輥磨在水泥工業(yè)的應(yīng)用

韓仲琦

1 前言

輥磨（roller grinding mill）是一種輪碾式粉磨設(shè)備，1925年出現(xiàn)在德國，至今已有80多年的歷史了,現(xiàn)已廣泛用于水泥、電力、冶金、化工、非金屬礦等工業(yè)領(lǐng)域。自20世紀(jì)60年代起，輥磨用于水泥工業(yè)的生料粉磨，因其節(jié)能效果顯著，所以很快引起人們的注意和興趣。70年代輥磨液壓加載技術(shù)出現(xiàn)，使得磨機(jī)單機(jī)能力成倍增長，80年代粉磨水泥熟料的工業(yè)輥磨投產(chǎn)，90年代至21世紀(jì)初，又出現(xiàn)了高細(xì)礦渣的輥磨和水泥終粉磨的輥磨，使得傳統(tǒng)的球磨機(jī)逐步退出舞臺?，F(xiàn)在國內(nèi)外多家公司相繼研制并推出了各種類型的輥磨，如德國萊歇公司LM輥磨，非凡公司MPS輥磨，伯利休斯公司RM輥磨，丹麥?zhǔn)访芩构続tox輥磨，日本宇部公司UB-LM輥磨等；國內(nèi)有天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院的TRM型輥磨、合肥水泥研究設(shè)計院的HRM型輥磨、成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院的CDRM型輥磨、北京電力設(shè)備總廠的ZGM系列輥磨、中信重機(jī)的LGM和LGMS型輥磨、沈陽重型機(jī)械集團(tuán)的MLS和MLK型輥磨、黎明重工科技股份公司的LM輥磨等?，F(xiàn)在世界上用于水泥生料、礦渣和煤粉的輥磨設(shè)備比例已大于球磨，水泥輥磨也達(dá)到了30%左右。

水泥工業(yè)是典型的能源和資源依賴型產(chǎn)業(yè)，水泥廠中電力主要消耗在粉磨作業(yè)上，粉磨電耗約占全廠總電耗的70%，傳統(tǒng)使用的球磨機(jī)粉碎效率很低，能量利用率在3%以下，而輥磨的粉碎效率可達(dá)7%～15%[1]。采用料床粉磨機(jī)理的輥磨技術(shù)，已成為水泥工業(yè)節(jié)能粉磨的發(fā)展趨勢。

2 輥磨的特點

圖1 輥磨結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示為用于水泥廠的一臺生料輥磨結(jié)構(gòu)示意圖，輥磨主要由磨輥與磨盤組成。輥磨是利用料床粉磨的原理對物料進(jìn)行粉磨，由于磨輥與磨盤之間存在速度差，故在滾壓的同時進(jìn)行碾磨。物料從磨機(jī)上部或磨殼一側(cè)通過喂料裝置進(jìn)入磨盤中心，磨盤水平運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，磨盤上的物料從中心被甩至粉磨區(qū)域，當(dāng)磨輥被加載裝置置于輥道上的物料上面時，由于磨盤的轉(zhuǎn)動，磨輥對物料產(chǎn)生一個豎向垂直力，且和物料之間有一個摩擦力。磨輥是從動轉(zhuǎn)動，從磨盤周圍擋料圈溢出的物料被磨盤外風(fēng)環(huán)中的上升氣流帶入上部的選粉機(jī)中，經(jīng)選粉分級后，粗顆粒返回磨盤與新加入的物料一起重磨，同時通過鼓入的熱風(fēng)對含有水分的物料進(jìn)行烘干，細(xì)粉隨氣流排出磨機(jī)作為產(chǎn)品，可用旋風(fēng)收塵器或電收塵器分離收集。由于料床粉磨大大降低了粉磨無用功，以及大量的物料再循環(huán)減少了過粉磨和緩沖作用，從而提高了粉磨效率。

磨輥與磨盤之間的壓力可用彈簧或液壓加壓，液壓系統(tǒng)增加了壓力平衡裝置，有效降低了磨機(jī)的振動，磨輥的輥數(shù)有2、3、4輥等多種，現(xiàn)在甚至出現(xiàn)了6輥輥磨。磨輥與磨盤的接觸面可以是平面，也可以是凸凹狀、凹槽狀，其間的夾角也有不同。

