前言
　　 在水泥生產“二磨一燒”的三大環節中，“磨”既是熟料燒成的必要前提，又是決定水泥成品質量的關鍵；同時，“二磨”電耗約占水泥生產過程總電耗的７０％，其中，水泥粉磨電耗約占水泥生產總電耗的４０％。在“二磨”中，水泥粉磨由于物料易磨性比生料差得多，且水泥細度要求較高，故其粉磨比電耗高，約為生料粉磨比電耗的１．５倍。隨著ＩＳＯ９０００水泥新標準全面實施，水泥細度的要求將更加嚴格；同時為了有效保證水泥的早期強度，還須改變水泥的粒度組成，提高發揮早期強度的細顆粒含量。目前我國水泥廠大多使用球磨機作為水泥粉磨設備，眾所周知，球磨機的有效能量利用率僅為２％左右，因此提高能量利用率的潛力很大。我國的水泥年產量已達５億ｔ，若按水泥粉磨電耗降低１０％(平均約為3kwh/t)計，則每年可節電１．５×１０^９ｋＷｈ；每度電價以０．５元計，則每年粉磨成本可降低近８億元。另一方面，近年來，通過對燒成工藝的改進及一系列技術改造，各種窯型的熟料生產能力都有不同程度的提高，尤其是許多立窯通過窯徑的擴大以及采用礦化劑和晶種等技術措施，生產能力的提高幅度更為顯著，使原來與之配套的粉磨設備普遍存在能力不足的問題。為此采取有效措施，努力提高水泥粉磨系統的生產能力，同時降低粉磨能耗等課題得到了廣大工程技術人員和研究人員的密切關注，許多積極有益的研究探索和技術革新屢見報道，并取得了可喜的實際效果。水泥粉磨效率的提高，涉及粉磨工藝、設備及操作參數等諸多因素，欲有效提高整個系統的生產能力，需綜合分析各種因素，進行全面的優化。本文擬結合近年來的技術成果和進展就影響粉磨系統能力的若干因素進行較全面的綜合分析。
１　水泥粉磨系統高產節能技術措施
１．１　粉磨工藝
１．１．１閉路粉磨工藝
　　就粉磨工藝流程而言，目前主要有開路和閉路兩種。
　　前者優點是工藝操作簡單，物料出磨后即為成品。缺點是物料在磨內流速慢，滯留時間長，為保證出磨物料的粒度全部符合要求，其中已磨細的物料也不能及時排出磨機，經常造成過粉磨現象。開路磨系統生產能力相對較低，能耗較高，不可能隨時靈活地調整出磨物料的細度。
　　后者加設了選粉設備，可及時地將已磨細的細粉排出磨外，有效地避免了過粉磨現象，并可通過調節選粉機的工作參數靈活調節成品水泥的細度。此外，閉路磨內物料流速加快，各倉的研磨體分別恰當地承擔著粉碎或粉磨任務，故產量提高，電耗降低，尤其是對水泥細度要求較高時，高產低耗的優點更加明顯。這方面的生產實例很多，如某廠的φ３ｍ×１１ｍ水泥磨由開路改為帶ＳＥＰＡＸ—３．５型選粉機的閉路系統后，產量由原來的２０ｔ／ｈ提高至２７ｔ／ｈ，粉磨電耗則由５２．８ｋＷｈ／ｔ降低至42.3ｋＷｈ／ｔ^[１]，產量提高３５％，電耗降低１９．９％。
　　可以說，采用閉路粉磨是水泥粉磨工藝的必然趨勢。
１．１．２　預粉碎（磨）多級串聯粉磨工藝
