 1 er e c o n s t r u c t i o ns c h e m ei sl a i dd o w na f t e r p r o f e s s i o n a ls k i l lp e r s o n n e l st e s ta n dr e s e a r c h t ot h eb a l im i l ls y s t e m k e yw o r d s ：b a l j m il i ：t e c h n o l o g y ；r e c o n s t r u c t i o n ；e c o n o m i oa n a l y s js 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 0 前言 电力是经济的基础和命脉，是现代社会发展的主要能源。电力工业的发展形势、水 平对国民经济起着先导、支柱和基础的作用。 概括的讲，电力可以分为发电、供电、用电三大环节。为了适应国家经济发展的需 要，为工业、农业等各个行业提供充足的电力资源。多建电厂，增加装机容量当然是主 要的也是必要的渠道。但是毕竟要受到资金不足以及一次能源( 煤、油、水等) 、交通 运输、物资设备和建设工期等条件的限制。因此，更有必要发挥科技的先导作用，进行 技术改造、技术创新和科研攻关，探索行之有效的方法和措施，进行科学管理，经济运 行，以发挥现有设备的潜力，多发、稳发、满发、多供。 2 0 0 0 年底，全国发电设备总装机容量为3 1 6 亿k w ，火力发电装机容量占整个装 机容量的比重为7 5 6 8 。全国各发电厂共发电1 3 5 0 0 亿k w h ，火电设备发电量占整个 发电量的8 1 5 7 ，全国发电量和装机容量均居世界第二位。运转如此庞大的发电设备， 消耗掉的燃料也是惊人的。火力发电的燃料主要是煤，2 0 0 0 年，全国6 0 0 0 k w 及以上 电厂消耗原煤量为5 3 亿吨。这5 亿多吨煤，无沦发电还是供热，在它们进入锅炉燃烧 之前，绝大部分都要经过磨煤机进行磨碎。所以，磨煤机的工作效率、钢球和衬板的耗 用、制粉效果及自身电耗等与发电厂的发电成本及经济效益密切相关。 磨煤机，特别是磨煤球磨机是我国火力发电厂煤粉制备系统使用最多的磨煤设备。 其设备性能的好坏，直接影响到发电厂的安全文明生产和经济运行。同时，在冶金矿山 的选矿、建材行业的水泥生产等行业，球磨机也有广泛的应用。球磨机在运行中，球对 球、球对煤、球对衬板的磨擦和撞击，一方面使原煤破碎且磨成煤粉，另一方面也使钢 球和衬板因碰撞磨擦而造成损伤。球磨机钢球和衬板是制粉系统中磨损严重、消耗量最 大的易磨损件。1 9 9 7 年，全国火电、水电站备品、配件约为1 2 3 5 万吨，其中磨煤机钢 球和衬板约为3 2 5 5 万吨，占整个备品配件的四分之一多。而其中球磨机的钢球和衬板 又是磨煤机中的主要易磨损件，占磨煤机易磨损件的8 0 以上。由于选材不当，防磨措 施不力，造成不同电厂之间吨煤金属耗量相差几倍。因此，球磨机中钢球和衬板的选用 及材质的匹配已经越来越引起电力部门管理人员和电厂经营人员的重视。如何根据不同 电厂机组的情况及煤质的差别，对球磨机钢球和衬板的进行经济选用及材质的合理匹 配，将是火力发电厂球磨机技术改造的一个重要方面。 火力发电厂球磨机的体积、自重和耗能都很大。但其结构简单，维护方便，煤种适 应性广。所以，尽管球磨机有很多缺点，仍是火电厂广泛使用的主要磨煤设备。球磨机 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 的电耗一般在1 5 2 7 k w h t ( 度t 煤) 。