時至今日，水泥粉磨技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了一系列成果，不但大幅度提高了粉磨效率，而且可在一定程度上改善水泥的粉磨性能。比如立磨水泥終粉磨、比如輥筒磨水泥終粉磨、比如分別粉磨，都取得了不錯的業(yè)績。

遺憾的是，在原理上粉磨效率最高的輥壓機，在進軍水泥終粉磨時落到了裹足不前的境地。在生料粉磨系統(tǒng)，輥壓機終粉磨雖然滯后于立磨，但畢竟還是有所突破；在水泥粉磨系統(tǒng)可就慘了，不得已退守了半終粉磨，而且必須配套球磨機整形。

輥壓機與立磨、輥筒磨同樣屬于擠壓粉碎機理，立磨、輥筒磨能生產(chǎn)性能合格的水泥，輥壓機為什么就不能呢？

主要的擔心是：水泥顆粒級配分布不好，特別是水泥顆粒球形度不好，被認為會導致水泥需水量增大，水泥使用性能變差，最終影響市場銷量與售價。

那么，水泥的顆粒級配能否調(diào)整？水泥的球形度是不是問題呢？甚至水泥的需水量是不是問題？ 顛覆性成果需要顛覆性思維，我們有必要質(zhì)疑一些有關(guān)的固有思維！

一、對幾點固有思維的質(zhì)疑

1、混凝土行業(yè)為什么較真水泥需水量

水泥標準稠度需水量，準確的說法應該是混凝土的標準稠度用水量，是指能使水泥漿體達到一定的可塑性和流動性所需要的拌合水量。

混凝土用水量是其施工的重要指標，直接影響到混凝土的水灰比，繼而影響到混凝土的強度、抗蝕性、抗凍性、耐久性，影響到混凝土生產(chǎn)的水泥用量以及外加劑用量，影響到用戶的成本和效益。

而水泥是混凝土的重要組成部分，水泥需水量有可能影響到混凝土用水量，間接影響到用戶的成本和效益。由此，水泥需水量就成為混凝土行業(yè)衡量水泥性能的一個重要指標。

2、水泥需水量對混凝土用水量的影響

以水泥標準稠度需水量25％作為標準值，試驗得出混凝土用水量與水泥標準稠度需水量有以下關(guān)系：

Δw＝C(N——0.25)×0.8

式中：Δw——1m3混凝土用水量的變化值，kg/m3；C——1m3混凝土水泥用量，kg/m3；N——水泥標準稠度用水量，％。

試驗表明欲降低混凝土用水量，必須降低水泥標準稠度需水量；而且還量化了水泥需水量對混凝土用水量的影響程度。

科學上講“實踐是檢驗真理的唯一標準”、技術(shù)上講“一切要數(shù)據(jù)說話”，這里全有了。所以，這是一個在混凝土行業(yè)有影響的試驗，甚至被固化為“聲討”水泥的理論依據(jù)。

那么，這個試驗有沒有問題呢？

如果將水泥的需水量進一步細分，就會明確為三個部分：

① 固有需水量：主要是C3A、fCaO、燒失量、堿含量、混合材的孔隙率；

② 粉磨需水量：主要有顆粒級配、顆粒組成、顆粒形狀、石膏脫水、水泥細度（特別是熟料粒徑）；

③ 工況需水量：主要是水泥溫度。

3、水泥細度、顆粒級配對混凝土的影響

國內(nèi)有專家研究認為：水泥的需水量到底對混凝土的需水量有多大影響，與混凝土的配料組成以及組分特性有很大關(guān)系，水泥只占混凝土的一部分，通常影響不是太大。

混凝土的摻合料比水泥還細、混凝土的骨料比水泥顆粒大得多，對混凝土用水量的影響不比水泥小，而水泥的顆粒級配對混凝土的顆粒級配影響十分有限，故不該需水量一高就賴在水泥頭上。

