2.2 湿磨细水泥的制备设备——水泥湿磨机

针对三峡水利枢纽工程大坝岩基细裂隙灌浆处理的可灌性问题及其他岩土工程遇到的类似问题，并结合我国目前水泥灌浆工艺和设备的现状及今后发展趋势，在湿磨细水泥灌浆技术的研究过程中，技术研究的重点是湿磨细水泥灌浆材料的制备设备—水泥湿磨机的研发。这里主要介绍国内目前应用最多的GSM、GSW型水泥湿磨机（见图2-1和图2-2）。

2.2.1 水泥湿磨机的研制原则

（1）技术先进可靠性高。水泥湿磨机的研发应以已有较成熟的技术手段为基础，适当采用新技术，主要性能达到灌浆工程设计要求，尽可能缩短研发周期，增强设备制造的可靠性。

（2）易操作，环境适应性强，能够大范围应用。由于水泥湿磨机一般工作在狭窄、潮湿的环境中，并以易固化的水泥浆为加工对象，因此，水泥湿磨机必须有着稳定的性能，同时兼顾结构简单、方便转运。设备应当显著降低操作人员的劳动强度和维护工作，总体上应向机电自动化、一体化方向发展，同时兼顾成本与效益的统一，体积小、重量适当能够适应灌浆工程作业面的环境需要。

（3）工艺简单，兼容性好。生产能力要求能够满足大多数水泥灌浆工程需求，制浆工艺必须和现有普通水泥灌浆工艺兼容。

2.2.2 水泥湿磨机的工作原理

目前，国内外水泥湿磨机的工作原理主要分为以下两种方式：

（1）与日本电力公司在20世纪80年代中期研制成功的湿式微型碾磨机（俗称鼓式）的工作原理相同，其粉碎机理与球磨机基本相同，即通过水泥浆液中水泥颗粒与水泥湿磨机研磨介质（小球珠）之间的碰撞、摩擦等相互作用，从而达到对水泥颗粒地进一步细化、分散的效果。应该说，在其他相同条件下与干磨相比，水泥湿磨机研磨介质由于受到液体的浮力影响，其粉碎效率要低很多。

（2）基于胶体磨原理而研制的水泥湿磨机。胶体磨主要由电动机、动磨轮、静磨轮、底座、料斗等部件组成。其中动磨轮和静磨轮之间必须保持一定的间隙。工作时动磨轮高速旋转，依靠两个磨轮齿形面的相对运动，产生冲击、剪切、振动和摩擦等作用，使物料快速分散、乳化和磨细。胶体磨主要用于分散、磨细日用化工品、化妆品、食品等软物料。基于该原理的水泥湿磨机工作时迫使水泥浆液通过高速相对旋转的转齿与定齿间的微小间隙，此过程中，水泥颗粒受到碰撞、剪切、摩擦、高频振动等多种作用而迅速细化，水泥浆液同时得到分散和搅拌。

2.2.3 水泥湿磨机的基本结构

鼓式湿磨机主要由电动机、传动系统、碾磨系统、冷却系统、过滤筛及控制系统等部分组成。使用该机械通过增加水泥浆液的碾磨时间，可以得到较高细度的水泥浆液。其缺点是设备较为复杂，随着水泥颗粒细度的增加，机械的有效利用率和生产率降低。设备体积大，安装调试完成固定后难以再次移动。湿磨细水泥浆材制备工艺复杂。国内研制的鼓式水泥湿磨机主要有ZM50等型号，但其生产效率无法满足大多数水利工程大规模水泥灌浆施工需要。

磨盘式胶体磨原理的水泥湿磨机主要由电动机、碾磨盘、细度调节装置、研磨控制装置等组成。其核心部件为碾磨盘。这种设备如果应用于研磨水泥浆材，其需要解决的关键问题是由于水泥材料颗粒硬度较高，导致大规模磨细加工时，随着研磨时间的延续，磨齿的磨损带来的湿磨细水泥细度控制问题。此外，要达到设计细度指标的要求，对设备的制造安装水平也要求较高。大量生产性试验结果证明，通过采用化学复合热处理工艺的金属材料或异性非金属材料的专用磨齿，并在设备设计中将磨齿设计为可更换零部件，可以解决了水泥湿磨机磨齿的机械磨损问题。

另外，水利工程中水泥灌浆经常在洞室、廊道等狭窄部位进行，要求设备对环境适应性好，轻巧灵便，可以抬动搬运，且与水泥灌浆工艺衔接性好。水泥灌浆施工通常要求连续进行，对设备的运行保证率也要求较高，必须连续供浆。这些都是水泥湿磨机研发设计中必须综合考虑的主要因素。

2.2.4 GSM系列水泥湿磨机制造关键技术研究

以GSM高效水泥湿磨机为例，水泥湿磨机在工作时不需要添加其他的研磨介质，主要是依靠锥形齿式磨齿的定齿和转齿作相对高速运动来达到细化水泥颗粒的目的。通常水泥是由多种矿物成分组成，水泥颗粒表面硬度较大，因此，GSM—I型高效水泥湿磨机锥形齿式磨齿能否耐磨是该设备能否研制成功并应用于灌浆工程施工的关键技术难题。