以3 0 0 m w 机组为例，每年需烧煤1 0 万吨，机组 仅磨煤一项就需耗电1 5 0 1 0 4 2 7 0 1 0 1 k w h ，约占机组年发电量的1 ，占厂用电量的 1 5 3 0 ，如此大的耗能相当可观。所以，加强运行和维修管理，通过制粉系统调整试 验对球磨机进行技术改造、科研攻关，采取有效措施降低磨煤电耗，节约电力资源的浪 费是非常必要的。 球磨机是发电厂用来粉碎煤块所必需的设备，是利用电动机带动球磨机简体旋转， 筒内钢球被抛起后又自由落下，使钢球与筒体及被加工的煤块之间发生撞击和研磨，把 煤块逐渐粉碎。球磨机的噪声很高，一般都在9 5 1 2 0 d b ( a ) 之间，是电厂最强的噪声 源之一。降低球磨机的噪声是保护电厂职工健康的需要，也是国家工业噪声卫生标准的 要求。球磨机的噪声是典型的机械噪声，是多声源噪声。充分利用科学技术，对火力发 电厂球磨机进行噪声降低的改进和改造具有重要的社会和环保意义。 本文主要从球磨机钢球和衬板的磨损机理出发，对球磨机钢球和衬板进行经济选用 和合理匹配，通过制粉系统调整试验降低球磨机的电耗率，对球磨机的运行噪声进行控 制与降低这三方面探讨火力发电厂球磨机技术改造的方案和措施，并对各方案做技术经 济评价。通过本文的论述和探讨，希望能给我国电力系统中应用球磨机作为主要制粉设 备的火力发电厂或发电公司提供技术改造的建议和意见，以提高我国火力发电厂的经济 运行水平。 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 1 球磨机的发展现状分析 随着我国经济的迅速发展，电力工业正以前所未有的速度发展。许多大容量、高参 数的机组正在建设和投产，为国民经济的持续发展创造了有利条件。为了适应经济发展 的需要，电力工业总产值、发电量、设备装机容量将不断增大，燃煤的消耗量也在不断 增加。如此大量的原煤在送入炉膛燃烧前都要经过磨煤机，主要是球磨机的粉磨，所以 球磨机设备的性能、磨粉工作效率( 出力) 、制粉系统电耗、钢球和衬板的磨损情况就 与发电厂的费用投入和稳定运行息息相关。而上述几种与球磨机有关的影响因素中，钢 球和衬板的磨损和消耗所占的比重较大。本章将就我国火力发电厂磨煤机情况、电厂选 用磨煤机的原则、球磨机钢球和衬板的使用和发展情况做简单论述和介绍。 1 1 电厂选用磨煤机主要考虑因素 目前，我国火力发电厂共有各型磨煤机6 5 0 0 台左右，其中球磨机3 6 0 0 多台，中速 磨1 1 0 0 台左右，风扇磨1 2 0 0 台左右，球磨机所占比重超过二分之一。 2 0 0 0 年，我国燃煤火力发电厂燃煤消耗量为5 3 亿吨。这5 亿多吨煤大部分就是用 这6 0 0 0 多台磨煤机磨成煤粉喷入炉膛进行燃烧的。磨这么多煤，根据锅炉和煤质的情 况，需要选用各种形式的磨煤机。发电厂选用磨煤机时，燃用的煤质情况是考虑的主要 因素之一。 不同煤矿的煤质有很大区别。判断煤种的优劣，大约有八项指标，即发热量、固定 碳、挥发份、灰份、水份、含硫量、可磨性系数、磨损指数。其中，磨损指数表征煤在 破碎时对金属的磨损性大小，和煤中的石英、黄铁矿、菱铁矿的含量有一定关系。而可 磨性系数则是用来表征煤被破碎的难易程度。可磨性系数是在研磨物料时所消耗的功 ( 能量) 与所产生的新的表面积的比，即煤被破碎到要求的细度时所消耗的能量的多少。 容易破碎的煤不一定是弱磨损性，而不易破碎的煤也不一定磨损性强。 发电厂磨煤机的选型除通常考虑的因素外，还应该根据煤的磨损指数和煤质的情况 来确定，表1 1 列出了根据煤质和磨损指数选择磨煤机的一般原则。 