本文以H公司水泥制成工序采用辊压机+打散分级机+管磨机的开路联合粉磨系统制备P.O42.5级水泥颗粒粒径分布与水泥实物质量数据为依据，分析了水泥成品颗粒粒径分布及特征粒径尺寸对其物理力学性能的影响。通过对粉磨系统中应用的各种材料性能、入磨物料粒径、研磨体级配以及粉磨系统运行参数等相关因素进行综合分析与诊断，制定并采取了必要的技术改进措施，达到了稳定水泥实物质量的目的。众所周知，水泥粉体的颗粒粒径分布与粒径尺寸大小，直接影响到水泥成品的实物质量，尤其是水泥的胶砂强度。现阶段，就主机设备之一的管磨机而言，在粉磨工艺设计过程中，有两种不同配置，即开路粉磨与闭路粉磨，两种工艺各有其特点。由于开路粉磨系统管磨机尾部没有配用选粉机，制备的水泥颗粒粒径分布（水泥成品均匀性系数n≤1.0）宽于闭路粉磨系统成品，尤其表现在标准稠度需水量指标上，明显低于闭路系统生产的水泥。在商砼制备过程中，采用开路粉磨系统生产的水泥与外加剂的适应性能良好。鉴于上述原因，在国内中部、东南部以及南方的多个省份，仍有较多的企业选择使用开路粉磨系统制备水泥成品。本文总结了H公司制成工序采用辊压机+打散分级机+管磨机开路联合粉磨系统生产的P.O42.5级水泥颗粒粒径分布与水泥性能之间出现的问题，分析了其产生的原因，并制订了相应的技术改进方案，以及实施技术措施后达到的技术经济效果。H公司水泥制成工序，配置120-50辊压机（物料处理能力165t/h、主电机功率250kW×2）+550/110打散分级机（物料处理能力≥160t/h，打散电机功率45kW+分级电机功率37kW）+Φ3.2m×13m三仓开路管磨机（主电机功率1600kW-10kV-额定电流119A、磨机筒体工作转速18.1r/min；一仓（粗磨仓）有效长度3.25m、配用阶梯沟槽衬板；二仓（过渡仓）有效长度2.50m、安装中波纹衬板；三仓（细磨仓）有效长度6.50m、使用小波纹衬板+4圈高度500mm活化环）+磨尾收尘风机组成的开路联合粉磨系统。
该系统生产P.O42.5级水泥，产量在78t/h（水泥成品质量控制指标：比表面积≥350m2/kg、R45μm筛余≤12.0%），系统粉磨电耗29kWh/t左右。P.O42.5级水泥物料配比见表1。经辊压机挤压与打散分级机分级后的入磨物料粒径分布见表2。
在一个多月时间内生产的P.O42.5级水泥成品，3d抗压强度能够满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》国家标准要求，但28d抗压强度偏低，基本无富裕强度可言。只能采取下述两种措施保证出厂水泥质量，一是短时间内与原生产的库存水泥按照1：1比例搭配出厂。二是提高熟料配比，同时减少系统产量并且降低水泥成品筛余量，即筛余值控制指标下调，进一步强化磨细。欲尽快解决现阶段水泥强度值偏低问题，必须对粉磨系统中的各种影响因素进行细致排查分析，在查找原因过程中得到的样品检测数据如下。P.O42.5级水泥成品颗粒粒径分布见表3。
由表3与表4中的水泥颗粒粒径分布数据可以看出：P.O42.5级水泥成品中32μm以下颗粒总含量为64.89%，32～65μm之间较粗颗粒占23.78%，≥65μm的粗颗粒含量为17.15%，即＞32μm的颗粒总量接近40%，水泥成品整体粒径偏粗，特征粒径偏大（X/＞30μm）。在水泥粉磨过程中，所有的管磨机都存在动态研磨体对物料的“选择性粉碎与磨细”功能。当水泥配料中含有易磨性好的混合材（如石灰石等），则易磨的混合材首先被磨细，占有了水泥粉体颗粒粒径的比例。一般情况下，熟料的易磨性相比多数混合材料的易磨性要差，而粒化高炉矿渣的易磨性比熟料更差，这一点可以由水泥成品筛余物化学全分析数据得到佐证，即粗颗粒部分多为熟料和矿渣。在水泥磨细过程中，能够产生高水化活性的熟料有效颗粒粒径含量明显偏少，水泥持续水化反应能力与液相碱度激发混合材活性的能力差（矿渣产生强度水化反应，适应PH值≥12.8的高碱度液相环境），生成的水化产物凝胶体数量偏少，水泥胶砂试体微观结构中的水孔穴道多、空隙率高、密实度差，从而导致水泥成品的3d～28d抗压强度增长值偏低。在正常状况下，P.O42.5级水泥成品3d抗压强度一般在28MPa以上，3d至28d之间抗压强度增长值均在21MPa以上。再由表4数据可知，该水泥3d抗压强度只有24.8MPa，3d至28d之间抗压强度增长值也只有18.8MPa。