淺談水泥分別粉磨技術的應用

田 力

(酒鋼（集團）宏達建材有限責任公司,甘肅 嘉峪關 735100)

1 引言

在水泥粉磨過程中，物料的配比因混合材活性不同、水泥品種不同而不同。當水泥熟料與所用混合材易磨性差異較大，采用物料按一定比例配料后混合粉磨工藝時，難磨的組分很難達到最佳的細度，造成一定的浪費；而易磨的組分又很容易產生過粉磨現象，影響磨機臺時產量，增加粉磨電耗。特別是采用礦渣等易磨性較差的物料作為混合材時，混合粉磨后的礦渣粉粒徑會比熟料粉粒徑粗，當水泥的比表面積達到控制指標時，礦渣的比表面積較低，活性不能充分發揮，如果要使礦渣的活性充分發揮，過度粉磨又會造成熟料的過粉磨現象，使水泥的使用性能變差，產量降低，電耗升高，不利于經濟生產。因此，當選擇礦渣等易磨性較差的物料作為混合材時，可采用分別粉磨的生產工藝，即對熟料和礦渣采用不同的比表面積控制指標進行分別粉磨，獲得顆粒分布合理的水泥各組分，分別儲存于不同的熟料粉庫和礦渣粉庫中，再將磨成的熟料粉和礦渣粉按不同品種水泥的配比要求，用計量秤準確計量后，通過混料機充分攪拌配制成所需要品種的水泥。通過分別粉磨工藝生產水泥，可以比較靈活、快速地切換水泥品種，生產不同用途和高性能的水泥產品，以適應市場對產品需求的變化。

2 水泥分別粉磨工藝的優點

2.1 可實現合理的顆粒級配，改善水泥性能。

水泥的質量不僅與其化學組成和礦物組成有關，而且與其顆粒粒徑和組成有關，采用不同的粉磨工藝和選粉方式，即使比表面積相同，水泥的強度也會有所差別，其原因在于水泥顆粒級配不同。水泥顆粒級配對性能的影響在國內外已經進行了長期的分析和研究，并取得了基本結論，對于高等級普通硅酸鹽水泥來說，水泥最佳性能的顆粒級配為3～32μm，顆粒總量需大于＞65%，＜3μm的細顆粒不可超過10%，＞65μm和＜1μm的顆粒越少越好，最好沒有，這樣對水泥強度的發揮有利。當用易磨性較差的礦渣等原料作為混合材粉磨水泥時，由于熟料和礦渣的易磨性差異較大，混合粉磨后的礦渣粒徑會比熟料粒徑粗，據相關研究表明，當水泥的比表面積達到350m2/kg時，礦渣的比表面積僅有230～280m2/kg；如果讓礦渣活性充分發揮出來，達到理想的細度（比表面積需達到420～500m2/kg），又會造成熟料的過粉磨現象，不僅增加電力消耗，而且使水泥使用性能變差。采用分別粉磨配制水泥生產工藝對礦渣和熟料用不同的比表面積控制進行分別粉磨，可以使礦渣磨的更細，分別實現水泥各組分的最佳顆粒分布，使熟料的強度得以充分利用，使礦渣優良的潛在水硬活性得以充分發揮，不僅能達到改善水泥的物理力學性能，顯著提高水泥強度的目的，而且能減小混凝土的溫度裂縫和溫度收縮，提高混凝土的耐久性、耐酸性和耐腐蝕性。

2.2 可使礦渣活性充分發揮，減少熟料消耗。

礦渣具有較高的潛在活性，但要把礦渣的潛在活性完全發揮出來，就需要把礦渣磨到最佳的細度。在采用混合粉磨工藝時，在同樣比表面積的情況下，會造成熟料的過粉磨現象，使水泥成品中＜3μm的細顆粒增多，特別是＜1μm的細顆粒在很短的時間內水化，產生早期水化熱增加、需水量增大、減水劑相溶性降低等一系列弊端。而未磨細的低活性礦渣其潛能不能得到充分發揮，造成熟料消耗上升。采用分別粉磨配制水泥生產工藝，對礦渣進行單獨粉磨至最佳細度，使其表面積增大，活性增高，不僅可以改善水泥的顆粒分布，增加水泥顆粒的原始堆積密度，提高水泥砂漿和混凝土的強度、密實性和耐久性，使水泥砂漿有較好的流動性，而且用這種高活性的礦渣粉與熟料粉配制生產水泥產品，可使礦渣的活性發揮到最大，在保證產品品質指標的前提下，增加礦渣粉的摻加量，降低熟料消耗，實現節能減排。