　　眾所周知，球磨機作為粉磨設備是比較理想的，但作為粉碎或破碎設備，它卻是低效率的。將粒度較大的十幾毫米甚至數十毫米的物料破碎過程從磨內移至磨外，在專門的粉碎設備中進行，是提高球磨機生產能力的有效途徑。“多碎少磨”，即努力減小入磨物料粒度是多年來水泥粉磨作業實踐向人們昭示的寶貴經驗，因而預粉碎（磨）工藝的應運而生就是十分自然的了。根據粉碎理論，脆性物料從數十毫米破碎至數毫米，其碎裂的本質是內部裂紋的不斷產生和擴展，而促使這一過程的外界因素即是以一定的方式對其施加的強大作用力——粉碎力。通常采用壓縮粉碎和沖擊粉碎方式，相應的系統有輥壓磨＋球磨機和沖擊粉碎機＋球磨機兩種預粉碎（磨）工藝。
　 （１）輥壓磨＋球磨機粉磨工藝。該工藝也包括各種立磨與球磨機串級粉磨的工藝配置，這里僅以輥壓磨＋球磨機的串級粉磨系統進行分析。被粉碎的水泥熟料先進入輥壓磨，強大的輥壓力將其從數十毫米壓碎至幾毫米甚至更細后入球磨機。由于熟料顆粒經輥壓粉碎的同時，內部也產生許多微裂紋，因而在球磨機內較容易進一步被粉碎而很快進入粉磨階段。在這種粉磨系統中，球磨機的主要任務只是粉磨，所以，粗磨倉可選用較小尺寸的研磨體，研磨體表面積的增大顯然有利于粉磨效率的提高，進而大幅度提高粉磨系統的生產能力。據報道^[２]，采用輥壓磨＋球磨機串級粉磨工藝后，水泥磨系統的產量可提高４０％，粉磨電耗可降低１０％。
　 （２）沖擊式破碎機＋球磨機粉磨工藝。細粉碎設備的研制是目前熟料預粉碎方面的熱點之一。從２０世紀８０年代的細顎式熟料破碎機到近年來的各種沖擊式細碎機，有力地推動了水泥粉磨工藝的改革和創新。這些熟料細破碎設備大致有如下幾種：細顎式破碎機（ＰＥＸ型）、立式反擊式破碎機（ＰＣＦ型）、立式錘式破碎機（ＰＣＬ型）、立軸錘式細碎機（ＸＣＬ型）、高效節能破碎機（ＰＧＸＪ型）、立式沖擊破碎機和渦動沖擊破碎機等。它們的平均出料粒度均可達３ｍｍ～５ｍｍ，其中立式沖擊破碎機的出料中粒徑＜２．５ｍｍ者可達８０％～９０％。
　　應該指出的是，無論是輥壓磨還是上述各種細破碎機，技術上的突出問題是輥面或粉碎工作部件的材質，只有工作部件具有高硬度和高耐磨性，才能保證它們長期有效地工作；否則，較短的使用壽命和更換周期勢必影響系統的運轉率和生產能力，同時也會增大材料消耗，不利于經濟效益的提高。
　　１．２　球磨機的結構改進
　　球磨機本身的結構也是影響其粉磨能力的重要方面。它包括磨內各倉長度的設置、襯板的形式、隔倉板的類型、通孔率及布置方式等。
　　（１）磨機內各倉的長度。目前，各種規格的球磨機粗磨倉的長度多是根據入料最大粒度為２５ｍｍ進行設計的，因而粗磨倉長度普遍相對較長。隨著預粉碎工藝的引入，入磨物料粒度顯著減小，磨內粗磨的壓力大大減緩，因此，如果仍保持原來的倉長度，則會造成粗磨倉能力過剩、細磨倉能力吃緊的不平衡現象。為了使各倉能力相匹配，許多廠家采取了適當縮短粗磨倉長度、增大細磨倉長度的做法，取得了較好的效果。如φ２．２ｍ×６．５ｍ磨機的一倉設計長度為２．７５ｍ，有些廠家將其縮短至2.45ｍ，甚至210ｍ，再配合研磨體的相應調整，獲得了滿意的生產效果。