水泥成品的均匀性系数n为0.99，说明颗粒粒径分布范围相对较宽。但特征粒径X/在30μm以上，说明该水泥整体粒径偏大。众所周知，水泥的水化反应速率、水化反应时间与粒径尺寸的平方成正比。水泥的特征粒径越大，说明水泥粉体整体粒径偏粗，则水化反应速度越慢，水化产物越少，水泥胶砂强度越低。表3与表4数据具有相互的印证。在水泥生产过程中，熟料胶砂强度检验是在实验室Φ500mm×500mm试验小磨中粉磨到比表面积350±10m2/kg、R80μm筛余≤4.0%细度时（实际为P.I型纯硅酸盐水泥），通过R900μm方孔筛，按照国家标准GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行胶砂强度成型，依标准规定测定龄期抗折与抗压强度。熟料的粉磨时间能够相对判断其易磨性的基本状况，总的规律是：小磨粉磨时间的越长，熟料的易磨性越差。通过查阅该公司化验室水泥熟料小磨试验记录，出现水泥颗粒粒径偏粗、强度增长率偏低现象的时间段，与之对应的熟料小磨粉磨时间在33min左右，比正常状况下超出5min左右，说明熟料易磨性明显变差。根据联合粉磨系统配置的打散分级机技术性能分析得知：打散分级机工作原理是以下锥体部分的机械筛分分级为主，上部风轮分级为辅，分级后的入磨物料颗粒粒径分布范围宽（即物料颗粒粗细不均），始终存在一定比例的粗颗粒物料。加之管磨机一仓（粗磨仓）研磨体级配不合理，采用四级配，且平均球径偏小，仅为40mm。根据入磨物料最大粒径而言，研磨体级配中却没有配用Φ70mm或更大规格钢球，对入磨较粗颗粒物料以及易磨性差的物料粉碎能力不足。同时，由于粗磨仓研磨体规格与级配范围较窄，导致进入二仓（过渡仓）的颗粒状物料较多，二仓主要功能为粗磨与细磨之间的过渡，粗处理能力较弱。当粗颗粒物料（绝大多数是熟料颗粒）被磨成圆角状，研磨体无法将其磨细，只能由磨尾排出。此外，细磨仓活化环高度低，能够消除的“滞留带”区域有限，微段研磨体被激活的比例偏低。在此粉磨条件下，极易造成水泥成品的颗粒粒径偏粗。磨尾排出的粗颗粒物料与其他材料（黑色多为熟料颗粒，少量为难磨的混合材颗粒，白亮色的为研磨体）见图1。
图1 磨尾排出的粗颗粒物料与研磨体（黑色多为熟料颗粒） 
为提高120-50辊压机挤压效果，将其工作压力由6.5MPa调整至7.5MPa。同时检查侧挡板，调整其与辊边缘间隙小于2mm，以减少侧漏、稳定料床以及辊压机的做功效率，增加出机物料中的细粉含量。粉磨作业过程中，当磨尾出现排渣现象，则充分说明一仓（粗磨仓）粉碎能力不足，即平均球径偏小，应提高大规格钢球比例，增大对粗颗粒物料的处理能力。必须将入磨的较粗颗粒物料卡在头仓（即一仓）完成粉碎，进一步缩小进入二仓（过渡仓）的物料粒径，就需要调整研磨体级配，合理增大粗磨仓粉碎能量。根据熟料小磨试验时间及其易磨性与磨尾排渣现象，经综合分析研判认为：现磨内一仓（粗磨仓）可以保持原有的研磨体装载量、且填充率不变，但必须在原级配基础上再放大一级研磨体规格，提高粗磨仓的粉碎能力，同时减少小规格研磨体配入比例。
管磨机粗磨仓的功能是对入磨物料的粉碎处理，调整级配过程中，增加了大一级Φ70mm钢球，所占比例在10%左右，研磨体形成五级级配。降低了球间空隙率，平均球径也相应增大了4.5mm左右，以达到粉碎入磨粗颗粒物料的目的，同时适应对易磨性较差物料的处理能力。二仓（过渡仓）研磨体级配暂未作调整。为保持粉磨平衡，在三仓（细磨仓）补入Φ10×10mm微段6t，以增大研磨体与物料接触的表面积，进一步提高细磨仓的磨细能力。3.3 抑制粗磨仓隔仓板外圆部分排料能力，提高粗磨仓粉碎功能为充分发挥粗磨仓对物料的粉碎功能，为二仓（过渡仓）和三仓（细磨仓）有效研磨创造条件，将粗磨仓端隔仓板靠磨机筒体的外圆部分封焊高度300mm成为盲板，有效抑制最外圆隔仓板的排料速度，延长物料的停留时间，限制粗颗粒物料进入二仓（过渡仓），提高粗磨仓研磨体对入磨物料的粉碎做功能力。3.4 优化细磨仓活化环结构，有效激活微形研磨体粉磨能量管磨机三仓（细磨仓）原配置4圈镂空形式的活化环，有效高度只有500mm。为充分激活微形研磨体的粉磨能量，将其有效高度加高至850mm，活化环外圆靠磨机筒体部分封焊高度300mm为盲板，能够有效抑制磨内物料流速，延长物料在细磨仓的停留、研磨时间，增加出磨水泥成品比例、缩小出磨水泥颗粒粒径。3.5 对磨尾防堵塞复合式出料篦板外圆两圈进行封焊为了最大限度避免研磨体卡塞篦缝，始终保持磨内良好的通风、过料能力，磨尾采用的是防堵塞形式出料篦板。这种复合式篦板通孔率与过料面积一般大于传统铸造篦板2倍以上，通风能力好、排料速度快，且重量相比传统铸造篦板至少减轻50%以上，有效降低了磨机筒体静载荷。同时，对靠磨机筒体的外圆两圈篦板进行封焊措施，减缓排料能力，延长水泥在磨内的磨细时间，有效的缩小水泥成品颗粒粒径。
