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高长明:国内外水泥立磨的应用历史、现状与发展

2017/06/29 中国水泥协会 高长明立磨球磨

上世纪90年代,欧美国家水泥工业在生料立磨工业生产应用十分成功的基础上开始试验釆用立磨来磨制水泥,初期的生产实践表明,除了预先已估计到的磨机结构强度、振动和磨耗等问题外,还发现了立磨水泥的施工性能与当时广泛采用的圈流球磨的相比有所改变,主要表现是其标准稠度需水量稍高,水泥浆体流动度稍差,早期强度稍低等。......

  一、水泥立磨的发展历史与应用现状

  上世纪90年代,欧美国家水泥工业在生料立磨工业生产应用十分成功的基础上开始试验釆用立磨来磨制水泥,初期的生产实践表明,除了预先已估计到的磨机结构强度、振动和磨耗等问题外,还发现了立磨水泥的施工性能与当时广泛采用的圈流球磨的相比有所改变,主要表现是其标准稠度需水量稍高,水泥浆体流动度稍差,早期强度稍低等。生产实践中,人们很快就发现立磨水泥施工性能变化的原因主要源于其水泥平均粒径与颗粒组成分布的变化所引起的。因为这种情况在30多年前的1960年前后曾经发生过,当时水泥粉磨系统正当由开流管磨进化提升为圈流球磨之际,曾经因圈流球磨水泥施工性能“稍差”,而在欧美水泥界引发了长达近10年的所谓水泥粉磨应采用开流抑或圈流之争论与犹豫(笔者当时曾投稿国外发表拙见)。几经水泥行业自身在工艺设备等方面的改进,以及与混凝土施工方面的协调合作,这个问题终于获得妥善解决。水泥圈流粉磨系统由此取代了开流管磨而迅速发展推广。基于这个经验,1990年欧美再次遭遇所谓立磨水泥性能问题时,水泥行业和混凝土行业在心理上和技术上都比较“轻车熟路”,从容应对,很快解决了问题,为水泥立磨的顺利推广创造了有利条件。2015年欧美水泥立磨的选用率已达60%左右。

  随着时间的推移,水泥立磨系统在机械结构强度、传动减速机、磨机振动、衬板磨损、可靠性和运转率,以及对其水泥性能灵活方便的调控等诸多方面均有不断的改进和逐渐完善。在欧美到2000年,水泥立磨已克服了各种难题,表现出其高效、经济、节能、噪音小、占地少的优点,受到广大用户的欢迎。世界(除中国大陆外)新建水泥项目水泥粉磨系统中立磨的选用率,由2000年的15%提升到了2005年的45%,如图1所示。之后在美国表仍保持这个势头,2015年其水泥立磨的选用率继续上升到70%。但是全球(除中国大陆外)则微升到53%。根据德国温斯顿(OneStone)咨询公司的报告,2015年全球(除中国大陆外),投产的约有2610台套水泥粉磨系统,其中共有水泥立磨538台,约占当年水泥总产量的23%(4.14亿吨)。

  我国水泥工业采用水泥立磨最先始于2005年,由云南昆明东骏水泥厂引进史密斯公司的两台OK 33-4立磨,用以生产水泥和细磨矿渣,开创了我国水泥立磨的先河,实现了零的突破。因为水泥立磿在东骏厂的成功应用及其良好的运行实践,使水泥立磨在国内新建水泥项目中开始取得一席之地。到2010年水泥立磨系统在国内的选用率上升为8%。通过实践,水泥立磨系统的优点逐渐获得较多用户的认可,略显推广之势,2015年其选用率已达30%(图1)。2000~2015年,各供应厂商在我国销售立磨累计台数统计,如表1所列。2015年我国水泥厂投产的水泥(矿渣)立磨已有210台之多,约占当年水泥总产量的9% (2.16亿吨)。

  二、水泥立磨在我国进一步推广选用的主要障碍

  虽然国内外600多台水泥立磨长期生产的实践业已表明,与辊压机+球磨的粉磨系统相比,水泥立磨具有节电、省投资、生产成本低、噪音低、改变产品品种(水泥、矿渣粉)迅速方便、占地少、露天设置等诸多优点。但在不少中国水泥企业的心里,多少仍有一些所谓立磨水泥性能或许不及半终系统的“担忧”,唯恐殃及其水泥的市场销路。回顾多年来与国外专家的交往,笔者发现国际上,无论是发达国家、兴新国家或者较后进国家的同行们,他们似乎基本上没有这种“担忧”,对这事並不太在意。因为发达国家的同行们是“过来人”,有亲身经历,毋须“担忧”。新兴国家和较后进国家的同行们则在得知已有600多台水泥立磨成功运行的事实后,往往很快就会打消这种道听途说的“担忧”。唯独我们中国的专家同行们何以仍有如此这般强烈的“担忧”呢?