　 （２）隔倉板的改進。近年來，高細磨的發展促進了隔倉板的改進，使其除具有阻隔大塊料、防止研磨體串倉、保證通風、強制送料等傳統功能外，還具有了新的分級功能。如帶分級篩的雙層隔倉板，除具有強制送料作用外，還能將粒度較大的粗顆粒返送回粗磨倉繼續粉磨。在φ２．４ｍ×１３ｍ磨內裝設該隔倉板后，磨機產量提高了２８．１％，粉磨電耗降低了１５．３％，研磨體消耗降低了２６．８％^[４]。由于此分級作用，進入細磨倉的物料粒度穩定性大大提高，可在相當程度上避免出磨粗顆粒的存在，同時對于穩定系統的循環負荷率進而穩定整個系統的工作狀態都具有積極的意義。據報道^[２]，將隔倉板由垂直于磨機軸線改為傾斜４５°～６０°安裝，既消除了磨內約４％的“死料層”，強化了研磨體的沖擊和摩擦能力，又增大了通風面積，改裝后φ１．８３ｍ×７ｍ水泥磨的產量由原來的５．５ｔ／ｈ提高至７．５ｔ／ｈ，增產幅度達３６％以上。
（３）新型襯板的使用。磨機襯板形式多種多樣，作用及效果也不盡相同，其中，階梯襯板是水泥磨粗磨倉使用最廣泛的襯板形式，其阿基米德螺線狀彎曲表面保證了磨機運轉過程中能均衡地將研磨體提升至一定高度，從而增大其沖擊粉碎物料的作用，但這種襯板仍然不能克服鋼球與之點接觸的缺點。圓角方形襯板角螺旋襯板、溝槽襯板等新型襯板的出現，使襯板與研磨體的配合趨于合理。河南偃師縣水泥廠、輝縣水泥廠、安徽巢湖水泥廠等首先使用了環形溝槽活化襯板，磨機產量均提高１５％左右，粉磨電耗降低１５％～１９％^[５]。這是因為鋼球與襯板的１２０°弧線接觸，增大了研磨面積，球與襯板之間有一層不易脫離的物料，充分利用了它們相互之間的滑動摩擦，粉磨效率隨之提高。角螺旋襯板則是通過改變磨內研磨體運動規律，使研磨體的脫離角具有多變性，以增強研磨體與物料的交叉穿透和混合充分接觸粉磨，以及鋼球自動分級來提高粉磨效率。在環形溝槽活化襯板的基礎上，又研究開發了新型節能襯板——環溝一雙曲面襯板^[２，６]，該襯板使研磨體的提升更為合理，研磨體與物料的接觸摩擦機會更多，產量可進一步提高１０％～１８％，電耗降低１０％～２０％。
　　１．３　研磨體的裝載量及其級配
　 （１）研磨體的裝裁量。球磨機中研磨體的裝載量通常是根據填充系數或填充率來確定的，一般球磨機的填充系數多為０．２８～０．３２。許多研究和實踐證明，研磨體的填充系數可以適當增大，即可適當增加研磨體的裝載量，細磨倉尤其如此。首先，增大研磨體填充量在不改變級配的前提下可增加粉碎或粉磨的幾率；其次，填充率增大后，研磨體的重心向磨機的軸線靠近，總作用力矩并無明顯增大，故不會對功率傳動造成影響。實際上，磨機配套電機的功率儲備完全允許在一定范圍內增加裝載量。實踐證明^[２]，φ２．２ｍ×６．５ｍ和φ１．８３ｍ×７ｍ的磨機，研磨體分別由３１ｔ和２１ｔ增加至３４ｔ和２４ｔ后，磨機產量均可提高２０％左右。
　 （２）研磨體的級配優化。磨機內研磨體的級配最佳化一直是水泥粉磨技術中的探討熱點之一。近年來，關于鋼球級配的實踐報道很多，也有不少規律性的經驗總結，如平均球徑法，斯坦納曲線法等^[７]。級配確定要解決的幾個重要參數是：最大球徑、平均球徑以及鋼球（或段）級數以及各級所占比例。事實上，影響研磨體級配的因素很多，見諸報道的許多方法也僅僅是在特定物料及工藝條件下的較佳選擇。下面就研磨體級配確定中應考慮的問題談一些看法。
　　 ①最大球徑和平均球徑的計算應考慮物料的易磨性或易碎性。不同窯型煅燒的物料其易碎性是有差異的，即使是同種窯型煅燒的熟料，由于工藝配方及燒成條件不同，其易磨性也往往不相同。另外，混合材為礦渣時，因其粒度相對較小，又難磨，所以，配球中則需適當增加小尺寸研磨體的比例。
