生料輥壓機終粉磨系統技術介紹

柴星騰，石國平

生料輥壓機終粉磨系統技術介紹

Technology Introduction of Raw Material Roller Press Final Grinding

柴星騰，石國平

1 生料粉磨的基本特點和要求

生料粉磨是水泥生產過程的一個重要環節，與水泥粉磨相比，具有自身的特點和要求，主要體現在處理的原料特性和產品要求方面，因此采用的系統技術要求也存在較大差別。

生料配料主要包括鈣質原料（如石灰石和白堊）、硅質原料（如砂巖和粘土）、鐵質原料（如鐵粉和鋼渣）等，這些原料的易磨性、磨蝕性、含水量等差別很大，即使同一類原料波動范圍也很寬，必須經過原料加工試驗才能確定合理的系統配置和技術指標，否則只能基于假設的“中等性能”確定初步方案。

難磨石灰石的粉磨功指數Wi可達15kWh/t，易磨石灰石的粉磨功指數只有8kWh/t左右，白堊的粉磨功指數更小，相差一倍以上。石灰石類原料的磨蝕性指數Ai一般只有0.02，而砂巖的磨蝕性指數為0.4，鋼渣的磨蝕性指數更大，相差20倍以上。我國北方少雨地區如采用砂巖配料，則原料綜合水分只有2%左右，南方多雨地區如采用粘土配料，則原料綜合水分可能達到8%，在東歐地區如采用白堊或多孔石灰石配料，則原料的綜合水分可達10%～20%。這些數據是設計和選擇生料粉磨系統的基礎條件，如果不顧原料條件和其他工程條件，則保證的產量、電耗、使用壽命是沒有意義的，也是不可相信的。

生料質量的重要指標之一是生料細度，一般要求R80μm=12%～15%，而且粒度級配越窄越好（與水泥要求相反），因為微細顆粒增加揚塵，粗顆粒難以反應完全，特別是≥45μm的石英顆粒和≥125μm的方解石顆粒，導致游離鈣增高、熱耗高，影響熟料強度，因此控制生料中粗顆粒的含量更為重要，一般希望控制R200μm=1%～2%。如果生料易燒性好，則可以適當放寬細度，否則要嚴格控制細度，當然，細度的調整將直接對系統產量和電耗產生影響。

烘干和粉磨是生料粉磨系統不可分割的兩部分，粉磨系統正常運行的前提條件是有足夠的烘干能力將進入系統的含水原料烘干粉磨至含水量＜0.5%的生料成品。如果生料成品水分達不到要求，則可能導致后續工藝如輸送儲存、均化和熟料燒成等出現困難，粉磨系統本身也會出現堵料頻繁、產能下降等問題。正常五級預熱器系統的廢氣溫度為300℃左右，可烘干的原料水分為7%；如果配套余熱發電系統，可用廢氣溫度降低到200℃左右，則烘干的原料水分為4%左右，這也能滿足我國大部分地區的原料烘干需要；如果原料水分超過8%，則應考慮引入篦冷機余風，或采用四級預熱器系統，或設置輔助供熱系統。

2 生料粉磨技術的發展

生料粉磨技術隨著粉磨裝備技術的進步而不斷發展，經歷了從球磨到立式輥磨和輥壓機的發展過程，各種裝備技術各有優缺點，總的發展思路是朝著提高粉磨效率、降低粉磨電耗的道路前進。

早期的小規模水泥熟料生產線多采用風掃和尾卸球磨系統，2000t/d熟料生產線推廣以后逐步采用Φ 3.5m×10m、1250kW或Φ4.6m×7.5m+3.5m、2500kW和Φ4.6m×8.5m+3.5m、2800kW的中卸烘干磨系統，2000t/d燒成系統升級到2500t/d生產線以后即從鹿泉鼎鑫項目開始，全面采用Φ 4.6m×10m+3.5m、3550kW中卸烘干磨系統，包括部分5000t/d生產線配套了兩套該磨系統。在北水二線3200t/d生產線上，開發設計了Φ 5.0m×10m+2.5m、4000kW，設計產量250t/h，此前也開發設計了Φ5.0m×10.5m、4000kW的大型風掃磨，在部分3200t/d生產線上配套使用，國產生料球磨的發展基本結束。球磨系統的優點是操作簡單，對原料的適應性強，運轉率有保障，但粉磨效率低，電耗高，其中粉磨效率最高的中卸磨系統電耗也在23kWh/t左右或更高。

