0  前 言

  2012年我國水泥產量已達20.6億噸。水泥粉磨工藝及其裝備技術直接影響著水泥工業(yè)的振興和發(fā)展，在能源日趨緊張、競爭日益加劇的今天，水泥行業(yè)同仁不斷探索創(chuàng)新，采用新理念、新工藝、新技術，全面提高粉磨系統(tǒng)工藝裝備技術水平，進一步向優(yōu)質高產、低消耗方向發(fā)展，實現(xiàn)更大力度的節(jié)能、利廢，已迫在眉睫。

  水泥輥壓機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)相關技術經過國內多年來的實踐，技術日趨成熟，節(jié)能降耗初見成效。然在“多破少磨”理念指導下所采取的“大輥壓機配小管磨”的粉磨工藝，始終未達到預期的最佳效果。

圖1

  2012年6月，天山股份-庫車分公司在5000t/d 生產線的輥壓球磨“雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)”中，將輥壓系統(tǒng)采用半終粉磨工藝（見系統(tǒng)工藝圖1），取得了重大突破：Ф4.2×13m水泥磨系統(tǒng)產量達350t/h（物料配比：熟料75%、煤矸石18.5%、石膏6.5%，無助磨劑，無粉煤灰，成品比表≥360m2/kg），一年多穩(wěn)定運行，水泥質量得到了客戶的充分認可，噸水泥粉磨電耗20度左右，此系統(tǒng)相關工藝技術正在天山股份及國內同類新型干法生產線（中聯(lián)水泥等）在建或技術改造項目中全面推廣。

  就天山股份-庫車分公司在5000t/d 項目而言，遺憾之處在后續(xù)閉路管磨機系統(tǒng)選用的是o-sepa選粉機N-4500，相對于內循環(huán)高效渦流選粉機，其選粉效率與選粉精度較低，在一定程度上影響了水泥粉磨電耗的進一步降低。揚州義合水泥有限公司Ф3.5×13m管磨機采用輥壓機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)（生產Po42.5，45um篩余2.5%左右，成品比表面積≥360m2/kg），雖然未采用半終粉磨工藝，僅后續(xù)閉路管磨機系統(tǒng)選用內循環(huán)高效渦流選粉機，噸水泥粉磨電耗也能達到22度左右便是例證。

  顯然，就系統(tǒng)工藝圖1而言，如果前后均采用內循環(huán)高效渦流選粉機（見系統(tǒng)工藝圖2），則完全可以實現(xiàn)Po42.5水泥半終粉磨噸電耗可降至20度以下。

圖2

  水泥半終粉磨工藝與裝備技術在各界同仁的共同努力下，主要技術指標已進入世界領先行列。水泥半終粉磨的實質是：選出大部分高效預粉磨系統(tǒng)所產生的微粉（30um以下，主要是20um以下）直接進入成品，一方面穩(wěn)定了輥壓機料床，極大減輕了輥壓機的振動，提高了預粉磨的效率；另一方面，大幅度減少了管磨機內的“軟墊”與“過粉磨”現(xiàn)象，提高了管磨機的破碎與研磨效率，成品質量提高的同時，產量大幅度提高，效益顯著。

  1  水泥半終粉磨工藝發(fā)展趨勢

  1.1 主機及其配套設備大型化

  水泥半終粉磨工藝主要應用Φ3.8m以上的管磨機系統(tǒng)，且大多數(shù)應用在Φ4.2m管磨機系統(tǒng)（最小應用于Φ3.2m管磨機系統(tǒng)）。

  在“多破少磨”理念的指導下，對應管磨機所配套的預粉磨設備，均比傳統(tǒng)配套規(guī)格大，目標產量提高約50%。以Φ4.2m管磨機系統(tǒng)為例，水泥粉磨系統(tǒng)為主機采用Φ1800×1200（至少Φ1600×1400 ）輥壓機+Φ4.2×13m球磨機組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)。

