摘要:
目前我国水泥工业生产中最常见的粉磨设备是球磨机，生产1吨水泥需要粉磨3吨物料，耗电约80度左右，占水泥生产总电耗的60%-70%。尽管这个数字比20年前下降了30%多，但继续研究新工艺、新设备、新技术，不断创新球磨机节能高产新记录，仍然是我们不懈追求的重要目标。
影响球磨机节能高产的因素很多，其中入磨物料粒度大小，是主要影响因素之一。通俗地说，“预粉碎工艺”就是一种“采用降低入磨物料粒度的方法，来使磨机节能高产”的生产工艺。20世纪80代以前，我国水泥工业生产规程中，将入磨物料粒度定为20～25毫米。物料由矿山开采粒度(300～600毫米)加工到入磨物料粒度的过程，主要由破碎机来完成，称之为破碎工艺；物料由入磨物料粒度加工到出磨物料粒度(0.08毫米左右)的过程，主要由球磨机来完成，称之为粉磨工艺。破碎工艺和粉磨工艺又统称为粉碎工艺。20世纪80年代前后，节能高产技术的研究结果表明，把入磨物料粒度由20～25毫米降低到5毫米以下，对球磨机的节能高产有明显作用。完成这一粒径范围粉碎任务的工艺过程，就被称之为预粉碎工艺。预粉碎工艺设备可以是破碎机，也可以是球磨机或其他机械设备，因此，单纯按粉碎设备来进行工艺分类是不适合的。近10年来，粉碎工艺分类的现代理念，是根据粉碎物料的目的和任务来划分的。由于水泥生产工艺“两磨一烧”的特殊性，以生产入窑生料或出厂水泥为目的的粉碎工艺，被称之为终粉碎工艺；而为其做准备工作的其他粉碎工艺，就可以广义地称之为预粉碎工艺。
一、预粉碎的作用机理
水泥工业生产中需要粉碎的原材料，主要来源于矿山开采和热工烧成。因此，在粉碎之前，这些物料内部都不同程度地存在着晶格缺陷和微细裂纹。在机械外力的作用下，物料内部的凝聚力受到破坏，应力波向四处传播，并在其内部缺陷、裂纹、晶格界面等处产生应力集中，使物料首先沿着这些脆弱面开裂而被粉碎。同时，这些被粉碎后形成的不同大小的颗粒内部，也因机械外力作用方式及大小不同，残留下不同程度的晶格缺陷和微细裂纹。为球磨机粉磨过程的节能高产奠定了基础。这就是说：外力给予物料以动能，并转变为物料的变形能，在其内部产生较大的应力集中，是导致物料被粉碎的主要原因。预粉碎工艺不仅使入磨物料粒度变小，而且使入磨物料的易磨性不同程度地得以改善。
从另一角度讲，球磨机是一种能量利用率较低(3%-5%)的粉磨设备，尤其是研磨体以抛落状态为主的头一仓。大部分能量被碰撞发热、噪音所消耗，真正用于粉碎作功的能量却很少。预粉碎工艺中俗称“以破代磨”、“多破少磨”的理念，正是以其他能量利用率较高(30%以上)的粉碎设备，来代替球磨机头一仓的粉碎工作，让球磨机扬长避短，充分施展以研磨为主的粉碎作用。从而，使粉磨系统中配置的不同设备发挥各自不同的优势，这对于粉磨工艺节能高产，具有十分重要的意义。
在粉磨工艺学里，常把入磨物料80%能够通过的筛孔孔径称之为入磨物料的平均粒径，以d80表示。球磨机的增产系数Kd则以d80为计算基准，计算公式如下：
Kd＝(d1／d2)1/4
式中：
Kd——球磨机助增产系数
d1——原来入磨物料的平均粒径(毫米)
d2——预粉碎后入磨物料的平均粒径(毫米)
G2＝Kd·G1
G1——原来球磨机的产量(吨/小时)
G2——减小入磨粒度后球磨机的产量(吨/小时)
举例：1台球磨机的入磨物料粒度(d80)由20毫米减小到5毫米；台时产量可提高41%左右。[Kd＝(d1/d2)1/4＝(20/5)1/4＝1．411]
二、预粉碎工艺设备
近十几年来，许多外国的先进的技术装备被引进、消化、吸收。给预粉碎工艺的设备选型提供了多样化的挑选余地。要根据本企业自身发展的实际情况，遵循“技术先进、经济合理”的原则，来选择预粉碎工艺设备。
1．细碎破碎机
20世纪90年代，我国细碎破碎机的生产制造，出现了一个高潮。破碎比、产品粒度、金属消耗量、单产电耗等多项经济技术指标都有明显进步(见表1)。
选择细碎破碎机，首先要看它的结构、工作原理是否先进。物料进入破碎机后，能否有一个曲折、合理的运动轨迹?物料在破碎腔内能否实现多功能复合粉碎过程?然后还必需考虑它的单产电耗是否经济?金属消耗量是否低?安全运转率是否高?价格是否合理?环保指标是否达标等等。使生产可靠性与技术先进性较好地统一起来。