研究水泥的最早期水化認為，水化產(chǎn)物的比表面積，要比水泥中各組分的比表面積大得多，完全不在一個數(shù)量級上。所以，關(guān)于水泥的需水量、或塌落度損失，實際上與水泥的細度關(guān)系不大，完全可以忽略不計，如圖1。

圖1

4、顆粒組成與顆粒級配是完全不同的兩個概念

顆粒組成與顆粒級配是完全不同的兩個概念，卻經(jīng)常被大家張冠李戴、混為一談。

顆粒組成指不同組分（和或礦物）顆粒在水泥粉體中的分布。相同的顆粒級配水泥、即使其化學成分也完全一樣，但由于其顆粒組成的不同，水泥性能會千差萬別！

我們經(jīng)常感到閉路磨水泥不如開路磨好，認為是開路磨水泥的顆粒級配分布更寬。實際上不僅如此，還希望熟料的顆粒分布窄點更好。閉路磨是強化粉磨粒徑的一視同仁，開路磨是強化粉磨時間的一視同仁，由于各組分的易磨性不同，開路磨具有選擇性分別粉磨的特性，更適合水泥顆粒級配寬中（混合材）有窄（熟料）的需水量要求。

輥壓機終粉磨的水泥，雖然具有水泥顆粒級配分布不寬的缺陷，但同時具有其中熟料顆粒分布窄的優(yōu)勢。

5、關(guān)于顆粒形狀對需水量的影響

我們講顆粒形狀對水泥需水量的影響，其中一個主要原因是由于其條狀顆?；蚶庑晤w粒較多，顆粒間內(nèi)摩擦較大需要更多的水。

實際上，這是一種宏觀概念向微觀領(lǐng)域的推理，尚缺乏實實在在的物理實驗。當水泥足夠細時，其顆粒形狀已經(jīng)不重要了。

我們知道，量變是會引起質(zhì)變的，宏觀的理論并不能直接往微觀上套。這有幾點理論支撐：

① 顆粒越小質(zhì)量越?。磺蛐味仍叫”砻娣e越大，受到水的浮力越大；顆粒越小其棱角的絕對值越小，其摩擦系數(shù)會相應減小。

我們知道，摩擦力＝正壓力×摩擦系數(shù)，這里“顆粒內(nèi)摩擦∝（顆粒質(zhì)量——水的浮力）×摩擦系數(shù)”，當水泥細到一定程度后內(nèi)摩擦怎么會增大呢？

② 水泥較粗時粉磨顆粒以晶體團解離，不規(guī)則外形較多；當水泥細到一定程度后，顆粒已趨近于晶體外形，而物理加工是不可能改變晶體形狀的。故不論什么粉磨工藝，細到一定程度后的外形都會趨于一致；

③ 我們知道，水有一定的表面張力，對小到一定程度后顆粒，其外形在水膜的包裹下都將趨于球形化。

6、必須注意的石膏脫水問題

在2002年 “第五屆水泥制造工藝技術(shù)國際大會”上，就有德國的水泥專家發(fā)布了這方面的論文。

研究了球磨機粉磨和輥壓機終粉磨對石膏脫水的影響對比，粉磨同樣的42.5R水泥，使用同樣的石膏（均為一半硬石膏和一半二水石膏），測得粉磨后水泥中不同形態(tài)的石膏含量見表1。

球磨機和輥壓機終粉磨后石膏的脫水比較

表1

試驗表明，要二水石膏脫水為半水石膏，被粉磨物料的溫度應該≥90℃。這在我們習慣的球磨機中幾乎總是可以達到的，而在輥壓機終粉磨這些新的粉磨工藝中，由于粉磨過程的溫度較低，只有少量二水石膏轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨啵蛘吒揪筒豢赡苻D(zhuǎn)變。

