2.2 濕磨細水泥的制備設備——水泥濕磨機

針對三峽水利樞紐工程大壩巖基細裂隙灌漿處理的可灌性問題及其他巖土工程遇到的類似問題，并結合我國目前水泥灌漿工藝和設備的現狀及今后發展趨勢，在濕磨細水泥灌漿技術的研究過程中，技術研究的重點是濕磨細水泥灌漿材料的制備設備—水泥濕磨機的研發。這里主要介紹國內目前應用最多的GSM、GSW型水泥濕磨機（見圖2-1和圖2-2）。

2.2.1 水泥濕磨機的研制原則

（1）技術先進可靠性高。水泥濕磨機的研發應以已有較成熟的技術手段為基礎，適當采用新技術，主要性能達到灌漿工程設計要求，盡可能縮短研發周期，增強設備制造的可靠性。

（2）易操作，環境適應性強，能夠大范圍應用。由于水泥濕磨機一般工作在狹窄、潮濕的環境中，并以易固化的水泥漿為加工對象，因此，水泥濕磨機必須有著穩定的性能，同時兼顧結構簡單、方便轉運。設備應當顯著降低操作人員的勞動強度和維護工作，總體上應向機電自動化、一體化方向發展，同時兼顧成本與效益的統一，體積小、重量適當能夠適應灌漿工程作業面的環境需要。

（3）工藝簡單，兼容性好。生產能力要求能夠滿足大多數水泥灌漿工程需求，制漿工藝必須和現有普通水泥灌漿工藝兼容。

2.2.2 水泥濕磨機的工作原理

目前，國內外水泥濕磨機的工作原理主要分為以下兩種方式：

（1）與日本電力公司在20世紀80年代中期研制成功的濕式微型碾磨機（俗稱鼓式）的工作原理相同，其粉碎機理與球磨機基本相同，即通過水泥漿液中水泥顆粒與水泥濕磨機研磨介質（小球珠）之間的碰撞、摩擦等相互作用，從而達到對水泥顆粒地進一步細化、分散的效果。應該說，在其他相同條件下與干磨相比，水泥濕磨機研磨介質由于受到液體的浮力影響，其粉碎效率要低很多。

（2）基于膠體磨原理而研制的水泥濕磨機。膠體磨主要由電動機、動磨輪、靜磨輪、底座、料斗等部件組成。其中動磨輪和靜磨輪之間必須保持一定的間隙。工作時動磨輪高速旋轉，依靠兩個磨輪齒形面的相對運動，產生沖擊、剪切、振動和摩擦等作用，使物料快速分散、乳化和磨細。膠體磨主要用于分散、磨細日用化工品、化妝品、食品等軟物料。基于該原理的水泥濕磨機工作時迫使水泥漿液通過高速相對旋轉的轉齒與定齒間的微小間隙，此過程中，水泥顆粒受到碰撞、剪切、摩擦、高頻振動等多種作用而迅速細化，水泥漿液同時得到分散和攪拌。

2.2.3 水泥濕磨機的基本結構

鼓式濕磨機主要由電動機、傳動系統、碾磨系統、冷卻系統、過濾篩及控制系統等部分組成。使用該機械通過增加水泥漿液的碾磨時間，可以得到較高細度的水泥漿液。其缺點是設備較為復雜，隨著水泥顆粒細度的增加，機械的有效利用率和生產率降低。設備體積大，安裝調試完成固定后難以再次移動。濕磨細水泥漿材制備工藝復雜。國內研制的鼓式水泥濕磨機主要有ZM50等型號，但其生產效率無法滿足大多數水利工程大規模水泥灌漿施工需要。

磨盤式膠體磨原理的水泥濕磨機主要由電動機、碾磨盤、細度調節裝置、研磨控制裝置等組成。其核心部件為碾磨盤。這種設備如果應用于研磨水泥漿材，其需要解決的關鍵問題是由于水泥材料顆粒硬度較高，導致大規模磨細加工時，隨著研磨時間的延續，磨齒的磨損帶來的濕磨細水泥細度控制問題。此外，要達到設計細度指標的要求，對設備的制造安裝水平也要求較高。大量生產性試驗結果證明，通過采用化學復合熱處理工藝的金屬材料或異性非金屬材料的專用磨齒，并在設備設計中將磨齒設計為可更換零部件，可以解決了水泥濕磨機磨齒的機械磨損問題。

另外，水利工程中水泥灌漿經常在洞室、廊道等狹窄部位進行，要求設備對環境適應性好，輕巧靈便，可以抬動搬運，且與水泥灌漿工藝銜接性好。水泥灌漿施工通常要求連續進行，對設備的運行保證率也要求較高，必須連續供漿。這些都是水泥濕磨機研發設計中必須綜合考慮的主要因素。

2.2.4 GSM系列水泥濕磨機制造關鍵技術研究

以GSM高效水泥濕磨機為例，水泥濕磨機在工作時不需要添加其他的研磨介質，主要是依靠錐形齒式磨齒的定齒和轉齒作相對高速運動來達到細化水泥顆粒的目的。通常水泥是由多種礦物成分組成，水泥顆粒表面硬度較大，因此，GSM—I型高效水泥濕磨機錐形齒式磨齒能否耐磨是該設備能否研制成功并應用于灌漿工程施工的關鍵技術難題。