輥磨系統(tǒng)的特點是：

◆工藝流程簡單。一臺磨機(jī)同時對物料進(jìn)行粉磨、烘干和分級；

◆占地面積小，布置緊湊，系統(tǒng)設(shè)備重量輕，基本建設(shè)投資低；

◆磨效率高，單位產(chǎn)品電耗低；

◆入磨粒度大，可為輥徑的4%～5%；

◆由于是風(fēng)掃式粉磨，可大量利用預(yù)熱器窯尾廢氣，節(jié)省能源；

◆單位產(chǎn)品金屬消耗?。?/p>

◆噪音小(約比球磨低10dB),負(fù)壓操作，污染小，操作環(huán)境好。

輥磨的缺點是：產(chǎn)品的顆粒級配較窄且細(xì)粉含量高，粉磨生料粒度均勻，粉磨水泥時水泥的早期強(qiáng)度較低，但這可通過調(diào)整選粉操作來改進(jìn)質(zhì)量。另外，輥磨不適用腐蝕性大、易磨性差的物料，例如生料中的游離石英最好不大于7%[2]。

3 水泥生產(chǎn)中的粉磨作業(yè)

3.1 粉磨工藝的特點

水泥工業(yè)是典型的散體物料處理過程，從礦山開采的石灰石到水泥成品出廠，破碎比可達(dá)10萬比1[3]。水泥廠中被粉碎的物料有：生料、煤、熟料、石膏及礦渣混合材等，因此水泥廠中有煤磨、生料磨、水泥磨及礦渣磨等粉磨設(shè)備。水泥生產(chǎn)中，從原料開采到制成水泥要經(jīng)過兩道破碎與粉磨過程，即原料的粉磨與熟料的粉磨，圖2是水泥生產(chǎn)工藝簡要示意圖?，F(xiàn)在原料（生料）粉磨幾乎都已選用輥磨，但在水泥（熟料）的粉磨選型方面還有幾種方案，既可以選用輥磨或球磨機(jī)作為終粉磨，也可以采用具有預(yù)粉磨功能的聯(lián)合粉磨方案，這主要是根據(jù)使用者的要求來決定的。

水泥工藝粉碎的基本原則是不要過粉碎，以利于節(jié)能。一個多世紀(jì)以來，在粉碎原理上著重研究固體物料的碎裂規(guī)律及其功能，隨著現(xiàn)代水泥工業(yè)的發(fā)展，在上世紀(jì)60、70年代出現(xiàn)了設(shè)備大型化的熱潮，進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，由于世界能源緊缺，推進(jìn)了“預(yù)粉磨”、“多碎少磨”等節(jié)能工藝及新型節(jié)能設(shè)備的發(fā)展，由于高新技術(shù)的發(fā)展和礦物加工工業(yè)的精細(xì)化，水泥產(chǎn)品中的顆粒形貌與顆粒級配也引起了人們重視。此外粉碎原理的研究向多學(xué)科多領(lǐng)域和交叉學(xué)科方面拓展，從而推進(jìn)了粉碎原理不再停留在粉碎物理學(xué)和粉碎功耗方面研究，出現(xiàn)了粉碎動力學(xué)、粉碎機(jī)構(gòu)學(xué)、粉碎機(jī)械力化學(xué)等新的領(lǐng)域，粉碎工藝出現(xiàn)了多樣化。

目前，國外在新裝備的水泥廠中生料幾乎都是在輥磨中粉磨的，與球磨相比輥磨有很多優(yōu)點，因為有較好的應(yīng)力狀態(tài)，單位電耗比球磨要小很多，帶外部物料循環(huán)系統(tǒng)的輥磨電耗更省。從電力使用角度來看，輥磨還有更多優(yōu)點，球磨的電耗與物料通過量無關(guān)，決定因素主要為粉磨介質(zhì)填充率，而輥磨的電耗卻與物料通過量成正比，由于電力與物料流量有關(guān)，輥磨操作時可以在很大物料流量范圍內(nèi)達(dá)到最佳電耗，并且大型輥磨處理的物料粒度很大，最大邊長為200mm的物料也可入磨。輥磨中選粉機(jī)的改進(jìn)也達(dá)到很好的節(jié)能目的，一種可變速的籠形轉(zhuǎn)子選粉機(jī)能與輥磨很好地配合。