　　 ②預破碎粉磨工藝中對粗磨倉中研磨體平均球徑及其級數的調整應視預粉碎設備情況而定。具體地講，經輥壓和擠壓破碎的熟料除顆粒粒度較小外，其內部還有大量的裂紋缺陷，因而入磨后較易粉碎；而經沖擊破碎后的熟料顆粒較均勻，同時破碎主要是由內部裂紋擴展所致，顆粒內部缺陷相對較少，故入磨后相對難粉碎些。因此，配球時，對這兩種預粉碎系統應區別對待。
　 　③出磨水泥的細度和性能。成品水泥細度是其直接的質量指標之一。對于開路系統，這一指標顯然取決于磨內研磨體的級配；對閉路系統，如果出磨水泥細度太粗，則勢必會導致循環負荷率過大，增大選粉機的壓力。另一方面，選粉機的臨界分離粒徑是以０．０８ｍｍ即８０μｍ界定的，它不可能改變小于此粒徑的各粒度級別的含量，而對于有些水泥，或要求提高早期強度，或希望提高２８天強度，因此對水泥的粒度分布則有相應的要求，如果是前者，則希望細顆粒＜１０μｍ的含量大一些，欲實現這一點，必須增大磨內小尺寸研磨體的比例。
　　１．４　襯板和研磨體的材質 　
　　穩定的粉磨工藝條件在很大程度上取決于襯板和研磨體的材質，如果襯板材料的硬度、耐磨性及抗沖擊性能差，則其內表面會很快改變原來的幾何形狀；同理，研磨體的級配在磨機運轉過程中是動態的、不斷變化的，若研磨體的耐磨性和機械強度達不到要求，經一段時間的粉磨作業后，原來的最佳級配顯然難以保證。盡管人們總結了很多補球的辦法，但畢竟不同尺寸的研磨體在粉磨過程中的磨損規律是不同的，所以補球充其量只能保持裝載量的相對平衡，并不能保持級配的始終如一。因此，改善襯板和研磨體的材質是研磨體級配和磨機工作條件長期穩定并提高其運轉率和生產效率的根本保證。
　　對于襯板而言，長期工作必要的材質條件是：具有整體均勻的硬度和組織結構，和高抗沖擊疲勞強度、低磨損率、不變形、不斷裂，顯然普通鋼襯板難以具備這些特點。高鉻白口鐵襯板硬度高，耐磨，但應力集中敏感性強；貝氏體球鐵襯板具有較高的抗彎曲疲勞強度和優良的耐磨性，與高錳鋼襯板相比，壽命可提高１倍以上；多元低合金鋼襯板的使用壽命為高錳鋼襯板的４倍以上。
　　研磨介質消耗是水泥粉磨過程中的主要材料消耗，它包括研磨體之間及其與物料之間相互摩擦造成的磨耗和自身碎裂導致的損耗。研磨體損耗過大，不僅影響磨機的粉磨能力，且頻繁的停機補球導致運轉率低及工作狀態的不穩定，還直接造成粉磨成本提高。粉磨１ｔ水泥普通鋼球的研磨體損耗大致為１０００ｇ，補球周期多為半月左右，而耐磨球如軸承鋼球、高鉻球、低合金鋼球的損耗可降至３０ｇ／ｔ～４０ｇ／ｔ，平均磨耗為６０ｇ／ｔ左右，損耗僅為前者的１／１５～１／２０，補球周期可達半年以上。如冀東水泥廠水泥磨補球周期長達１年。以φ２．２ｍ×６．５ｍ球磨機為例，其設計產量為１４ｔ／ｈ，普通鋼球的損耗量為１４ｋｇ／ｈ，耐磨球為８４０ｇ／ｈ。若二者的價格分別為３０００元／ｔ和６０００元／ｔ，則折合人民幣分別為４２元／ｈ和５元／ｈ。按每年７０００ｈ計，僅此一項，后者可比前者節省２６萬元左右；若考慮運轉率和粉磨效率的提高等因素，其經濟效益是不言而喻的。不難看出，耐磨球的價格雖然昂貴些，但其優異的性能既可大大減輕清倉補球的工作強度，又能大大穩定磨機工作狀態，提高磨機粉磨能力，同時也顯著降低粉磨成本，可帶來可觀的經濟效益。