  主機及其配套設備大型化則生產成本、管理成本均較低，銷售與采購成本稍高，適應市場能力稍差。對水泥半終粉磨工藝而言，設備大型化則系統(tǒng)綜合效益更為顯著。如今，水泥工藝路線設計一方面以綜合效益最大化為目標，謀求系統(tǒng)總運轉率與瞬時效益最大化的平衡點；另一方面加大水泥粉磨系統(tǒng)規(guī)格以提高其生產能力，且增加熟料的儲備能力。不少水泥企業(yè)因此抓住水泥價格較高的銷售機遇，放量生產；而在水泥價格較低的時期，利用用電的“峰谷政策”，粉磨系統(tǒng)實行“谷開峰?！?，主動適應了水泥市場需求變化與價格波動，收益頗豐。

  1.2  對水泥的質量要求

  由傳統(tǒng)的80um篩余、追求比表面積，向追求顆粒級配組成與顆粒形貌的科學性，實現(xiàn)效益最大化方向轉變水泥粉磨細度不僅關系到水泥粉磨的能耗，更為重要的是對水泥性能有著很大的影響。為了促進水泥水化，要提高水泥細度，可增大與水的接觸面積，但粉磨過細會導致能耗大幅度增加，且需水量增加。盡管粉磨過細的水泥水化速度較快，有利于強度的發(fā)展，但水灰比大往往使強度下降。如粉磨過細，小于1μm的水硬性顆粉在不到1天時間內完全水化，對齡期強度的增長沒有作用。根據(jù)國內外應用結果分析，僅從混凝土的角度來說，水泥細度應控制在比表面積為300～360m2/kg較適宜。水泥顆粒組成與水泥性能有直接的關系：在水泥產品中，0～3um的顆粒（微粉）決定1d強度；3～25um（細粉）影響28d強度，但3d后可與0～3um顆粒達到相同強度；25～50um（粗粉）對28d強度影響不大，而90d后可同0～3um顆粒的強度達到相同值；三者合計稱為總體細度。在水泥產品中，一般公認：3～32?m顆粒對強度增進率起主導作用，其總量不能低于65%；10～24um顆粒對水泥性能尤其重要，小于3um顆粒不能超過10%；大于64um的粗顆?；钚院苄?，最好沒有。水泥顆粒的形狀近于球形時，其單位重量的比表面積最小，這不僅使形成一定厚度的水膜所需要的水量最少，而且能減少顆粒相互間的磨擦，產生能提高流動性的滾珠效果。經日本有關專家研究證明：當水泥顆粒圓形度（球形為100%）從原來67%提高到85%以后，流動性的提高減少了用水量，所以混凝土的強度和耐久性都提高了。高的比表面積與顆粒圓形度、合理的顆粒結構與組成有利于大幅度提高混合材的摻加量，實現(xiàn)高利廢、高效益。

  為了兼顧實現(xiàn)優(yōu)化顆粒組成與經濟效益最大化，必須準確把握 “多破少磨”的平衡點，即同時保證粉磨系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的能力平衡與粉磨系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定。建議采用過程質量控制與目標管理相結合的方法：

  （1）輥壓機及V型選粉機物料控制要求：V型選粉機出口物料≤30um一般達30%以上，最好40%以上；≤80um一般達60%以上，最好70%以上；≤200um一般達95%以上；

  （2）精細選粉機成品質量控制要求：30um零篩余；

  嚴格執(zhí)行上述過程質量控制指標要求，是半終粉磨系統(tǒng)成品質量、產量、綜合效益大幅度提高的關鍵。

  2  輥壓機與V型選粉機系統(tǒng)

  2.1 實現(xiàn)高效率“料層擠壓”

  輥壓機的“邊際效應” 眾所周知，大規(guī)格輥壓機漏邊料的相對比例，比小規(guī)格輥壓機明顯偏小。選擇合理的輥縫間隙與工作壓力，確保料床的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)高效率“料層擠壓” 。