國際上從上世紀80年代開始即大量采用現代立式輥磨粉磨生料，至今仍占主導地位，代表公司有德國的萊歇公司、非凡公司、伯利休斯公司，丹麥的史密斯公司，日本的宇部公司、神戶制鋼和川崎重工等，最大規格的輥磨是LM69.6，裝機功率6700kW，設計產量為800t/h，可以滿足10000t/d生產線的單機配套需要。與球磨相比，輥磨粉磨水泥生料的主要優點是節電效果明顯，系統電耗為16kWh左右，噸生料節電7kWh左右，節電幅度達30%，換算到噸熟料節電為10kWh以上。另外輥磨的烘干能力強，可以通入大量的窯尾和窯頭余風，如果設置輔助熱源，可以烘干粉磨20%水分的原料；輥磨允許的喂料粒度也大幅度放寬，控制喂料粒度D90為80mm即可，極限顆粒允許到150mm，這對原料的前置破碎工段是一大利好。

國內水泥行業也非常重視輥磨技術的研究開發，目前已解決了配套6000t/d生產線的輥磨裝備國產化問題，代表公司有中材裝備、合肥中亞、沈陽重機和中信重機等。

輥壓機自1985年問世以來，也有不少用于生料粉磨的案例，主要形式有兩種：一種是部分終粉磨系統，輥壓機出料先進選粉機，分選出部分成品后入磨，大大減輕了后續球磨的負荷，如北水、啟新、新疆水泥廠等原料粉磨即采用了這種系統；另一種是終粉磨系統，全部成品由輥壓機產生，取消了球磨機，因此節電幅度更大。德國洪堡（KHD）公司是世界著名的輥壓機供貨商代表，該公司不生產輥磨，因此歷來特別推崇輥壓機生料終粉磨系統，福建三德、江西亞東1～3線和四川亞東1線等均采用了KHD公司提供的輥壓機生料終粉磨系統。伯利休斯公司也是世界著名的輥壓機供貨商之一，也有不少生料輥壓機應用案例。

國內輥壓機主要的供貨商包括中材裝備、合肥水泥院、中信重機和成都利君等，而在生料輥壓機終粉磨系統技術的開發和推廣方面走在最前列的當屬成都利君，其于2007年在山西智海投產的首套生料輥壓機終粉磨系統在業內引起了重大反響，不少新建項目紛紛采用輥壓機終粉磨系統制備生料，目前占比可能達到30%，主要原因是輥壓機系統比輥磨系統進一步降低了系統電耗。

3 生料輥壓機終粉磨系統節電分析

輥壓機是典型的節能料床粉磨技術，用于生料粉磨達到節能降耗的目的是毋庸置疑的。2005年利用試驗輥壓機對水泥原料進行的擠壓試驗結果顯示：經不同的擠壓力一次擠壓后，細粉含量有不同程度的增加，易磨性大幅度降低，從14.2kWh/t降到9.1kWh/t以下，且擠壓力越大，易磨性值降低越多，但是降低的幅度趨緩，這說明水泥原料非常適合輥壓機處理，但是壓力稍低于擠壓熟料壓力（見表1）。

根據粉磨機理分析，輥壓機和輥磨同屬料床粉碎范疇，區別在于輥壓機屬于“受限高壓”粉碎，即輥壓機中物料受到較好的限制，依靠側擋板強制擋料，盡量降低邊緣效應，采用的擠壓力較高，以壓輥投影面積壓力計達到 4000～6000kN/m2，而輥磨中物料受限程度較差，僅靠擋料圈被動攔截，擠壓力一般為600～800kN/m2，粉磨效率要略低于輥壓機，但是幅度非常有限。

