水泥生产过程中物料粉磨用球磨机仍占有较大比例。球磨机耐磨材料的使用主要存在以下问题：研磨材料混用；研磨体与衬板、篦板等不匹配；研磨体补加不准确、不及时；除铁工序不全；破球及变形球不及时拣出等。水泥企业对球磨机耐磨材料进行优化、合理使用、降低消耗，是节能降耗、降低生产成本的有效措施。
随着我国水泥工业规模的不断扩大，水泥生产过程中物料的粉磨还没有完全实现无球化，部分新型干法窑粉磨生料、煤粉虽已使用立磨，但其它物料粉磨包括水泥粉磨站等大部分仍使用各种各样的球磨机进行粉磨，每年要消耗大量的研磨体、隔仓板、衬板等金属耐磨材料。按照某水泥企业连续几年统计各磨机高铬球的消耗计算，生料为50 g/t，水泥粉磨为80 g/t，吨水泥综合（含煤磨球耗）为150 g/t，年产300万t水泥规模的水泥企业，每年消耗钢球450 t，加上衬板、隔仓板、卸料篦板等磨机耐磨材料消耗达600 t，按当前高铬球价格6 500元/ t计算，每年消耗耐磨材料费约300万元，吨水泥成本约1元。在水泥产能不断扩大、市场竞争日益激烈的今天，降低耐磨材料的消耗，节约生产成本既是企业节能降耗、谋求生存和发展的有力措施，同时也是节能减排、节约资源的有效途径。优化粉磨工序金属耐磨材料的匹配方案，合理使用耐磨材料会获得良好的经济和社会效益。
1 金属耐磨材料的发展过程
水泥粉磨所用金属耐磨材料大致经历了三个阶段。第一阶段是以高锰钢为代表的耐磨材料，用在高冲击、强磨损工况条件下，如大型颚式破碎机颚板、大型锤式破碎机锤头等；第二阶段是以镍硬铸铁为代表的耐磨材料，国内外至今还在立磨的磨辊上应用，但由于其碳化物含量高、脆性大，稀有金属材料镍的加入量较大，生产成本高，其应用和推广受到一定的限制；第三阶段是以高铬铸铁和各类合金钢为代表的耐磨材料，如球磨机衬板、磨球、反击破碎机板锤等。高铬铸铁和合金钢以卓越的性价比取代了高锰钢。以磨机衬板为例，20世纪60年代均采用高锰钢，70年代后被合金钢和高铬铸铁所代替。三代耐磨材料各有特点，在不同的工况条件下得到广泛应用。中锰钢以牺牲韧性得到更高的加工硬化能力，用于中等冲击条件下的磨机衬板、小锤头。高铬铸铁有很多优点。第一，在含铬12%时可以形成Fe7C3型碳化物，显微硬度HV1300～1800，比普通白口铁中Fe3C型碳化物的显微硬度HV800～1 100高很多，因此耐磨性好；第二，碳化物形状发生了变化，呈断网状、菊花状，因此比网状碳化物韧性高；此外，高铬铸铁的基体可以通过不同的热处理工艺来获得从全部奥氏体到全部马氏体的各种基体以扩大其应用范围。
我国水泥工业中的破碎、粉磨设备多年来一直采用高锰钢。高锰钢的特点是：韧性极高，在高冲击负荷的条件下可产生加工硬化，从而表现出优良的耐磨性，但是其屈服强度低，使用中易产生塑性变形、拱凹等，且硬度很低，在冲击负荷不够大的情况下，耐磨性很差。因此在普通高锰钢基础上，发展了合金高锰钢、中锰钢及超高锰合金钢。中锰钢用于中小磨磨机衬板，比普通高锰钢提高寿命50%～80%，20世纪80年代后低、中、高铬铸铁磨球、衬板相继投入应用。用高锰钢制造的隔仓板，韧性较好，不发生断裂，但冲击后易出现变形，使篦缝变窄，如Φ2.2 m×6.5 m水泥磨，隔仓板在磨损一段时间后篦缝从12 mm铆至3mm～5 mm，每次停机检修要进行剔除，严重者要用气割进行吹割。改用合金钢衬板后，篦板不发生变形，篦缝保持不变，磨内通风保持正常，但也有断开现象。
2 存在的问题及解决办法
随着我国水泥规模的不断扩大，新建水泥粉磨站也如雨后春笋，特别是一些非水泥行业业主新建水泥粉磨站，刚进入水泥行业，对水泥粉磨工艺技术比较缺乏，没有技术人员，没有经验，管理粗放，对研磨体的管理与使用不科学，存在一些问题，致使水泥粉磨过程中耐磨材料消耗增高，成本上升，在管理细节上不精细，存在不同材质的研磨体混用，计量不准确，补加研磨体不及时，加量不计算，磨内级配不能保持合理的级配，造成磨内仓位过高或过低，工艺控制不合理。