  2．2 V型選粉機的規(guī)格參數(shù)要達到最基本要求

  目前不少水泥企業(yè)尚未充分認識到V型選粉機規(guī)格參數(shù)達到最基本要求的重要性。只有這樣，才能發(fā)揮V型選粉機應有的功效。   預粉磨效果越好，則V型選粉機分級效果也越好。V型選粉機對較粗物料分級效果不太理想，且磨損嚴重。

  2．3 預粉磨系統(tǒng)生產能力平衡

  V型選粉機、輥壓機、精細選粉機等（包括相關輸送、除塵等）系統(tǒng)生產能力的平衡和諧是關鍵。需要說明的是，（輥壓機、立磨）預粉磨系統(tǒng)存在某個產量指標下其擠壓效果最佳，低于這個產量或高于這個產量，效果會明顯下降（微粉含量下降，循環(huán)負荷變大，設備振動大，且有惡性循環(huán)趨勢）。

  3  選粉機系統(tǒng)

  3．1 V選與精細選粉機的連接方式

  必須從顆粒流體力學的角度來設計，再通過實踐來驗證其效果。確保流體阻力小。對于旋轉型流體，一方面要降低局部阻力，因勢利導；另一方面要降低沿程阻力，路徑盡可能短。當兩者矛盾時，一般是局部阻力大于沿程阻力，即管道設計順風向較為有利。實踐證明圖3的V選與精細選粉機切向連接方式則是最佳連接方式。[Page]

  Sepax渦流選粉機切向連接方式實測指標為：系統(tǒng)阻力低至800～1000Pa，選粉效率高達90%以上，選粉精度K值達0.9，為系統(tǒng)產量高，單位電耗低提供了有效保證。

  但如果V選與動態(tài)選粉機采用上下直接（如圖4），沿程加長，阻力加大，且進入后再旋轉所產生的局部阻力大幅度增加。目前一般所能達到的指標為：選粉效率僅能達70%左右；選粉精度K值達0.7；系統(tǒng)阻力達到1500-2000Pa，系統(tǒng)能耗高，單產電耗高。

  3.2 兩臺選粉機成品質量控制標準不同

  前置的精細選粉機成品質量控制標準為30μm零篩余；后續(xù)閉路粉磨系統(tǒng)所用內循環(huán)高效渦流選粉機成品質量控制標準為45μm篩余2.5%左右。這主要是考慮前置的精細選粉機所選成品為輥壓機直接形成，顆粒圓形度較差，但其粒徑較小，進入后續(xù)管磨系統(tǒng)，會大大增加管磨機內的“軟墊”，破碎研磨效率銳減；而后續(xù)的內循環(huán)高效渦流選粉機所選成品顆粒圓形度較高，故其粒徑可放寬至45μm篩余2.5%左右。實踐探索，在此成品質量控制標準下，整體效益較好。

  3.3 國產內循環(huán)高效渦流選粉機與o-sepa選粉機比較

  國產內循環(huán)高效渦流選粉機與o-sepa選粉機相比，采用內循環(huán)旋風筒收集成品，無須配套大規(guī)格收塵器（其配套風機功率動輒數(shù)百千瓦），系統(tǒng)能耗大幅度降低。國內多家水泥企業(yè)實踐證明，由于其獨特的原理、結構，選粉效率、選粉精度等主要經濟、技術指標明顯優(yōu)于o-sepa選粉機，且已達到國際領先水平（循環(huán)風機葉輪維修周期在兩年以上便是例證）。

  4 后續(xù)閉路粉磨系統(tǒng)面臨新挑戰(zhàn)

  十多年前大多數(shù)水泥企業(yè)入磨粒度一般為小于25mm，管磨機產量維持較低水平。近年來絕大多數(shù)水泥企業(yè)通過降低入磨粒度，增加預破碎（或預粉磨）及其配套工藝，已經大幅度提高了管磨機粉磨效率。面對半終粉磨工藝帶來的新情況，管磨機閉路粉磨系統(tǒng)進料粒度降至0.2mm篩余小于5%，確實史無前例，面臨挑戰(zhàn)。

