水泥工業(yè)兩種料床粉磨裝備的對比

　　摘要：立磨與輥壓機是水泥工業(yè)中兩種主流的料床粉磨裝備，本文通過兩種裝備的粉磨機理、結構性能、系統(tǒng)配置、產(chǎn)品性能、穩(wěn)定運行影響因素、功耗等方面對比分析，剖析兩種裝備的優(yōu)缺點，為料床粉磨裝備的大型化、節(jié)能化、低投資化提供技術支撐。

　　關鍵詞：立磨；輥壓機；料床粉磨；對比

　　Two kinds of bed-grinding equipment contrast in cement industry

　　Kang Yu，Zhong Gen，Li Anping

　　(Nanjing Kisen International Engineering Co., Ltd，Nanjing 210036)

　　Abstract：Vertical mil and roller press are two kinds of major bed-grinding equipment. According to contrastive analysis about grinding mechanism, system configuration, product performance, influence factors of stable operation, power consumption and so on，advantage and disadvantage of two kinds of equipment are analyzed. These Provide technical support for large-scale,energy conservation,low investment of bed-grinding equipment.

　　Key words：Vertical mill; roller press; bed-grinding; contrast

　　0 前言

　　水泥工業(yè)中粉磨工序是耗電最多的工序，水泥生產(chǎn)過程中有燃料、原料、熟料與混合材的粉磨，主要完成煤粉、生料粉、水泥成品的粉磨加工，粉磨的目的就是增大物料的比表面積、降低粉體的粒徑，使之達到下一工序所需要的活性。長期以來在水泥工業(yè)中占主導的粉磨設備是管磨機，由于其結構簡單、操作容易、價格低至今仍在大量使用，但其能量利用率降低，只有2%~20%的能量用來增加物料的比表面積，剩余80%~98%的能量轉化為熱能、振動、噪音損失掉。直至20世紀70年代料床粉磨技術的出現(xiàn)，才使得粉體制備能耗實現(xiàn)大幅降低，發(fā)展到今天，有兩種料床粉磨設備平行得到大量應用，這兩種料床粉磨設備，一個是立磨，另一個是輥壓機。立磨與輥壓機均起源于歐洲，盡管都屬于料床粉磨設備，兩者在粉磨機理、粉磨工藝、結構性能、產(chǎn)品性能等方面均有所不同，但也有相近之處，本文逐步加以闡述。

　　1、粉磨機理的對比

　　立磨與輥壓機均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，通過顆粒之間的應力傳遞與相互作用，使物料顆粒產(chǎn)生裂紋、斷裂與粉碎。

　　立磨的施力體是磨輥與磨盤，磨輥與磨盤形成柱-板施力體，壓力主要來自磨輥，目前主要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邊喂入磨盤，并在磨盤上移動的過程中形成料層，物料通過磨輥與磨盤之間時，在磨輥與磨盤之間的擠壓、剪切力的作用下完成料床粉磨。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，在兩個輥子擠壓力作用下完成料床粉磨。輥壓機的傳動方式也有兩種，即雙傳動與單傳動，應用較多的是雙傳動輥壓機；單傳動輥壓機的傳動裝置只有一套驅動一個輥子，兩個輥子之間用齒系聯(lián)接等實現(xiàn)另一個輥子轉動。另外，單傳動輥壓機可以通過輥子布置的改變與傳動方式的改變，演變成新型輥壓機或輥壓磨，如Beta磨[1]等。

　　2、結構與性能對比

　　立磨與輥壓機的結構存在本質區(qū)別，立磨磨盤上物料除受擋料圈的局部限制之外，施力體磨盤與磨輥之間研磨區(qū)物料的側面不受限，輥壓機除受兩個輥子之間的限制外，輥子兩端的側面也會設置側擋板，使得輥壓機的料床側面受限[2]。輥壓機由于四周粉磨區(qū)受限，隨著施加能量的加大，產(chǎn)生的細粉量與比表面積增長幅度較大，而立磨增長的幅度會逐步減小，從這點看輥壓機比立磨占優(yōu)勢。

　　輥壓機的兩個輥子之間與物料的接觸面積小，屬于柱-柱施壓，物料一次性通過輥壓機，屬于大粉碎比一次完成，而立磨一般有兩個及以上磨輥，磨輥與磨盤接觸面積大，屬于柱-面施壓，能量利用率高于柱-柱施壓，再者部分物料在磨盤上一般通過幾個磨輥的多次碾壓，屬于小粉碎比多次分段完成，可以達到較高的能量利用率，從這點看立磨優(yōu)于輥壓機。

