料床粉磨與顆粒學(xué)

韓仲琦，馬占海

1 前言

顆粒學(xué)（particuology）是一門研究散體物料的學(xué)科，包括顆粒測量學(xué)、散體物料力學(xué)、散體物料物理學(xué)、二相流多相流、散體物料運動學(xué)、氣溶膠力學(xué)、粉碎機械力化學(xué)、粉體流變學(xué)、粉體現(xiàn)象、粉粒體的顆粒分布、超細粉體理論等內(nèi)容。

顆粒學(xué)作為一門獨立的學(xué)科，既與若干基礎(chǔ)科學(xué)相毗鄰，又帶動了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。因此顆粒學(xué)不單是一門綜合性的技術(shù)科學(xué)，還是一門高于一般工程技術(shù)的工程科學(xué)。顆粒學(xué)從相鄰的學(xué)科和技術(shù)中吸取營養(yǎng)，又以自己特有的科學(xué)技術(shù)支持相鄰學(xué)科和技術(shù)的成長和發(fā)展，而粉體技術(shù)是其中最重要的顆粒學(xué)應(yīng)用技術(shù)[1-2]。

水泥產(chǎn)品的性能研究與水泥的生產(chǎn)制造，都和顆粒學(xué)有著密不可分的關(guān)系。

水泥是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性原材料，作為一種散體物料，其強度和壽命、品種水泥和特種水泥的研究與開發(fā)等，均需在顆粒學(xué)的指導(dǎo)下進行。另一方面，除回轉(zhuǎn)窯等熱工工序外，料床粉磨已成為現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的重要操作單元，輥式磨與輥壓機已成為當(dāng)前對能源節(jié)約有特殊貢獻的料床粉磨設(shè)備。

2 料床粉磨的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 料床粉磨特征

當(dāng)代水泥工業(yè)的料床粉磨設(shè)備主要包括輥式磨和輥壓機兩種設(shè)備。輥式磨與輥壓機的作用機理不同于球磨機，輥式磨粉磨作業(yè)是對顆粒群進行擠壓、粉磨，只有少部分物料與施力體接觸，顆粒群之間在施力體作用下形成料床，顆粒與顆粒通過力的傳遞與相互作用，使物料顆粒產(chǎn)生裂紋、斷裂而粉碎[1-2]。

料床穩(wěn)定對粉磨作業(yè)非常重要。輥式磨的料床部分受限，端面自由，多次輥壓分段粉磨，大量物料在磨內(nèi)循環(huán)重復(fù)粉磨。而輥壓機的料床則全部受限，一次完成粉碎和粉磨作業(yè)。另一方面，輥式磨的施力體是“柱—盤”，而輥壓機是“柱—柱”，對于群體顆粒料床來說，輥壓機的能量利用率要高，所以料床粉磨的特點是可以大大降低粉磨無用功，并通過有效的物料再循環(huán)系統(tǒng)減少過粉碎和過粉磨，從而提高粉磨效率。圖1為料床粉磨不同施力體的能量利用率情況，圖2為輥壓機與輥磨機理示意圖[3]。

圖1 料床粉磨不同施力體的能量利用率

圖2 輥壓機與輥磨機理示意圖

通過分析產(chǎn)品粒度特性，對粉磨產(chǎn)品性能提出要求，比較上面兩種粉磨設(shè)備的粉磨特點，設(shè)定粉磨系統(tǒng)，完成粉磨的工序設(shè)計[3]。