試驗表明，在25℃的環(huán)境溫度下，硬石膏的溶解度為2.1 g/L、二水石膏的溶解度為2.4 g/L、半水石膏的溶解度為6.0g/L。這就是說，輥壓機終粉磨水泥與球磨機水泥相比，盡管其石膏含量是一樣的，但在水中的溶解度是不同的，正是這個不同的溶解度對水泥的凝結(jié)過程產(chǎn)生了不同的影響。

對水泥輥壓機終粉磨來講，一定的粉磨溫度對石膏的脫水是必要的。這與我們傳統(tǒng)的觀念不同，這一點已經(jīng)在水泥立磨終粉磨中得到了佐證。

7、這個需水量不同于那個需水量

關(guān)于水泥的需水量，準確的說是在一定條件下檢測的標準需水量，大致由以下三種因素疊加構(gòu)成，即所用原料的固有需水量、水泥過細導致的需水量、水泥顆粒級配導致的需水量、水泥顆粒組成導致的需水量、水泥顆粒形狀導致的需水量、石膏脫水不足導致的需水量。

就輥壓機終粉磨系統(tǒng)與球磨機粉磨系統(tǒng)的比較而言，由于兩者的需水量構(gòu)成不同，故需水量產(chǎn)生的效應也有差別，相同的標準需水量不一定是相同的后果。

不論是那種粉磨系統(tǒng)，其原料的固有需水量都是一樣的，與所用的粉磨系統(tǒng)無關(guān)；球磨機粉磨系統(tǒng)的需水量受微粉、特別是熟料微粉含量的影響較大，輥壓機終粉磨系統(tǒng)的需水量雖然受到顆粒形狀的影響、但可以減小熟料微粉的影響；微粉型需水量對水化速度的影響較大，形狀型需水量對水化速度的影響較小。

所以，輥壓機終粉磨系統(tǒng)的需水量與球磨機粉磨系統(tǒng)的需水量比較，對水泥的和易性影響較小。

另外，輥壓機終粉磨的水泥溫度，要比其他粉磨系統(tǒng)低得多，這對降低水泥的工況需水量是十分重要的。水泥的工況需水量并不完全取決于水泥的標準需水量，還會受到使用時溫度的較大影響，特別在高溫季節(jié)，較高的溫度能促進水泥的水化速度，增大工況需水量，這對最終的水泥使用者是不容忽視的。

有例為證：比利時CBR公司在1992年曾對其擁有的5臺水泥磨進行了輥壓機終粉磨改造，他們的結(jié)論認為“在某些銷售市場，需水量高的水泥是不被接受的，但CBR公司很幸運，輥壓機系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥為顧客所接受，他們對水泥很滿意”。

分析認為：水泥中微粉型需水量與形狀型需水量的后果不同、標準需水量也不等于工況需水量，這是“CBR公司很幸運”、也是輥壓機終粉磨系統(tǒng)很幸運的真正原因。

二、料床粉磨系統(tǒng)的比較與借鑒

立磨、輥筒磨、輥壓機三種粉磨設備，僅管具體的結(jié)構(gòu)不同，但都是基于料床粉磨原理的設備，與球磨機相比，都具有能量利用率高、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、運行維護方便、占地面積小的優(yōu)勢，但它們又有各自不同的特點，三種料床粉磨設備的技術(shù)特征對比見表2。

表2

1、水泥質(zhì)量比較

輥壓機和立磨都在水泥的終粉磨上使用過，但都不太理想，都比球磨機生產(chǎn)的水泥需水量大。如果要保持相同的混凝土稠度，一是多加水，這將導致混凝土強度降低；二是增大減水劑用量，這將導致混凝土的成本提高。

立磨水泥與輥壓機水泥的顆粒形狀對比如圖2。

圖2

而輥筒磨生產(chǎn)出來的水泥，在使用過程中意外的發(fā)現(xiàn)，需水量比球磨機生產(chǎn)的水泥還略低一些。

對這兩種水泥的顆粒級配與顆粒形狀的分析發(fā)現(xiàn)，兩種水泥的顆粒級配非常接近，輥筒磨水泥的顆粒球形度還要略好于球磨機水泥，各齡期的水泥強度輥筒磨也要略勝一籌。

