水泥粉磨工藝發(fā)展趨勢

　　1、前言

　　自水泥問世至今已有180余年歷史，經(jīng)過水泥工程技術(shù)人員的不懈努力與創(chuàng)新，現(xiàn)已發(fā)展成為三大系列。即由英國人發(fā)明的第一系列（波特蘭水泥，現(xiàn)稱硅酸鹽水泥）；法國人發(fā)明的第二系列（鋁酸鹽水泥）；第三系列由中國人自主發(fā)明（硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥）。

　　水泥系由水泥熟料、混合材、石膏及其它材料（如助磨劑）共同或分別磨細(xì)而成的具有水硬性的微米級粉體?，F(xiàn)代水泥粉磨技術(shù)新觀點(diǎn)認(rèn)為：好水泥是“磨”出來的。當(dāng)今世界水泥粉磨技術(shù)已呈現(xiàn)多元化趨勢，且粉磨設(shè)備也向大型化、低耗高效及自動化方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥粉磨機(jī)理已不再局限于傳統(tǒng)的低效率球、鍛研磨方式，而是逐步向高效節(jié)能的輥磨過渡。

　　就目前水泥粉磨工藝流程而言，有以下幾種：即管磨機(jī)（開路或閉路）粉磨系統(tǒng)、立磨粉磨系統(tǒng)、筒輥磨粉磨系統(tǒng)及輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)等。粉磨過程電耗要占水泥總電耗的70%以上，粉磨工藝的選擇與應(yīng)用直接影響到水泥的產(chǎn)、質(zhì)量及生產(chǎn)成本，在水泥制備中占有舉足輕重的地位。

　　本文擬就水泥粉磨工藝發(fā)展趨勢及改造要點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)探討，謬誤之處，懇請業(yè)界各位同仁予以批評指正。

　　2、水泥粉磨工藝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　縱觀現(xiàn)代水泥粉磨工藝，絕大部分工藝流程仍以管磨機(jī)作為粉磨設(shè)備。目前，國內(nèi)水泥管磨機(jī)設(shè)計直徑已到Φ5m左右，產(chǎn)量在150t/h以上。國際上已設(shè)計到φ5.8m以上的大型管磨機(jī)，用于粉磨水泥，臺時產(chǎn)量達(dá)200t/h以上。管磨機(jī)的粉磨機(jī)理是利用筒體旋轉(zhuǎn)過程中將能量傳遞給襯板，由襯板提升、拋落研磨體對磨內(nèi)物料進(jìn)行沖擊破碎、研磨而完成粉磨作業(yè)。管磨機(jī)內(nèi)所用的研磨體形狀多為傳統(tǒng)的圓球和柱狀鍛，圓球形研磨體對被磨物料以點(diǎn)接觸方式進(jìn)行沖擊破碎，粉磨效率較低。尤其是當(dāng)入磨物料粒度尺寸較大，易磨性差時，管磨機(jī)低效率、高電耗的矛盾更為突出。

　　為了改善粉磨作業(yè)條件，提高磨機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)量、降低粉磨電耗，水泥工程技術(shù)人員從縮小入磨物料粒度入手，通過優(yōu)化設(shè)計襯板工作表面形狀、改變磨內(nèi)各倉研磨體的提升、拋落軌跡以及采用助磨劑等技術(shù)手段，在一定程度上，大幅度提高了磨機(jī)的生產(chǎn)效率。

　　由管磨機(jī)的粉磨特性分析可知，這種工藝流程磨細(xì)功能有余，破碎能力不足，大粒度物料由磨機(jī)粗磨倉破碎是不合理的。所以，必須設(shè)置高效而穩(wěn)定的磨前物料預(yù)處理工藝、縮小入磨粒度，將管磨機(jī)粗磨倉的工作部分或全部移至磨外完成，是實現(xiàn)粉磨系統(tǒng)增產(chǎn)、降低電耗最有效的技術(shù)途徑。