2.2 輥式磨

輥式磨[4]的施力體是磨輥與磨盤，壓力主要來自磨輥。大型輥式磨通過液壓加壓的方式形成加載力，物料從磨盤上方中心或側(cè)邊喂入磨盤，并在磨盤移動的過程中形成料層，物料通過磨輥與磨盤之間，在磨輥與磨盤之間的擠壓力、剪切力的作用下完成料床粉磨。輥式磨集破碎、干燥、粉磨、分級、輸送功能于一體，布局緊湊，可露天布置，并可將塊狀、顆粒狀及粉狀原料磨成所要求的細粉狀物料。20世紀50年代雷蒙磨（輥式磨的一種）用于水泥工業(yè)煤粉粉磨，20世紀60年代以后，隨著預(yù)分解技術(shù)的誕生及輥式磨的大型化，輥式磨在國內(nèi)外水泥工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，其技術(shù)水平得到了顯著提高，磨機功率可達10 000kW以上。國內(nèi)外十多家公司相繼研制了各種類型的輥式磨，如德國LOESCHE公司研制了LM輥式磨、Pfeiffer公司研制了MPS輥式磨、Krupp Polysius公司研制了RM輥式磨、丹麥F.L.Smith公司研制了Atox輥式磨、日本宇部公司研制了UB-LM輥式磨。德國LOESCHE公司制造的LM69.40輥式磨，主機裝機容量為7 000 kW，產(chǎn)量可達1 200t/h，可用于10 000t/d的水泥熟料生產(chǎn)線，配套粉磨水泥原料。該公司開發(fā)的LM75.4+4大型水泥輥磨裝機功率10 560kW，水泥產(chǎn)量可達450t/h左右。輥式磨在生料粉磨系統(tǒng)上有風(fēng)掃式和物料外循環(huán)式兩種形式，輥式磨終粉磨系統(tǒng)已成功用于粉磨水泥。

國內(nèi)的輥式磨技術(shù)已經(jīng)很成熟[5]，與5 000～7 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線配套用于原料粉磨的大型輥式磨有HRM型輥式磨、TRM型輥式磨、LGM型輥式磨和TRM型國產(chǎn)礦渣輥式磨。

2.3 輥壓機

輥壓機[4-5]是根據(jù)料床粉磨原理設(shè)計的，物料在輥壓機破碎工作面或在粉磨介質(zhì)間并非作單個顆粒的破碎與粉磨，而是呈層狀被擠壓粉碎，壓力導(dǎo)致一些顆粒壓迫臨近顆粒使其斷裂粉碎。所以料床粉磨的輥壓機雙輥之間一定要有一層物料，輥壓效果取決于顆粒間的壓力而不是兩輥間的縫隙。輥壓機的運行環(huán)境特點是高壓、磨輥慢速旋轉(zhuǎn)、料層飽滿。合理的物料循環(huán)有利于提高輥壓機粉磨效果，物料循環(huán)方式有粗粉循環(huán)、料餅循環(huán)和粗料循環(huán)等。

輥壓機的施力體是兩個大小一樣的輥子，兩個輥子形成“柱—柱”的施力體，物料從兩個輥子上方垂直落入兩輥之間，形成料床，在兩個輥子的擠壓力作用下完成料床粉磨。輥壓機于1985年問世，是國際上快速發(fā)展起來的新型水泥節(jié)能粉磨設(shè)備，輥壓機的應(yīng)用實現(xiàn)了高壓條件下的料床粉碎，縮小了出料粒度，破壞了物料的巖相結(jié)構(gòu)，從而使物料易磨性得到提高。輥壓機的鋼材消耗低、噪聲小，適用于新廠建設(shè)，也可用于老廠技術(shù)改造，經(jīng)過擠壓后料餅的0.08mm細料約占20%～35%，有利于現(xiàn)有磨機的增產(chǎn)節(jié)能，增產(chǎn)節(jié)能幅度取決于輥壓機與球磨機的能量消耗比。

輥壓機可以用于水泥和生料的終粉磨，也可以作為水泥粉磨的預(yù)粉磨設(shè)備，其粉磨系統(tǒng)可以有多種形式，裝機功率可達8 000kW以上。上世紀80年代，我國水泥工業(yè)引進16項技術(shù)時引進了輥壓機技術(shù)，通過自行開發(fā)，國產(chǎn)化的輥壓機已達到很高的技術(shù)水平，用于國內(nèi)許多大型水泥廠并出口國外。

