輥磨在水泥工業的應用

韓仲琦

1 前言

輥磨（roller grinding mill）是一種輪碾式粉磨設備，1925年出現在德國，至今已有80多年的歷史了,現已廣泛用于水泥、電力、冶金、化工、非金屬礦等工業領域。自20世紀60年代起，輥磨用于水泥工業的生料粉磨，因其節能效果顯著，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出現，使得磨機單機能力成倍增長，80年代粉磨水泥熟料的工業輥磨投產，90年代至21世紀初，又出現了高細礦渣的輥磨和水泥終粉磨的輥磨，使得傳統的球磨機逐步退出舞臺。現在國內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，丹麥史密斯公司Atox輥磨，日本宇部公司UB-LM輥磨等；國內有天津水泥工業設計研究院的TRM型輥磨、合肥水泥研究設計院的HRM型輥磨、成都建筑材料工業設計研究院的CDRM型輥磨、北京電力設備總廠的ZGM系列輥磨、中信重機的LGM和LGMS型輥磨、沈陽重型機械集團的MLS和MLK型輥磨、黎明重工科技股份公司的LM輥磨等。現在世界上用于水泥生料、礦渣和煤粉的輥磨設備比例已大于球磨，水泥輥磨也達到了30%左右。

水泥工業是典型的能源和資源依賴型產業，水泥廠中電力主要消耗在粉磨作業上，粉磨電耗約占全廠總電耗的70%，傳統使用的球磨機粉碎效率很低，能量利用率在3%以下，而輥磨的粉碎效率可達7%～15%[1]。采用料床粉磨機理的輥磨技術，已成為水泥工業節能粉磨的發展趨勢。

2 輥磨的特點

圖1 輥磨結構示意圖

圖1所示為用于水泥廠的一臺生料輥磨結構示意圖，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，故在滾壓的同時進行碾磨。物料從磨機上部或磨殼一側通過喂料裝置進入磨盤中心，磨盤水平運轉產生離心力，磨盤上的物料從中心被甩至粉磨區域，當磨輥被加載裝置置于輥道上的物料上面時，由于磨盤的轉動，磨輥對物料產生一個豎向垂直力，且和物料之間有一個摩擦力。磨輥是從動轉動，從磨盤周圍擋料圈溢出的物料被磨盤外風環中的上升氣流帶入上部的選粉機中，經選粉分級后，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對含有水分的物料進行烘干，細粉隨氣流排出磨機作為產品，可用旋風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，液壓系統增加了壓力平衡裝置，有效降低了磨機的振動，磨輥的輥數有2、3、4輥等多種，現在甚至出現了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。

輥磨系統的特點是：

◆工藝流程簡單。一臺磨機同時對物料進行粉磨、烘干和分級；

◆占地面積小，布置緊湊，系統設備重量輕，基本建設投資低；

◆磨效率高，單位產品電耗低；

◆入磨粒度大，可為輥徑的4%～5%；

◆由于是風掃式粉磨，可大量利用預熱器窯尾廢氣，節省能源；

◆單位產品金屬消耗小；

◆噪音小(約比球磨低10dB),負壓操作，污染小，操作環境好。

輥磨的缺點是：產品的顆粒級配較窄且細粉含量高，粉磨生料粒度均勻，粉磨水泥時水泥的早期強度較低，但這可通過調整選粉操作來改進質量。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 水泥生產中的粉磨作業

3.1 粉磨工藝的特點

水泥工業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備。水泥生產中，從原料開采到制成水泥要經過兩道破碎與粉磨過程，即原料的粉磨與熟料的粉磨，圖2是水泥生產工藝簡要示意圖。現在原料（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作為終粉磨，也可以采用具有預粉磨功能的聯合粉磨方案，這主要是根據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，以利于節能。一個多世紀以來，在粉碎原理上著重研究固體物料的碎裂規律及其功能，隨著現代水泥工業的發展，在上世紀60、70年代出現了設備大型化的熱潮，進入20世紀80年代以后，由于世界能源緊缺，推進了“預粉磨”、“多碎少磨”等節能工藝及新型節能設備的發展，由于高新技術的發展和礦物加工工業的精細化，水泥產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科多領域和交叉學科方面拓展，從而推進了粉碎原理不再停留在粉碎物理學和粉碎功耗方面研究，出現了粉碎動力學、粉碎機構學、粉碎機械力化學等新的領域，粉碎工藝出現了多樣化。

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點，因為有較好的應力狀態，單位電耗比球磨要小很多，帶外部物料循環系統的輥磨電耗更省。從電力使用角度來看，輥磨還有更多優點，球磨的電耗與物料通過量無關，決定因素主要為粉磨介質填充率，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，輥磨操作時可以在很大物料流量范圍內達到最佳電耗，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。輥磨中選粉機的改進也達到很好的節能目的，一種可變速的籠形轉子選粉機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，而固相反應速率與生料顆粒尺寸有直接關系，物料粉磨越細則反應速率越快，反應速率快意味著煅燒時可以節省熱能，但粉磨得越細則粉磨電耗越高。此外水泥生料是由鈣質、硅質、鐵質等多組分物料所組成，各組分的反應速率不一，因此隨著配料的不同，要求的粉磨細度也不同，為此合宜的細度應通過易燒、易磨性試驗決定，并經技術經濟比較來確定。

圖2 水泥生產工藝流程示意圖

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

3.3 水泥粉磨的要求

3.3.1 水泥細度

水泥是一種細粉物料，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。

水泥的粉磨細度與強度有著密切關系，水泥細度越細強度越高，水泥的標號也越高，尤其是早期強度。水泥工業發展初期，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量優劣，后來人們注意到更應注意水泥中是否含有粗粒，因而發展用篩余來表示細度。此外，水泥顆粒級配不當，會影響水泥標準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50年代以后，水泥工業使用了比表面積來從另一角度表示水泥細度，這不單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，因為任何反應速度都隨反應物質表面積的增大而加快。