輥筒磨與球磨機的水泥顆粒形狀對比見圖3。

圖3

2、輥壓機終粉磨的借鑒

目前的研究，都是局限在設備的適應性調(diào)整上，而沒有從系統(tǒng)工藝和設備原理上進行改進，這是進展不大的根本原因。為此，我們不妨將輥壓機水泥終粉磨工藝，與立磨終粉磨工藝和筒輥磨終粉磨工藝進行一下對比分析，或許從中可以得到一些借鑒和啟示。

（1）輥壓機與立磨的粉磨機理同樣為料層粉碎，沖擊物料的“飛濺能”得到比立磨更好的應用，因而粉磨能量利用率更高，粉磨電耗應該比立磨更低。但輥壓機粉磨產(chǎn)品存在球形度差、石膏粒度偏粗、C3A活化不佳等問題，導致水泥的需水量較高，從而影響了水泥的產(chǎn)品性能。

輥壓機與立磨的不同點在于立磨是多次粉碎，而輥壓機的粉碎次數(shù)要少得多。那么，是否能夠通過增加輥壓機閉路系統(tǒng)的循環(huán)負荷，以增加粉碎次數(shù)呢？

法國Cormeillers水泥廠，就是采用多次循環(huán)工藝建成投產(chǎn)了世界上第一條輥壓機水泥終粉磨生產(chǎn)線，實踐證明是效果顯著的。

然而國內(nèi)的試驗卻不太成功，隨著輥壓機及其循環(huán)系統(tǒng)的進一步加大，結(jié)果是系統(tǒng)裝機功率上去了，而輥壓機的實際運行功率卻要比預想的小得多，有的還有所下降。大輥壓機只是干了小輥壓機的活，雖然改善了水泥性能，但導致了系統(tǒng)電耗的升高、系統(tǒng)投資的加大。

分析認為，輥壓機對入輥物料的粒度均一性要求較高，特別對易碎性比較差的物料更是如此。“天塌了有個兒高的頂著”，當輥壓機被大顆粒撐開輥縫時，對小顆粒的做功就很有限了，不是單純的提高循環(huán)負荷那么簡單，還必須設法改善輥壓機對入輥物料粒度的適應性。

（2）實踐證明，輥筒磨已經(jīng)成功用于水泥終粉磨，而且其產(chǎn)品水泥的性能要優(yōu)于立磨，甚至略好于球磨機水泥。

根據(jù)2006年法國FCB提供的輥筒磨水泥資料，其粉磨的水泥顆粒級配與球磨機很接近，顆粒球形度甚至略好于球磨機，各項性能指標都不比球磨機差，各齡期的強度都高于球磨機水泥。

輥筒磨的工作原理如圖4所示。

圖4

由圖可見，輥筒磨不同于輥壓機在兩輥之間擠壓粉碎，而是在一個圓柱輥外面與一個圓筒內(nèi)面之間多次擠壓磋磨物料，具有如下特點：① 由于輥子由磨筒體帶動旋轉(zhuǎn)，中間還有物料，滑動不可避免，二者的角速度不同，有利于拓寬產(chǎn)品的顆粒級配；② 由于輥子較長，輥筒之間給予物料的擠壓力不是太大，物料受到多次循環(huán)磋磨，有利于產(chǎn)品顆粒形狀的球形化。

由此可鑒，輥壓機水泥終粉磨在加大系統(tǒng)循環(huán)負荷、增加研磨次數(shù)的同時，還應該增大磋磨功能，既有利于拓寬顆粒級配，又可改善顆粒的球形度。比如將輥壓機的兩個輥子，采用不同徑、甚至不同步調(diào)速設計，實現(xiàn)兩輥之間的差速運行，起到對物料的磋磨作用。