輥壓機粉磨系統(tǒng)有預(yù)粉磨系統(tǒng)、混合粉磨系統(tǒng)、部分終粉磨系統(tǒng)、聯(lián)合粉磨系統(tǒng)、終粉磨系統(tǒng)等幾種形式。終粉磨系統(tǒng)是最簡單的操作系統(tǒng)，占地小、工作效率高、能耗低。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)新建水泥廠的環(huán)境與原料特點以及對產(chǎn)品性能的要求，選用不同的粉磨系統(tǒng)。

3 料床粉磨的關(guān)注點

3.1 粒度表示方法

（1）單體顆粒的粒度表示[6-7]

單體顆粒的粒度一般由最大粒徑、篩孔、名義粒徑三種定義表示：

最大粒徑——三維尺寸的最大邊長；

篩孔——某一顆?？赏ㄟ^或被攔截的篩孔尺寸分別為an+1和an，則顆粒粒度為an～an+1；

名義粒徑——三維尺寸分別為l、b、h（l＞b＞h），則算數(shù)平均值=（l+b+h）/3。

（2）群體顆粒的粒度表示[7]

群體顆粒的名義粒度用下述的三種方法表示，而粒度級配一般用表格或?qū)?shù)曲線表示。

篩余或細度——用標(biāo)準(zhǔn)篩的篩余百分數(shù)表示，如80μm篩；

平均粒徑；

比表面積，cm2/g或m2/kg。

3.2 粒度特性公式[7]

（1）GGS（Gates-Gaodin-Schuhmann）粒度方程式

式中：

y——小于x篩孔的累計重量，%

x——篩孔尺寸

m——級配系數(shù)

k——粒度系數(shù)

式（1）為GGS粒度方程式，粒度系數(shù)k值越大，說明物料越粗；k值越小，說明物料越細。m表示顆粒級配范圍的寬窄程度，m值越大，則粒度分布范圍越小，m值越小，則粒度分布范圍越大。m值取決于物料的特性和粉磨設(shè)備特性。

（2）RRB（Rosin-Rammler-Bennt）粒度方程式

式中：

R--x篩孔上的累積篩余，%

x0——相當(dāng)于篩余為100/e時的特征粒徑或臨界粒徑

x——篩孔尺寸

e——自然對數(shù)底，2.718

n——指數(shù)，均勻性系數(shù)

式（2）為RRB粒度方程式，特征粒徑x0表示為顆粒的大小，x0越大，物料越粗；x0越小，物料越細。均勻性系數(shù)n表示顆粒級配范圍的寬窄程度，n值越大，粒度分布范圍越??；相反，n值越小，粒度范圍就越大。n值決定了物料的特性和粉磨方式。實際上式（1）GGS式就是式（2）RRB式的簡化形式，當(dāng)物料粒徑小時，兩者差別不大，但當(dāng)粒徑較大時，RRB更為合理。我國水泥工業(yè)粉磨產(chǎn)品的粒度范圍更適用于RRB式。

一般在生產(chǎn)中常用篩余或比表面積來衡量物料的分散度，有一定的局限性。同一篩余的物料n值不同，實際上各級別的顆粒級配也不同。測定的比表面積值主要反映細顆粒部分的特性，而不代表顆粒之間的比例關(guān)系。使用特征粒徑x0和均勻性系數(shù)n即可估算粉磨產(chǎn)品的比表面積[8]。

3.3 顆粒形貌的表示方法

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

不同粉磨設(shè)備粉磨出的顆粒形狀是不一樣的，有橢圓扁球形、三角片形、條柱形、棒形和類球形等。通常描述顆粒形狀的參數(shù)有形狀指數(shù)、形狀系數(shù)、球形度、圓形度和粗糙度等，一般常使用球形度描述顆粒形狀。球形度是指顆粒接近球體的程度，實際顆粒大部分是不規(guī)則的，測定其表面積比較困難，可以采用實用球形度ψs，使用掃描電鏡得到球形度值（≤1）。