高速磨有风扇磨、锤击式磨煤机等；中速磨有球环、碗式和平盘辊式等：低速磨有 球磨机等。火力发电厂对磨煤机的选型及制粉系统的布置除从锅炉型式、出力大小和负 荷性质以及煤的发热量、挥发份、灰份、水份等项指标考虑外，还应该考虑煤种的磨损 特性。例如，内蒙古呼和浩特发电厂撑5 和# 6 机组，设计煤种是内蒙古乌海市乌达矿物 3 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 表1 i 煤的磨损特性与磨煤机的选型 l 磨损指数( k e ) k e 3 5 1 i煤的情况褐煤及部分烟煤烟煤煤中矿物质含量+ 1 2 l 应选磨煤机类型高速磨中速磨低速磨 矿物质含量指石英、黄铁矿和菱铁矿含量百分数。 局的烟煤。该煤的磨损指数k e - - - - 1 8 ，矿物含量8 ( 主要是黄铁矿) ，根据表1 1 该采用 中速磨。但是，电厂实际烧用的煤种混杂，而且煤中的杂质含量无法控制，只好采用比 较“皮实”耐用的d t m - - 2 9 0 4 1 0 型球磨机1 1 j 。 我国所产的煤大部分是烟煤，约占7 5 ，褐煤约占3 8 1 。国家的政策是大力提倡 用中速磨，能用风扇磨的尽量用风扇磨，煤种差时才用球磨机。而从劳动保护的角度来 考虑，也应限制采用球磨机。因为火力发电厂球磨机的噪声是锅炉车间最强的噪声源。 球磨机噪声很高，一般都在9 5 1 2 0 之间，这是不符和工业企业噪音卫生标准的， 必须下降到9 0d b ( a ) 才行。工业企业允许噪音标准见表1 2 l z l 。 表1 2 工业企业允许噪音标准 t a b l e1 2c r a c ks t a n d a r do f i n d u s t r ye n t e r p r i s e 每个工作日接触噪音时间( h )允许噪音声级 d b ( a ) ) 89 0 49 3 29 6 l9 9 最高不得超过15 d b ( a ) 球磨机既然有这么多的缺点，为什么现在电力系统还如此广泛的应用呢? 主要是现 在煤的质量太差。煤中含有铁块、石块、木块等杂质，使中速磨和风扇磨的推广应用受 到了限制。另外，各火力发电厂所燃用煤种不固定，煤质时好时坏，所以干脆就采用“皮 实”的球磨机算了。目前球磨机的比重较大，这与我国煤的资源情况是不相称的。 1 9 9 6 年，原电力部对国内外火电大机组主要辅机进行过调查研究，对各类磨煤机的 造价、重量、占地和耗电量做了相对比较，见表1 3 。 根据表1 3 中所列比较数据，中速磨的各项指标最好，且噪音小，钢球和衬板消耗 小，应大力推广。风扇磨有集粉碎、干燥、输送煤粉于一个设备上的优点，且操作灵活， 4 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 表1 3 各类磨煤机造价、重量、占地、耗电量比较 磨煤机类型造价重量占地耗电量 中速磨 】0 01 0 01 0 01 0 0 高速磨 1 0 71 3 31 6 71 3 7 低速磨 1 0 7 518 62 4 31 7 1 所以也应该推广使用。尤其是内蒙古、辽宁、山东和云南等省区，褐煤产量较多，应尽 量采用风扇磨。 1 2 球磨机钢球和衬板的发展过程 磨煤机是锅炉制粉系统的关键设备。七十年代以前，我国磨煤机的磨型单，大多 采用钢球磨煤机。七十年代后期，e 型中速磨煤机和风扇磨相继进入我国。八十年代初， 引进了r p 磨煤机和m p s 磨煤机的制造技术，并开始批量生产。八十年代末期，双进双 出钢球磨煤机、h p 磨煤机和m b f 磨煤机开始进入我国电力系统。