2.1 研磨材料的混用
研磨体作为水泥粉磨过程中的研磨介质，根据不同的粉磨物料，应选用不同材质的研磨体及相关耐磨材料。现在部分小型水泥企业有用铸铁球、低碳合金球、低铬球、高铬球，有的企业甚至自已加工铸铁球。各种材料的成分差异较大，耐磨性能也差别较大。同一材质的研磨体，不同的生产厂家由于研磨体的加工工艺不同，其物理性能及使用效果也差别较大。但在使用过程中，特别是中小企业管理不够严格，出现不同材质的研磨体混合使用现象，特别是在补加研磨体时，由于资金等方面的原因，不按原材质的研磨体购进，低价购入与原来不同材质的研磨体，使表面硬度、耐磨性能各不相同的几种研磨体混合在同一磨机内使用。如山东ZL水泥厂，有5台Φ2.2 m×6.5 m的生料及水泥磨机，2005年由于资金困难，企业出现短期行为做法，采用了大量的自炼磨球，虽价格较低，但磨球性能低劣。因为资金困扰，没能补入原用高铬球，同时也不可能将磨内研磨体全部更换，在原来用高铬球的基础上，全部补入自炼球，使高铬球与铸铁球混合使用，其使用效果极差。每次Ⅰ仓补入Φ100、Φ90、Φ80等大球，Ⅱ仓Φ50的球，使用一个月以后，研磨体磨损严重，仓位下降，加入Φ100的大球直径严重不足100 mm，加入Φ90的大球直径严重不足90 mm，再过2个月后，只能当做Φ90、Φ80的球使用，造成磨内级配混乱，不能保持磨内合理的级配。致使磨机台时产量下降，消耗升高，电耗增大（如表1），年增加成本180万元。
自炼铸铁价格只有5 000元/t，当时高铬球为7 000元/t，但是自炼球是外单位使用本厂废铁加工，材质不同，加工工艺不同，研磨体质量难以保证：表面硬度不达标，表里不一，在使用过程中不耐磨，研磨体磨损快；铸造过程中球内有沙眼。不同材质的自炼球与高铬球在同一仓内混用，磨球表面与内部性能不一，内部出现凹壳、失圆，同时出现较多的开裂，造成研磨体损耗大；同时，铸铁球与高铬球在同一仓内共同使用，出现硬吃软现象，低硬度的研磨体磨损快，致使水泥粉磨球耗升高。仅此一项，年产30万t水泥成本则上升181.5万元。
2.2 研磨体与衬板、篦板等不匹配
水泥磨、生料磨的耐磨材料包括研磨体、衬板、隔仓板、篦板等，在使用过程中，应严格配套。有的企业却不注意，刚投产时按新设计的方案进行组装，材质基本上相匹配，即球与衬板、隔仓板篦板等性能相适应，但在后来的检修补加球过程和采购研磨体时考虑价格因素，没有从材质上进行匹配，如磨内的高铬球改为补加普通球，或将隔仓板Mn13改为普通铸铁篦板。这样一来在使用过程中就出现问题，由于篦板与磨球不相匹配，隔仓板磨损较快，强度下降，隔仓板断裂，造成研磨体串仓，只好停磨倒出全部磨球，进行重新级配，停磨时间长，影响生产。也有衬板与研磨体不相匹配的，如山东GF公司Φ3 m×9 m水泥磨Ⅱ仓用Mn13的衬板使用2～3年，而改用普通铸铁衬板仅3个月就将其小波纹磨平。
2.3 补加球计量不准确
水泥磨的补加球应以较全面的消耗统计数据作为基础，但有的企业往往加球只根据经验，或根据磨内仓位估算补加，根本保证不了各种研磨体级配的合理性。以Φ2.6 m×13 m水泥磨补球情况（表2）为例：平均台时产量为35 t/h，按球耗5%计，需生产6.25万t水泥，磨机运转1 785 h，日历天数为74 d，需补加研磨体，这种计算是建立在长期的统计情况下得出的数据。不同的磨机不同的工艺状况，球耗不同，补加球运转时间表也不相同。因此，应加强工艺技术管理工作，在生产时有的不计量，不计算，不知应补多少，磨内缺多少，各种规格多少，只是统算，造成计算不准确。
2.4 研磨体补加不及时