  水泥粉磨工藝手冊等資料中，管磨機粉磨系統(tǒng)相關工藝參數(shù)，管磨機等設備的結構參數(shù)、工作參數(shù)均無法滿足如此進料粒度對高效率粉磨的期待。管磨機筒體分倉尺寸、襯板及隔倉板結構、進出料螺旋等均無法滿足現(xiàn)行工藝需要；傳統(tǒng)管磨機破碎理論、轉速理論、研磨體裝載量理論、研磨體級配理論等均不能適應目前粉磨工藝技術的發(fā)展要求。水泥企業(yè)普遍出現(xiàn)了前倉篩余曲線下降很少，后倉經?！帮柲ァ钡默F(xiàn)象。需從理論與實踐兩個方面不斷進行探索與創(chuàng)新。

  4．1 管磨機內三元（物料、研磨體、空氣）運動規(guī)律

  傳統(tǒng)理論主要研究磨內研磨體運動規(guī)律，忽視了管磨機內物料運動規(guī)律以及研磨體與物料之間相互影響規(guī)律的研究與分析。

  （1）管磨機截面篩析現(xiàn)象：一方面是物料的篩析現(xiàn)象，即沿磨內半徑方向基本上是粗粉到細粉的分布，這一點比較容易被大家接受。另一方面是研磨體的篩析現(xiàn)象：在管磨機運動參數(shù)適宜的狀態(tài)下可以看到粉磨區(qū)的篩析現(xiàn)象，即沿磨內半徑方向基本上是大研磨體到小研磨體的分布。

  （2）磨內物料軸向流動觀點：固態(tài)顆粒流、流態(tài)顆粒流、導向顆粒流、強制顆粒流等綜合構成磨內物料軸向流動。磨內物料軸向分級與軸向流動主要靠系統(tǒng)及其參數(shù)優(yōu)化與磨內結構優(yōu)化來實現(xiàn)。當然還要考慮研磨體的磨內軸向微運動規(guī)律，即研磨體的磨內軸向分級及其穩(wěn)定程度，要防止磨內研磨體的軸向反分級。

  （3）磨內研磨規(guī)律：即在磨內研磨體密實區(qū)域內，管磨機單位運動周期內某處研磨體的表面積ds與所在位置壓強p的乘積積分表征磨內研磨能力的大小。而所在位置壓強p近似等于其在密實區(qū)域的垂直高度h與料及研磨體混和物的比重γ的乘積，Q=kn∫hγds 其中k為研磨能力系數(shù)；n為管磨機轉速。實踐中可以發(fā)現(xiàn)：

  ①在一定范圍內，管磨機轉速越高，產量越高；超過一定范圍，產量又降下來。這是因為轉速高到一定程度，某處密實區(qū)域的垂直高度h就要明顯下降，導致產量下降。而且管磨機的慣性偏心距加大導致電機功耗加大。如此進料粒度，管磨機最佳轉速面料再認識的問題，轉速有時微小變化，都會帶來產量的較大變化。

  ②在一定范圍內，填充率越高，產量越高；超過一定范圍，產量又降下來。這是因為填充率高到一定程度，密實區(qū)域的分層粉磨運動效率就要明顯下降，導致產量下降。而且管磨機的慣性偏心距加大導致電機功耗加大。

  ③管磨機有效內徑越大，產量越高。這是因為有效內徑越大，某處密實區(qū)域的垂直高度h就越大。

  ④小的研磨體有利于加大其接觸表面積，提高粉磨效率，但小的研磨體容易使隔倉板、篦板堵塞，也存在最佳值的問題。

  ⑤早期設計隔倉板只是為了隔離大小鋼球和阻攔研磨體不被排出，而今則已開始注重控制料流速，平衡首、尾倉的破碎、粉磨能力，保證合適的料球比，進而增大了研磨體動能的有效利用。通盤考慮隔倉板和卸料裝置（出料篦板）的磨損速度與過料能力、通風能力的變化規(guī)律來設計，則效果明顯。