3 水泥分別粉磨的工藝流程

水泥分別粉磨工藝可以根據不同水泥物料的特性，選擇適合的工藝形式和粉磨設備，通過對物料的分別粉磨，最大限度地激發不同物料的特性，從而增加混合材的摻加量，減少熟料消耗，降低生產成本，利用礦渣作為混合材的水泥企業，采用這種生產工藝在降低生產成本上具有明顯優勢。目前國內的水泥生產線、粉磨站已經有了新建、改造和正在運行的案例，包括一些混合材原料易磨性較好的企業，也認識到混合粉磨工藝難以將熟料磨到最佳細度，造成一定的潛能浪費，而比較易磨的其它組分又容易產生過粉磨現象，也嘗試通過分別粉磨來實現對熟料的最佳粉磨，降低生產成本。

傳統的水泥混合粉磨工藝流程：

水泥分別粉磨生產工藝是由分別粉磨+配制水泥兩部分組成，實現分別粉磨的核心是選擇有利于粉磨礦渣等難磨物料的生產工藝，而實現配制水泥的關鍵是計量和混料（即攪拌）。

3.1 水泥分別粉磨生產工藝：

（1）立磨分別粉磨工藝：

采用立磨分別粉磨時，一般的配置是用兩臺立磨。熟料和石膏用一臺立磨粉磨，作為混合材的礦渣用一臺立磨粉磨，磨好的熟料粉和礦渣粉分別送入相對應的粉料庫儲存。從工藝設計上考慮，熟料磨可以生產熟料粉 ，也可以直接生產水泥成品，礦渣磨也可以生產熟料粉，根據市場需求可以靈活機動的組織生產。礦渣磨系統設置熱風爐用于礦渣的烘干。由于礦渣中夾雜較多的鐵和氧化鐵的混合物，此類含鐵物質進入磨機后，不僅會加劇磨輥、磨盤襯板的磨損或損壞，而且很難磨細，影響礦渣粉的活性，因此礦渣在入磨前進行除鐵非常重要，成為保證礦渣立磨安全穩定運行前提。立磨系統的特點是粉磨效率高，電耗低，烘干、粉磨、選粉同時在磨內完成，系統簡單。下圖為雙立磨分別粉磨、雙庫底配制水泥系統流程:

（2）球磨機分別粉磨工藝：

球磨機分別粉磨工藝是采用一臺球磨機對熟料和石膏進行粉磨，另一臺球磨機對礦渣進行粉磨，也有一些小粉磨站用一臺球磨機分別粉磨熟料粉和礦渣粉，然后分別送入熟料粉庫和礦渣粉庫，根據水泥品種需求進行配置生產。球磨機粉磨礦渣時入磨礦渣水分需控制在2.0%以下，因此礦渣入磨前要有烘干設備進行烘干。采用球磨機分別粉磨的一般為老企業或小粉磨站。球磨機分別粉磨具有生產工藝簡單，生產組織靈活，可以獲得較高的礦渣粉磨細度，使礦渣粉的活性得以充分發揮，有利于水泥強度的提高。缺點是臺時產量低，粉磨電耗高。近年來出現了輥壓機+球磨機聯合粉磨工藝，其設備大型化特征明顯。采用一臺∮1800×1200mm輥壓機+∮4.2×13m球磨機的聯合粉磨系統可實現分別粉磨熟料粉和礦渣粉，在粉磨礦渣時采用熱風爐提供熱風，礦渣經過改進后的V型選粉機實現在線烘干，簡化了生產工藝。下圖為輥壓機+球磨機聯合粉磨系統分別粉磨、雙庫底配制水泥的系統流程：

（3）輥壓機+球磨機和立磨組成的分別粉磨工藝：

輥壓機+球磨機和立磨組成的水泥分別粉磨系統，就是用輥壓機+球磨機聯合粉磨系統磨制熟料和石膏，立磨系統粉磨礦渣，采用不同的比表面積指標進行控制，磨制出各自性能得到充分發揮的熟料粉和礦渣粉，再按照市場需求配制生產出水泥產品。其特點是兩個系統比較獨立，輥壓機+球磨機聯合粉磨系統即可以生產熟料粉，也可以直接生產水泥成品。在生產水泥時，通過調配庫將熟料、石膏和混合材（可以使用礦渣和粉煤灰）進行配料后進入粉磨系統進行粉磨，水泥成品可以通過輸送系統直接送入水泥成品庫。下圖為輥壓機+球磨機和立磨組成的分別粉磨、雙庫底配制水泥的系統流程：