　　入磨物料粒度d與磨機(jī)生產(chǎn)效率Kd的關(guān)系，可由下式計算得出：

　　Kd=G2/G1=（d1/d2）^X                                                     （1）

　　式中：Kd—磨機(jī)的相對生產(chǎn)率或稱粒度系數(shù)。

　　         G1、G2—給料粒度分別為d1、d2時磨機(jī)的產(chǎn)量（t/h）。

　　         X—指數(shù)，與物料特征、產(chǎn)品細(xì)度、粉磨條件有關(guān)，一般在0.10~0.25。

　　現(xiàn)以X=0.20為例計算出不同給料粒度時磨機(jī)的相對生產(chǎn)率Kd。

　　上表中數(shù)據(jù)證明：入磨物料粒度越小，磨機(jī)相對生產(chǎn)率越高。在其它工藝條件不變的前提下，縮小入磨物料粒度是管磨機(jī)增產(chǎn)、節(jié)電的關(guān)鍵因素。

　　水泥粉磨工藝中，除管磨機(jī)流程外，20世紀(jì)80年代中期在德國問世的輥壓機(jī)原主要用于水泥生料和水泥熟料的預(yù)粉碎，即半終粉磨。輥壓機(jī)的粉磨機(jī)理為料床粉碎，現(xiàn)階段已由過去的半終粉磨引申過渡到用于水泥制備的終粉磨。被兩只高壓對輥擠壓的物料產(chǎn)生大量的裂紋和細(xì)粉，顯著改善了物料的易磨性。通過將擠壓后的料餅打散分級分選后形成閉路循環(huán)，成品被選出，粗顆粒物料再入輥壓機(jī)粉碎。輥壓機(jī)水泥終粉磨的電耗雖低于管磨機(jī)粉磨系統(tǒng)50%左右，但由于輥壓機(jī)終粉磨制得的水泥成品顆粒形貌呈多角形結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大，在混凝土制備過程中的工作性能不如管磨機(jī)粉磨的水泥好，國內(nèi)未采用該粉磨系統(tǒng)。

　　立磨由于其系統(tǒng)產(chǎn)量高、電耗低而被廣泛應(yīng)用于生料制備過程。國際上早有采用立磨粉磨水泥（終粉磨）的報道，國內(nèi)有幾家企業(yè)采用立磨終粉磨。立磨的粉磨機(jī)理與輥壓機(jī)有相似之處，均為高效率料床粉磨。所不同的是，立磨磨輥對物料的接觸方式是柱面與平面或輪胎與凹槽，而輥壓機(jī)輥子與物料間的接觸方式為柱面與柱面。此外，立磨自身不須另外設(shè)置選粉分級系統(tǒng)，而輥壓機(jī)則必須單獨(dú)設(shè)置，整個系統(tǒng)比立磨復(fù)雜得多。現(xiàn)階段世界上最大的生料立磨單產(chǎn)已在1200t/h，水泥立磨單產(chǎn)已達(dá)350t/h。這是管磨機(jī)和輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)所不能比擬的。同時，立磨粉磨系統(tǒng)電耗明顯低于輥壓機(jī)系統(tǒng)。

　　另一種高效的水泥粉磨系統(tǒng)，系采用法國FCB公司研制開發(fā)的H0RO mill（筒輥磨），配用高效選粉機(jī)組成的閉路水泥粉磨工藝，系統(tǒng)產(chǎn)量高、電耗低于25kwh/t。我國牡丹江水泥廠采用H0RO mill閉路粉磨系統(tǒng)，配用TSVR4500HF選粉機(jī)，臺時產(chǎn)量最高達(dá)166.6t/h（設(shè)計120t/h，后經(jīng)過調(diào)試達(dá)130t/h），水泥比表面積366㎡/kg[2]。冀東水泥公司二分廠，則采用φ2.6m筒輥磨預(yù)磨新型干法窯熟料，預(yù)磨后的熟料＜0.9mm顆粒占50%左右，切割粒徑大致在2mm，與φ3×11m閉路管磨機(jī)配套（配用O—SePaN1000選粉機(jī)），生產(chǎn)比表面積350㎡/kg的P.O32.5級水泥，粉磨系統(tǒng)增產(chǎn)30%，電耗下降24%[3].