目前，我国已经可以 根据煤质、炉型等情况，选择合适的制粉系统和磨煤机型式。但是，由于我国煤的生产 和销售比较混乱，各个发电厂煤的使用情况又比较复杂，导致中速磨和风扇磨等性能较 好、钢球和村板消耗较少的磨煤机的推广使用受到了一定的限制，所以目前我国电力系 统磨煤机仍然以球磨机所占的比重较大，约占到6 0 左右。 火力发电厂球磨机最容易损耗的易磨损件就是钢球和衬板。其中钢球的问题最多， 其次是衬板。如a 3 锻钢球和普通铸铁球，平均每吨煤消耗钢球竟达1 3 5 1 5 k 2 ，与国 家所规定的定额3 5 0 9 t 指标相去甚远。2 0 0 0 年底，我国磨煤机易磨损件达到4 0 多万吨， 占整个水、火电站易磨损件的四分之一多。如果将磨煤机易磨损件的寿命提高一倍，即 可节约2 0 万吨钢材，每吨按0 3 万元人民币计，一年就可节约6 亿元人民币，经济效益 是相当可观的。 球磨机磨煤时，从理论上讲钢球滑移到5 3 。时以抛物线轨迹落下，衬板受小能量多 次重复冲击和煤粒及钢球在其表面的滑移，所以表层发生接触疲劳、梨削、挤压、塑性 变形、显微裂纹、剥离，故失效过程是复杂的。钢球经滑移研磨，本身又要滚动。当按 抛物线落下时发生球对球、煤对球、衬板对球的反冲击。钢球受切削、凿削、变形梨沟、 疲劳剥落和脆性剥落等失效过程。因为煤中有水份，磨煤机入1 2 1 处热风约为3 0 0 4 0 0 。c ， 严格的说应该有氧化和腐蚀的问题，但是这里可以忽略。所以球磨机的磨损机理可以认 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 为是以磨料磨损和冲击磨损为主。 衬板的材质多年来选用高锰钢m n l 3 ，经水韧处理后，其硬度为布氏硬度h b l 8 0 2 2 0 ，而衬板残体的布氏硬度仅有h b 2 5 0 3 6 0 ，没有发挥出高锰钢的加工硬化特性。高 锰钢适用于高冲击负荷的凿削磨损零件，象挖掘机的斗齿，其残体硬度可达洛氏硬度 h r c 4 5 5 5 ( 折合成布氏硬度应为h b 4 2 4 5 5 4 ) 。高锰钢自十九世纪八十年代初英国人 h a d f i e l d 申请专利以来，已经一百多年了，它无疑是一种好的耐磨材料。但是选做球磨 机衬板，只发挥了用作斗齿的5 9 6 5 的作用，可以说是不很恰当的。而且高锰钢易流 动，致使衬板残体不易拆下。对于小直径球磨机的衬板，我们应选用中锰白口铸铁、马 氏体白口铸铁、镊硬铸铁、硼系合金自口铸铁、高铬铸铁，甚至可以考虑选用钨自口铸 铁、钒白口铸铁。可以根据磨煤机的直径从小到大，依上述次序来选用。也可以选用中 锰球墨铸铁来做衬板。对于大直径的球磨机可以选用低合金钢来做衬板，如3 0 m n s i t i 、 3 0 c r n i m o r e 、4 2 c r m n 2 s i m o 、4 0 c r m n 2 s i v b 、3 0 c r m n s i m o t j 、4 0 c r m n s i m o r e 、6 c r 4 m 0 3 w 2 v a l 、 7 0 m n 2 m o r e 等。用作衬板的材质其硬度应低于钢球的硬度，因为电厂更换衬板是项繁 重的工作。宁肯让衬板的寿命长，而不愿让球的硬度大子衬板，而造成频繁更换衬板。 七十年代到八十年代，小钢球惯用材料为普通三号钢锻制而成，也有用各种杂牌钢 锻制或轧制的，甚至有用自口铸铁、灰口铸铁和可锻铸铁球的。这样就使磨一吨煤需要 1 5 k g 左右的黑色金属材料。七十年代后期，每年发电燃煤消耗量近1 亿吨时，需要消 耗钢铁材料就超过1 0 万吨了，所以小钢球逐渐被人们重视起来。