2.2.4.1 磨齒材質的選擇

在研制GSM—I型高效水泥濕磨機的初期，考慮到受磨介質為水和水泥組成的水泥漿，因此整個水泥細化系統的零部件，在選材設計時，全部都采用耐酸堿及銹蝕的不銹鋼材料，包括磨齒也是選用能達到較大硬度的不銹鋼材料。但經過一系列試驗研究發現該機存在的主要問題是不銹鋼材料對水泥顆粒的耐磨性較差。據試驗測算，一個不銹鋼質材的磨齒加工數噸水泥后便將報廢。所以，此類磨齒的使用壽命達不到水泥灌漿工程施工連續生產的要求。

針對此情況，對磨齒的耐磨性進行了進一步的研究，先后進行了硬質合金材料磨齒、低合金材料表面鍍層磨齒和低合金材料表面熱處理磨齒等不同材質磨齒的耐磨性試驗。試驗結果表明，硬質合金材料本身硬度太大，機械加工難以達到精度要求，而其他加工方法成本太高。低合金材料表面鍍層處理，由于鍍層和母體硬度相差懸殊等原因，在磨機生產研磨水泥漿過程中鍍層容易脫落，表面復合鍍技術雖然解決了上述問題，但因鍍層太薄也不能滿足高效水泥濕磨機生產應用要求。而采用低合金材料加工后再進行表面熱處理工藝的磨齒能夠滿足設備設計要求。

2.2.4.2 磨齒的表面處理工藝

在低合金材料表面熱處理磨齒耐磨性試驗方面，同樣也做了大量的基礎研究工作，發現用常規熱處理辦法處理過的磨齒存在一個很大問題，那就是當熱處理過的磨齒表面硬度不是太高時，還是滿足不了耐磨要求，而當熱處理過的磨齒表面硬度達到一定要求后，則發現磨齒在研磨水泥漿過程中出現磨齒定轉盤表層容易掉塊的問題，也不能滿足高效水泥濕磨機的生產應用要求。

在總結前面試驗的基礎上，又引進開發了化學復合熱處理工藝對磨齒進行處理，使磨齒基本硬度達到HRC62，表面硬度達到HV1300～1500，且磨齒的不同材質間具有良好的過渡層，從而保證磨齒在研磨使用過程中不掉塊。采用這種工藝熱處理后的磨齒變形非常小，熱處理的深度也非常大，完全滿足磨機生產應用要求。GSM—I型水泥濕磨機的磨齒改用低合金鋼加工后，應用化學復合熱處理工藝，每個磨齒可加工水泥100t以上，比JTM135S—I型使用壽命提高10多倍。單個磨齒的使用極限壽命達到能夠研磨200t干粉水泥。GSM—I型高效水泥濕磨機磨齒耐磨性已經完全能夠滿足大規模水泥灌漿施工現場應用要求。

2.2.5 GSM、GSW水泥濕磨機的系統集成

2.2.5.1 GSM、GSW水泥濕磨機的主要性能指標

（1）水泥濕磨機出料水泥顆粒粒徑。一般情況下，根據水利工程防滲設計要求，帷幕的滲透系數標準為0.05～0.01L/（min·m·m）。根據沃安（1963）所給的裂縫寬度b，每1m鉆孔裂縫數n和滲透系數k之間的關系公式：

式中：ρw為水的密度。

按以上公式推算巖體裂隙的對應寬度在0.05～0.15mm左右，也就是說灌漿要求對0.05～0.15mm以上的裂隙進行處理。

水泥灌漿理論和實踐通常認為水泥漿對裂隙的可灌度（M）與裂隙寬度和水泥粒徑有如下關系：

式中：b為裂隙寬度；D為水泥粒徑。

根據以上關系，擬定以寬度為0.2～0.05mm的巖體微細裂隙作為灌漿對象。那么按照裂隙寬度的1/3～1/5推算，水泥灌漿材料的最大粒徑控制在40μm左右即可。

從現在絕大多數水利工程壩基灌漿處理情況看，水泥灌漿材料并不需要追求特別細的顆粒細度，若能在現行使用的水泥灌漿材料基礎上適當減小水泥的粒徑，將可滿足很多工程的灌漿要求。因此最終確定GSM水泥濕磨機設計輸出物料粒徑D95＜40μm。

（2）生產能力。對水泥濕磨機的制漿能力，首先要考慮能滿足工程現場水泥灌漿大規模施工的要求。由于研磨細度與生產能力存在相互制約的關系，如果要求將水泥磨得很細，又有很高的生產能力，勢必增大磨機的能耗比和整機重量。