　　綜上所述，今后一段時間內(nèi)，水泥工業(yè)高耗能粉磨設(shè)備（如管磨機(jī)）的選用將會逐步減少，而具有高效低耗的輥磨將成為水泥粉磨領(lǐng)域主機(jī)設(shè)備的首選方向。據(jù)筆者調(diào)研，國內(nèi)某臺資企業(yè)采用立式輥磨用于水泥終粉磨，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

　　3、水泥粉磨工藝改造要點(diǎn)

　　本文著重探討對現(xiàn)有水泥管磨機(jī)系統(tǒng)的改造。管磨機(jī)粉磨工藝分為開路和閉路兩種系統(tǒng)，其中以一級閉路粉磨系統(tǒng)居多。由于水泥的膠凝活性與其自身的磨細(xì)程度和顆粒級配、顆粒形貌密切相關(guān)，故在對現(xiàn)有粉磨工藝進(jìn)行改造時可以采取針對性措施。

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　　3.1 大型管磨機(jī)的改造（φ4m以上）

　　當(dāng)今水泥工業(yè)生產(chǎn)中，管磨機(jī)仍占粉磨設(shè)備的主導(dǎo)地位。如前所述，管磨機(jī)電能利用率低，粉磨電耗明顯高于輥壓機(jī)、立磨及筒輥磨系統(tǒng)。為了降低粉磨電耗，多數(shù)企業(yè)在管磨機(jī)前增設(shè)輥壓機(jī)+分級設(shè)備或CKP立磨等物料預(yù)處理工藝，通過預(yù)處理設(shè)備縮小入磨粒度、擠壓或碾磨處理后的物料產(chǎn)生裂紋效應(yīng)、顯著改善易磨性，在大幅度提高磨機(jī)產(chǎn)量（30—100%）的同時，降低粉磨系統(tǒng)電耗（20—30%）及生產(chǎn)成本，穩(wěn)定提高水泥實物質(zhì)量。以輥壓機(jī)+打散分級機(jī)+管磨機(jī)預(yù)處理粉磨系統(tǒng)（雙閉路）為例，粉磨新型干法窯熟料，系統(tǒng)粉磨電耗在28—32kwh/t；輥壓機(jī)+V型選粉機(jī)+管磨機(jī)預(yù)處理的雙閉路粉磨系統(tǒng)，比較先進(jìn)的粉磨電耗指標(biāo)已低于27kwh/t。比單獨(dú)采用管磨機(jī)，不設(shè)置預(yù)處理工藝時的電耗要低8—12kwh/t。由此可見，強(qiáng)化對入磨物料的預(yù)處理，才能使粉磨系統(tǒng)長期保持較高而穩(wěn)定的粉磨效率及較低的粉磨電耗。同時，由于入磨物料粒度縮小，可優(yōu)化設(shè)計磨內(nèi)研磨體級配、降低研磨體平均尺寸，更有利于顯著提高水泥的磨細(xì)程度（比表面積）和膠砂強(qiáng)度。

　　大型管磨機(jī)內(nèi)部應(yīng)采用提升、分級襯板、篩分裝置、活化裝置、料鍛（球）分離裝置?；诖笮凸苣C(jī)研磨體裝載量多的緣故，為使系統(tǒng)能夠長期保持穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，要求采用機(jī)械性能優(yōu)良的硬質(zhì)合金研磨體，如高鉻多元合金材質(zhì)（單倉磨耗＜30g/t、破損率＜1.0%）。同時，磨內(nèi)其他部位易損件，如襯板、隔倉板等，也宜選用與研磨體相同的材質(zhì)與其配副，以獲得最佳抗磨效果和良好的表面光潔度，為長期穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)、質(zhì)量創(chuàng)造條件。

