水泥外循环立磨装备与工艺系统的开发应用
摘要：本文阐述了外循环水泥立磨装备与工艺系统的开发应用情况，并介绍了以外循环立磨为核心装备的不同粉磨工艺系统及相关应用案例。结果表明：该立磨具有较高的粉磨效率，产品性能好，原料适应性强等特点，与管磨机可以配置成水泥联合粉磨、半终粉磨系统，也可配置外循环立磨水泥终粉磨系统，系统电耗与水泥性能指标优越性较为突出。
关键词：水泥，外循环立磨，联合粉磨，半终粉磨，终粉磨
1、概述
目前，水泥粉磨主要有管式磨、立式磨和辊压机三种粉磨方式，尤其在中国水泥工业中，采用辊压机和管式磨组合成的预粉磨、联合粉磨成为主流水泥粉磨技术路线。就辊压机联合粉磨而言，其粉磨电耗大多数在30kWh/t以上，这种工艺虽然比管磨机节电效果明显，但是由于其粉磨原理的原因，其电耗进一步降低比较难。此外，近年来兴起的辊压机和管式磨组成的半终粉磨系统，虽有节电效果，由于受到辊压机系统水泥性能的制约[1]，大部分已建成的生产线已经弃用半终粉磨生产模式（一般仅仅生产PC32.5水泥采用半终粉磨系统），成功在用的案例较少。
立式磨由于其能耗低、运行稳定、操作简单、维护工作量小，在水泥生料粉磨和煤粉磨中取得了很大成功，目前，无论是生料粉磨还是水泥粉磨，国内外普遍采用的立式磨属于磨内循环式，即立式磨上方设有选粉机[2]。因此，立式磨内部需要通入大量风，由于要由喷嘴环高速的喷射风将大部分物料吹起带入选粉机内，因此这种内循环立式磨风机消耗功率比较大，即使是水泥终粉磨，其产品电耗也要在28~34kWh/t[3,4]，节能优势并不是非常明显。
本文介绍了一种新式的外循环水泥立磨作为联合粉磨、半终粉磨或终粉磨系统的主机设备，不仅解决了水泥产品性能问题，而且解决了系统粉磨电耗高的问题。实际运行表明，外循环水泥立磨粉磨系统电耗为25~29kWh/t，达到了国内外先进水平。
2、KVM水泥立磨介绍
根据传统内循环立磨原理，融入独特的节能理念及创新设计的南京凯盛KVM（Kisen Vertical Mill）型外循环式立磨。主要工作原理为：
水泥熟料从磨盘中央上方喂入，借助离心力和摩擦力逐步向磨盘边缘移动，并被磨盘上的磨辊咬住。水泥混合料间的挤压研磨在旋转的磨盘和磨辊之间的间隙内进行。物料经高压力碾压后随磨盘转动离心力抛出，经刮板收集后由提升机将物料送入选粉设备，其中的细粉送入管磨机(或选为成品)，粗粉继续回立磨粉磨。外循环立磨系统具有以下显著特点：
（1）立磨本体不带选粉机
将如图1所示的内循环立磨的选粉机移出形成如图2所示的内循环立磨。其优势在于：首先，较传统内循环立磨而言，物料全部经过机械提升，降低了磨内物料输送功耗及系统风机功耗；其次，选粉工艺的外移，可根据不同的粉磨工艺进行特殊设计，有利于高效、节能选粉工艺的实施；最后，取消了磨内喷嘴环设置，大大减缓了高速含尘气流对磨辊、壳体内壁等部件的磨损。
（2）粉磨效率高
充分利用辊式磨料床粉磨原理，如图3所示，处于磨槽外侧粉磨区的物料不仅受到挤压力的作用，还受到相对速度造成的剪切力的作用，更容易使物料得到高效率的粉磨。
特殊磨辊设计增大了物料的粉磨区域，配合特殊设计的磨槽（磨盘衬板），实现磨辊对物料层的均匀施压（如图4所示），不论是压缩还是剪切粉磨，都具有优异的粉磨效率。
此外，中心喂料方式，物料借助离心力和摩擦力逐步向磨盘边缘移动，能有效克服物料料床断面流速不均、旁路失效及两端溢流的问题。
（3）粉磨后物料分散效果好
由于粉磨过程是剪切和挤压共同作用，出立磨物料呈松散状，大大降低了后续选粉工序中物料分散、分级的功耗，同时，可采用高浓度分选工艺（料气比≥4.5），无需另外设置打散工序，降低了选粉风量，节约设备投资并有效降低系统风机电耗。
（4）控制简单、操作方便
由于辊压机属于短粉磨轨迹、纯挤压的工作原理，受力面积窄，造成局部压强过大。在长期、连续、大压强的工况下，辊面耐磨层易疲劳损坏，引起机械故障，需反复停机补焊辊子。而立磨则有效避免这类机械故障。从操作控制上，辊压机控制复杂，需配合稳流仓、辊速及辊压进行调节。而外循环立磨和一般管磨控制方式相同，通过循环提升机电流控制通过量，简单易行。（应用实例-图5）