现在已经相继研制出 了稀土镁中锰球墨铸铁球、低碳白口铸铁球、4 5 m n 2 余热淬火钢球和高铬铸铁球等。八 十年代末期，经大同发电总厂平旺热电厂对小钢球进行对比试验，结果是兰州电力修造 厂生产的4 5 m n 2 余热淬火钢球的各项指标晟好，每吨煤只需0 2 3 2 元。江西电力修造厂 生产的稀土镁中锰球墨铸铁球是每吨煤需要0 3 9 4 元，浙江电力修造厂生产的低碳白口 铸铁球为0 4 1 7 元。当然，钢球的售价是否十分合理，也是个问题。铸造球应该也是一 个方向，只要严格按照相关的工艺来制造，低碳白口铸铁球和中锰球墨铸铁球以及高铬 铸铁球等也是很好的，特别是铸造质量要把好关。当然，应该根据煤的磨损指数和磨煤 机直径大小来选用钢球，最后综合表现在每吨煤需要多少钱。“。 八十年代后期，大连工学院在自制的磨料磨损试验机上对几种材质的钢球进行了无 冲击和有冲击磨料磨损失重的试验。得出的结论，耐磨性能好坏的相对顺序是：高铬铸 铁、低合金铸钢、4 5 m n 2 中锰球铁、低碳白口铁、碳钢。各火力发电厂应该根据这个耐 磨顺序，因地制宜的择优选用钢球，当然，应该积极采用耐磨性好、经济效益高的钢球。 6 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 2 影响球磨机经济运行的主要因素分析 影响球磨机经济运行的因素很多，也很复杂。本文将就几个主要因素进行讨论。即 钢球的磨损、衬板的磨损和破坏以及钢球和衬板的材质选用和合理匹配，球磨机制粉系 统的电耗及球磨杌的运行噪声。 2 1 球磨机钢球的磨损过程和失效分析 球磨机是应用于电力、冶金、矿山、化工、建材、水泥等工业的一种重要粉碎设备。 钢球是球磨机中磨损最严重、消耗量最大的易磨损件。2 0 0 0 年，我国大约消耗掉钢球 1 2 0 1 4 0 万吨，其中电力工业用量约2 0 2 4 万吨。目前，我国燃煤火电厂使用的球磨 机绝大部分采用普通锻钢球做为钢球，球耗相当高，一般为3 5 0 4 5 0 9 r 煤。由于普通 锻钢球耐磨性差，致使金属消耗量大，生产成本高，球磨机出力不稳定，补球及清仓筛 选次数频繁，不仅严重影响磨煤机运转率，而且浪费大量人力和资金。 我国钢球制造使用的钢铁材料十分复杂，材料性能与球的质量也没有严格的标准， 因此使用以后钢球很快被磨小及发生失圆现象，同时还会影响研磨物料的效率。我国磨 制一吨成品时，钢球的磨耗要超过国外锻钢及白口铁钢球的2 3 倍。钢球的过度消耗 与钢球设计、制造材料及材料的加工都有关系，但是当前最主要的问题是未能选用优质 材料和质量的钢球。 球磨机的工况是当滚筒转动时，研磨介质( 钢球) 与被研磨矿料( 煤等) 紧密混合， 而且钢球与大块煤块一起由于离心力及摩擦力的作用基本上是在筒壁的固定位置，沿着 筒壁升到一定高度而达到动平衡，此时有m v 2 r = m g c o sa ，如图2 1 所示。钢球和煤 料沿着在筒内堆积的煤堆的自由表面奔流落下，或者脱离此表面，如同瀑布似的泻落到 煤堆的根部。从高处泻落的钢球及煤对煤堆根部的钢球及煤进行直接冲击，而对衬板则 是通过煤堆积层进行间接冲击。煤料此时是被冲击破碎和凿削破碎，奔流落下的钢球和 沿筒壁下滑的钢球则对煤料进行剪切破碎，卡在钢球与钢球及钢球与衬板之间的煤料则 被继续碾研细碎。 球受到的冲击载荷与球磨机直径、转速、钢球大小及磨料的破碎强度有关。根据钢 球冲击动能的理论计算公式：e 。= 1 2 m ，= 1 2 m d 2 c o s ( 1 + s i n ) 在直径3 2 m 的球 磨机中，= 5 6 ，0 5 ，l o o m m 钢球受到的冲击动能是3 0 5 j 。