摘要:從上世紀70年代以來，可持續發展逐步成為世界各國政府與科技界、工業界最關注的焦點。在這一浪濤中，水泥粉磨節能技術得到了飛速發展，各種節能降耗的新型粉磨設備應運而生；FPP磨機就是其中最新的設備之一。
粉磨是建材、冶金、火電、無機化工等眾多過程工業生產中不可缺少的工藝流程，其電耗大、鐵耗高，不僅加大了生產成本，更影響到全社會的資源供應。
從上世紀70年代以來，可持續發展逐步成為世界各國政府與科技界、工業界最關注的焦點。什么叫可持續發展？布倫特蘭委員會認為：在不影響子孫后代生存的情況下，使當今人們的需求得到滿足。因此，經濟運行的模式必須發生巨大變革。近幾年中，隨著溫室效應的日趨嚴重，低碳經濟成為全球的中心議題。
在這一浪濤中，水泥粉磨節能技術得到了飛速發展，各種節能降耗的新型粉磨設備應運而生；FPP磨機就是其中最新的設備之一。
一、低碳經濟推動水泥粉磨節能技術的發展
1、水泥粉磨三大特征
水泥生產流程通常可簡單描述為“兩磨一燒”,原、燃料和水泥熟料的粉磨電耗大約占水泥總電量的70%-75%,對水泥生產的總能耗和成本影響很大。水泥粉磨主要有三大特征：
⑴ 產量大、能耗高。1978年我國水泥產量僅為0.65億噸，從1985年起一直居世界第一并呈加速增長態式；到2002年猛增至7.25億噸，2007、2008、2009年，我國水泥產量更是分別高達13.2、13.9、16.3億噸。以每噸水泥綜合電耗105度計算，09年累計耗電171億度，其中用于粉磨的電耗約占整個電耗的70%－75%，為120－130億度。
⑵ 物料的多樣性與時變性。“水泥粉磨”指的是水泥熟料燒成前后的“兩磨”，包括以石灰石為主的生料粉磨、煤磨和水泥熟料的粉磨、混合材的粉磨。各種物料、特別是產地或生產廠家不同的同類物料，其易磨性相差較大；而且隨著濕度、溫度的變化，粉磨、篩分效率等參數會相應波動，單位產品的能耗也隨之不同，實施節能粉磨技術時必須予以分析。
⑶ 特定的工藝要求。粉磨作業必須滿足水泥生產工藝過程和產品質量的要求，這是水泥粉磨節能技術的大前提。生料粉磨要保證其易混性、易燒性；煤的粉磨要根據煅燒要求，從化學、物理兩方面予以平衡；熟料和混合材的粉磨涉及到水泥的質量，工藝約束更加嚴格：要在保證良好水化性、混凝土各期強度和耐久性等各方面性能的條件下，從比表面積、顆粒級配、微觀形貌及粉體混合的均勻度等各項指標上予以實現。中國水泥協會秘書長孔祥忠教授近年在不同場合，多次強度：從事粉磨技術研究和粉磨設備設計制造的同行，必須充分重視這一問題。
2、節能降耗是水泥粉磨的熱點
節能降耗既是提高運轉率、降低生產成本的要求，也是節約資源、降低環境負荷的要求。這是水泥粉磨的熱點，也是世界水泥工業長久以來的主題之一。
傳統的破碎設備、粉磨設備以及兩者之間的關聯與負荷分配方式，使單位產品的電耗、鐵耗都偏高。在粉碎設備100多年的發展進程中，世界各國圍繞節能、降耗作了無數工作。在20世紀80年代，出現了“高能化”破碎理論以及基于高能化理論的破碎機，如美國A-C公司的高能圓錐破碎機、前蘇聯選礦設計院的系列慣性破碎機。尤其是“料層擠壓粉碎”理論的出現以及由此而開發的輥壓機、立磨等擠壓粉磨設備的成功應用，使粉磨節能技術產生了一次飛躍。從本質上講，“料層擠壓粉碎”就是“高能化”粉碎的一種有效方式。上述的理論與相應的設備，打破了傳統的節能模式，在對脆性物料斷裂特性與粉碎過程充分研究的基礎上，采用“高能輸入、強力粉碎”的途徑，取得了革命性的節能效果。這種開放性思維的成功范例，確實值得我們借鑒。