輥壓機終粉磨系統比輥磨系統節電的主要原因在于：輥壓機系統中的“選粉-烘干-風掃”用風風量和阻力比輥磨低，反映到通風電耗降低。輥壓機系統阻力約為輥磨系統阻力的60%，風量約為輥磨系統風量的95%，這樣通風電耗約為輥磨的57%，一般輥磨系統風機電耗為7.0kWh/t左右，則輥壓機系統風機電耗僅為4.0kWh/t左右。輥磨系統仍屬風掃粉磨系統，粉磨過程必須通入大量的熱風進行烘干、提升物料和選粉，輥壓機系統的通風僅滿足烘干和選粉需要即可，物料提升依靠機械斗提，節省電能。假設原料易磨性中等，相同生料細度，可以估算出輥壓機系統和輥磨系統的電耗情況（表2）。

由此可見輥壓機系統可比輥磨系統節電3kWh/t左右。早年宇部公司提供的采用外置選粉機的生料輥磨系統，其設計電耗比其他公司采用正常部分外循環輥磨系統的電耗就低3kWh/t左右，其原因也在于出磨物料靠提升機喂入選粉機進行分選，以降低通風電耗。對部分生料輥壓機系統的調查數據見表3。

根據上述調查分析可以得出結論：輥壓機系統可比輥磨系統節電3.0kWh/t左右，即節電20%。有的廣告宣傳稱可節電5kWh/t即30%，甚至節電8kWh/t即50%，值得商榷。不同系統的比較應該基于同等條件，否則沒有意義。龍巖三德1線使用輥壓機系統、2線使用輥磨系統具有比較價值，江西亞東1～3線使用輥壓機系統、4線使用輥磨系統也具有比較價值。

表1 輥壓機擠壓生料的試驗結果

表2 生料輥壓機與輥磨系統電耗比較，kWh/t

4 生料輥壓機終粉磨系統流程研究

輥壓機本身工作原理簡單，結構緊湊，作用明確，僅對物料進行擠壓粉碎，不具備分選和烘干功能，因此系統流程的變化取決于選粉機結構及其布置形式，圖1顯示了5種典型的生料輥壓機終粉磨系統流程。

流程a：在V型選粉機出現之前，為了解決系統的烘干問題，設置了一臺烘干破碎機，另配置一臺動態選粉機進行選粉，流程相對復雜。

流程b：采用VSK型選粉機完成烘干選粉作用，為了滿足烘干效果，動靜態選粉機分開，中間設置較長的連接管道，增加了烘干容積，輥壓機布置在樓面上，靠一臺提升機輸送物料，流程相對簡單。

流程c：類似于流程b，只是將輥壓機和V型選粉機布置在地面上，土建結構要求降低，但必須設置兩臺提升機輸送物料，流程略顯復雜。

流程d：設計了一臺結構緊湊的動靜態組合式選粉機，流程和布置簡化，提升物料高度降低，節約電耗。分析實際運行數據發現，物料的烘干過程主要在靜態選粉機中完成，因為出靜態選粉機的物料顆粒很細，水分容易蒸發，出口溫度基本上降低到90℃左右，已無烘干作用，除非從此處再引入部分熱風才有烘干效果，因此該流程的烘干作用與流程b、c相當。另外，為了降低工藝布置高度，組合式選粉機也可以布置在地面上，采用雙提升機布置方案。

流程e：調查發現，目前廣泛采用的臥式選粉機沒有導風葉片，對生料中粗顆粒控制不理想，200μm篩余存在跑粗現象，影響生料質量和熟料煅燒效果，因此我們參考水泥輥壓機半終粉磨系統的經驗，開發了帶立式動態組合式選粉機，該選粉機除提高細度調控效果以外，烘干容積也顯著增加，可以保證烘干水分7%左右的原料，這是我們首推的生料輥壓機終粉磨系統流程。中材裝備成都公司提供的同類系統已成功運行一年多，取得良好效果。

表3 生料輥壓機系統情況調查

表4 不同規模生產線生料粉磨系統配套能力要求

5 不同規模生料輥壓機粉磨系統配置

5.1 系統能力的確定

產量要求：根據燒成系統的能力確定，考慮生料理論料耗1.52kg/kg熟料，生料粉磨系統每天運行21h，再考慮10%的提產能力，如2500t/d生產線生料磨系統正常設計能力200t/h，超常設計能力為220t/h，5000t/d生產線生料磨系統正常設計能力400t/h，超常設計能力440t/h（表4）。