  笔者分析认为,这显然与过去50多年来我国各省、地、市、県、村已经完全十分习惯于使用圈流球磨水泥和辊压机半终水泥有关;因其在我国作为唯一形态的水泥,应用规模数量极大,达380亿吨:地域空间极广,遍布全国:延续时间极长,超过半个世纪:累计建材建筑员工数量极大,近两亿人。所以我国水泥混凝土建筑行业对其已养成了固定的习惯,心理上和生产操作上的习惯定式极其顽強,短期内要它们接受新来乍到的立磨水泥,首先在心理上就是一道障碍,要在全国范围消除这种心理障碍是须要一定时间的。这正是我国水泥工业的发展历史所造成的特殊情况,也是水泥立磨在我国进一步推广,提高立磨水泥在水泥总产量的占比(例如由2015年的9%上升到2020年的15%左右)所面临的第一个障碍,亦是主要障碍。

  第二个障碍是传说的所谓水泥立磨系统复杂,难以操作掌控。这个障碍比较简单,容易解释清楚。因为它仅涉及水泥立磨系统生产操作管理方面的技术问题。事实上,现今的水泥立磨系统已经具备完善的全面调控其水泥产品施工性能的手段和方法,可以确保立磨水泥的粒径组成与分布、特征粒径、均匀性系数 (RRB曲线斜率)、需水量、流动度、水泥早期强度等各项指标,即使不是优于,但至少不会逊于圈流球磨水泥的。完全可以实现水泥有关性能调控的全覆盖(图2),而且调控方便,及时精确,响应迅速。其调控手段主要有四项,即挡料圈高度、磨内风量(风速)、粉磨压力和选粉机转速;各项手段的调控范围与精度,及其对水泥性能的影响,如表2和表3所列。相应地,在不同挡料圈高度的情况下,粉磨压力与水泥粒径组成的均匀性系数的相互变化关系;以及在不同磨内风量(风速)情况下,选粉机转速与水泥均匀性系数的相关性,分别如图3和图4所示。按照表3的操作指南可以釆取单项或多项综合调控的手段,在生产实践中逐步掌控调节水泥成品的各项性能,完全可以达到满足市场需求的目的。

  在水泥立磨试生产的初期,采取上述各项调控手段和方法,同时通过与混凝土客户方的沟通协调合作,一般在1~2个月之内就可以完成相互适应的过程,逐步趋于正常化。本人2005年下半年,在东骏厂OK 33-4水泥立磨的调试中就体验了这个过程,这项工作水泥厂的一般生产技术人员均可以胜任。到2006年初,东骏厂的水泥颇受昆明市场青睐,售价稍高,客戶欢迎。OK 33-4水泥立磨从试生产到宣告立磨水泥在我国市场首获成功,总共不到半年时间。至今这两台水泥(矿渣)立磨已经顺利运转了12年,东骏厂甚表满意。

  至于立磨水泥与球磨水泥各项性能指标的比较,国内外发布的实践数据已多达百余套,我国的合肥院、天津院和一些水泥厂都有不少这方面的成果报导,所有的结论对立磨水泥都是肯定的,兹不一一列举。这里特别推举江西亞东的数据就足以说明问题。2007年开始,江西亚东继云南东骏之后,成为我国第二位引进选用水泥立磨系统的厂家。如果说2003年东骏决定首先选用水泥立磨,的确具有“吃螃蟹”的远见和勇气,令人钦佩。那么亚东2006年做出选用水泥立磨的决策则是十分清晰的、精明的。因为这是亚东通过全面评估后所采取的胸有成竹的举措,体现了其管理层科学前瞻的素养。另外,因江西亚东在同一个工厂既有辊压机+球磨的半终水泥,又有立磨水泥,两者都是采用相同的熟料、混合材、石膏共同粉磨成同样品种和标号的水泥,对比条件十分完美(国外也有这样的实例);加之江西亚东的生产操作管理水平上佳,取样化验检测严谨,数据准确可靠。故亚东的对比数据和结果必将具有更強的说服力,足以令人心悦诚服。

  表4是亞东2008年前后多次试验,在正常生产运转情况下,每次在1个月内节奏均匀地连续并行提取17个对比试样检测数据的平均值,具有高度的代表性和客观性。

  通过上述对比试验,亚东的结论是:“人们对立磨水泥所担忧的需水量、水泥浆体流动度和水泥早期强度等指标均完全达标,并略优于一般传统的球磨水泥。立磨水泥的单位电耗比辊压机+球磨的节省4~6kWh/t,较圈流球磨的节电12 kWh/t以上”(《中国水泥》 2009年 第10期 49~52页)。其实这个结论与当时国内外已有的对比试验结果并无二致,我们现在慎审地重温这个结论后,不知至今尚存这类担忧的诸位同行们,此刻是否会开始重新思考打消顾虑,或将担忧转变为基本趋于可以放心了呢?!