在國內水泥界，粉磨作業主要設備一直是粉磨效率只有5%-8%的球磨機占支配地位，因此開發和研究高效粉磨工藝和新型粉磨設備一直是國內外粉磨節能研究主題。法國FCB公司、德國洪堡公司和丹麥史密斯公司先后開發出基于料床擠壓粉碎理論的新型粉磨裝備，如現代立磨、擠壓磨和筒輥磨，在各國水泥廠廣為運行，粉磨節能效果達到25%-35%。國內，在科技部和行業主管部門的重點支持下，天津水泥設計研究院、合肥水泥研究設計院從“七五”開始多年來一直對擠壓粉磨設備以及其構成的預粉磨和終粉磨系統進行了研究，取得了可喜的成果。南京水泥研究設計院、武漢理工大學、華新水泥股份有限公司分別開展了基于料床擠壓粉碎理論的新型筒輥磨機進行的理論與應用研究，已取得了階段性成果。
目前存在的問題是：在全國范圍內，單位產量的粉磨電耗仍然高于國外水平；大型設備仍處于技術跟蹤的狀態，更缺乏系統成套的自主開發能力；日益增多的固體廢物和低品位原燃料的利用須進行粉磨，相應的設備尚待研究開發。為此，國家相關部門采取了系列重大措施，強制性地限期淘汰直徑3米以下的高能耗球磨機，大力支持節能粉磨技術和裝備。據國家發改委產業協調司劉明處長的測算：“采用節能粉磨技術，對年產60萬噸以上規模粉磨系統進行改造，需要投資約800億元”，這是一個很大的市場！
3 、水泥粉磨節能技術的新進展：
在上世紀90年代以后，節能降耗的驅動從單一的追求利潤擴展到社會責任，從而加快了技術發展的速度與廣度。主要表現在下列幾個方面：
⑴“高能化”粉碎技術的進一步拓展，大批新型粉碎設備不斷涌現。這是近20年來粉碎技術與設備發展的一個明顯特征。如瑞典sandvik集團推出的H7800型圓錐破碎機、德國Hazemag&EPR公司推出的AP—K51型反擊破碎機；法國FCB公司對Horomill做了重大改進，完善了產品系列，等等。而原有的輥壓機、立磨以及大型破碎機也進一步提高了性能、完善了運行參數、擴大了使用范圍。我們國內，也從初期的引進、消化到實現技術與產品的國產化。如合肥水泥院、中信洛礦、天津水泥院等企業的輥壓機、立磨分別成為了行業的知名產品。江蘇飛鵬公司率先自主研發的多輥立式預粉磨機——FPP磨機，先后通過省、部級的技術成果鑒定和產品鑒定，正在迅速擴大市場。
⑵節能粉碎措施從宏觀向微觀的深化。作一個簡單的例子：在圖1中，從A點到D點，從宏觀上講，不管走ABD或ACD，距離相等。在步行時，從人的趨近心理出發，大部分人會走ABD；但若是開車，就必須從微觀上考慮轉彎的減速與功耗，應該走ACD更省功、省時。當然粉磨節能的問題不會這么簡單。
以生產礦渣硅酸鹽水泥為例，傳統的方法是將礦渣、水泥熟料、石膏共同粉磨。細化分析得知，由于易磨性差異較大，礦渣達不到應有細度而浪費了它的潛在活性，因此，目前先進的生產線都采用礦渣與水泥熟料“單獨粉磨”再混合的技術和設備配置，雖然設備投資大一些，但節能效果明顯、資源利用充分。再細化研究，還有沒有節能的潛力呢？德國一家水泥廠提出了“混合粉磨”的方式：先將礦渣預粉碎改善其易磨性，再與水泥熟料、石膏混合粉磨至成品，既可以利用粉磨中自然混合而省去“單獨粉磨”后的混合能耗，又可以利用硬質礦渣微粉的微介質作用減少熟料粉磨的電耗。這種“宏觀加微觀” 的節能、降耗思路，在其他粉碎設備的設計與配置上也有所體現，不在此一一列舉。我們看重的是這種思路的啟發。
[3]從單機節能向系統節能的擴展。粉碎設備是一個系統，和所有機器一樣，由四大部分組成，如圖2所示：
顯然，產品生產的能耗，不僅取決于“工作機”的功能與性能，也與其他三大部分的功能和性能密切相關。90年代以前，人們在“工作機”上做了很多有益的工作，現在也還在做；90 年代以后有了很大變化，除了調頻技術、斬波技術等等被廣泛采用之外，傳動、驅動部分的技術與設備也在圍繞節能而改進。例如粉磨設備的支承方式，在大型球磨機上普通采用了滑履支承；在中、小型球磨機上，出現了用新型滾動軸承取代傳統的軸瓦，國內以遼寧北票理想公司自主開發了JMQ系列節能磨機和LMJU系列磨機專用滾動軸承為代表的產品。由華中科技大學研發的“變極起動無滑環繞線轉子感應電動機”，無需串入起動電阻解決了重載起動問題，取消了滑環碳刷，不僅提高了驅動裝置的可靠性，而且降低了7%-9%的驅動能耗，并且有較大的過載能力。FPP磨機系統中，以新型的自流振動分級代替現行的氣流分級，使分級電耗從每噸4度降為0.1度，等等。當然，從系統上綜合節能，還有其他方面與實例，不再一一列舉。