3.2 配制水泥的工藝流程

配制水泥就是將分別粉磨后儲存在庫內的熟料粉和礦渣粉按照不同品種水泥的指標要求，通過計量和混料裝置將兩者按一定比例混合成成品水泥，然后通過輸送設備送入成品庫。配制水泥的混合是物理混合過程，即通過外力將兩種粉體物料均勻的混合在一起，連續的輸送出去。在水泥的配制生產中，計量的準確和混合的均勻是保證產品質量的關鍵。目前常見的計量裝置采用計量相對準確和穩定的轉子秤，混料裝置采用雙軸機械式混料機或氣力與機械復合式混料機，是配制水泥的重要設備，它對配制水泥的質量起著至關重要的作用。

配制水泥的工藝流程：

（1）雙庫底配制水泥：

雙庫底配制水泥是將通過分別粉磨獲得的熟料粉和礦渣粉分別儲存于熟料粉庫和礦渣粉庫，在這兩個半成品庫下安裝給料計量設備和混料設備，按水泥品種的要求進行計量和混料，生產出的成品通過輸送系統進入水泥成品庫。

（2）單庫底配制水泥：

單庫底配制水泥是將分別粉磨后的一種物料單獨設一儲存庫，另一種粉磨后的物料不設儲存庫，給料、計量和混料設備安裝于沒有儲存庫的粉磨系統的尾部，儲存庫內的物料按水泥品種指標要求通過給料、計量設備配料后輸送到混料機入料口，與粉磨后的物料經混料機混合為成品水泥，通過輸送系統進入水泥成品庫。下圖為單庫底配制水泥的系統流程：

4 水泥分別粉磨工藝的選擇

分別粉磨配制水泥工藝主要適用于以礦渣等易磨性較差的原料作為混合材的水泥企業。礦渣是煉鐵高爐排出的水淬廢渣，主要成分是氧化鈣、氧化硅和氧化鋁。礦渣出爐時經水淬急冷，保留了微晶態的高活性玻璃體礦物，其結構為連續網狀，不存在應力集中的界面破壞，導致的結果是礦渣難磨且不易磨細。采用混合粉磨工藝時由于礦渣的易磨性差，直接影響粉磨系統的臺時產量，使粉磨工序電耗上升，成本增加。采用分別粉磨工藝可使礦渣優良的潛在水硬活性得以充分發揮，改善水泥的物理力學性能，顯著提高水泥強度。在水泥粉磨系統的設計、改造方案論證時，不僅要考慮水泥配料是否以礦渣等易磨性差的原料為主要混合材原料，同時還要考慮是否兼顧使用粉煤灰和電廠爐渣等易磨性較好的混合材原料，以及生產普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥、礦渣水泥等水泥品種的要求，在北方地區還要考慮有效施工時間短，旺季需求量大等因素。

4.1 分別粉磨工藝的選擇

4.1.1 粉磨礦渣工藝的選擇：

粉磨礦渣應優先選用立磨。立磨粉磨礦渣具有生產工藝簡單，節電效果明顯，對礦渣入磨水分的適應性好等優點。

（1）節電效果明顯。我公司用TRMS43.4礦渣立磨生產礦渣粉（配5%左右脫硫石膏），設計臺時為≥90t/h(干基),比表面積控制在400m2/kg時，2014年1～11月平均臺時92.3t/h,工序電耗為42.4kw.h/t。而據資料介紹，用球磨機粉磨系統生產礦渣粉，比表面積400m2/kg時，粉磨系統電耗在65Kw.h/t左右;比表面積500m2/kg時，粉磨系統電耗在80Kw.h/t左右。從以上數據可以看出，立磨粉磨礦渣節電優勢非常明顯。

（2）對礦渣入磨水分的適應性好。采用球磨機粉磨礦渣時，由于礦渣出爐時經水淬急冷，水分一般在25%左右，經過運輸、儲存過程，水分仍然在8%～15%左右，球磨機生產時入磨礦渣水分需控制在2.0%以下，因此礦渣入磨前要采用一套烘干系統對礦渣進行烘干。用立磨粉磨礦渣時，在粉磨系統中設置有熱風爐提供熱風將礦渣在磨內烘干，整個烘干、粉磨、選粉等生產過程均在磨內完成，不用單獨設置離線烘干設備，物料的烘干效果好而且工藝簡單。立磨在操作時為了穩定料層，設計有噴水裝置，用立磨粉磨水分在8%～15%的濕礦渣可以減少粉磨時的噴水量，如果在操作上能夠穩定料層，可以不用噴水，降低生產成本。