這里有一個行業(yè)外案例：

中央電視臺20150515的《我愛發(fā)明》欄目，講述了發(fā)明人蘇連升對面粉機的改進，“將對輥磨由同步運行改為差速運行”，實驗的結(jié)果是：“粉磨產(chǎn)能提高了、面粉溫度降低了、面條的口感好了”。

其原理就是將“同步的擠壓為主”變成了“差速擠壓＋磋磨”，提高了粉磨效率、提高了比表面積、改善了顆粒形狀。

三、天津院的工業(yè)試驗

天津水泥工業(yè)設計研究院的研究也表明，在多次循環(huán)擠壓料層的粉碎條件下，輥壓機能夠獲得2μm——3μm的水泥顆粒，而且生產(chǎn)微細產(chǎn)品的能耗遠遠低于通常的粉磨系統(tǒng)。

對于顆粒分布要求高的水泥，提高擠壓成品量就需要增加物料的循環(huán)次數(shù)，以達到改善水泥性能的目的。但物料多次擠壓后會導致輥壓機的入料粒度減小，輥壓機在相同壓力下的輸出功率下降，擠壓能效降低，也增加了振動的幾率。

因此，水泥輥壓機終粉磨，既要較高的壓力以提高產(chǎn)量，又要較多的循環(huán)次數(shù)以保證質(zhì)量，兩者是對立的統(tǒng)一，需要找到一個合理的平衡點。在保證循環(huán)次數(shù)的情況下，盡量提高操作壓力。

天津院早期曾經(jīng)在振興水泥公司的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)上，做過簡單的終粉磨生產(chǎn)試驗，該系統(tǒng)的中控截圖如圖5所示。

圖5

改造前原粉磨系統(tǒng)為Ф180/140輥壓機+Ф3.8m×13m球磨機組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，生產(chǎn)PO42.5水泥、比表面積控制370時，系統(tǒng)生產(chǎn)電耗約31kWh/t左右、生產(chǎn)能力為194t/h、水泥標準稠度需水量為26.5——27.5%。

水泥終粉磨系統(tǒng)的工業(yè)試驗直接停掉了球磨機，運行結(jié)果為：在比表面積控制380m2/kg情況下，產(chǎn)量達到120——140t/h，系統(tǒng)電耗降到了26.4kWh/t，標準稠度需水量檢測為28.3%。其中系統(tǒng)電耗的分項為：輥壓機20 kWh/t，風機4.0 kWh/t，選粉機0.4 kWh/t，其他輔機2.0 kWh/t。

從以上試驗可以看出，在直接停掉球磨機后，已經(jīng)獲得了較低的粉磨電耗，如果再對系統(tǒng)進行專項優(yōu)化設計，電耗還有下降的空間；標準稠度需水量雖然偏高，但還沒有到了失控的狀態(tài)，在采取一定措施后，還有下降的可能。

試驗顯示，輥壓機水泥終粉磨，進一步降低粉磨電耗是沒問題的，關(guān)鍵是如何控制和降低需水量。分析認為，當水泥足夠細時，顆粒形狀對需水量的影響已經(jīng)不重要了，關(guān)鍵是如何優(yōu)化和控制水泥的顆粒級配。

為此，天津院又專題開發(fā)了便于強制調(diào)節(jié)顆粒級配的三轉(zhuǎn)子選粉機，用于振興水泥公司的水泥終粉磨系統(tǒng)改造。采用三轉(zhuǎn)子選粉機后的系統(tǒng)流程如圖6所示。改造前后的運行對比見表3、水泥性能對比見表4

圖6

表3

表4

改造前原粉磨系統(tǒng)為Ф180/140輥壓機+Ф3.8m×13m球磨機組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，生產(chǎn)PO42.5水泥、比表面積控制370時，系統(tǒng)生產(chǎn)電耗約31kWh/t左右、生產(chǎn)能力為194t/h、水泥標準稠度需水量為26.5——27.5%。