　　由于物料靠重力通過輥壓機，加上輥壓機腔體空間較小，很難與選粉機組成一個整體，選粉系統(tǒng)只能外置。而立磨由于磨盤直徑較大，磨輥布置在磨盤上，粉磨空間較大，選粉機很容易放置在立磨腔體內，與立磨組成一個整體，在磨盤周邊設置噴嘴環(huán)依靠風力將細粉向上吹起，帶入磨內選粉區(qū)域，完成成品選出；也可以將立磨腔體做小些，將粉磨后的物料通過刮料板在重力作用下排出磨機外，選粉系統(tǒng)設置為外置的形式；因此立磨的選粉系統(tǒng)可以外置，也可以內置。

　　輥壓機的減速機一般水平放置，不需承受工作壓力，立磨減速機需要立式放置，減速機要承受工作壓力，立磨對減速機要求較高；輥壓機操作壓力高，對液壓系統(tǒng)設計要求高，立磨操作壓力低，但結構較復雜、設備造價較高。

　　3、系統(tǒng)配制形式對比

　　輥壓機與立磨可以配置成終粉磨系統(tǒng)，也可以與管磨機配置成預粉磨系統(tǒng)、聯(lián)合粉磨系統(tǒng)、半終粉磨系統(tǒng)等。在配置工藝系統(tǒng)時，外循環(huán)形式的立磨與輥壓機一樣，可以與管磨機組成各種粉磨系統(tǒng)；集選粉、烘干于一體的內循環(huán)立磨，可以直接與粉體成品收集裝置、風機等相連配制成終粉磨系統(tǒng)。

　　輥壓機、外循環(huán)立磨均可以與管磨機組成的預粉磨系統(tǒng)、聯(lián)合粉磨系統(tǒng)、終粉磨系統(tǒng)等，由于出輥壓機(國內一般為中壓輥壓機，受軸承、液壓技術限制，比國外輥壓機壓力低)粉體中的細粉量與出外循環(huán)立磨(一般為中壓立磨)的細粉量基本差不多，輥壓機、外循環(huán)立磨與管磨機組成的聯(lián)合粉磨或半終粉磨系統(tǒng)，預粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負荷相差不多。只是在配制系統(tǒng)時，由于受輥縫波動影響，輥壓機出入料波動較大，配套的斗提機選型要適當放大提升能力，而立磨出料穩(wěn)定性較好，配套的斗提機選型會比輥壓機配套的斗提機提升能力要小一些。再者由于出輥壓機的物料易形成料餅，對于同樣通過量的物料，輥壓機后置選粉機的風量要比立磨后置的選粉機大些，一般輥壓機后配制的選粉風量按2.5-3.5m3/kg料氣比設計，外循環(huán)立磨后配制的選粉風量按3.5-4.5m3/kg料氣比設計，且水份較小時料氣取值較大；若水份較大(2%以上)，后置的打散裝置(如V選)要加強，會導致打散裝置的阻力與風量增大，進而使得后置的風機電耗增加。

　　4、研磨產(chǎn)品(水泥)性能對比

　　輥壓機、外循環(huán)立磨排出的物料需進入外置選粉裝置進行粒度分級，取樣分析較為容易，而內循環(huán)立磨中物料在封閉環(huán)境下，沒有代表樣外排，加上系統(tǒng)運行時，有一部分物料被氣體懸浮在立磨殼體內部，因此內循環(huán)立磨粉磨后的物料無法取樣分析。對輥壓機、外循環(huán)立磨的研磨效率，可以通過研磨后產(chǎn)生的細粉量(相同原料與配比，設備的通過量與循環(huán)負荷基本相近，粉磨單機電耗也相近時，該指標的可比性較好)來衡量，針對不同的規(guī)格與裝機功率的輥壓機與外循環(huán)立磨，可用單位用電量產(chǎn)生的細粉量來衡量其粉磨效率。

　　對于磨制P·O42.5水泥(因P·C水泥混合材摻量較大，物料性能相差較大，難以比較)，“輥壓機或外循環(huán)立磨＋選粉裝置＋管磨機”系統(tǒng)，輥壓機或外循環(huán)立磨與選粉裝置組成的預粉磨閉環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)負荷率一般在200%~300%，選出的物料比表面積在180-280m2/kg，表1列舉幾個水泥粉磨系統(tǒng)的主機配制與出輥壓機或立磨粉體粒度情況：