2.2.4.1 磨齿材质的选择

在研制GSM—I型高效水泥湿磨机的初期，考虑到受磨介质为水和水泥组成的水泥浆，因此整个水泥细化系统的零部件，在选材设计时，全部都采用耐酸碱及锈蚀的不锈钢材料，包括磨齿也是选用能达到较大硬度的不锈钢材料。但经过一系列试验研究发现该机存在的主要问题是不锈钢材料对水泥颗粒的耐磨性较差。据试验测算，一个不锈钢质材的磨齿加工数吨水泥后便将报废。所以，此类磨齿的使用寿命达不到水泥灌浆工程施工连续生产的要求。

针对此情况，对磨齿的耐磨性进行了进一步的研究，先后进行了硬质合金材料磨齿、低合金材料表面镀层磨齿和低合金材料表面热处理磨齿等不同材质磨齿的耐磨性试验。试验结果表明，硬质合金材料本身硬度太大，机械加工难以达到精度要求，而其他加工方法成本太高。低合金材料表面镀层处理，由于镀层和母体硬度相差悬殊等原因，在磨机生产研磨水泥浆过程中镀层容易脱落，表面复合镀技术虽然解决了上述问题，但因镀层太薄也不能满足高效水泥湿磨机生产应用要求。而采用低合金材料加工后再进行表面热处理工艺的磨齿能够满足设备设计要求。

2.2.4.2 磨齿的表面处理工艺

在低合金材料表面热处理磨齿耐磨性试验方面，同样也做了大量的基础研究工作，发现用常规热处理办法处理过的磨齿存在一个很大问题，那就是当热处理过的磨齿表面硬度不是太高时，还是满足不了耐磨要求，而当热处理过的磨齿表面硬度达到一定要求后，则发现磨齿在研磨水泥浆过程中出现磨齿定转盘表层容易掉块的问题，也不能满足高效水泥湿磨机的生产应用要求。

在总结前面试验的基础上，又引进开发了化学复合热处理工艺对磨齿进行处理，使磨齿基本硬度达到HRC62，表面硬度达到HV1300～1500，且磨齿的不同材质间具有良好的过渡层，从而保证磨齿在研磨使用过程中不掉块。采用这种工艺热处理后的磨齿变形非常小，热处理的深度也非常大，完全满足磨机生产应用要求。GSM—I型水泥湿磨机的磨齿改用低合金钢加工后，应用化学复合热处理工艺，每个磨齿可加工水泥100t以上，比JTM135S—I型使用寿命提高10多倍。单个磨齿的使用极限寿命达到能够研磨200t干粉水泥。GSM—I型高效水泥湿磨机磨齿耐磨性已经完全能够满足大规模水泥灌浆施工现场应用要求。

2.2.5 GSM、GSW水泥湿磨机的系统集成

2.2.5.1 GSM、GSW水泥湿磨机的主要性能指标

（1）水泥湿磨机出料水泥颗粒粒径。一般情况下，根据水利工程防渗设计要求，帷幕的渗透系数标准为0.05～0.01L/（min·m·m）。根据沃安（1963）所给的裂缝宽度b，每1m钻孔裂缝数n和渗透系数k之间的关系公式：

式中：ρw为水的密度。

按以上公式推算岩体裂隙的对应宽度在0.05～0.15mm左右，也就是说灌浆要求对0.05～0.15mm以上的裂隙进行处理。

水泥灌浆理论和实践通常认为水泥浆对裂隙的可灌度（M）与裂隙宽度和水泥粒径有如下关系：

式中：b为裂隙宽度；D为水泥粒径。

根据以上关系，拟定以宽度为0.2～0.05mm的岩体微细裂隙作为灌浆对象。那么按照裂隙宽度的1/3～1/5推算，水泥灌浆材料的最大粒径控制在40μm左右即可。

从现在绝大多数水利工程坝基灌浆处理情况看，水泥灌浆材料并不需要追求特别细的颗粒细度，若能在现行使用的水泥灌浆材料基础上适当减小水泥的粒径，将可满足很多工程的灌浆要求。因此最终确定GSM水泥湿磨机设计输出物料粒径D95＜40μm。

（2）生产能力。对水泥湿磨机的制浆能力，首先要考虑能满足工程现场水泥灌浆大规模施工的要求。由于研磨细度与生产能力存在相互制约的关系，如果要求将水泥磨得很细，又有很高的生产能力，势必增大磨机的能耗比和整机重量。