生料細度：生料細度決定于原料配料及其易燒性，根據國外公司的經驗，生料細度依據易燒性的“難、中、易”等級，建議控制90μm篩余為“12%、15%、18%”和200μm篩余為“1.0%、1.5%、2.0%”，國內設計指標一般為80μm篩篩余12%，應該覆蓋了所有難燒的原料，實際生產中往往適度放寬。考慮到輥壓機生料質量與輥磨相當，生料細度按R80μm=14%、R200μm≤2%設計。

主機電耗：石灰石擠壓試驗結果顯示，在同等操作條件下，石灰石的料餅厚度比熟料厚，料餅容重比熟料小，折算到通過量比熟料約高10%，需用功率有所增加，這也意味著擠壓原料時的單位通過量電耗較低，一般熟 料 為 2.5～3.0kWh/t，原 料 為 2.1～2.6kWh/t。輥壓機與輥磨雖然在擠壓力和受限程度方面有所區別，但同屬于料床擠壓，單位生料成品電耗基本相當。粉磨中等易磨性的原料（MF=1.0、Wi=11kWh/t、R80μm=12%）輥磨電耗為7.5kWh/t。考慮到輥壓機受限程度好，一次通過粉碎率高，細度適當放粗，單位主機電耗按7.2kWh/t考慮。

5.2 輥壓機規格的確定

輥壓機的直徑：早期的輥壓機穩定性較差，主要原因之一是輥徑較小，對物料粒度的適應性差。輥徑越大，對粗顆粒的適應性越好，料餅厚度越大。通過數學推導，可以得出輥壓機處理的最大物料粒徑和料餅厚度與輥徑之間的關系為，最大物料粒徑dmax≈0.06D，實際按95%＜0.03D控制，料餅厚度S2≈0.02D。

輥壓機的寬徑比：輥壓機的寬徑比是指壓輥的寬度與直徑的比值。分析認為，對于一定直徑的輥壓機來講，寬徑比越大，邊緣效應越小，即輥間料層處于壓力滑動區未被充分擠壓的物料比例越小，擠壓效果越好，但是壓輥越寬，越容易產生壓輥偏斜，要求液壓系統調節性能好。相反，寬徑比越小，邊緣效應越明顯，但是壓輥偏斜量小，運行相對穩定。

另外，過小寬徑比的輥壓機沿寬度方向受力呈三角型（見圖2），最大壓力值是平均壓力的2倍左右，而大寬徑比的輥壓機沿寬度方向受力呈梯形，其最大壓力是平均壓力的1.5倍左右，顯然后者對輥面的均勻磨損更有利。

隨著規模的大型化發展以及節能水平的最大化要求，希望輥壓機的規格能力越大越好。然而輥壓機的直徑不可能無限加大，因為直徑太大會帶來制造、運輸、檢修等問題。為了滿足大通過量的要求，同時考慮到液壓技術的進步，我們確定輥壓機的最大寬徑比為1.0，同時每種直徑的輥壓機可以有不同的寬度。

輥壓機的壓力：在過去的25年間輥壓機技術在各個方面得到了長足的發展，主要包括傳動裝置、耐磨處理、液壓技術、控制系統和設計參數等。其中擠壓力的設計也經過了從大到小的演變過程。實踐證明，擠壓力過高，能量利用率下降，而且機械故障增加。適宜的擠壓力可以得到最佳的粉碎效果，優化機械設計，配置合理的液壓系統。對于熟料來講，擠壓力 5000～6000kN/m2效率最高，生料用輥壓機的擠壓力可比熟料低 1000kN/m2，即設計 4000～5000kN/m2。總之壓力的合理使用目的是要保證輥壓機具有適當的出力，從而保證獲得較高的系統產量。

輥壓機的線速度：壓輥的線速度是決定輥壓機的通過量和動力消耗的重要參數之一，在一定范圍內與兩者均成線性關系。但是輥速過快，一方面可能會導致設備振動，引起運行失穩，另一方面，會導致壓輥表面與料層之間的相對滑動，加劇輥面的磨損，而且此時輥壓機的通過量與線速度不成比例。輥速太慢，輥壓機的通過量下降，這樣要達到一定的通過量，輥壓機的規格要做得較大；輥速太慢，物料可能來不及被擠壓就通過輥間，擠壓效果下降。