　　表1 輥壓機與外循環(huán)立磨碾壓效果(P·O42.5水泥)

　　注明：以上數(shù)據(jù)為出料粒度分布(%)用套篩與粒度分析儀相結合測定得出。

　　從表1可以看出，小的輥壓機碾磨后產(chǎn)生的細粉含量(%)比大輥壓機少，除邊緣效應影響外，小輥壓機大多是多年以前的配制(多是小輥壓機大管磨機系統(tǒng))，輥壓機通過量較小，而入管磨機的量較大，輥壓機預粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負荷較小，這是出輥壓機細粉量較少的另一個原因。KVM外循環(huán)立磨屬于中高壓立磨，磨盤與磨輥匹配形式經(jīng)過計算機模擬匹配開發(fā)設計，系統(tǒng)中立磨與管磨機匹配合適，立磨預粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負荷率控制在200%-300%，立磨終粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負荷率控制在500%左右，出立磨物料總體細粉含量較大，由于立磨受碾壓與剪切兩種力，導致產(chǎn)生小于45微米的細粉含量較大，這也是立磨預粉磨系統(tǒng)單位產(chǎn)量電耗低的重要因素之一。由于KVM外循環(huán)立磨碾磨產(chǎn)生的小于45微米細粉較多，與管磨機配制成半終粉磨系統(tǒng)時，直接選出的成品量較多，對于系統(tǒng)提產(chǎn)降耗更有利。

　　另外，出輥壓機與出外循環(huán)立磨物料的顆粒形貌也不一樣，立磨是通過磨輥與磨盤的擠壓與剪切兩種力將物料磨細，輥壓機是通過兩個磨輥之間的擠壓一種力將物料磨細，磨到一定的細度后，出立磨的細粉體以不規(guī)則帶棱角的塊狀和棱柱狀顆粒居多，出輥壓機的細粉體以不規(guī)則帶棱角的片狀和條狀顆粒居多，從顆粒形貌看，出立磨的細粉與管磨機磨制的細粉更接近些，出立磨的細粉比出輥壓機的細粉更適于做水泥成品[3]。

　　通過輥壓機半終粉磨系統(tǒng)、立磨終粉磨系統(tǒng)分別選出的水泥成品進行性能分析，應用案例分析見表2、3、4、5，其中表2、3中立磨終粉磨系統(tǒng)與管磨機閉路磨系統(tǒng)屬于甲廠兩套水泥磨系統(tǒng)且水泥配比一致，表4、5是乙廠雙閉路輥壓機半終粉磨水泥粉磨系統(tǒng)中從輥壓機直接選出的成品與管磨機磨制的成品兩部分水泥的性能對比。

　　從表2至5可以看出：立磨直接磨制出的水泥性能與管磨機磨制的水泥差別較小，需水性(標準稠度用水量％)甚至比管磨機閉路系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥還?。欢亯簷C直接磨制的水泥性能與管磨機磨制的水泥差別較大，特別是水泥的需水性要增大很多，這一點與陳全德等[4]觀點一致；輥壓機與外循環(huán)立磨直接選出的水泥成品與管磨機磨制的水泥成品1d、3d、28d強度相差不大；綜合考慮水泥的強度、需水性等指標，外循環(huán)立磨比輥壓機更適合配制終粉磨系統(tǒng)或半終粉磨系統(tǒng)，與內循環(huán)立磨終粉磨系統(tǒng)一致，立磨終粉磨系統(tǒng)磨制的水泥性能與管磨機近似，立磨終粉磨系統(tǒng)磨制水泥的可行性再次得以驗證。