4、“綠色制造”為粉磨技術提供了廣闊的舞臺
水泥的綠色制造已提了10來年，主要包括節省資源、減排降荷、消納廢棄物、研究新型的“綠色水泥”等。
⑴ 天然礦物的充分利用，拓展了粉磨技術的研究與應用
上世紀90年代以來，若干主要工業生產所需的天然礦物資源漸顯短缺，原料成本上升，而市場上對粉體產品的質量要求越來越高。如何滿足市場要求，提高天然礦物的利用率和附加值，是粉碎技術與裝備發展中，必須關注的一個課題。
由于高品位、優質礦物的日益短缺，低品位、劣質礦物的利用勢在必行，這就對礦物的預加工、粉碎、分選、均化等提出了更高的要求。
對水泥工業來說，優質石灰石、優質原煤面臨著潛在的資源危機；巨量的煤矸石和礦山表層料，必須消納。
對石灰石資源：已探明我國各種石灰石資源儲量為500多億噸，其中目前不能用于水泥生產的低品位石灰石約300億噸。2009年我國水泥產量16.3億噸，消耗優質石灰石11.5億噸以上。以次預測，水泥工業按目前增長速度和現有資源利用技術，優質石灰石資源將在今后20年內耗竭。 低品位資源、替代資源的有效利用技術，是解決水泥工業面臨的資源挑戰問題的一項重大共性關鍵技術。其中，原料粉磨技術是重要內容之一。
據統計：2009年我國原煤產量為29.6億噸；水泥生產就消耗了1.8億噸，占了6.6%，而旋窯水泥燒成中，原應采用高熱值煙煤。國內外煙煤供應緊張、價格高，應尋求改用煙煤和低熱值煤的途徑。合肥水泥研究設計院近來研制出高細煤粉立式磨，“打破了水泥業界煤粉制備只能用球磨的傳統”，解決了新型干法水泥生產中利用無煙煤和低品位煤做燃料的難題，獲得良好的經濟效益和節能效果。
⑵ 固體廢棄物的再資源化，正在推動著粉磨技術裝備發展
工業固廢種類繁多，如冶煉廢渣、化工廢渣、礦山廢石與尾礦、火電廠廢渣等等，數量龐大，性質各異。目前其利用的主要途徑是生產建筑材料。上世紀90年代以前，上述固廢也在利用，如粒化高爐礦渣、粉煤灰等早已用于水泥混合材，但是屬于低水平的利用。近20年來，利用工業固廢的技術與設備的水平有很大提高，從而實現了資源化利用。以粒化高爐礦渣為例，前后的變化可用下表1簡概表明：
表1中所列的立磨（含CKP磨）、擠壓機、臥輥磨及其配套設備，在礦渣資源化利用中存在著很大的市場空間。德國、日本、法國等發達國家已獲得了很大實惠。我國也開始打入了這一市場。如天津水泥工業設計院研制的TRM3131S型礦渣立磨，飛鵬公司自主研發的FPP磨在多家企業成功運行，主要性能達到同類設備國際先進水平；江蘇科行公司在江蘇省政府的支持下，開發了臥輥磨礦渣粉磨系統；合肥水泥研究院研制成功了KXT科氏力粉料計量與控制系統，填補了國內空白，達到國外先進水平。
據統計分析，把礦渣單獨粉磨的設備投資列表如下（見表2）。由表2的對比數據就可以看出，礦渣單獨粉磨的設備所蘊含的商機可觀。
對于建筑垃圾的資源化利用，近20年內才逐步成為熱點。建筑垃圾主要來源于新建筑物施工、舊建筑物拆除、建筑物裝修以及建筑物的非正常破壞。建筑垃圾是城市垃圾的主要來源之一。國外發達國家對建筑垃圾的利用發展很快：在德國，建筑工地垃圾利用率1987年還為零，到1998年就達到72%；在丹麥，建筑垃圾利用率從1990年的25%提高到1999年的90%；在日本，土木工程建設廢棄物再生率1995年就達到68%。
我國起步較晚，建筑垃圾占地與資源浪費比較嚴重。以廣州為例，每天有200多個建筑工地施工，建筑垃圾排放堆場面積在1萬平方米以上的有110多個，主要傾倒和填埋。中國建材研究院1999年開始將建筑廢棄物綜合治理列為院“九五”攻關，10多年來做了大量前期工作，并在汶川大地震后建設了建筑垃圾資源化利用生產線。但全國范圍內，情況仍顯落后，尤其是在建筑垃圾資源化利用技術與設備方面。將建筑垃圾制成粗砂，是提高其利用率和資源化水平的有效途徑之一。目前面臨的難點之一是設備問題。如：廢混凝土粉碎中如何去除鋼材的影響；在公路工程中如何解決沿線作業的設備等等。這也是對粉碎設備的挑戰與機遇。