这与实际计算的情况，在 直径2 9 m 的磨机中，7 6 m m 的钢球，自由落下高度为1 9 5 m ，冲击速度5 3 3 m s ，受到的 7 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 m 图2 1 作用予钢球的力 f i g u r e2 1 f o r c eo fs t e e l s p h e r e 冲击动能是2 5 8 j ，在数量级上完全符合。国外马氏体n i c r 白口铁的冲击强度是8 】5 1 t ( i s o r 9 4 6 ，中2 0 无缺口冲击试样) ，已经用于制做钢球。而高铬钼白口铁有更高的冲击 强度，正在发展成为重要的钢球材料，特别是在铁矿山湿磨矿石，大约一半以上的球磨 机都将改为高铬铸铁研磨介质。 钢球在球磨机内重复地进行冲击，表面受到的应力高达2 5 0 0 n m m 2 。材料发生流变， “翻皮”及加工硬化而再次冲击就可能产生裂纹。在重复冲击的条件下，裂纹连续扩展， 交织成网就导致被裂纹包围的一块材料脱落，如此产生冲击形变磨损。煤块对钢球的冲 击还可以将“翻皮”冲断而产生磨损。抵抗形变磨损要求钢球材料具有较高的韧性及较 低的含碳量与良好的碳化物形貌。多棱角的煤块被钢球与钢球或钢球与衬板展开细碎 时，将用较大的切削力对钢球和衬板进行切削磨损。钢球抵抗切削磨损的能力是影响工 件磨耗的重要因素，钢球材料的硬度与煤块硬度之比决定磨耗大小，因为材料的硬度高， 不仅能够抵抗磨粒的侵入，而且因为剪切强度高，还能抵抗磨粒的切削。例如，白口铁 是多相组织，其中碳化物相具有高于一般石英磨料的硬度，而基体相硬度低于石英磨料。 当较软的基体组织被选择磨损及显微切削后，碳化物就成为抵抗磨损的基干，而且碳化 物在磨损时还会变形后覆盖在磨面上，保护磨面。但突出表面的碳化物被磨粒撞击折断 或从根部脱落时，则抗磨性显著降低。因此，白口铁既要求有高的宏观硬度也要求基体 组织具有高的显微硬度，才能保护与支持碳化物“3 。 钢球的表面材料也会受到重复的弹性冲击。此时因为冲击速度小及冲击的延续时间 长，就可以近似地认为磨粒与钢球材料是静态的弹性接触。根据赫兹的弹性接触理论分 析，重复的弹性冲击除引起表面的弹性形变外，还会在亚表层产生最大剪切应力。重复 的弹性冲击引起亚表层内交变的剪切应力及在应力集中处萌生疲劳裂纹。裂纹在冲击应 8 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 力作用下，在平行于表面的方向扩展到一定长度后再向上扩展，最终表皮发生剥落，即 产生冲击疲劳磨损。根据上述钢球的磨损原理和钢球在球磨机中的工作情况，钢球的磨 损失效可以概括为下面几种机制。 切削和凿削磨损：钢球在球磨机的运动上升阶段，与物料相对滑动。被磨物料煤中 含有l o 左右的灰分，灰分中含有s i 0 2 、a 1 2 0 3 等硬的组成物，对表面可起切削作用， 形成切屑，在表面留下沟槽，造成磨损。由于煤中硬组分比例较低，因而沟槽只在磨面 局部地区不均匀分布。硬组分磨粒硬度、尺寸不同，因而所形成沟槽深浅不一，宽窄有 异。此外由于钢球运动形式复杂，切削路径也不同，相对滑动中发生长程切削，形成较 长的磨沟。当有滚动时，出现短程切削，形成较短沟槽，发生冲击时，局部凿削，形成 孤立的凿削坑。因而最后形成微观磨面上的纵横交错、杂乱分布的切自沟槽和孤立的凿 削坑，对局部软区则会形成严重的切削磨损。 变形磨损：钢球与物料相对滑动和冲击接触时，除去直接切削和凿削，还有梨沟变 形和凿削变形伴随发生。金属被推挤至沟槽和凿削凹坑外侧，在物料重复作用、金属反 复变形下，因为应变疲劳产生裂纹，裂纹扩展、连接，形成梨屑薄片，自表面脱落。