（5）粉磨后物料颗粒球形度高
辊压机和立磨两种设备挤压后物料颗粒形貌分别如图6~图7所示。由于外循环立磨挤压和剪切的共同作用，其粉磨后物料颗粒球形度高[5]。而辊压机的粉磨轨迹短，纯挤压作用使得其物料颗粒大多呈板片状、柱状等。这就使得外循环立磨应用于水泥半终粉磨和水泥终粉磨系统具有明显的优势，其获得的成品水泥需水性可以与管磨机产品相媲美[6]。
3、KVM水泥立磨工艺系统
目前，外循环立磨用于水泥粉磨主要有联合粉磨系统、半终粉磨系统及终粉磨系统等三种工艺系统。
（1）立磨联合粉磨系统
该系统采用外循环立磨作为预粉磨设备（见图8~图9）。如图8所示，物料通过外置式高料气比的V型选粉机分选后，粗粉返回立磨继续粉磨，细粉则送入到管磨机，经管磨机粉磨后形成最终成品。
图9是另一种外循环立磨联合粉磨系统，其中立磨预粉磨系统所采用的V型选粉机为带卧式动态转笼的V型选粉机，该选粉机兼有V 型选粉机和第三代选粉机的优点，相比较于采用普通V型选粉机的系统，可有效地降低和控制后序管磨的入磨粒度，进而大大改善了磨机的粉磨状况。
图10是外循环立磨预粉磨系统中出立磨物料及出V选细粉粒度分布（采用图8所示粉磨工艺系统），经外循环立磨粉磨并分选后，大大降低了入管磨的物料粒度，特征粒径为0.057mm，该入磨物料其0.08mm筛余在30%以下。粉磨效率较高的立磨承担了大部分物料的破碎功能，管磨机完成对物料最后加工工序。
（2）水泥立磨半终粉磨系统
其工艺流程如图11所示。该系统在联合粉磨系统基础上，增加精细选粉系统，通过高效的选粉系统，将立磨碾压的合格成品提前选出，不再进入管磨机，这样一方面可以有利于外循环立磨料床的稳定，提高其粉磨效率；另一方面，又有合格的细粉被提前选出，大幅度减少了管磨机内的“过粉磨”现象，避免细粉在管磨机内形成料垫，提高球管磨机的破碎与研磨效率，达到提产降耗的目的。
最近兴起的辊压机半终粉磨系统，如前所述，由于其粉磨后物料颗粒球形度低，将合格细粉拿出后，会导致水泥标注稠度需水量增加，因而该部分成品比例不能太高，一般不超过水泥总量的15%~20%。而采用立磨半终粉磨系统，则该部分成品比例对水泥需水性影响不大，因而可配置高效选粉系统，尽可能将合格细粉全部提前选出，系统产量更高、电耗更低。
（3）水泥立磨终粉磨系统
该系统完全取消了粉磨效率较低的管磨机，完全由高效料床粉磨实现水泥制成，实现水泥粉磨的无球化。一方面有利于降低系统电耗（较无预粉磨设备的管磨粉磨系统，产品工序电耗降低35%以上），另一方面也能大幅降低金属消耗。其工艺流程图如图12所示。
KVM水泥立磨在水泥粉磨中的应用
3.1 外循环立磨联合粉磨系统应用
3.1.1 A厂水泥磨系统应用
A厂原有水泥粉磨系统为Ф3.2×13m的水泥闭路系统，产量低，电耗高达38-40kWh/t。南京凯盛国际工程有限公司采用 “KVM22.3-P外循环立磨＋带转子笼的V型选粉机＋收尘器＋Ф3.2×13m管磨机(开路)”组成的联合粉磨系统对其进行改造，其工艺流程图如图9所示。该生产线水泥配比及生产指标如表1所示。
水泥粉磨系统中预粉磨设备KVM立磨表现出较高的粉磨效率，出立磨物料中细粉含量为：小于0.045mm颗粒占17-22％，小于0.08mm颗粒占24-28％。另外使用带转子笼的V型选粉机有效地防止0.5mm以上的颗粒进入管磨机，保证了入进入管磨机的物料基本都在0.5mm以下，针对如此细的物料有针对性地设计管磨机内部结构，充分发挥管磨机高效研磨功能，使得系统产量与电耗指标均为优越。
3.1.2 B厂水泥磨系统应用
B厂有多套Ф3.2×13m的水泥管磨机，由于水泥原料水份较大，磨制PC32.5R水泥时综合水份含量一般在3.5％左右，最高达4.3％，即使磨制PO42.5水泥时原料综合水份也达到2.5%，台时产量在35~40t/h，系统工序电耗在45~50kWh/t。为了提产降耗，该厂采用南京凯盛自主研发的“KVM22.3-P外循环立磨＋V型选粉机＋卧式精细选粉机” 预粉磨系统对管磨机系统进行技术改造，组成管磨机为开路的联合粉磨系统，其工艺流程图如图13所示。