5.3 系統配置方案

根據各種規模生產線的配套要求，結合生料粉磨系統的特點，基于我們長期對輥壓機裝備及系統技術的研究和實踐，研究開發了幾種典型生產線配套的生料輥壓機終粉磨系統配置方案（見表5）。

這些系統均有應用實例，有的即將投產，有的正在建設。如前所述，粉磨系統技術指標的確定是以原料條件和工程條件為基礎的，如果這些條件發生較大變化，有可能要對主機配置進行適當調整，如同一規格輥壓機的傳動功率可以根據原料的易磨性變化有多種配置，這和輥磨的情況相同。

6 其他問題討論

與生料輥磨系統相比，生料輥壓機系統最大的競爭優勢是節省電能，以5000t/d生產線為例，年產熟料近200萬噸，需要生料300萬噸，按每噸生料節電3kWh計算，年節電900萬度，可節約電費400多萬元。但在其他方面沒有明顯優勢，在此略加討論。

生料質量即易燒性與輥磨產品相當，優于球磨產品。對不同粉磨工藝制得的相同細度的生料易燒性進行的比較結果顯示，輥磨生料易燒性最好，輥壓機生料次之（與輥磨生料接近），球磨機生料最差。如某廠在相同配料條件下，雖然輥壓機生料細度較粗，特別是200μm篩余達到3.5%，但其生料易燒性要比球磨機粉磨的生料易燒性好，熟料fCaO低，熟料強度有所提高。另一水泥廠進行了生產試驗，兩套相同燒成系統分別煅燒輥磨生料和輥壓機生料，結果顯示煅燒輥磨生料時熟料強度和產量略好于輥壓機生料。雖然生料80μm篩余相同，但輥壓機生料200μm篩余略粗，這也許是其中主要原因，因此控制生料200μm篩余是確保生料質量的關鍵。

輥壓機系統的烘干能力可以滿足我國絕大部分原料的烘干粉磨要求。輥壓機本身雖然不具烘干功能，但是配置了大通風量的具有烘干、打散、粗分選功能的V型靜態選粉機，解決了烘干問題，調查發現不存在烘干問題。當然，當水分超過8%時應作特殊設計。

表5 不同規模生產線生料輥壓機終粉磨系統配套方案

輥壓機允許的入料粒度、均勻性較輥磨嚴格。根據粉磨工作面的幾何數學推導可知，輥磨允許的極限粒徑可達輥徑的10%，一般按5%控制，輥壓機允許的極限粒徑為輥徑的6%，按3%控制，如Φ2000mm的輥壓機入料粒度應控制在60mm以下，粒徑太大，或粗顆粒太多，易影響輥壓機的穩定運行。另外，進入輥壓機荷重倉的物料要求均勻，不允許存在嚴重的離析現象，否則輥壓機也不可能長期穩定運行。

輥壓機系統運轉率有待進一步提高。從機械結構分析，輥壓機比輥磨簡單，但是輥壓機操作壓力遠高于輥磨，系統流程相對復雜，故障點有所增加。輥面的磨損也是不可避免的，當有高磨蝕砂巖配料時磨損會加劇，磨損后應及時修復，到目前為止尚無數年免維護的壓輥出現，一般使用周期即補焊間隔時間均為數千小時，使用壽命可達數萬小時。及時在線補焊可以避免大修，提高運轉率，穩定產量和質量。物料的輸送環節也可能影響系統運轉率，如循環提升機要有一定的抗過載能力，當來料粒度發生波動時，輥壓機輥縫會發生變化，通過量就會有波動，特別是當輥壓機內進入超大顆粒或鐵件時程序要求卸壓，瞬間通過量大增，容易造成提升機超載跳停。

總之，任何產品和技術都不可能包打天下，不同生料粉磨系統也各有優缺點，應該正確認識和客觀評價。輥壓機終粉磨系統具有顯著的節電優勢，符合產業政策，有利于提升企業的經濟效益，可作為生料粉磨的重要方案考慮。

TQ172.632

A

1001-6171（2012）02-0081-05

通訊地址：1中材裝備集團有限公司，天津 300400；

2011-12-02；

呂 光