我國規定水泥細度用80μm篩孔的標準篩篩余百分數表示，例如硅酸鹽水泥的細度為80μm篩孔的篩余＜15%，當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。

在粉磨相同細度的產品時，由于輥磨粉磨效率高，比球磨電耗小，是很好的節能粉磨設備。

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的重要參數之一[3]。

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

這里還要說及一點的是，可以通過調整粉磨系統的選粉機產品粒度分布來提高水泥強度，而不一定要通過提高粉磨細度來實現這個目標。

4 輥磨在水泥工業中的應用

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子選粉機也與輥磨配合得很好，可獲得準確選粉，提高粉磨性能，估計現在全世界的生料輥磨已有800臺，最大產量超過600t/h,圖3所示為生料輥磨流程示意圖（物料外循環）。

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

當采用輥磨粉磨生料時，可比球磨節省電耗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，早已在水泥行業得到普遍應用，應用方式是與熟料和石膏等原料配合后進行混合粉磨。根據我國水泥標準，普通水泥礦渣摻量15%，礦渣水泥最高摻量為70%，實際生產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，從而影響水泥強度。如果將礦渣單獨粉磨至450m2/kg以上的細度再與高質純硅水泥進行混合，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90年代中期起，隨著粉磨技術的發展，越來越多的水泥企業開始采用單獨粉磨工藝制備礦渣粉。礦渣粉比表面積高，細度細，活性好，如與純硅水泥混合，其摻量可以達到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。輥磨系統因具有工藝簡單、烘干能力強、電耗低等優點而發展最快，我國早期有20多臺進口礦渣輥磨機，設備投資和備品備件費用都很高，針對這些情況，天津水泥工業設計研究院開發了首臺TRM型國產礦渣輥磨，現在30萬噸級的礦渣輥磨已銷售幾十臺，年產120萬噸礦渣輥磨設備也已開發成功，成品比表面積可以在400～600m2/kg范圍內靈活調節。將礦渣高細粉磨后替代水泥熟料，最大程度地實現了礦渣資源化利用。

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，主要是因為機內作業溫度低，CaSO4·2H2O轉化成CaSO4·1/2H2O的比例太少。解決辦法是提高作業溫度，調整摻量。

煤粉用于熟料的燒成，煤粉的細度是保證燃燒速度和穩定燃燒的控制因素，用輥磨粉磨煤粉沒有問題。輥磨早已應用于煤粉的系統上。各種國產燃煤煤粉制備的輥磨也得到市場認可，與5000t/d水泥熟料生產線配套的無煙煤輥磨設備也已應用,用于電廠脫硫的高細石灰石粉磨的輥磨也有多臺投入運行。

4.3 水泥預粉磨技術

在新型干法水泥技術發展過程中，水泥預粉磨技術的出現，大大提高了水泥粉磨效率。預粉碎或預粉磨技術可有如下的意義：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備代替效率低的球磨機一部分工作，另一方面將入磨熟料的粒徑減少，可以提高粉磨系統的產量和降低電耗。水泥預粉磨系統是在水泥球磨機的前面，設置一臺輥磨作為預粉磨裝置。

輥磨作為預粉磨裝置時，在輥磨內去掉了選粉裝置，由于輥磨在穩定性和使用壽命上的優勢，所以輥磨預粉磨系統有了一定發展。這種流程的代表是日本的CKP磨，但世界上投產的臺數不多。

圖4 水泥輥磨終粉磨流程示意圖

4.4 水泥終粉磨系統

輥磨水泥終粉磨系統是只用輥磨設備粉磨水泥的操作系統。在20世紀80年代初，日本開發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的OK Roller mill，秩父小野田與川崎重工開發的CK Roller mill，三菱重工的VRmill，宇部興產的Loesche mill等。德國萊歇公司也開發了粉磨水泥的輥磨，Pfeiffer公司開發了粉磨水泥的MPS磨。圖4所示為水泥輥磨終粉磨流程示意圖。

但當用輥磨粉磨水泥時，可能有粉磨溫度低的問題，若磨內溫度低于80℃，二水石膏不能向半水石膏轉化，水泥會發生緩凝現象，此時應向磨內通熱風。另外當磨內有輥子嚙合不良時，可通過向磨內噴水來解決。

水泥輥磨在初期發展時，遇到過水泥粒度分布過窄、早期強度較低、需水量較大的問題，但經過十多年的努力已基本解決。典型的水泥輥磨生產實例有土耳其的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。我國自行開發的TRMK4541水泥輥磨已在越南福山水泥有限公司5000t/d水泥生產線上運行，該系統設計合理，運行平穩，振動小，磨耗小，電耗低，流程簡單。

5 結語

（1）為了進一步推動料床粉磨的技術進步，有必要更深入地研究輥磨的粉碎機理，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小，因此成品越細料床粉磨的節能越多；施力體形狀對粉碎效率有較大影響，即應加強磨輥與磨盤組合形式的研究；循環再壓將改變原有料床堆砌結構組成新的排列，有利于提高能量利用率,要研究輥壓和循環負荷的合理搭配及機內循環和機外循環的適當組合。

（2）水泥工業參與協同處置廢棄物的工作是水泥工業的發展趨勢，被粉碎和分解的廢棄物種類將會增加，預計預處理技術會有較大進展，故今后要加強粉碎產品的顆粒組成及顆粒形貌的研究。

（3）今后對粉碎機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備的節能潛力，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:中國建材工業出版社，2000.176-178.

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

[3]韓仲琦.水泥和粉體—制備、改性與應用[M].北京：化學工業出版社，2006.182-184.

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