2．挤压机(辊压机)
1985年世界上第1台挤压机(又称：辊压机)问世以来，迅速得到发展。由于它实现了高压(50～300兆帕)条件下的料床粉碎，不仅使粉碎产品的颗粒粒度大幅度降低，而且产品颗粒内部微细裂纹增加，使物料的易磨性得到明显改善。在挤压机正常工作时，挤压粉碎力是由活动压辊，通过被粉碎的物料料层，传递到固定压辊的；大部分能量被用于物料之间的相互挤压、磨剥，使其变形、粉碎；在高负荷的挤压作用下，物料磨擦产生的声能、热能也被转化为物料的变形能。因此，能量利用率相当高，作为预粉碎设备，对球磨机的节能高产作用十分明显。挤压机的规格一般以压辊直径／压辊长度表示(见表2)。
由于挤压机在高压状态下工作，因此对设备的材质、装配、安装及操作维护都有较高要求。国产挤压机的质量正在不断地提高，一般都采用“大辊径、小辊宽”的方案。压辊直径大，对物料的啮入性能好，进料粒度可以放宽。同时，物料受挤压的时间相对较长，轴与轴承的承载能力提高，安全运转率和使用寿命延长。但是，压辊表面窄，容易产生“边缘效应”。所谓“边缘效应”就是在物料被粉碎的过程中，部分未被真正挤压的物料从压辊两端漏出，使粉碎产品质量及其均匀性受到影响。如不认真对待，对球磨机的节能高产会起到负面作用。选用挤压机作为预粉碎设备时，还必须满足挤压机的“过饱和喂料”要求。根据挤压机的工作原理，一方面在挤压粉碎腔内，需要全充满的物料传递粉碎作功的挤压力；另—方面，进入粉碎腔的物料在强大的挤压作用下，其体积会压缩很多。因此，挤压机的喂料仓必须有足够的料位，能均匀、充足地喂入粉碎腔，即过饱和喂料。否则，挤压机的产量、质量将受到明显的影响。一般情况下，只要工艺流程设计合理，这些问题是可以解决的。
3．棒磨机
装有钢棒作为研磨体的球磨机称之为棒磨机。钢棒是一种具有选择性粉碎作用的研磨体，它不仅质量大、冲击力强，而且与物料之间是线接触起粉碎作用。因此，对粒度较大的物料冲击多、对粒度小的物料冲击少；粉碎产品粒度均齐，是其显著特点之一。作为预粉碎设备对球磨机节能高产十分有利。目前我国已将单仓小型棒磨机，应用于球磨机的预粉碎工艺之中(见表3)。
棒磨机仓内采用直径55～75毫米的刚棒，材质以45Mn或70号高碳钢为宜；仓内填充率一般为25％～28％，钢棒长度应比仓的长度短50～100毫米，以防止钢棒被大块物料挤住，不能自由运动而造成乱棒事故。在棒磨机的使用过程中，预防和处理乱棒事故是一项重要的操作技能。导致乱棒的原因较多，其中最常见的是磨机饱磨。因此，磨机负荷控制一定要仔细、认真。处理乱棒的方法是，首先将仓内物料全部卸空，再将容易取出的钢棒取出，用气割将妨碍棒群复直的弯棒割断并取出，使棒群有足够的下落空间，然后转动磨机，直至全部理顺为止。
4．立式磨
立式磨又称碾辊磨，它是利用碾辊和磨盘的相对运动将物料粉碎。由于磨盘由主电机驱动，碾辊从动时有液压系统加压，因此，粉碎物料的过程中，既有类似挤压机的料层粉碎作用，又有辊与盘相对滑动产生的剪切、研磨作用。所以，其能量利用率比球磨机高得多。用于预粉碎的立式磨与终粉碎的立式磨有所不同，前者为机械出料，而后者为风送出料。从外观上看，前者只有后者的下半截。目前仅在国内几个大型水泥厂，使用了日本川崎公司的CKP型立式磨(见表4)。
对碾辊施加不同的压力，产品的粒度大小及颗粒组成将发生变化。随着压力的增加，开始变化较大，后来其变化幅度越来越小；接近额定压力的67％～78％之后，产品的细度状态几乎不再变化。从使用情况来看，在机械结构性能、运行稳定性、操作难易程度、辊套耐磨寿命等方面，都优于挤压机。从粉磨效率来看，立式磨可以有效地对熟料进行预粉碎，其效率与挤压机相当，但对熟料易磨性的改变程度不及挤压机。对于大型球磨机水泥粉磨系统的预粉碎配套与改造，选用CKP型立式磨更为合适。
三、预粉碎工艺流程
根据预粉碎加工物料的品种，工艺流程可分为：单物料的预粉碎和配合料的预粉碎两大类型。前者是单一的减小物料粒度，而后者不仅减小了物料粒度，而且使多组分物料相互混合、起到均化作用，对粉磨产品的优质、高产有利。无论是单物料的预粉碎，或者是配合料的预粉碎，都可以分为开路流程和闭路流程。与普通粉磨工艺一样，开路流程简单、一次性投资少，但产品粒度波动大、对球磨机的节能高产幅度有一定的限制；而闭路流程复杂、设备投资大，但产品粒度均齐、细度调节容易控制，更有利于球磨机的节能高产。