4.1.2 粉磨熟料的工藝選擇

目前國內粉磨熟料不論立磨還是輥壓機+球磨機聯合粉磨或半終粉磨工藝均已達到比較成熟的階段。用立磨生產熟料粉時，工序電耗一般在 30kw.h/t以下，熟料的易磨性好，操作人員水平高的企業熟料粉的工序電耗可以降低到 27kw.h/t以下。目前國內的一些大型企業如華新等已采用立磨混合粉磨水泥或進行分別粉磨，其節電的優勢非常明顯。由于立磨的設備投資大，一臺臺時產量90t/h的礦渣立磨價格達到近兩千萬元人民幣，加之立磨粉磨熟料時為了穩定料層需要噴水，會降低熟料強度等因素，國內目前還沒有大量使用。通過對輥壓機+球磨機聯合粉磨系統工藝和設備的創新和改進，工藝技術日臻成熟，臺時產量的提升和工序電耗的下降已經取得了意想不到的效果。某粉磨企業∮1800×1200mm輥壓機+∮4.2×13m水泥磨系統經過技術改造，在V型選粉機上增加成品選粉設備，將出輥壓機物料顆粒中的成品進行分離，生產P.C42.5緩凝水泥臺時可達320t/h（熟料配比66%），水泥綜合電耗降低到28Kw.h/t。我公司采用∮1600×1400mm輥壓機+∮4.2×13.5m球磨機聯合粉磨系統生產熟料粉時臺時也可達到200t/h。因此，對熟料粉磨系統的選擇要經過對產能規模的要求，資金的承受能力，企業的管理水平等多方面的因素進行綜合分析，選擇一個適合自己企業的工藝方案。

4.2 配制水泥工藝的選擇

雙庫底配制工藝和單庫底配制工藝均可實現配制水泥的生產，滿足不同水泥品種的質量指標要求。雙庫底配制工藝可使分別粉磨后的熟料粉和礦渣粉分別入庫，在庫下進行計量和配制，不受前段粉磨工序生產與否的影響，只要儲存庫內有物料就可以進行配制水泥的生產，品種轉換快且轉換成本低，有利于生產組織。但這種配制水泥工藝中需增加兩個半成品庫及配套的工藝設備，投資費用較大。單庫底配制工藝由于在粉磨能力較大的粉磨系統后設計有儲存庫，因此可平衡和發揮兩條粉磨系統的生產能力，由于減少了一個半成品儲存庫，因此工藝流程相對簡單，投資減少，但粉磨系統停機對生產的影響相對較大，一些外購礦渣微粉作為混合材的粉磨企業多采用此種工藝。對配制水泥工藝的選擇，應考慮水泥品種的數量（生產的水泥品種多，水泥成品庫的數量相對就多）和企業對資金的承受能力以及自身的管理水平等因素進行綜合分析，從降低投資，減少管理環節的角度考慮應優先選用單庫底配制工藝。

4.3 混料設備的選擇

目前常見的混料設備有單軸、雙軸機械式混料機和氣力與機械復合式混料機，也有一些小型粉磨企業使用氣力混料設備。在《水泥產品生產許可證實施細則》中，要求采用分別粉磨工藝的企業在水泥均化和配制工藝中使用雙軸攪拌機。雙軸機械式混料機是將進入設備的兩種或以上粉狀物料通過水平主軸帶動高速運轉的攪拌葉片達到混合的目的，同時通過帶有傾角的葉片旋轉產生的推力將混合料從設備中排出，其混合的效果取決于葉片的轉速和設備的長度。缺點是配套的電機功率大、電耗高。氣力與機械復合式混料機是將進入設備的兩種或以上粉狀物料通過設備底層濾布下充氣的作用達到流態化，以達到混合的目的，同時通過水平低速運轉的主軸帶動葉片攪拌物料，減少物料顆粒受重力產生的分層離析現象，設備內物料的輸送靠進出口的壓差使物料向出口方向流動，通過溢流方式排出。該設備結合了氣力攪拌和機械攪拌的優點，在保證配制水泥的均勻性和降低電耗方面具有優勢。當最大混料能力在300噸時，機械式混料機的功率在75Kw以上，氣力與機械復合式混料機總裝機功率僅為18.5Kw,節電效果非常明顯，在新建、改造分別粉磨配制水泥生產線時應優先選用。