　　為了提高出磨水泥的圓形度，部分企業(yè)在細(xì)磨倉內(nèi)全部采用φ8—12mm的微形球，使用效果良好。大型管磨機(jī)有多個倉位，各倉內(nèi)所用的研磨體規(guī)格不同，一般規(guī)律是自進(jìn)料端向出料端各倉的研磨體規(guī)格逐漸縮小，以增強(qiáng)研磨體對物料的磨細(xì)功能。研磨體的填充率一般＜32%，大多在26—30%之間選取。

　　總而言之，最佳的水泥粉磨工藝，是由多項實用技術(shù)組合而成的系統(tǒng)工程。作為水泥工程技術(shù)人員，不可忽視技術(shù)細(xì)節(jié)對整個系統(tǒng)帶來的不利影響，只有不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，才能使粉磨系統(tǒng)始終處于良性循環(huán)狀態(tài)。

　　3. 2 中小型水泥粉磨工藝的改造（φ4m以下）

　　對于中小型管磨機(jī)而言，無論是開路還是閉路粉磨系統(tǒng)，必須設(shè)置磨前物料預(yù)處理工藝?？蛇x用的預(yù)處理方式有預(yù)破碎、預(yù)粉碎和預(yù)粉磨，三種預(yù)處理工藝中，以預(yù)粉磨（即采用短粗型棒磨或筒輥磨、細(xì)碎機(jī)+篩分等）技術(shù)效果最好，電耗低、長期運(yùn)行可靠，經(jīng)處理后的物料最大粒度均穩(wěn)定在2mm以下，其中尚含有30%左右的成品。預(yù)處理工藝的設(shè)置，部分或全部取代了磨機(jī)粗磨倉的功能，相當(dāng)于延長了磨機(jī)的細(xì)磨倉，更有利于提高長徑比較?。↙/D≈3）的中長磨或短磨的系統(tǒng)產(chǎn)量（30—50%）、降低粉磨電耗（10—30%）。現(xiàn)就采用預(yù)處理后的幾種粉磨流程的改造進(jìn)行探討：

　　3.2.1 預(yù)處理開路高細(xì)磨系統(tǒng)

　　眾所周知，水泥成品中30μm以下顆粒所占比例決定膠砂強(qiáng)度的發(fā)揮，特征粒徑16—24μm的含量越多越好。中小型磨機(jī)一般磨身較短，物料在磨內(nèi)停留被粉磨的時間也短，完全依靠磨內(nèi)研磨體對物料的破碎與粉磨，物料往往不易被磨細(xì)，導(dǎo)致成品中粗顆粒含量偏多，嚴(yán)重制約水泥水化活性的發(fā)揮。預(yù)處理工藝的設(shè)置對開路粉磨系統(tǒng)的增產(chǎn)、節(jié)電及提高水泥的磨細(xì)程度意義重大。

　　入磨物料經(jīng)過預(yù)處理，磨機(jī)一倉的功能由預(yù)處理設(shè)備完成，磨內(nèi)研磨體平均尺寸縮小，增強(qiáng)了對物料的細(xì)磨能力，水泥成品中30μm以下顆粒比例顯著增加。

　　預(yù)處理開路高細(xì)磨工藝形成后，宜對磨內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)改造，安裝篩分分級隔倉板，同時對細(xì)磨倉襯板進(jìn)行活化處理，以充分激活微形研磨體的粉磨能量，提高了水泥的磨細(xì)程度和膠凝活性。采用開路高細(xì)磨工藝磨細(xì)后的水泥顆粒級配分布較寬，磨內(nèi)隔倉板及出料篦板粗篩縫一般≤6mm、內(nèi)篩板縫可在2.0—3.0mm之間選取。

　　開路高細(xì)磨系統(tǒng)必須強(qiáng)化通風(fēng)與收塵措施，磨內(nèi)風(fēng)速保持0.6—1.2m/s，宜選擇高效布袋收塵工藝。如果出現(xiàn)研磨體表面因靜電吸附細(xì)物料而影響粉磨效率時，可考慮引入助磨劑解決，及時分散研磨體表面粘附層，該工藝系統(tǒng)粉磨電耗一般在28—33kwh/t。