　　3、影響料床粉磨的因素

　　5.1 輥壓機穩(wěn)定高效運行的影響因素

　　輥壓機與立磨由于粉磨原理不同，影響料床穩(wěn)定運行與碾磨效果的因素也不同。

　　影響輥壓機穩(wěn)定的運行的因素主要有料柱的密實度、物料性能、輥縫、輥子兩邊的一致性、液壓加壓性能等；其中料柱密實度主要受穩(wěn)流倉設計、下料溜子、輥壓機斜插板閥的影響，物料性能主要受物料粒度、易磨性、均勻度、水份的影響；輥縫主要指輥縫大小、輥子兩邊輥縫差值、輥縫大小的波動；輥子兩邊的一致性指輥子兩邊的輥縫大小、加壓情況、物料的密實、物料的多少、大小粒徑物料比例等是否一致，若兩邊偏差較小，則一致性較好。輥壓機要獲得好的擠壓效果，將要設計合適的穩(wěn)流倉，通過倉位控制料壓、料柱的連續(xù)性與密實度，使物料均勻喂入輥壓機研磨區(qū)，再通過輥壓機斜插板閥調節(jié)擠壓區(qū)域，保持輥子兩邊的一致性，通過調節(jié)循環(huán)負荷與選粉系統(tǒng)選粉效率，使得返回輥壓機物料粗細搭配合理，通過調節(jié)加壓系統(tǒng)使得輥子加壓穩(wěn)定、合適，最終使得輥壓機電流穩(wěn)定、輥壓機做功效率提高，進而獲得好的碾磨效果。另外，輥壓機兩個輥子的吸收功率與輥壓機輥縫大小、加壓大小、物料密實度等因素有關，當輥縫過大、料床過厚時，輥壓機吸收功率較高，物料通過量變大，但產(chǎn)生的細粉量不一定多，因此將輥縫控制在合適范圍內，才能產(chǎn)生好的擠壓效果(可以用單位細粉量的電耗衡量)。

　　另外，轉速也會影響輥壓機的穩(wěn)定運行與粉磨效率，但輥壓機轉速調節(jié)的范圍較窄，一般圓周速度不超過1.8m/s，輥壓機轉速超過一定速度，會出現(xiàn)物料打滑，擠壓區(qū)排出的氣體量加大，會使得輥壓機發(fā)生劇烈振動。

　　5.2 立磨穩(wěn)定高效運行的影響因素

　　影響立磨穩(wěn)定運行的因素主要有物料性能、磨盤與磨輥形式、加壓方式、擋料環(huán)高度、噴嘴環(huán)設計、物料喂入方式、液壓系統(tǒng)等因素影響。

　　內循環(huán)立磨由于集成了粉磨、烘干與選粉，磨機內設計有噴嘴環(huán)、選粉機等氣流裝置，影響立磨穩(wěn)定運行的因素較多。噴嘴環(huán)風速大小影響系統(tǒng)阻力與后置風機電耗，也影響選粉機的控制，在滿足選粉機控制的情況下，適當降低噴嘴環(huán)風速，適當增加外排物料量，對降低系統(tǒng)電耗有利。立磨喂料有邊緣喂料與中心喂料兩種方式，從料床穩(wěn)定性的角度，采取中心喂料粉磨料床更易于穩(wěn)定，當采取中心喂料時，物料在磨盤旋轉過程中，物料逐步向均勻發(fā)展，有助于料床的穩(wěn)定，對入磨物料的要求可以適當放寬一些。磨盤與磨輥的形式對碾磨很重要，這也是各家磨機性能差別的主要因素之一。擋料環(huán)對立磨的穩(wěn)定運行至關重要，太厚太薄均會導致立磨振動，另外料層太厚，物料與磨盤的摩擦力會增大，導致主機吸收功率加大，但產(chǎn)生的細粉量不一定多。一般液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，加壓會產(chǎn)生更多的細粉，當料層較薄時效果更加明顯；但加壓會加劇粉磨區(qū)料床的波動，進而影響立磨的穩(wěn)定性。

　　外循環(huán)立磨由于沒有氣體流場的干擾，立磨料床穩(wěn)定性比內循環(huán)立磨好，但包含返回立磨的循環(huán)細粉在內的所有物料都要落到磨盤上，立磨通過量會加大，同樣的立磨，料層厚度會加大，要改善這一現(xiàn)狀，需要加快物料在磨盤上的通過速度，一般要將磨盤轉速提高，并適當降低擋料環(huán)。外循環(huán)立磨沒有噴嘴環(huán)，磨機本身阻力很低，使得選粉系統(tǒng)阻力大幅度降低，最終使得后置風機電耗降低，這個優(yōu)點同輥壓機一樣，當用外循環(huán)立磨配制終粉磨系統(tǒng)時，電耗比內循環(huán)立磨要低。

　　另外，立磨的圓周速度是根據(jù)物料在磨盤內的運動速度與粉磨速度相平衡得出的，立磨磨盤轉速與磨盤直徑的平方根成正比，磨盤直徑越大，磨盤圓周速度越大，與輥壓機的輥子相比，立磨磨盤轉速要大得多。提高立磨的轉速，能提高物料通過量。