3.2 生料粉磨的顆粒要求

水泥熟料的燒成基本上是一種固相反應(yīng)，而固相反應(yīng)速率與生料顆粒尺寸有直接關(guān)系，物料粉磨越細(xì)則反應(yīng)速率越快，反應(yīng)速率快意味著煅燒時可以節(jié)省熱能，但粉磨得越細(xì)則粉磨電耗越高。此外水泥生料是由鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鐵質(zhì)等多組分物料所組成，各組分的反應(yīng)速率不一，因此隨著配料的不同，要求的粉磨細(xì)度也不同，為此合宜的細(xì)度應(yīng)通過易燒、易磨性試驗決定，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。

圖2 水泥生產(chǎn)工藝流程示意圖

一般生料粉磨的細(xì)度要求是＞70～90μm的粉體物料篩余為9%～22%，且＞0.2mm的顆粒＜3%，而生產(chǎn)企業(yè)的要求是：80μm篩篩余＜12%且＞200μm的顆粒＜1.5%。

3.3 水泥粉磨的要求

3.3.1 水泥細(xì)度

水泥是一種細(xì)粉物料，粒度范圍約在0.1～100μm，不同粉磨加工工藝和不同品種的水泥，可能具有不同的比表面積和粒度分布。主要顆粒粒徑范圍為3～30μm，比表面積在250～600m2/kg。

水泥的粉磨細(xì)度與強(qiáng)度有著密切關(guān)系，水泥細(xì)度越細(xì)強(qiáng)度越高，水泥的標(biāo)號也越高，尤其是早期強(qiáng)度。水泥工業(yè)發(fā)展初期，人們用手指去捻水泥粉末，單憑感覺去判斷水泥的粗細(xì)從而確定水泥的質(zhì)量優(yōu)劣，后來人們注意到更應(yīng)注意水泥中是否含有粗粒，因而發(fā)展用篩余來表示細(xì)度。此外，水泥顆粒級配不當(dāng)，會影響水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量或和易性，因此合適的粒度分布是很重要的。

20世紀(jì)50年代以后，水泥工業(yè)使用了比表面積來從另一角度表示水泥細(xì)度，這不單可以反映水泥顆粒的粗細(xì)，還可表示粉磨水泥時輸入的能量多少，也反映了水泥水化能力的高低，因為任何反應(yīng)速度都隨反應(yīng)物質(zhì)表面積的增大而加快。

我國規(guī)定水泥細(xì)度用80μm篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩篩余百分?jǐn)?shù)表示，例如硅酸鹽水泥的細(xì)度為80μm篩孔的篩余＜15%，當(dāng)用透氣法測定水泥比表面積時，普通硅酸鹽水泥的比表面積范圍在250～350m2/kg。

在粉磨相同細(xì)度的產(chǎn)品時，由于輥磨粉磨效率高，比球磨電耗小，是很好的節(jié)能粉磨設(shè)備。

3.3.2 水泥顆粒形狀

顆粒形狀是指一個顆粒的輪廓或由表面上各點構(gòu)成的圖像。我們可以定性或定量分析顆粒的形狀，顆粒的形狀是影響粉體性質(zhì)的重要參數(shù)之一[3]。

水泥的顆粒形狀與水泥的性能有密切的關(guān)系，球形度是一種顆粒形狀的指標(biāo)，球形度低摩擦阻力大，使水泥的流動度變小，水泥砂漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大，水泥強(qiáng)度減少。另一方面，水泥強(qiáng)度的產(chǎn)生主要是由于水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間相互關(guān)聯(lián)、搭接作用，從而可以抵抗外力。水泥球形度高，雖然使得標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，避免產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，但同時水泥的多角形顆粒數(shù)也減少，不利于顆粒間的搭接，從而使其強(qiáng)度降低。使用球磨的粉磨系統(tǒng)，水泥產(chǎn)品的球形度較高，但其他物理性能不好，而輥磨系統(tǒng)的產(chǎn)品球形度較低，但力學(xué)性能比球磨好。

這里還要說及一點的是，可以通過調(diào)整粉磨系統(tǒng)的選粉機(jī)產(chǎn)品粒度分布來提高水泥強(qiáng)度，而不一定要通過提高粉磨細(xì)度來實現(xiàn)這個目標(biāo)。

4 輥磨在水泥工業(yè)中的應(yīng)用

4.1 生料輥磨

如前述，大型生料輥磨可以處理直徑較大的物料，一種可變速的籠形轉(zhuǎn)子選粉機(jī)也與輥磨配合得很好，可獲得準(zhǔn)確選粉，提高粉磨性能，估計現(xiàn)在全世界的生料輥磨已有800臺，最大產(chǎn)量超過600t/h,圖3所示為生料輥磨流程示意圖（物料外循環(huán)）。