  ⑥襯板和活化環(huán)

  襯板的耐磨性在效益中占有重要的地位,厚度較小則效益明顯。襯板的作用是由過去單純的防護裝置發(fā)展到按不同倉被破碎、粉磨物料的需要來調節(jié)研磨體的動態(tài)分布和運動軌跡。

  傳統(tǒng)觀念：管磨機的首倉主要是塊狀物料，需用具有較大落差的大研磨體擊碎物料，而尾倉是粗粉細渣物料，是用小研磨體互相滾蹲來研磨物料。對于而活化環(huán)又為微介質創(chuàng)造了三維運動條件，強化了研磨作用。因此首倉通常采用具有阿基米德對數(shù)螺線提升角提升船形（階梯）襯板，其提升角的大小要由磨體轉速和研磨體填充率來決定。而尾倉則應采用具有分級兼提升的雙曲面襯板，其分級斜度和提升角由磨體轉速和研磨體級配而定。管磨的尾倉常加活化環(huán)。襯板的改進和活化環(huán)的使用能使管磨機的產量明顯提高，電耗下降，比表面積加大。如此進料粒度則襯板結構需重新考慮整個管磨機主要考慮研磨，破碎要求已經微乎其微了。

  ⑦改善磨內結構。管磨機的粉磨效率與研磨體的裝載量、填充系數(shù)及其級配密切相關，傳統(tǒng)設計中的研磨體裝載量偏少，所配的傳動電機富余較大，可以適當增加研磨體的裝載量使電流略低于配電機的電流允許范圍的上限值，這樣即保證了安全運轉，又提高了管磨機產量。采用預粉磨的圈流生產管磨機，一般適當縮短首倉長度，加長二倉長度，但要適度。首倉長度本來就短的管磨機就可以不調整。

  (4)磨內通風普遍存在嚴重不均現(xiàn)象，導致跑粗料。中部風速是邊部風速的數(shù)十倍，且隨著規(guī)格越大，此現(xiàn)象越嚴重。閉路粉磨有效緩解但不完全解決這個問題。仍有待進一步探索與研究。

  4．2 對于半終粉磨，仍需堅持管磨機進料原則：勻、干、穩(wěn)、冷

  （1）進料均勻原則： 一個方面是進料粒度要均勻；另一個方面是易磨性、易破性要均勻。管磨機進料粒度均勻有利于管磨機首倉配球，實現(xiàn)較高的粉磨效率。易磨性差別較大的分別粉磨然后再混合已經形成共識（建議有條件的水泥企業(yè)礦渣、粉煤灰、水泥熟料分別粉磨再科學配比混合，效益顯著）。

  （2）控制水分原則：實踐表明，管磨機進料綜合水分一般小于1% ，但同時又大于0.5%；礦渣進料綜合水分小于1.5%。綜合水分的控制指標隨易磨性的變化而變化，越難磨則綜合水分的控制指標要相應提高。

  （3）進料穩(wěn)定原則：目前不少水泥企業(yè)出于對系統(tǒng)運轉率的追求，盡可能減少系統(tǒng)設備數(shù)量，將傳統(tǒng)的磨前小倉與圓盤喂料機全部去掉，而來料卻又難以穩(wěn)定，管磨機實際變成間隙進料，一會兒有料，一會兒沒有料，管磨機內研磨體與研磨體、研磨體與襯板的直接接觸就無法避免，難以保證研磨體與物料的充分接觸，總體粉磨效率較低，且襯板與研磨體等的磨耗較高。