  截止2015年底,史密斯公司在全球水泥厂运转的水泥管磨和球磨机约有400多台,水泥半终粉磨的辊压机约80台,水泥(矿渣)立磨约135台。根据这些磨机实际生产运行的大数据分析,筛选出三种水泥粉磨系统的生产和维修费用等具有代表性的统计平均值,如表5所示。

  表5的数据完全源于史密斯公司现有的水泥粉磨机的大数据分析,系世界各国的代表性平均数,或可供粗略地相对定量参考。由此可知,水泥立磨的生产运行与维修费用、研磨介质的金属磨损、相对吨投资均较水泥圈流球磨和辊压机+球磨的半终粉磨系统的低。

  三、水泥立磨的发展

  水泥立磨的发展主要表现为大型化或超大型化。例如史密斯公司最大型的OK磨已发展为OK 62-6,水泥产能达750t/h,矿渣为550 t/h,磨盘直径8.2m,6个磨辊,传动功率12000~16000kW,如图5和图6所示。OK 62-6立磨适用于10000~12000 t/d 熟料(水泥)生产线和年产400万吨的水泥(矿渣)粉磨站。

  水泥立磨发展的另一个表现就是智能化,立磨系统可以按照客户对水泥性能,特别是施工性能的要求,将规定的指标预先设置于智能操作系统的内存中,在立磨的生产转运中智能软件会断续地实时监检各项指标,并及时进行自动调控与跟踪检测,使水泥性能始终处于监管生产之中。

  目前,立磨智能化系统,包括其运行经济指标和产品性能质量监控与调节等功能,已进入工业规模的生产试验和研发调试改进阶段,不久或将投放市场。据有关研发专家反映,立磨智能系统相比于辊压机+球磨的半终粉磨的享有较大的优势。因为其设备少系统简单,调控手段针对性强,目标准确,调控方便快捷,反馈响应迅速,研发技术难度较小,这对于立磨智能化系统早日投入实际应用是重要的有利条件。

  四、结语

  现今在世界水泥工业的水泥粉磨系统领域中,广泛应用的主要有圈流球磨、辊压机+球磨半终和立磨三种系统,开流管磨己很少再选用了,筒辊磨仍在努力试图开拓中,辊压机终粉磨可能是准备新尝试的一个选项。

  关于水泥施工性能的问题,100年前,世界上就只有一种水泥开流管磨,因别无选择,当时人们对所谓水泥施工性能又知之甚少。所以就自然而然地接受了开流管磨。谁知这一接受就是半个多世纪,使水泥和混凝土行业对开流管磨水泥养成了根深蒂固的习惯。待到1960年前后,当开流管磨向圈流球磨进化转型之际,欧美等发达国家却对由此而引起的水泥施工性能的变化产生了强烈的“纠结”,甚至争论犹豫了近10年, 最终还是圈流球磨取代了开流管磨,因为技术进步是永恒的主题。

  然而当时对于欧美的那种“纠结”,我们中国却似乎没有什么感觉,因为我们那时还远没有发展到能有所感觉的阶段。目前正当水泥立磨在我国逐渐推广之际,却因水泥性能变化,在我国水泥混凝土行业重演了一场1960年前后那种欧美式的“纠结”,产生了对推广水泥立磨的心理障碍。历史告诉我们,这种现象是有其根源的,是可以理解的。

  但是可以肯定的是,我国现今的“纠结犹豫”时间决不可能那么长,最终的预期结果一定是乐观的。事实上水泥立磨在我国已经形成潮流之势,进入了逐渐推广的轨道。因为各种水泥粉磨工艺装备技术系统都在不断地创新进化演变之中,每一家用户都会按照现实的具体情况及其最重要的关注点来选择最适合自己的水泥粉磨装备,人们应该尊重每一位业主的自主选择。

  诚然,各种水泥粉磨系统或多或少都各有所长和不足之处,何况各种创新和技术进步也是不断发展的。作为业界专家传播介绍新工艺、新技术、新设备时的主要聀责和操守是,结合当前实际,客观、公正、公平、如实地将有关资料、数据和信息(含个人观点建议)提供给公众,供行业同好诸君参考评议,相互探讨,共同提高。

  编者按:由本网主办的“2017第九届国际粉磨峰会”将于7月27-29日在江苏徐州举行,本届峰会以“挑战20度粉磨能耗”为主题,邀请行业专家深度探讨生料制备分别粉磨、水泥联合(半终)粉磨、立磨终粉磨系统、陶瓷球应用等课题,并举行互动论坛,现场解答疑问、交流经验。

  附件:2017第九届国际粉磨峰会红头文件及报名表

(责任编辑:俞垚伊)

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