水泥的顆粒形貌與水泥的性能有密切關(guān)系，水泥球形度低時，摩擦阻力大，水泥的流動度變小，水泥砂漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大，水泥強度降低。另一方面，水泥強度主要由水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間相互關(guān)聯(lián)、搭接而產(chǎn)生，它可以抵抗外力的作用。水泥球形度高時，雖然水泥砂漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，可避免泌水現(xiàn)象，但同時水泥的多角形顆粒數(shù)也會減少，不利于顆粒間的搭接，從而使其強度降低。使用球磨機生產(chǎn)的水泥產(chǎn)品的球形度較高，但其他物理性能不好，而采用輥式磨系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品球形度較低，但力學(xué)性能比球磨機好。

3.4 料床粉磨技術(shù)的研究與探索

自20世紀60年代以后，輥式磨和輥壓機的規(guī)格逐步增大，終粉磨系統(tǒng)的種類越來越多，可以適應(yīng)不同產(chǎn)品的性能要求。另外，通過科技創(chuàng)新，輥式磨與輥壓機均可用于水泥生料、水泥、煤炭、礦渣等多種礦業(yè)產(chǎn)品的粉磨。近年來，料床粉磨有以下幾點發(fā)展趨勢：

（1）設(shè)備規(guī)格大型化，窯磨能力同步增長；

（2）設(shè)計理念有所變化，動力相似的不同磨機，盤徑相差很大；

（3）原料適應(yīng)性持續(xù)增強，粉磨系統(tǒng)種類不斷增加；

（4）重視選粉機作用，選粉效率不斷提高；

（5）強化外循環(huán)方式，壓損降低；

（6）深入研究輥壓機的節(jié)能機理;

（7）智能化控制設(shè)計，調(diào)整操作參數(shù)靈活。

4 水泥產(chǎn)品的粒度特性與料床粉磨的關(guān)系

4.1 水泥細度與水泥強度

水泥的粉磨細度與強度有密切關(guān)系。水泥細度可以用不同的指標(biāo)來表示，如篩余、比表面積、顆粒平均粒徑或顆粒級配等，水泥細度越細，強度越高，水泥的標(biāo)號也越高，尤其是早期強度。

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，從而確定水泥的質(zhì)量優(yōu)劣；之后用篩余來表示細度；20世紀50年代以后，水泥工業(yè)使用比表面積從另一角度表示水泥細度，不僅可以反映水泥顆粒的粗細，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)速率都隨反應(yīng)物質(zhì)表面積的增大而加快。但水泥顆粒級配不當(dāng)，會影響水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量或和易性，因此粒度分布指標(biāo)很重要[9]。

我國現(xiàn)行的通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)（GB 175-2007）中對P·O型水泥并沒有篩余（R45μm%）要求，只要求比表面積≥300m2/kg，實際上行業(yè)內(nèi)各企業(yè)的水泥細度控制指標(biāo)差別很大，正在修訂的標(biāo)準(zhǔn)將對45μm篩篩余和比表面積作出更加明確的要求。

在其他各種因素相同的條件下，水泥顆粒分布對水化過程及強度的影響是：＜30μm的顆粒對強度起主要作用，0.1～10μm的顆粒主要對水泥早期強度有作用，10～30μm的顆粒對水泥后期強度貢獻大。20世紀80年代有人提出，3～30μm顆粒對水泥強度起主要作用，其質(zhì)量比應(yīng)占65%以上。

在水化過程中，由于水泥顆粒被C-S-H凝膠包裹，反應(yīng)速率逐漸為擴散所控制，當(dāng)包裹層厚度達到25μm時，擴散非常緩慢，水化逐漸停止。因此，凡粒徑在50μm以上時，水泥顆粒就有可能存在未水化的內(nèi)核部分。

在生產(chǎn)條件完全相同的情況下，水泥強度與比表面積成正比，尤其對早期強度影響最為明顯，但擴散逐漸控制水化進程，比表面積的作用也逐步減弱。當(dāng)水泥漿體硬化90d后，細度對強度幾乎已沒有影響。提高細度對增加原來較粗的水泥的強度比較有利，當(dāng)比表面積增大到500m2/kg以上，除1d齡期的強度增加較多外，其他齡期的強度增長較少。