  另外，管磨機所進物料的物理特性（綜合水分、細度、顆粒均勻性、溫度等）相對穩(wěn)定同樣重要，不可掉以輕心。管磨機對應的粉磨系統(tǒng)只可能對某一物理特性穩(wěn)定且進磨均勻的物料實現(xiàn)優(yōu)質高產低消耗。否則，對應粉磨系統(tǒng)的粉磨效率一定不會達到高水平。

  （4）進料控制溫度原則：在水泥粉磨過程中，管磨機所進物料溫度對管磨機粉磨效率影響較大。當墊層達20毫米時，粉磨能力下降近50%（這一現(xiàn)象圈流粉磨系統(tǒng)中可以得到一定程度改善），顯然臺時產量下降很多（約30%），單位電耗也大幅增長。國內外一些大型水泥管磨機，從磨頭端加水管噴頭（1%～2%）來降低管磨機內物料溫度，減少細粉粘聚，大約提高管磨機臺時約10%～15%，水泥“假凝”現(xiàn)象消除，但在“飽磨”與管磨機開停頻繁時，噴嘴易堵。最理想的方法還是控制住進入管磨機的物料溫度。

  降低熟料溫度辦法有：采用先進的熟料冷卻機，使其在較短時間內急冷，且可提高供回轉窯用的二次風溫。其次是對熟料采用噴水或濕的混合材混合后堆放一段時間，再入庫存放。第三，增加熟料庫容量（或堆棚），使其有足夠時間冷卻，改善熟料易磨性能。

  4．3 仍然堅持應用高效助磨劑

  在粉磨過程中加入少量的助磨劑，可消除細粉粘附聚集現(xiàn)象，對半終粉磨工藝較為重要（因其進料粒度實在太細）。在水泥粉磨過程中加入助磨劑后，它吸附在顆粒表面，引起顆粒表面特性的許多變化。當助磨劑存在時，隨著物質表面吸附量的增加，耐磨力下降，在完全吸附時，耐磨能力最小。研磨是個表面現(xiàn)象，表面硬度的減小，無疑有助于這個過程的進行，故加入助磨劑后能大幅提高管磨機的粉磨效率，增加水泥中細粉含量，水泥的ISO強度相應得到提高。同時，可提高混合材摻加量8%左右，效益顯著。但是，在使用過程中必須注意：不是分散劑要適應粉磨系統(tǒng)，而是粉磨系統(tǒng)去適應分散劑。使用分散劑后物料在磨內的停留時間縮短，磨內流速加快，因此必須相應改變研磨體的級配和循環(huán)負荷來適應流速變化。

  5  結束語

  精心操作和管理維護是高效穩(wěn)產的必要條件，為此應制訂相應的規(guī)范和制度。例如補料、調整循環(huán)負荷、控制磨溫和設備的巡檢、維護等，以保證計劃產量期間的設備運轉率。生產過程中調整喂料時應均衡地、逐漸地進行，切忌忽大忽小，并根據(jù)物料的變化，如物料粒度、水分、易磨性、庫存料的多少等等，及時調整操作，絕不能待管磨機狀況發(fā)生顯著變化時才采取應急的措施，這對管磨機產量成品質量是極為不利的。全方位綜合優(yōu)化組合上述相關措施，相對于傳統(tǒng)觀念Φ4.2×13M閉路管磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，產量從230-250t/h增產350%以上，熟料配比下降2%，水泥的標準稠度用水量稍有下降，水泥質量將會得到一定改善，極易受到混凝土客戶的喜愛。 天山庫車、鄧州中聯(lián)半終粉磨系統(tǒng)均取得了很好的效果。 同時，水泥企業(yè)的綜合效益受多方面因素的影響，粉磨工藝是其中相對重要的技術因素。資源、市場、行業(yè)背景、資金、企業(yè)文化、人員素質、管理水平等不僅直接影響水泥企業(yè)的綜合效益，也影響粉磨工藝新技術的推廣應用，進而間接影響水泥企業(yè)綜合效益的提高。本文姑且拋磚引玉，愿其能為第二代水泥新型干法技術的進一步完善盡微薄之力。