　　采用開路高細(xì)磨技術(shù)磨制的礦渣水泥強(qiáng)度見表下表：

　　表3 數(shù)據(jù)表明：采用開路高細(xì)磨工藝，提高水泥的磨細(xì)程度后，即使礦渣摻量在30%左右，仍能制備物理力學(xué)性能優(yōu)良的525號水泥?；旌喜膿搅吭黾?，水泥成本降低。

　　3.2.2 預(yù)處理閉路粉磨工藝

　　閉路粉磨工藝是在開路粉磨基礎(chǔ)上通過增設(shè)高效選粉設(shè)備改造而成。閉路粉磨工藝最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是所選用的選粉機(jī)的分級精度一定要高（如選粉效率達(dá)85%以上）、性能穩(wěn)定、長期運(yùn)行可靠，否則難以達(dá)到最佳技術(shù)效果。該工藝最佳配置為：磨前預(yù)處理+磨內(nèi)篩分+磨外高效選粉，可以優(yōu)化閉路粉磨水泥顆粒級配，力求使對強(qiáng)度有利的粒徑粉體含量更多些，利于進(jìn)一步發(fā)揮水泥水化活性及力學(xué)強(qiáng)度?，F(xiàn)階段優(yōu)化設(shè)計并運(yùn)行良好的閉路粉磨系統(tǒng)電耗低于開路系統(tǒng)，一般≤28kwh/t。

　　山東建材學(xué)院研究人員曾對某廠φ2.2×6.5m閉路水泥磨系統(tǒng)采用預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行改造，入磨物料平均粒度由9.7mm降至5.3mm，同時優(yōu)化設(shè)計磨內(nèi)研磨體級配、調(diào)整兩倉填充率、改進(jìn)選粉機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低系統(tǒng)循環(huán)負(fù)荷率。改造后，出磨水泥成品比表面積提高70%、3d抗壓強(qiáng)度提高65%。具體數(shù)據(jù)見下表：[Page]

　　表4數(shù)據(jù)得知：經(jīng)過改造后的粉磨系統(tǒng)，由于一倉、二倉研磨體平均尺寸縮小，對物料的研磨能力大大增強(qiáng)，雖然80μm篩余基本相同，但水泥的比表面積卻提高了175㎡/kg，3d抗壓強(qiáng)度較原方案增長14.7MPa，磨機(jī)臺時產(chǎn)量增加1.7t/h，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

　　3.2.3 物料分別粉磨工藝

　　物料分別粉磨工藝可最大限度地發(fā)揮水泥成品的膠凝活性，為大量利用高活性工業(yè)廢渣，凈化生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了良好的條件。經(jīng)分別粉磨再“勾兌配制”的水泥，有更多的混合材摻量。同時由于熟料摻量減少，制得的水泥中不僅堿含量低，而且水化熱也低，可顯著提高混凝土制品的耐久性。

　　分別粉磨工藝制備的水泥顆粒級配更合理，強(qiáng)度增進(jìn)率高，制造成本低，粉磨電耗一般在30—40kwh/t，是粉磨工藝發(fā)展和改造的方向之一。

　　同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院研究人員采用分別粉磨工藝制備低熱P.S525R水泥，在熟料：礦渣：石膏=48：48：4配比條件下，生產(chǎn)出物理力學(xué)性能優(yōu)良的高摻量高強(qiáng)礦渣水泥。

　　表5數(shù)據(jù)看出：采用分別粉磨工藝，可制得物理力學(xué)性能優(yōu)良的高摻量混合材的高強(qiáng)水泥。

　　3.2.4 開路與閉路串聯(lián)粉磨工藝

　　在現(xiàn)有閉路粉磨工藝流程中串聯(lián)一臺開路磨機(jī)作為二級磨，專門用來粉磨經(jīng)一級閉路磨選粉后的粗粉（回料），經(jīng)串聯(lián)的開路磨磨制的水泥比表面積可達(dá)400㎡/kg以上，使水泥的膠凝活性得以充分發(fā)揮。串聯(lián)粉磨工藝系統(tǒng)產(chǎn)量高、電耗低、兩臺磨機(jī)系統(tǒng)的平均粉磨電耗在≤28kwh/t。采用串聯(lián)粉磨工藝，可最大限度地挖掘一級閉路磨及二級開路磨機(jī)的生產(chǎn)潛力，在相同熟料摻入量的條件下，經(jīng)二級磨生產(chǎn)的水泥，具有比一級磨更合理的顆粒級配，膠砂強(qiáng)度要比一級磨產(chǎn)品高出一個標(biāo)號（或強(qiáng)度等級）。