硬 度较高的材料变形磨损作用较小，硬度较低，塑性较大的材料变形磨损的比例较大。 疲劳磨损：钢球中存在疲劳过程，根据疲劳剥落的尺寸大小可区分为宏观疲劳剥落 和微观疲劳剥落两种。在铸球中( 低碳白口和中锰球铁) 两类疲劳都发生，在锻钢球中 只有微观疲劳剥落发生。疲劳过程包含疲劳裂纹的形成和扩展两个过程，而疲劳裂纹的 形成取决于应力状态和材料情况。铸球中冶金质量不好，存在铸造缺陷( 气孔、缩孔、 夹杂等) ，缺陷处应力集中容易形成裂纹，在较短的疲劳周次下可扩展到边缘，形成宏 观大块剥落，导致表面失圆，这种宏观疲劳剥落是铸造钢球中特有的危害性最大的一种 磨损方式。微观疲劳剥落由磨面和亚表层特征综合确定，如前所述，是由表层或亚表层 的疲劳裂纹扩展形成的浅层剥落，其尺寸较小。疲劳裂纹的形成取决于钢球的受力和应 力状态。磨料在抛落运动时与物料或钢球撞击，受到冲击正应力，在上升运动时发生滚 动与相对滑动，也受到正压力和切向力，均可引起赫兹型接触压力。表层下最大切压力 引起塑性变形和位错运动，使位错堆积，应力集中，从而引起脆性相本身( 渗碳体相) 或脆性相( 石磨) 与基体界面处的开裂。当组织中不存在脆性第二相时，则在界面缺陷 处产生裂纹。此外也可在压表层动态回复区和硬化区交界处形成裂纹。 脆性剥落：铸铁钢球中处于表面的脆性第二相( 渗碳体、石磨) 在磨损中发生开裂、 断裂和剥落，形成较小的剥落坑。脆性剥落可促进微观疲劳浅层剥落的发生。 以上几种机制并非同时对钢球失效起主要作用，对不同材料、不同工况条件起主要 作用的磨损机制是不同的，或者起作用的程度不同。钢球磨损机制的变化，大约有以下 o 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 四种情况。 球磨机大小不同：根据低碳白口铸铁钢球在2 5 0 3 9 0 和3 8 0 5 5 0 两种不同型号的球 磨机磨损和失效分析情况可以看出，大磨机中有较高的破碎率，亚表层裂纹形成更严重， 说明大磨机中钢球承受冲击作用较大，疲劳剥落和脆性剥落成为主要机制，切削和变形 机制起次要作用。而在较小磨机中，二类机制发生的比例有所变化，钢球的磨损失效以 切削和变形机制为主要形式。 钢球材料不同：如前所述，铸铁钢球与锻钢钢球磨损机制不同，铸铁钢球中有脆性 第二相和铸造缺陷，因而会出现特有的宏观疲劳剥落和脆性相的剥落机制。此外，微观 疲劳剥落由于脆性剥落的加速和脆性相裂纹源的存在，发生的程度也更为严重些。而 4 5 m n 2 一类锻钢球中，则除去切削和变形机制外，只有微观疲劳机制存在，其程度也较 轻微，因此4 5 m n 2 的磨损远较铸铁钢球为小。 磨料特性不同：广泛而言，磨料硬度不同，各种机制所起作用不同。对磨煤钢球， 煤中所含灰分比例不同，对切削机制所起作用有影响，煤中灰分比例越大，煤料硬组分 越多，则切削机制作用增大，切削磨损更为严重。 运行时间不同：运行时间不同，也会引起磨损机制的变化。主要由于钢球内外组织 的差别所引起。以中锰球为例，内外石墨化程度不同，表层一般石墨化不足，面有白化 发生，表层较硬，因而磨损初期，切削轻微，碳化物剥落和微观疲劳剥落较为严重。而 随着时间的增长，表层磨掉后，出现石墨的剥落和疲劳磨损，切削作用有所增加。 2 2 球磨机衬板的失效方式和原因 球磨机衬板一般包括端衬板、隔仓板、筒体衬板等，是我国火力发电厂主要易磨损 件之一。根据树板实际生产中的使用情况分析，衬板的失效形式主要是磨损，其次是断 裂和变形。 在正常情况下，影响球磨机衬板使用寿命的主要原因是磨损。