5 水泥分別粉磨的生產控制要點

5.1 必要的原料均化

與傳統的混合粉磨工藝一樣，分別粉磨也需要將混合材、石膏等原料進行均化，因為這些原料存在不同生產廠家或不同生產時間所帶來的成分波動。例如，不同電廠的脫硫石膏不僅在SO3含量上有變化，而且在氯離子含量上也有較大差異（見下表）；不同高爐礦渣的易磨性因含鐵量的不同也存在較大差別。因此，為了保證水泥質量均勻穩定，配備物料堆場和相應的均化設施，使物料在入磨前得到必要的均化。

表1：我公司不同批次進廠脫硫石膏化學成分差異

5.2 合理的比表面積

水泥分別粉磨是通過將不同物料粉磨成不同的比表面積，來達到不同物料性能的充分發揮，實現節能降耗，降低生產成本的目的。不同物料的比表面積要結合物料易磨性、電力消耗、最終產品質量及使用性能等因素來確定。比表面積過低，會影響產品質量；比表面積過高會增加電力能耗，從而增加生產成本。因此，不同物料的比表面積需要在生產過程中不斷的摸索，來確定合理的控制指標。

5.3 準確的計量設備

選用精度相對較高且運行可靠的計量設備是保證產品質量的重要手段。在選擇計量設備時應綜合分析物料的粒度、水分、喂料量等因素，尤其是在生產過程中，對于復雜工況下的物料動態計量，既要保證其計量的準確性，又要保證其計量的連續性，計量設備的準確高效運行就顯得十分重要。在計量設備的使用中，定期的維護保養和校準也非常重要，特別是混料機前的計量設備，對保證水泥品質起著舉足輕重的作用，計量設備如果出現波動、漂移，就會引起水泥質量的波動，因此，加強計量設備的管理，確保其準確可靠穩定運行，是保證配制水泥產品質量的關鍵。

5.4 可靠的混料設備

混料機是分別粉磨工藝中的關鍵設備，它的均化效果對水泥質量至關重要。要定期對混料機攪拌葉片的磨損情況和軸承進行檢查，加強潤滑和維護，及時排除設備隱患，保證設備在正常工況下運行。混料機在露天安裝時，要注意防止雨水浸入混料機內引起物料結塊，如機內進水要及時排除，對于氣力和機械復合式混料機還需要更換透氣布。

5.5 重要的庫內均化

同混合粉磨一樣，庫內均化是保證水泥產品質量的重要一環，前道工序存在的不足可通過庫內均化或多庫間搭配來彌補或加強。高標號散裝水泥應杜絕庫側裝車，高標號袋裝水泥應堅持雙庫間搭配出庫包裝，以保證出廠產品質量連續穩定。

5.6 嚴格的質量控制

嚴格的質量控制是質量保證的根本，分別粉磨的每個環節都離不開嚴格的質量控制，從原料進廠、均化、配料、粉磨、混合再均化的每一環節，都必須按照質量管理制度嚴格管理，否則輕者可能引起水泥質量波動，重者就可能造成質量事故，給企業社會帶來不應有的經濟損失。

6 結束語

我國工業固體廢棄物對環境造成的污染日趨嚴重，實現其減量化、資源化和高附加值再利用刻不容緩。礦渣對鋼鐵企業是冶煉廢渣，而對水泥企業而言因其具有與硅酸鹽水泥熟料相似的礦物組成以及磨細后的良好活性，成為優良的混合材原料。但礦渣易磨性差的特性在水泥混合粉磨工藝中直接影響粉磨系統的臺時產量和電力消耗，增加生產成本。分別粉磨配制水泥工藝對礦渣和熟料用不同的比表面積控制進行分別粉磨（如礦渣粉400m2/kg，熟料粉350m2/kg），可以充分發揮熟料的強度和礦渣的活性，改善水泥性能，提高水泥強度，對硅酸鹽水泥、礦渣水泥、普通水泥均有良好的適應性，有利于粉磨效率的提高，降低粉磨電耗和生產成本，為以礦渣作為混合材的水泥企業新建、改造提供了一種新的工藝選擇。