水泥終粉磨系統(tǒng)的工業(yè)試驗直接停掉了球磨機，運行結(jié)果為：在比表面積控制380m2/kg情況下，產(chǎn)量達到120——140t/h，系統(tǒng)電耗降到了26.4kWh/t，標準稠度需水量檢測為28.3%。其中系統(tǒng)電耗的分項為：輥壓機20 kWh/t，風機4.0 kWh/t，選粉機0.4 kWh/t，其他輔機2.0 kWh/t。

從以上試驗可以看出，在直接停掉球磨機后，已經(jīng)獲得了較低的粉磨電耗，如果再對系統(tǒng)進行專項優(yōu)化設計，電耗還有下降的空間；標準稠度需水量雖然偏高，但還沒有到了失控的狀態(tài)，在采取一定措施后，還有下降的可能。

試驗顯示，輥壓機水泥終粉磨，進一步降低粉磨電耗是沒問題的，關(guān)鍵是如何控制和降低需水量。分析認為，當水泥足夠細時，顆粒形狀對需水量的影響已經(jīng)不重要了，關(guān)鍵是如何優(yōu)化和控制水泥的顆粒級配。

2020年5月經(jīng)向振興水泥公司的有關(guān)人員了解，對輥壓機水泥終粉磨改造是滿意的：“改造后的輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)運行良好，不但降低了粉磨電耗，與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)相比電耗降低了20%左右；而且水泥產(chǎn)品溫度降低了20℃左右，水泥性能也沒有問題，用戶沒有任何不良反應。特別是三轉(zhuǎn)子選粉機，能夠比較方便地調(diào)節(jié)水泥的顆粒級配”。

至此，應該感謝天津院的不懈努力、感謝振興水泥公司的勇敢嘗試，為水泥行業(yè)的節(jié)能改造又趟出了一條新路。僅管輥壓機水泥終粉磨還沒有推開，在推廣過程中還會遇到這樣那樣的問題，但相信辦法總比困難多，就行輥壓機生料終粉磨一樣，會逐步得到大家的認可。

四、必須注意的石膏脫水問題

在2002年“第五屆水泥制造工藝技術(shù)國際大會”上，就有德國的水泥專家發(fā)布了這方面的論文。研究了球磨機粉磨和輥壓機終粉磨對石膏脫水的影響對比，粉磨同樣的42.5R水泥，使用同樣的石膏（均為一半硬石膏和一半二水石膏），測得粉磨后水泥中不同形態(tài)的石膏含量見表5。

表5

由表06-15可見，由球磨機粉磨的水泥中半水石膏的含量達到1.9 wt%，而輥壓機終粉磨的水泥中半水石膏的含量只有0.4 wt%。（wt是英文wight的縮寫，wt指質(zhì)量百分數(shù)。）

試驗表明，要二水石膏脫水為半水石膏，被粉磨物料的溫度應該≥90℃。這在我們習慣的球磨機中幾乎總是可以達到的，而在輥壓機終粉磨這些新的粉磨工藝中，由于粉磨過程的溫度較低，只有少量二水石膏轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨?，或者根本就不可能轉(zhuǎn)變。

試驗表明，在25℃的環(huán)境溫度下，硬石膏的溶解度為2.1 g/L、二水石膏的溶解度為2.4 g/L、半水石膏的溶解度為6.0g/L。這就是說，輥壓機終粉磨水泥與球磨機水泥相比，盡管其石膏含量是一樣的，但在水中的溶解度是不同的，正是這個不同的溶解度對水泥的凝結(jié)過程產(chǎn)生了不同的影響。

對水泥輥壓機終粉磨來講，一定的粉磨溫度對石膏的脫水是必要的。這與我們傳統(tǒng)的觀念不同，這一點已經(jīng)在水泥立磨終粉磨中得到了佐證。