而影响衬板磨损的主 要因素有：物料的粒度、硬度、易磨性：衬板结构型式；衬板材料的耐磨性；磨机直径、 转速；衬板报废时剩余重量对原重量的百分比也是参考的因素。衬板使用寿命的长短， 主要受钢球和煤料的磨损和腐蚀特性及衬板材质的耐磨性的影响，某种程度上也受衬板 的结构型式的影响。 球磨机在运转过程中，抛落的钢球不可能按抛物线轨迹自由抛落，而必然受到周围 钢球及物料的约束和碰撞，从而影响钢球的降落点。同时，衬板与研磨体、研磨体之间 产生的滑动及钢球的滚动、物料与钢球在运转中填充覆盖的面积大大地减少了钢球与衬 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 板间的直接撞击能量，因此，冲击不是主要的破碎力。最有效的磨制是钢球在滑动和翻 滚下，物料伴随钢球贴在筒壁( 衬板) 磨压碾碎作用。衬板处在三体磨损中，钢球与物 料周而复始地对衬板磨、压、碾，使物料( 煤) 中的硬质矿相磨料( 主要是石英) ，对 衬板表面接触点产生集中压应力和旋转磨中研磨体的压碾滑动，引起衬板表面延性组分 的塑性流动和显微切割，产生梨槽，在上述碾压作用下引起衬板表面硬相组分的疲劳剥 落。这是衬板磨损失效的主要原因和形式，也是我们选择和设计新材质衬板的依据( 5 】。 目前，国内大部分球磨机仍然使用高锰钢衬板材料。为了提高衬板的耐磨性，获得 更好的技术经济效益，陆续推广使用高铬铸铁、高铬铸钢、各类低合金钢、高碳锰钢等 薪材质。但是，还存在一定的断裂问题，究其原因，主要是以下三个方面造成的。蓄先 对材质的特性还没有完全摸透。局限于模仿国外有关材质的成份，对铸造热处理工艺控 制不准，造成材质的金相组织不理想，或铸件内应力大，韧性低，发生断裂。其次，铸 件结构对衬板失效也有重要影响。衬板断面形状，在满足生产工艺要求的同时，要兼顾 能铸造与热处理的经济性，并且不易产生裂纹或高的内应力。结构形式对衬板的使用寿 命，衬板磨损到报废时的利用率均有很大影响。最后，安装管理的问题，衬板的安装应 灌水泥沙浆，或用1 2 m m 厚的石棉橡胶垫，使衬板与筒体接触要好。紧螺丝要按规程， 不可太紧，也不可太松，使衬板在紧螺丝过程中不可有予加应力。开磨前磨机应予加料， 使磨机产生部分料垫，避免直接砸衬板。衬板安装时各缝隙应挤紧，否则易砸掉剪断螺 栓，新材料衬板发现微裂纹不能装机。以上这些关于衬板安装管理方面的问题如果不注 意。都是引起衬板断裂失效的原因。 衬板的变形主要是针对以商锰钢材料做衬板而言的。现在国内还有很大一部分球磨 机衬板使用高锰钢，高锰钢不仅耐磨性差，而且易产生塑性变形，严重者衬板突起拉断 螺栓直接影响生产。产生凸变的原因是材质为标准高锰钢，其屈服强度低，受冲击时， 晶格扭曲，发生塑性变形，表层o ，4 o 5 m m 处宏观硬度增加，而两侧背面硬度仍然变 化不大，这就说明表层体积膨胀，内部性能没有变化。当衬板安装缝隙很小、挤得很紧 时即发生突起变形，解决此问题的关键是提高高锰钢的屈服强度。 2 3 球磨机制粉系统的电耗和球磨机的噪声 球磨机的电耗般在1 5 2 7 k w h t ( t 煤耗电量) 左右，以3 0 0 m w 机组为例，每年 约需烧煤 o x1 0 4 t 。机组仅磨煤一项就需耗电t 5 0 1 0 4 2 7 0 1 0 4 k w i a ，约占机组年发 电总量的1 ，占厂用电的1 5 3 0 ，这样的能耗相当可观，若能采取有效措施降低球 磨机制粉系统的电耗，则能在经济上获得较大的效益。 火力发电厂球磨机改造的技术经济分析 2 3 。1 球磨机动态特性及电耗分析 滚筒式钢球磨煤机是一直径为2 4 m ，长为3 1 0 m 的圆柱形简体，内部装有