從上世紀(jì)70年代開始，天津水泥院就已進(jìn)行生料輥磨的研究開發(fā)，目前在輥磨技術(shù)與裝備的研發(fā)方面取得了重要進(jìn)展：2500～5000t/d不同規(guī)模水泥熟料生產(chǎn)線配套的原料輥磨得到了推廣應(yīng)用，450t/h的原料輥磨已用于河北燕趙水泥有限公司的5500t/d水泥熟料生產(chǎn)線上，300t/h的原料輥磨（2臺）又成功應(yīng)用于惠水泰安水泥有限公司7500t/d水泥熟料生產(chǎn)線上。

當(dāng)采用輥磨粉磨生料時，可比球磨節(jié)省電耗10%～25%。

4.2 礦渣及其他物料的粉磨

礦渣是一種活性混合材，礦渣作為活性混合材，早已在水泥行業(yè)得到普遍應(yīng)用，應(yīng)用方式是與熟料和石膏等原料配合后進(jìn)行混合粉磨。根據(jù)我國水泥標(biāo)準(zhǔn)，普通水泥礦渣摻量15%，礦渣水泥最高摻量為70%，實際生產(chǎn)中礦渣水泥摻量一般只有30%～40%。

影響礦渣摻量的主要原因是熟料和礦渣混合粉磨時，由于礦渣相對難磨（礦渣的易磨性比熟料高30%左右），水泥中的礦渣組分比熟料組分粗，活性難以提高，從而影響水泥強(qiáng)度。如果將礦渣單獨粉磨至450m2/kg以上的細(xì)度再與高質(zhì)純硅水泥進(jìn)行混合，則可以提高礦渣的摻量，而且可改善水泥或混凝土的物化性能。

從上世紀(jì)90年代中期起，隨著粉磨技術(shù)的發(fā)展，越來越多的水泥企業(yè)開始采用單獨粉磨工藝制備礦渣粉。礦渣粉比表面積高，細(xì)度細(xì)，活性好，如與純硅水泥混合，其摻量可以達(dá)到50%或更高，同時礦渣粉作為外加劑直接摻入到混凝土中，可改變混凝土的性能。輥磨系統(tǒng)因具有工藝簡單、烘干能力強(qiáng)、電耗低等優(yōu)點而發(fā)展最快，我國早期有20多臺進(jìn)口礦渣輥磨機(jī)，設(shè)備投資和備品備件費用都很高，針對這些情況，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院開發(fā)了首臺TRM型國產(chǎn)礦渣輥磨，現(xiàn)在30萬噸級的礦渣輥磨已銷售幾十臺，年產(chǎn)120萬噸礦渣輥磨設(shè)備也已開發(fā)成功，成品比表面積可以在400～600m2/kg范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。將礦渣高細(xì)粉磨后替代水泥熟料，最大程度地實現(xiàn)了礦渣資源化利用。

此外，石膏是與水泥熟料共同粉磨的，因為摻入量很小，石膏又比較容易粉磨，一般沒有什么問題。但石膏有時脫水程度不夠，影響緩凝作用，主要是因為機(jī)內(nèi)作業(yè)溫度低，CaSO4·2H2O轉(zhuǎn)化成CaSO4·1/2H2O的比例太少。解決辦法是提高作業(yè)溫度，調(diào)整摻量。

煤粉用于熟料的燒成，煤粉的細(xì)度是保證燃燒速度和穩(wěn)定燃燒的控制因素，用輥磨粉磨煤粉沒有問題。輥磨早已應(yīng)用于煤粉的系統(tǒng)上。各種國產(chǎn)燃煤煤粉制備的輥磨也得到市場認(rèn)可，與5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線配套的無煙煤輥磨設(shè)備也已應(yīng)用,用于電廠脫硫的高細(xì)石灰石粉磨的輥磨也有多臺投入運(yùn)行。

4.3 水泥預(yù)粉磨技術(shù)