有的企业没有专业的工艺技术人员进行技术数据的统计，加球时间凭感觉、凭磨机的感观、靠听磨音进行估算：感到产量低、磨音发暗就加球；听到一段时间内磨音不发脆，怀疑研磨体不足，开始加球。这是不科学的。长时间不加球，会造成磨内研磨体长期不足，研磨能力下降，磨机台时产量下降，造成水泥粉磨电耗升高，成本增加；不到加球时间提前加球，造成磨内研磨体装载量过多，磨内填充率高，影响磨机台时产量和产品质量。因此应按产量、运转时间进行计算研磨体的补加量，及时补加。才能保证磨内研磨体级配的合理性。
2.5 除铁工序不全
随着目前工业废渣的掺入，矿渣、钢渣、电厂炉渣作为水泥混合材的用量越来越大，特别是复合水泥混合材掺入量达到40％。由于混合材量的增加，原材料中铁质成分增多，在水泥粉磨过程中，增加了水泥粉磨的研磨难度，使磨机的台时产量降低，同时出现研磨体与铁质材料的研磨，增加了研磨体及衬板的消耗，使耐磨材料的消耗增加。因此，在磨头入料端安装除铁器，将块状的铁质物料吸出，也能将在设备检修过程中掉入的铁屑、碎铁件、被砸碎的破磨球、破衬板螺丝、链条等废件吸出；在出磨物料进入选粉机前增加一道除铁器，能将大块内部破碎、研磨后的小颗粒铁质材料吸出。这些措施不仅能减少磨内物料的积存，防止块状物堵塞隔仓板和出料篦板，保证磨内通风及磨内物料的流速，也能避免铁质件在磨机系统内进行循环，磨损选粉机叶片，保证选粉机的选粉效率。如山东DY水泥厂是年产100万t水泥的粉磨站，采用Φ4.2 m×13 m水泥磨配用Φ1 400～800辊压机，在磨头安装了除铁器，但在磨尾没有安装除铁装置，选粉机粗粉回料采用空气斜槽输送入磨头，由于使用矿渣作混合材，有较多的细粉铁质颗粒，在空气斜槽中不被风吹起，致使压死斜槽，造成堵料，每次清堵需停机处理，严重影响生产。
2.6 破球及变形球不及时拣出
在粉磨过程中由于研磨体化学成分不匀，加工工艺不稳定，造成表面与内层硬度不同，有变形球、破裂的半球等，会卡在篦缝内，长期磨砺的面会凹陷下去，检修选出后会发现半个、小半个不规则的半球。这些破球、变形球在仓内积累到一定量要及时拣出，防止卡在篦缝内，影响磨机通风。
3 球磨系统各环节耐磨材料磨损机理分析
3.1 磨机粗磨仓衬板
水泥磨、生料磨、煤磨等粗磨仓的入磨物料粒度为15 mm～25 mm，研磨体平均球径为75 mm左右，最大的球径为Φ90～100。粗磨仓的研磨体在抛落过程中，球和物料对衬板有较大的冲击凿削作用，在下落的滑动或滚动中对物料进行挤压，使物料尖角切削衬板。因此衬板的磨损主要是高应力冲击凿削磨损，在材料选择上要求材料要有足够的韧性，受切削磨损要有足够高的硬度。根据磨损原理，衬板材料的硬度（Hm）应为物料硬度（Ha）的0.8～1.2倍，水泥熟料硬度HRC49～54，所以衬板硬度应在HRC50以上。选择中碳铬钼合金钢材料，硬度HRC48～55，冲击韧性ak15～20 J/cm2，使用寿命2～3年。对于Φ3 m以上大型磨机衬板，应选择高韧性高铬铸铁，硬度HRC58～62，冲击韧性ak8～12 J/cm2，使用寿命6～10年。不宜选择高锰钢。对粗磨仓而言，因高锰钢的屈服强度低，易产生塑性变形，尺寸长的衬板易发生凸起变形，钢球的冲击也不能产生加工硬化，因此不耐磨。
3.2 细磨仓衬板
物 料 经 过 粗 磨 仓 破 碎 及 粗 磨 后 进 入 到 细磨仓，尖角变钝，细磨仓里的球或段直径仅为Φ15～60，冲击力小，以应力切削磨损为主。细磨仓衬板可选择硬度高、韧性低的耐磨材料，中碳合金钢，高、中、低铬铸铁，抗磨球墨铸铁等材料硬度HRC≥50，冲击韧性ak4～6 J/cm2，均可使用。磨机衬板不宜选择高锰钢，对粗磨仓而言，因高锰钢的屈服强度低，易产生塑性变形，尺寸长的衬板易发生凸起变形，磨球的冲击也不能产生加工硬化，因此不耐磨。细磨仓衬板承受的冲击力更小，高锰钢的耐磨性更不能得到发挥。
3.3 磨头衬板