通过研究发现，需要进行处理的水泥材料具有如下特点：通常合格的干粉水泥的细度要求是大于88μm的水泥颗粒重量不能超过总量的15%，从一般水泥厂的产品化验单看，水泥的最大粒径一般在100μm左右，而我们要求通过磨细后水泥浆中水泥颗粒的最大粒径控制在40μm左右，D95控制在30μm左右，那么水泥颗粒磨细的设计破碎比约为3。从磨细后浆液中水泥的最终要求看，粉碎范围属于超细粉碎，根据硬质物料超细粉碎原理，粉碎能量主要应以剪切、振动等方式施加于物料。因此，根据灌细缝一般吸浆量小大的实际情况，设计水泥湿磨机单机的产量为1m3/h是合适的。

（3）整机尺寸。考虑到水泥湿磨机可能需要安装在廊道、隧洞等狭窄部位进行灌浆施工，为利于人工操作，设计要求整机高小于1200mm，长和宽小于500mm。根据以上设计要求，水泥湿磨机的主要技术参数指标见表2-1。

2.2.5.2 结构设计

通过设备工作原理确定、机型的选型和主要性能参数的决定，设计GSW型高效水泥湿磨机结构系统主要由动力部分、水泥细化系统、料斗和循环系统等三大系统组成（见图2-3）。水泥湿磨机动力部分包括机座和电机，电机为立式长轴电机，转速为3000r/min；水泥细化系统由磨腔、磨齿转盘、磨齿定盘及细度调节盘等组成。该磨机工作时，电动机提供3000r/min的高转速，直接驱动磨齿转盘作高速旋转，使搅拌好的水泥浆被旋压进磨齿定盘和转盘的间隙中，在磨齿定盘和转盘的相对运动作用下，水泥浆液中的水泥颗粒受到很大的剪切力、摩擦力、离心力和高频振动等复合力的作用，从而被迅速有效地粉碎、分散和搅拌，使细化后的水泥颗粒以单个粒子状态悬浮在水中。考虑到磨齿的自然损耗，将磨齿设计成可更换结构，以便于后期设备维护检修。水泥颗粒被粉碎的细度，取决于磨齿两磨盘的相对角度和齿形设计以及两磨盘间隙的控制，而两磨盘间隙的控制和调整由细度调节盘来解决。

由于设计中充分利用了水泥颗粒细小，破碎比要求很低这一特征，GSM、GSW系列水泥湿磨机具有如下特点：构思新颖，结构简单，操作方便，易于清洗保养，体积小，重量轻，占地面积小，易于搬动和运输。运行时噪声小，加工产量高，能耗低，不需要研磨介质、助磨剂等消耗品和冷却水。磨齿磨盘间隙可以随时调整，受磨次数控制容易，因此研磨后水泥浆液中水泥颗粒细度和各级比例容易掌握。

2.2.6 GSW水泥湿磨机的调试与维护

2.2.6.1 GSW水泥湿磨机的调试

GSM水泥湿磨机使用前应进行安装调试。首先将电机电路连接好后，检查电机的旋转方向。电机应逆时针方向转动。用专用扳手转动磨齿，同时转动细度调节盘，当听到“嚓嚓”声时，即磨齿间隙为零，此时把调节盘的“0”点对准标尺并锁定。水泥湿磨机使用一段时间后为保证磨细精度，须重新进行调节。水泥湿磨机的组装拆卸顺序从左到右，更换磨齿时需使用专用工具（拉马）。在拆开、装回过程中，应用木锤或垫上木块敲击，以免损坏零件。

（1）现场调试。首先连接浆、水等制浆管路，保证管路通畅后方能启动电机。制浆时先启动磨机，再将预先拌好的水泥浆（浓浆粉磨效果较好，建议水灰比为0.5∶1）通过滤网投入料斗，根据不同工艺按下列方法进行控制：单台作业时：操作三通阀，根据水泥颗粒细度要求确定循环受磨时间（一般2～3min）。待细度全部合格后再重新投料。多台集中制浆时：可将多台水泥湿磨机串联（2～3台），注意连接管路。

（2）湿磨细水泥浆材颗粒细度的控制。湿磨细水泥浆材现场制备时，对水泥颗粒细度的控制，可以通过以下手段实现：调整磨齿间隙大小，即调节细度调节盘；在磨齿间隙调好的情况下，通过循环回路中三通阀控制水泥浆的受磨时间，亦可控制湿磨水泥细度。

2.2.6.2 GSW水泥湿磨机的维护

湿磨细水泥制浆系统的操作、维护应安排专人负责。水泥湿磨机是一种高速精密研磨设备，操作人员应按规程进行操作，发现故障及时停机维修。投入料斗的水泥浆液，应经过过滤，防止硬物进入设备，造成磨齿损坏或烧坏电机等事故。水泥湿磨机工作期间如遇到临时停机，应迅速用水将磨腔冲洗干净。严禁停机后储存水或浆液。使用完后，应立即清洗干净，让磨机甩干积水后方可停机。每次制浆结束后，需检查调节盘是否有水泥浆滞留，如发现应立即冲洗干净，重新加润滑油脂后复原锁定。水泥湿磨机若长时间停用，必须注入洁净机油到磨腔体内养护。并对调节系统重新上新鲜黄油。电机轴承应每半年加润滑脂一次。