　　由表6得知：采用開路、閉路串聯(lián)粉磨工藝制備的水泥克服了兩種流程單獨(dú)使用時顆粒級配方面的缺陷。

　　實際生產(chǎn)過程中，采用串聯(lián)粉磨工藝時，必須在二級磨前設(shè)置一個容量為200—400t的過渡倉，用以儲備一級磨粗粉。二級磨可充分利用低谷電生產(chǎn)?？紤]到粗粉狀物料的流動性較差，可以選用調(diào)速螺旋秤作為二級磨的計量進(jìn)料設(shè)備。經(jīng)閉路磨選粉后進(jìn)入二級磨的粗粉中絕大部門是煅燒質(zhì)量優(yōu)良的水泥熟料及少量不易磨細(xì)的活性混合材，經(jīng)二級磨磨細(xì)后，制得的水泥物理性能良好。

　　串聯(lián)粉磨后的成品水泥，既可單獨(dú)包裝（散裝）銷售，亦可將兩臺磨機(jī)生產(chǎn)成品混合均勻后再包裝（散裝）銷售。由于二級磨的產(chǎn)品要高出一級磨產(chǎn)品一個強(qiáng)度等級，單獨(dú)包裝（散裝）銷售，經(jīng)濟(jì)效益更好。

　　4、結(jié)束語

　　4.1 縮小入磨物料粒度是提高粉磨系統(tǒng)產(chǎn)、質(zhì)量、降低電耗最有效的技術(shù)途徑。合理選取磨前物料預(yù)處理設(shè)備至關(guān)重要，技術(shù)上要求預(yù)處理設(shè)備性能穩(wěn)定、長期處理效果好、運(yùn)行可靠、處理電耗低。大型管磨機(jī)可考慮采用輥壓機(jī)或CKP磨，中小型磨機(jī)可選用棒磨機(jī)或性能較好的細(xì)碎機(jī)+篩分作為磨前預(yù)處理設(shè)備。

　　4.2 在確保入磨物料粒度＜5mm的同時，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計磨機(jī)內(nèi)部襯板的工作表面形狀。粗磨倉宜選用提升能力較好的階梯襯板，細(xì)磨倉采用分級襯板。安裝使用高效篩分型隔倉板及篦板，粗篩縫≤6mm、內(nèi)篩縫選用2.0—3.0mm。

　　4.3 襯板及研磨體宜選用硬質(zhì)耐磨材料（如高鉻多元合金），提高襯板及研磨體的表面光潔度，降低磨耗，使磨機(jī)始終保持較高而穩(wěn)定的粉磨效率。

　　4.4 中小型兩倉磨機(jī)研磨體填充率的選擇：一倉應(yīng)低于二倉2—4%，提高研磨體的粉磨能力，確保水泥具有良好的磨細(xì)程度和力學(xué)強(qiáng)度。

　　4.5 中小型磨機(jī)磨內(nèi)改造時，應(yīng)注重對細(xì)磨倉襯板進(jìn)行活化處理，消除最外層研磨體切向滑動造成的低效率粉磨狀態(tài)，以充分激活研磨體對物料的粉磨功能。

　　4.6 上述四種粉磨流程，各企業(yè)均可視各自條件選用。如磨內(nèi)出現(xiàn)包球、包鍛現(xiàn)象而影響粉磨效率時，可引入助磨劑予以解決。

　　無論大型還是中小型水泥磨機(jī)，改造過程中必須重視磨前物料預(yù)處理工藝及設(shè)備的選型配置。只有不斷對粉磨系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)改進(jìn)，才能獲得長期穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低消耗技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

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