在粗磨仓进料端物料粒度大，研磨体平均球径大，受磨球和物料的侧冲击力大，是以高应力冲击凿削磨损为主，也存在一定的切削冲刷，因此磨头端衬板应选择韧性高、耐冲击、耐磨、抗切削的材料。如选择中碳多元合金钢衬板，硬度HRC46～50，冲击韧性ak15 J/cm2，使用寿命可比高锰钢提高一倍。
3.4 隔仓板
物料对隔仓板篦缝进行冲刷磨损，球和物料对隔仓板进行侧冲击凿削磨损，并且隔仓板为悬臂梁式安装，受力情况恶劣。因此要求材料韧性要好，冲击韧性ak≥25 J/cm2，硬度HRC45～50，高锰钢韧性好，但强度低，不耐磨，并且易产生塑性变形，堵塞篦缝，影响生产效率。
3.5 出料篦板
出 料 篦 板 在 磨 机 的 出 口 ， 主 要 受 小 球 的 挤压，切削磨损，因此以硬度为主选材料，可选择各类高碳合金钢、高韧性抗磨球墨铸铁等，硬度HRC50～55冲击韧性，ak8～10 J/cm2，即可满足要求。
3.6 研磨体
磨机的填充率为30%左右，在磨机运转过程中研磨体运动包括：上升阶段——在上升运动中，磨球与物料间有相对滑动；抛落阶段——在抛落下降时，磨球对物料有冲击作用。根据磨球在磨机内运动情况，可把筒体截面内磨球群分五个区，如图1。各区的运动形式见表3。
3.6.1 磨球主要磨损机理
（1）切削和凿削磨损。磨球在磨内运动的上升阶段与物料相对滑动，被物料中坚硬的组分切削出较深沟槽，较软的物料对球的切削相对较浅，不同物料，不同大小，沟槽宽窄不同，磨球抛落时以一定角度接触物料，物料对磨球产生局部凿削磨损，形成凿削坑。
（2）变形磨损。磨球与物料相对滑动及相互冲击时，除了承受切削和凿削磨损，还有犁沟变形和凿削变形伴随发生，金属被推挤压迫到沟槽和凹坑的边缘外侧，在重复作用和金属反复变形下，因应变疲劳产生裂纹，裂纹扩展、连接，形成犁削薄片而从磨球表面脱落。
（3）脆性剥落。磨球在受冲击过程中，脆性相开裂、破碎，自表面剥落，造成磨损。
（4）疲劳磨损。研磨体在磨内运动上升阶段受到反复的滑动和滚动，在抛落阶段受到反复冲击，在不断的冲击应力、接触压应力、切应力的作用下，在磨球表面形成疲劳裂纹，裂纹平行表面扩展，并向表面延伸形成剥落层。如在表层的铸造缺陷上生核、扩展将导致宏观疲劳剥落。
3.6.2 磨球磨损机理的变化
磨机规格不同，磨球的磨损亦不同，小磨机磨球受冲击波力小，磨损机理以切削变形为主，磨损面切削沟槽明显；大、中型磨机磨球承受冲击力较大，以脆性剥落和疲劳磨损为主，表面产生宏观剥落坑；材料不同，磨损机理不同，45Mn2钢球以微观疲劳剥落磨损为主，可产生微观剥落坑；低铬球以宏观疲劳剥落为主，产生宏观剥落坑造成磨球失圆；物料不同，磨球磨损机理不同，物料越硬，球受切削磨损越严重，高铬球、低铬球如热处理不当，残余奥氏体多，加上铸造质量差，常产生剥落，早期失效。
3.6.3 磨球材料的选择
通过以上磨球磨损机理分析，优质的磨球应具有耐磨、硬度高、耐冲击、抗剥落等性能。
（1）耐磨性好。对切削磨损变形磨损和疲劳剥落磨损有足够的耐磨性，对切削磨损要求有高硬度，对变形磨损和疲劳磨损要求有高的应变疲劳、接触疲劳和冲击疲劳寿命。
（2）冲击韧性好。在反复冲击磨损条件下，有高的抗冲击性能，不破碎。
（3）高的淬透性。保证Φ100大球整体磨损均匀，不失圆。
（4）优良的冶金质量。按规定的标准成分生产，不得有夹渣夹砂等铸造缺陷。
实践证明，磨机粗磨仓应选择高铬球，细磨仓可选择低铬球，能分别适应不同的粒度和硬度及性能要求。对湿法磨而言，应选择低铬球或锻造磨球，因为在有腐蚀的作用下，高铬球的耐磨性得不到充分体现，从耐磨性考虑，应该选择用金属材料模具生产的铸造球。为保证磨球材质和加工工艺的要求，应选用正规耐磨材料生产厂家的产品，不能使用自炼钢球，因材料成分、加工工艺、检测手段等都达不到标准要求，产品质量无法保证。
4 结束语
球磨机在我国水泥工业物料粉磨中应用广泛，优化使用其耐磨材料，能有效提高设备运转率，降低企业成本。不能粗放管理，盲从经验，给企业和社会造成资源能源浪费。