通過研究發現，需要進行處理的水泥材料具有如下特點：通常合格的干粉水泥的細度要求是大于88μm的水泥顆粒重量不能超過總量的15%，從一般水泥廠的產品化驗單看，水泥的最大粒徑一般在100μm左右，而我們要求通過磨細后水泥漿中水泥顆粒的最大粒徑控制在40μm左右，D95控制在30μm左右，那么水泥顆粒磨細的設計破碎比約為3。從磨細后漿液中水泥的最終要求看，粉碎范圍屬于超細粉碎，根據硬質物料超細粉碎原理，粉碎能量主要應以剪切、振動等方式施加于物料。因此，根據灌細縫一般吸漿量小大的實際情況，設計水泥濕磨機單機的產量為1m3/h是合適的。

（3）整機尺寸。考慮到水泥濕磨機可能需要安裝在廊道、隧洞等狹窄部位進行灌漿施工，為利于人工操作，設計要求整機高小于1200mm，長和寬小于500mm。根據以上設計要求，水泥濕磨機的主要技術參數指標見表2-1。

2.2.5.2 結構設計

通過設備工作原理確定、機型的選型和主要性能參數的決定，設計GSW型高效水泥濕磨機結構系統主要由動力部分、水泥細化系統、料斗和循環系統等三大系統組成（見圖2-3）。水泥濕磨機動力部分包括機座和電機，電機為立式長軸電機，轉速為3000r/min；水泥細化系統由磨腔、磨齒轉盤、磨齒定盤及細度調節盤等組成。該磨機工作時，電動機提供3000r/min的高轉速，直接驅動磨齒轉盤作高速旋轉，使攪拌好的水泥漿被旋壓進磨齒定盤和轉盤的間隙中，在磨齒定盤和轉盤的相對運動作用下，水泥漿液中的水泥顆粒受到很大的剪切力、摩擦力、離心力和高頻振動等復合力的作用，從而被迅速有效地粉碎、分散和攪拌，使細化后的水泥顆粒以單個粒子狀態懸浮在水中。考慮到磨齒的自然損耗，將磨齒設計成可更換結構，以便于后期設備維護檢修。水泥顆粒被粉碎的細度，取決于磨齒兩磨盤的相對角度和齒形設計以及兩磨盤間隙的控制，而兩磨盤間隙的控制和調整由細度調節盤來解決。

由于設計中充分利用了水泥顆粒細小，破碎比要求很低這一特征，GSM、GSW系列水泥濕磨機具有如下特點：構思新穎，結構簡單，操作方便，易于清洗保養，體積小，重量輕，占地面積小，易于搬動和運輸。運行時噪聲小，加工產量高，能耗低，不需要研磨介質、助磨劑等消耗品和冷卻水。磨齒磨盤間隙可以隨時調整，受磨次數控制容易，因此研磨后水泥漿液中水泥顆粒細度和各級比例容易掌握。

2.2.6 GSW水泥濕磨機的調試與維護

2.2.6.1 GSW水泥濕磨機的調試

GSM水泥濕磨機使用前應進行安裝調試。首先將電機電路連接好后，檢查電機的旋轉方向。電機應逆時針方向轉動。用專用扳手轉動磨齒，同時轉動細度調節盤，當聽到“嚓嚓”聲時，即磨齒間隙為零，此時把調節盤的“0”點對準標尺并鎖定。水泥濕磨機使用一段時間后為保證磨細精度，須重新進行調節。水泥濕磨機的組裝拆卸順序從左到右，更換磨齒時需使用專用工具（拉馬）。在拆開、裝回過程中，應用木錘或墊上木塊敲擊，以免損壞零件。

（1）現場調試。首先連接漿、水等制漿管路，保證管路通暢后方能啟動電機。制漿時先啟動磨機，再將預先拌好的水泥漿（濃漿粉磨效果較好，建議水灰比為0.5∶1）通過濾網投入料斗，根據不同工藝按下列方法進行控制：單臺作業時：操作三通閥，根據水泥顆粒細度要求確定循環受磨時間（一般2～3min）。待細度全部合格后再重新投料。多臺集中制漿時：可將多臺水泥濕磨機串聯（2～3臺），注意連接管路。

（2）濕磨細水泥漿材顆粒細度的控制。濕磨細水泥漿材現場制備時，對水泥顆粒細度的控制，可以通過以下手段實現：調整磨齒間隙大小，即調節細度調節盤；在磨齒間隙調好的情況下，通過循環回路中三通閥控制水泥漿的受磨時間，亦可控制濕磨水泥細度。

2.2.6.2 GSW水泥濕磨機的維護

濕磨細水泥制漿系統的操作、維護應安排專人負責。水泥濕磨機是一種高速精密研磨設備，操作人員應按規程進行操作，發現故障及時停機維修。投入料斗的水泥漿液，應經過過濾，防止硬物進入設備，造成磨齒損壞或燒壞電機等事故。水泥濕磨機工作期間如遇到臨時停機，應迅速用水將磨腔沖洗干凈。嚴禁停機后儲存水或漿液。使用完后，應立即清洗干凈，讓磨機甩干積水后方可停機。每次制漿結束后，需檢查調節盤是否有水泥漿滯留，如發現應立即沖洗干凈，重新加潤滑油脂后復原鎖定。水泥濕磨機若長時間停用，必須注入潔凈機油到磨腔體內養護。并對調節系統重新上新鮮黃油。電機軸承應每半年加潤滑脂一次。