1．预粉碎开路流程
物料经预粉碎后，直接进入球磨机终粉磨的预粉碎工艺流程，称之为预粉碎开路流程。根据磨头操作空间的大小，预粉碎设备可以安置在球磨机进口的上方，也可以安置在进口的下方，采用斗式提升机进行联接。在老厂技术改造中，如果当地地下水位浅或原磨房就是框架结构建筑，则可采用前一方案；而干旱地区或磨房为简易建筑结构，一般采用后一方案比较有利。由于开路流程工艺特点所至，预粉碎设备的生产能力不必选择过大，与球磨机生产能力持平即可。需要预粉碎的物料，尤其是配合料，其中小于5毫米的细颗粒都占有一定比例(有的超过 15％)。因此，在它们进入预粉碎设备之前，应该预先筛分一下。最简单的办法，就是在预粉碎设备的进料溜管底面开一个方孔，上面焊上几根钢筋，做成缝宽为5毫米的条筛，条筛下接一个溜管通向球磨机入口。进预粉碎设备的物料中，小于5毫米的细颗粒被条筛筛下，直接入磨；其它粗颗粒经预粉碎后再入磨。这样不仅减少了细颗粒对预粉碎设备内冲击粉碎过程的影响，使预粉碎效率得到提高；而且也储备了一定的生产能力，为球磨机节能高产解决了后顾之优。
2．预粉碎闭路流程
经过预粉碎设备粉碎后的物料，如果进行筛选或分流处理，较细的一部分进入球磨机细磨，而较粗的一部分重新返回预粉碎设备再粉碎的工艺流程，我们称其为预粉碎闭路流程。该流程中带有检查筛分或分级机(选分机)，不仅可以严格控制入磨物料的细度，而且可以充分发挥预粉碎设备的生产能力和节能效果。不论是生料制备还是水泥粉磨，都可以大幅度地, 提高球磨机的产量、质量。例如：重庆长桥公司在预粉碎闭路流程中采用检查筛分工艺，严格控制产品粒度，确保入磨物料粒度中90%都小于3毫米，使直径1.83×7米闭路粉磨生料制备系统的产量达到了21吨/小时，将该球磨机设计产量翻了一番。
采用挤压机作预粉碎设备，选择闭路流程更为重要。国产挤压机出料中未被真正挤压的漏料，约占总量的15%左右，这些漏料与挤压机真正产品料饼的物理性能(粒度、易磨性等)差异很大，对球磨机的产量、质量有明显影响。因此，选用打散分级机，与挤压机组成预粉碎闭路流程十分必要。打散分级机可以将挤压机的漏料和粒度不合格的粗料选出，待其返回挤压机喂料仓后，既解决了挤压机边缘效应(漏料)的负面影响，又缓解了挤压机过饱和喂料的需求。同时，依靠分级机对预粉碎产品的把关，挤压机可以采用低压、大循环的运行机制，以减轻辊面磨损、提高安全运转率、延长设备使用寿命。从另一方面看，打散分级机还可以将粒度合格的物料喂入球磨机，既保证了球磨机的节能高产，还可以根据球磨机生产能力的需要，调节粗、细物料的分选比例，合理控制粉磨系统的运行负荷。
四、球磨机工艺参数调整
在水泥厂技术改造中，如果球磨机粉磨系统新增预粉碎工艺，必须注意：要及时调节粉磨系统工艺参数。首先是钢球级配，在维持装载量不变的情况下，要降低各仓平均球径，一仓为直径60±5毫米较为合适。如果入磨粒度均齐，则检出大规格的钢球；如果入磨粒度不均齐，则减少大球数量、增补相同装载量的小球。有条件的地方，球磨机尾仓则可以用直径20～30毫米的小球全部代替钢段。开流磨的填充率应该是后仓略高于前仓；圈流磨填充率则是前、后仓持平。由于入磨物料经预粉碎后，粒度减小、易磨性不同程度地改善，因此，出磨机的细粉也应该更细且含量更多，尤其是圈流磨，应将出磨粒度由原来的R0.08＝(40±3)%调整控制到R0.08＝(30±3)%；同时选用选粉效率更高(>60%)的分级设备，来完成物料分级任务，如转子式旋风选粉机等；尽量减少粗粉回料量、增加成品细粉量(即球磨机产量)。总之，系统循环负荷率要调控到100%以下。
五、预粉碎工艺经济效益分析
选择哪种预粉碎设备及工艺流程，是根据各企业自身的生产条件和经济实力所决定的。国内几家水泥企业，在增设预粉碎工艺前后的技术经济指标变化列入表5。
我国水泥新标准颁布实施后，对水泥生产过程及产品质量提出了更高的要求。预粉碎工艺应用干球磨机粉磨工艺，不仅实现了其粉磨系统的节能高产，而且使其粉磨产品更加适应水泥新标准的有关要求。同时，预粉碎工艺既适合于老厂技术改造，又适合于新建厂设计采用。该技术先进可靠、经济效益好，是适合我国水泥工业发展的有效途径。