该生产线特点有：
(1) 因水泥原料水分较大，设计上引入该厂窑系统的窑头废气进选粉系统
中对物料进行烘干，新加入的高水份物料先进入选粉系统初步烘干后再进立磨进行粉磨，但会增加水泥工序电耗；
(2)为实现物料在选粉系统中的有效烘干，该系统采用V选和卧式精选分
开设置的方式，强化烘干，但另一方面，该类型选粉系统使得水泥粉磨电耗增加；
(3)该生产线因管磨机本身原因（磨机年代久，传动效率低），高于同规格
同装机功率的管磨机(研磨体装载量相同时)，运行电耗高，低于额定装载量下，实际功耗超额定功率。
该生产线水泥配比及生产指标如表2所示。
该生产线的成功投运，是外循环水泥立磨系统在高水分原料水泥磨生产线上取得重大突破，通过合理的装备与工艺设计，外循环水泥立磨系统对较高水分原料具有较好的适应性。
3.2 外循环立磨半终粉磨系统应用
C厂水泥磨为新建水泥粉磨系统，采用“KVM26.3-P外循环＋3.8×14.5m管磨机+V选+精细选粉机”组成的共用一套精细选粉机的双圈流半终粉磨系统，该系统与核心装备均为南京凯盛公司研发，其工艺流程图如图14所示。
该工艺系统特点是，外循环立磨和管磨机共用一台精细选粉机，立磨系统经V选分选后的细粉料由精细选粉机下进风进口带入精细选粉机分选，管磨机物料则经上部撒料装置进入精细选粉机。该系统减少了一套选粉系统，降低了设备和土建投资，同时，立磨成品和管磨机成品可在选粉机内充分混合，避免了半终粉磨系统中前后两部分成品成分差异大而导致水泥质量波动的问题。但共用一台精细选粉机，对系统的设计，精细选粉机性能以及操作控制要求更高。表3为该半终粉磨系统生产指标。
从表3数据与厂里老线辊压机联合粉磨系统数据相比，该系统生产的水泥需水性低于辊压机联合粉磨系统生产的水泥需水性，水泥其它性能相当。
3.3 外循环立磨终粉磨系统应用
如前所述，KVM外循环立磨磨制的细粉颗粒形貌球形度优于辊压机，该立磨可作为终粉磨磨制水泥。南京凯盛自主研发的“KVM-C46.4+V型选粉机+精细选粉机”外循环立磨终粉磨系统，在D厂获得成功运用。该系统工艺流程图如图12所示。其特点是：
(1)在不喷水情况下，立磨实现稳定运行，为生产高品质水泥提供保证；
(2) 系统简单，粉磨电耗低；
(3)水泥性能与该厂相同配料的闭路管磨生产的水泥相当，水泥标准稠度需水量稍低于闭路管磨水泥。
该生产线水泥配比及生产指标如表4所示。
值得一提的是，该厂另外三台闭路管磨，生产同品种水泥（相同配比和水泥细度指标）时，其水泥标准稠度需水量均比该外循环立磨终粉磨系统生产的水泥稍高，标准稠度用水量绝对值约高1-2%，，从两种水泥在商混站使用情况看，外循环立磨磨制的水泥适应性已可与管磨水泥相媲美。
4、结语
采用外循环水泥立磨的联合粉磨、半终粉磨和终粉磨系统具有电耗低、投资少、见效快、维修工作量少等一系列的特点，该工艺技术路线正在国内大范围地推广应用，目前外循环立磨在水泥联合粉磨、半终粉磨和终粉磨系统中均获得成功应用，电耗在24~29kWh/t。相比辊压机和内循环立磨而言，具有明显的优势。该技术可以用在新建生产线，也可以用在对管磨、辊压机预粉磨等生产线的改造。
参考文献
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[4] 钟根，康宇，钟永超，李安平.两种水泥立磨终粉磨系统的比较研究.水泥，2016(6): 24-26.
[5] 康宇，钟根. 立磨与辊压机碾磨后的物料颗粒形貌对比分析[J]. 中国水泥，2014(5)：76-79
[6] 康宇，钟根，王飞，钟永超，李安平. 立磨与辊压机水泥成品的性能对比分析.中国水泥，2017(3)：107-110
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