图2 磨尾防堵塞出料篦板结构形式 实施改进技术措施后的粉磨系统，生产P.O42.5级水泥，台时产量达到80t/h，成品比表面积达到385±15m2/kg、R45μm筛余≤10.0%，系统粉磨电耗降至28.5kWh/t。在物料配比不变的前提下，对系统进行技术改进后磨制的P.O42.5级水泥成品颗粒粒径分布见表7。表7 改进后的P.O42.5级水泥成品颗粒粒径分布（%）
表7中数据说明，通过实施技术改进措施后，管磨机粉磨能力显著提高。制备的P.O42.5级水泥成品中产生强度的≤32μm有效颗粒总含量由64.89%增加至76.8%，提高了11.91%。＞32μm颗粒比例由40%左右降至23%左右，≥65μm较粗颗粒含量也由改进前的17.15%降低至2.16%，减少了14.99%。特征粒径X/由30.32μm 降低至22.08μm，缩小了8.24μm，水泥成品颗粒粒径整体上变细。均匀性系数n值为1.07，比改进前增大了0.08，说明水泥颗粒粒径分布范围有所变窄，虽然颗粒粒径的均齐性略有变化，但其变化范围不是太大，对标准稠度需水量没有影响。通过对粉磨系统的改进，大幅度提高了管磨机粗磨仓的有效粉碎与粗粉磨能力，彻底消除了磨尾排渣现象。改进后的粉磨系统，生产的P.O42.5级水泥成品物理力学性能见表8。表8 系统改进后生产的P.O42.5级水泥成品物理力学性能
表8中数据可知，通过对粉磨系统改进，水泥的特征粒径明显缩小。水泥颗粒粒径越细，水化反应速度越快，初凝与终凝结时间缩短。水化反应生成物的增多，使水泥胶砂试体内部水孔减少，密实度显著增加。3d至28d之间抗压强度增长值由改进前的18.8MPa增长至22.0MPa，增加了3.2 MPa，富裕强度得到大幅度提高。相对改进前，相同龄期强度变化明显，3d抗压强度提高了5.0MPa、28d抗压强度提高了8.2MPa。由此可知，完善水泥粉磨系统的相关技术细节，对有效控制水泥成品颗粒粒径分布，稳定提高水泥的实物质量至关重要，在实际生产过程中必须引起足够的重视。5.1 针对带有打散分级机的辊压机联合粉磨系统，必须完善各段的相关技术细节，有效控制水泥成品颗粒粒径分布，对稳定提高水泥的实物质量至关重要，在实际生产过程中应引起足够的重视。5.2 与高效预粉磨设备辊压机配套的动态分级设备～打散分级机的工作特性是以锥体部分的机械筛分为主，分级后的入磨物料颗粒粒径分布范围宽，即粗细不均。针对这种入磨物料粒径分布特点，管磨机粗磨仓研磨体级配应同时放宽对入磨物料的适应范围，并需要提高平均球径，确保粗磨仓物料的充分粉碎与粗磨功能。5.3 依据化验室熟料小磨胶砂强度试验中的粉磨时间，可以基本判定熟料易磨性的状况。按照GB/T21372-2008《硅酸盐水泥熟料》国家标准，在控制相同细度指标的前提下，小磨的粉磨时间越长，熟料易磨性就越差。针对熟料易磨性变差，应适当调整粗磨仓隔仓板过料能力。处理隔仓板靠筒体的外圆部分，有效抑制外圆过料速度，提高物料在粗磨仓的粉碎效果，为实现二仓良好的过渡与三仓磨细创造良好的条件。5.4 增加细磨仓活化环有效高度，最大限度减少研磨过程中微段产生的“滞留带”。同时对外圆部分进行处理，封焊一定高度，有效抑制物料流速，实现磨内磨细，提高水泥水化过程中产生强度的有效颗粒含量。5.5 应及时补充微段研磨体，增加研磨体的总表面积，增大细磨仓磨细能力。尤其是针对易磨性较差熟料的磨细，能够有效降低水泥成品颗粒粒径，提高水泥的水化活性。5.6 相对于普通的开路或闭路粉磨系统而言，辊压机水泥联合粉磨系统具有较大的增产、节电、提质空间，需要对系统进行持续改进，获得稳定而较高的粉磨效率，显著降低系统能耗。
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