在新型干法水泥技術(shù)發(fā)展過程中，水泥預(yù)粉磨技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了水泥粉磨效率。預(yù)粉碎或預(yù)粉磨技術(shù)可有如下的意義：把水泥球磨一倉的工作移到前處理裝置去作，用工作效率高的粉磨設(shè)備代替效率低的球磨機(jī)一部分工作，另一方面將入磨熟料的粒徑減少，可以提高粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)量和降低電耗。水泥預(yù)粉磨系統(tǒng)是在水泥球磨機(jī)的前面，設(shè)置一臺輥磨作為預(yù)粉磨裝置。

輥磨作為預(yù)粉磨裝置時，在輥磨內(nèi)去掉了選粉裝置，由于輥磨在穩(wěn)定性和使用壽命上的優(yōu)勢，所以輥磨預(yù)粉磨系統(tǒng)有了一定發(fā)展。這種流程的代表是日本的CKP磨，但世界上投產(chǎn)的臺數(shù)不多。

圖4 水泥輥磨終粉磨流程示意圖

4.4 水泥終粉磨系統(tǒng)

輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)是只用輥磨設(shè)備粉磨水泥的操作系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代初，日本開發(fā)了用于水泥終粉磨的輥磨，如秩父小野田公司和神戶制鋼共同開發(fā)的OK Roller mill，秩父小野田與川崎重工開發(fā)的CK Roller mill，三菱重工的VRmill，宇部興產(chǎn)的Loesche mill等。德國萊歇公司也開發(fā)了粉磨水泥的輥磨，Pfeiffer公司開發(fā)了粉磨水泥的MPS磨。圖4所示為水泥輥磨終粉磨流程示意圖。

但當(dāng)用輥磨粉磨水泥時，可能有粉磨溫度低的問題，若磨內(nèi)溫度低于80℃，二水石膏不能向半水石膏轉(zhuǎn)化，水泥會發(fā)生緩凝現(xiàn)象，此時應(yīng)向磨內(nèi)通熱風(fēng)。另外當(dāng)磨內(nèi)有輥子嚙合不良時，可通過向磨內(nèi)噴水來解決。

水泥輥磨在初期發(fā)展時，遇到過水泥粒度分布過窄、早期強(qiáng)度較低、需水量較大的問題，但經(jīng)過十多年的努力已基本解決。典型的水泥輥磨生產(chǎn)實例有土耳其的LM56:3+3磨，墨西哥的RMC51/26磨和上述的日本的OK36.4輥磨，世界上第一臺礦渣水泥輥磨是德國的Tentonia 3750輥磨。我國自行開發(fā)的TRMK4541水泥輥磨已在越南福山水泥有限公司5000t/d水泥生產(chǎn)線上運(yùn)行，該系統(tǒng)設(shè)計合理，運(yùn)行平穩(wěn)，振動小，磨耗小，電耗低，流程簡單。

5 結(jié)語

（1）為了進(jìn)一步推動料床粉磨的技術(shù)進(jìn)步，有必要更深入地研究輥磨的粉碎機(jī)理，如料床粉碎隨供能水平的提高，粉碎效率降低的幅度比球磨機(jī)小，因此成品越細(xì)料床粉磨的節(jié)能越多；施力體形狀對粉碎效率有較大影響，即應(yīng)加強(qiáng)磨輥與磨盤組合形式的研究；循環(huán)再壓將改變原有料床堆砌結(jié)構(gòu)組成新的排列，有利于提高能量利用率,要研究輥壓和循環(huán)負(fù)荷的合理搭配及機(jī)內(nèi)循環(huán)和機(jī)外循環(huán)的適當(dāng)組合。

（2）水泥工業(yè)參與協(xié)同處置廢棄物的工作是水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢，被粉碎和分解的廢棄物種類將會增加，預(yù)計預(yù)處理技術(shù)會有較大進(jìn)展，故今后要加強(qiáng)粉碎產(chǎn)品的顆粒組成及顆粒形貌的研究。

（3）今后對粉碎機(jī)理的探討可能更加活躍，例如混合粉碎與單獨粉碎的深入研究[4]，如何計算粉碎效率以及研究各種粉碎設(shè)備的節(jié)能潛力，如何更有效地利用擠壓能和沖擊能。

[1]建筑材料咨詢研究組.建筑材料咨詢報告[M]北京:中國建材工業(yè)出版社，2000.176-178.

[2]王仲春.水泥工業(yè)粉磨工藝技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2000.202-208.

[3]韓仲琦.水泥和粉體—制備、改性與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.182-184.

[4]盧壽慈.粉體加工技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.121-134.