若從另一方面分析，水泥粉磨得越細，所需的能耗也越大，水泥的單位成本也會增加，所以要根據(jù)實際需要，考慮產(chǎn)品的細度。

4.2 水泥顆粒形貌與水泥性能[2]

由輥式磨、輥壓機等組成的多種水泥粉磨系統(tǒng)，對水泥顆粒特性（如比表面積、顆粒級配、顆粒形貌等）有一定影響，而水泥顆粒特性直接影響水泥的性能。水泥的顆粒形貌與水泥性能有著密切的關(guān)系：

（1）使用球磨機生產(chǎn)的水泥產(chǎn)品球形度最高，而使用輥式磨、輥壓機的水泥產(chǎn)品球形度較低。水泥球形度低，摩擦阻力大，使得水泥流動度變??；標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大，使得強度減小。而另一方面，由于水泥強度的產(chǎn)生主要是由于水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間的相互搭接，又可以增強水泥的強度。

（2）水泥球形度高時，雖然標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，可避免產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，但同時水泥中的多角形顆粒減少，不利于顆粒間的搭接，又降低了強度。

（3）在比表面積增大的情況下，水泥水化面積增大，水化速率增加，水化程度變大，有益于水泥顆粒及水化產(chǎn)物之間的相互搭接；球形度增大使得水泥流動度變大，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，這些變化都使得水泥的強度增加。

（4）不同粉磨方法制成的相同比表面積的水泥強度差異較大，這是因為不同的粉磨方法得到的水泥顆粒分布不同。

（5）輥式磨的顆粒級配較窄且細粉含量高，其他粉磨設(shè)備顆粒級配則較寬，在同一粉磨設(shè)備情況下，水泥顆粒的球形度隨比表面積的增大而增大。

5 從顆粒學(xué)觀點看料床粉磨的生產(chǎn)控制

（1）料床粉磨的出現(xiàn)是人類社會的一大發(fā)明，對料床粉磨的節(jié)能理論研究，仍是重要的科研課題。

（2）水泥顆粒微細化、顆粒級配、密堆積和硬化體結(jié)構(gòu)的研究，是顆粒學(xué)有待深入研究的問題。

（3）不同形式的料床粉磨磨機，雖然可磨出相同比表面積和細度的水泥，但由于顆粒形狀和顆粒級配不同，會使水泥性能有較大差異，這可以通過顆粒特性分析而得到解釋。

（4）水泥的水化受多因素影響，僅從輥式磨與輥壓機粉磨特性考慮混凝土的施工要求是不夠的，水泥的水化體現(xiàn)在混凝土的制備上，要同時考慮添加助磨劑、減水劑、水泥的替代材料（如粉煤灰、磨細礦渣粉、水泥增強劑）等外加劑，或限定某些條件討論問題。水泥中的礦物含量也對混凝土水化有影響，例如C3S的易磨性較好，易于集中在細顆粒熟料中，C2S易磨性較差，在粗顆粒中含量較高。不同粉磨方法、相同比表面積的水泥，水化程度也與水泥30μm以下C3S含量相對應(yīng)[10]。

（5）輥式磨和輥壓機均為料床粉磨設(shè)備，與球磨產(chǎn)品特性是有差異的，如產(chǎn)品強度相對低、需水量較高等，這是因為顆粒級配窄，細顆粒少和產(chǎn)品均勻性系數(shù)大。隨著技術(shù)的進步，這些問題已基本解決。通過調(diào)整粉磨參數(shù)、調(diào)整選粉機操作參數(shù)，可使產(chǎn)品盡可能達到需要的顆粒級配和比表面積要求，降低均勻性系數(shù)。

（6）隨著我國粉磨技術(shù)和設(shè)備的進步，輥壓機實現(xiàn)了高壓條件下的料床粉碎，縮小了出料粒度而且破壞了物料的巖相結(jié)構(gòu)，從而使物料易磨性得到了改善。當(dāng)前生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)在大規(guī)模使用，輥壓機終粉磨系統(tǒng)也已在礦渣粉磨中開始應(yīng)用。