　　4、做功與功耗

　　輥壓機與立磨均可以作為預粉磨設備，對于不同的系統(tǒng)，預粉磨設備與管磨機的吸收功耗不同，達到同樣的粉體產(chǎn)量與細度，預粉磨設備配制越大，相應管磨機配制就越小，換言之預粉磨承擔的粉磨工作量越大，管磨機承擔的工作量越小。輥壓機與立磨做功消耗近似，作為預粉磨設備，單位產(chǎn)量每吸收1kWh/t功，管磨機功耗相應減少約2kWh/t，因此在管磨機前設置輥壓機或立磨作為預粉磨裝置，可以減少系統(tǒng)功耗[5]。例如將PO42.5水泥磨制330m2/kg左右的比表面積，只用管磨機磨制水泥，一般吸收功率在30-35kWh/t；增設小的預粉磨后，預粉磨設備吸收功率在7kWh/t以下，管磨機吸收功率仍在20kWh/t以上；增設大的預粉磨后，預粉磨設備吸收功率在10kWh/t以上，管磨機吸收功率可降低至15KWh/t以下。按照以上分析，輥壓機或立磨終粉磨系統(tǒng)電耗將是最低的。

　　有水泥工作者將預粉磨設備與管磨機裝機功率比作為系統(tǒng)分屆線，兩者裝機功率比在0.7以下稱為小預粉磨裝置大管磨機系統(tǒng)，在1.0以上稱為大預粉磨裝置小管磨機系，比例在0.7~1.0為匹配相當?shù)南到y(tǒng)。隨著粉磨技術的發(fā)展，預粉磨裝置的配制是逐步增大的，且目前輥壓機占市場主導，以前多是小輥壓機大管磨機系統(tǒng)，近幾年多是匹配相當?shù)穆?lián)合粉磨或半終粉磨系統(tǒng)，目前新上的生產(chǎn)線開始逐步使用大輥壓機或大立磨小管磨機系統(tǒng)。當預粉磨配制較小時，節(jié)電效果不明顯；當預粉磨配制過大時，入管磨機的物料比表面積較大，細粉量較多，原理上可以大幅提產(chǎn)降耗，但回預粉磨裝置的物料中細粉含量也多，當細粉含量多到一定值時，對輥壓機而言，輥壓機做功難以發(fā)揮，輥壓機輥縫難撐開，粉磨效率較低，影響提產(chǎn)降耗指標；對立磨而言，立磨料床難以穩(wěn)定，振動較大，同樣粉磨效率提升受限。因此預粉磨裝置與管磨機針對不同物料有合適的匹配，當匹配合適時，預粉磨裝置才能穩(wěn)定、高效運行，系統(tǒng)提產(chǎn)降耗的指標較好，這也是輥壓機或立磨終粉磨系統(tǒng)電耗指標與半終粉磨系統(tǒng)相差不大的原因這一。

　　5、小結

　　輥壓機與立磨均屬于料床粉磨設備，其粉磨原理與結構不同，輥壓機的優(yōu)點是料床側面受限，立磨的優(yōu)點是同時兼具研壓剪切作用、多次碾壓粉磨；輥壓機結構簡單但操作壓力低、輥子轉速慢，立磨結構復雜但操作壓力低、磨盤轉速快；輥壓機粉磨區(qū)與物料接觸面積小，立磨粉磨區(qū)與物料接觸面積大；輥壓機減速機不需承受工作壓力，立磨傳動需要承受工作壓力且減速機要立式放置；輥壓機擠壓后易形成料餅，達到成品(水泥)粒度的比例比立磨少，立磨碾磨后形成松散物料，后續(xù)選粉風量比輥壓機少；輥壓機研磨出的成品以片狀、條狀為主，立磨研磨出的成品以柱狀、塊狀為主，球形度高于輥壓機成品，水泥需水性比輥壓機成品小，更利于配制半終粉磨或終粉磨系統(tǒng)；立磨可以設置為外循環(huán)與內循環(huán)兩種形式，可以實現(xiàn)高水份物料粉磨與烘干，輥壓機只能設計為外循環(huán)系統(tǒng)，烘干能力有限，難以適應高水份物料；輥壓機由于結構簡單造價較低，立磨由于結構復雜造價較高。

　　因此，輥壓機與立磨兩種料床粉磨裝置各有優(yōu)缺點，從系統(tǒng)技術指標與節(jié)能的角度立磨略占優(yōu)勢，從工程造價的角度輥壓機略占優(yōu)勢，充分發(fā)掘兩者的優(yōu)點，開發(fā)結合兩者優(yōu)點的新裝備，將有利于料床設備的大型化、低投資化與節(jié)能化。

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