　　值得提出的是，物料細粉磨時，研磨體密度的影響大大減弱，重要的是其硬度和表面積，在試驗磨機中分別用φ１０ｍｍ和φ５ｍｍ的同尺寸鋼球和瓷球進行的礦渣細粉磨試驗結果表明^[９]，在同一粉磨條件下，二者粉磨后物料的粒度分布（尤其是１０μｍ～３０μｍ級別和＜１０μｍ級別）基本一致，這對于減少傳動功率，降低粉磨電耗具有積極的意義。
１．５　助磨劑
　　水泥助磨劑多為表面活性劑，其活性基團定向吸附于水泥顆粒表面所產生的降低水泥顆粒比表面能和強烈的分散作用是提高粉磨效率的本質所在。根據粉碎平衡理論，在一定操作參數的前提下，當粉磨過程達到一定程度時，即會出現顆粒的粉碎與微細顆粒團聚速度相等的“平衡狀態”，處于此狀態下的磨內物料中的微細顆粒的自身團聚及其在研磨體和襯板上的粘附在所難免。這無疑會大大削弱研磨體的作用效果，導致粉磨效率的顯著降低。加入助磨劑后，可以基本消除上述現象，從而將被微細顆粒包覆的研磨體的粉磨能力“解放”出來。同時，微細顆粒的解聚以及解吸附改變了原來的粉磨狀態，即破壞了原有的粉碎平衡，可在新的粉磨狀態下達到使水泥顆粒更細的新的粉碎平衡。實踐證明，摻加助磨劑可在有效提高磨機產量的同時較大幅度地增加水泥的比表面積，這意味著水泥中細顆粒的含量增大，有利于提高水泥的早期強度。
　　目前，水泥助磨劑的研究開發正向多功能復合型發展，即在粉磨過程中加入的助磨劑不僅可以有效提高水泥磨機的粉磨效率，并具有減少水泥或混凝土漿體的需水量，改善其流動性，從而提高硬化漿體的力學性能的作用。
２　結束語
　　為了適應ＩＳＯ９００００水泥新標準的要求，水泥粉磨系統的改進和操作參數的優化十分必要和迫切。閉路粉磨由于其節能及水泥細度控制的靈活性已成為必然趨勢。水泥熟料入磨前的預粉碎對于大幅度提高水泥磨機產量，降低粉磨電耗具有積極意義。熟料經預粉碎后，入磨物料粒度顯著減小，所以，磨機內的各倉長度、襯板結構和形式以及研磨體的尺寸及其級配均應作相應的調整和優化。采用具有分級作用的隔倉板更有利于控制出磨水泥的整體細度和提高細顆粒的含量。摻加多功能復合型助磨劑對于提高水泥細度及其早期性能都是十分有效的。

參考文獻：
（１）陸修雨．φ３ｍ×１１ｍ水泥磨開流改圈流的探討．山東建材，１９９５（４）２７～２８
　（２）孫世龍．水泥生產粉磨系統增產節能的途徑．山東建材，１９９５（５）２０～２３
（３）劉念藹等．立式沖擊破碎機預粉磨系統應用研究．山東建材，１９９５（６）１９～ ２２ 
　（４）李有禮等．適應高細度粉磨水泥的開流高產管磨技術的應用．水泥，１９９６（１）３９～４
　（５）朱尚敘．立窯水泥生產節能新技術．武漢：武漢工業大學出版社，１９９２（４）
（６）陳聲環等．環溝一雙曲面節能襯板和環溝一新型襯板的應用．水泥技術，1997（６）23～25
　（７）柴傳東．利用斯坦鈉曲線確定球磨機研磨體級配．山東建材，１９９７（５）３６～３７
　（８）王俊喜．磨機襯板磨球新材質的應用．水泥，１９９７（１）３１～３３
（９）陶珍東等．礦渣粉磨試驗研究．山西建材，１９９９（１）１５～１６