⑴ 綠色水泥欣然問世，將提出全新的技術課題
據科學網電子雜志最新報道：由英國Novacem公司瓦拉斯普魯斯牽頭研制成功的綠色水泥，被評為2010年最具潛力的十大科技成果。瓦拉斯普魯斯的綠色水泥采用鎂硅酸鹽取代先前的基礎原料石灰巖。鎂硅酸鹽不僅在制造過程中比標準水泥需要的熱量少，而且在硬化過程中還能夠有效吸收空氣中大量的二氧化碳，這使得生產總體上是“碳負性”。Novacem公司表示，這種水泥產品在整個生命周期中每噸可吸收0.6噸的二氧化碳，而且，它在加熱時需要的溫度也相對不高，大約需要650攝氏度(℃)。有學者分析:這種水泥的原料制備和水泥制成，將使現有的粉磨技術發生巨大變化。
二、FPP磨機研發的技術特點探討
為了滿足 “節能降耗”與“資源有效利用”的社會要求，粉碎設備必須在技術上不斷進步。江蘇飛鵬公司經多年努力研制成功FPP磨，體現了粉磨節能技術的潮流，其主要特點為：
1、FPP磨機采用“優勢設計”的市場原則和技術創新相結合的措施
所謂“常規設計”（Routine Design），就是按照已有的知識和規劃，進行一般機器的設計。從上世紀50年代起，在市場競爭推動下，從美國開始掀起了“創造性設計”的熱潮，傳及到世界各發達國家。在此熱潮中，新產品不斷涌現，市場空前繁榮。但這并不能使每個企業都平安生存，甚至一些知名的大企業也發生過破產或面臨過破產的威脅。人們發現：花樣翻新的設計在市場上的成功率只有20-30%或更低，甚至加重企業的危機。用前幾年國內流行的一句話：“不上項目是等死，上項目是找死”。因此，人們又把注意力放到企業的“經營管理”和“市場營銷”上來，還興起了一門“工業工程學”的新學科。這對于企業當然是十分重要的。但是，這些學科都是以企業有了某種（些）有生命力的產品為前提，再從管理、經營與市場營銷的角度來強化企業競爭力的。如果沒有好的產品，再好的管理也無濟于事。在美國最先出現了“為競爭的優勢而設計”的思想，明確提出了“優勢設計”（Advanced Desigh）的概念。因此，“優勢設計”是以“常規設計”和“創新設計”為“基礎”的更高一層的設計概念，是強化市場競爭力的設計方法。
決定市場競爭優勢地位的兩個主要指標是相對品質差異（relative difference）和相對成本（relative cost）。當企業產品的相對品質越高，而且相對成本越低時，企業的競爭地位就越高，甚至進入天堂的位置；相反則越危險，甚至跌入地獄。如圖3所示：
FPP磨的主要研發者從事水泥設備設計制造40余年，把握著市場脈搏與行業動態，他們把粉磨工藝、機械設計、耐磨材料等多門學科融為一體，面對國內市場的需求和飛鵬公司自身的特點，經過對產品方向的調研、分析、預測，堅持不懈走過了從“常規設計”到“創新設計”再到“優勢設計”的各個階段，形成了目前的“優勢產品”－－FPP磨機系列，被用戶迅速接受，獲得良好效益。
2、FPP磨節能技術的系統化方法
“系統化”是提高粉磨節能技術水平的有效途徑之一，FPP磨綜合運用粉磨工藝技術、機械工程技術及分級技術的方法，從壓力傳遞、料床穩定、即時分級、機械篩分、系統配置等各個環節，實現功能優化、節省粉磨過程能耗，降低成本。
FPP磨機構成的水泥粉磨系統，如下圖所示：
在圖示粉磨系統中，由于優化了壓力機構的參數和壓力值，提高了壓輥向被磨物料傳遞壓力的有效性、減少了無用功；調整喂料位置、保持料層厚度提高了料床穩定性；磨內分級裝置起到即時分級作用，提高有效粉碎率；獨創自流振動篩替代氣流篩分，大幅度降低了選粉能耗；達到綜合節電30%-35%的世界先進水平。而圖4－2中的聯合粉磨系統又將篩下物料中的合格細粉分出來，經高效選粉機進成品庫，進一步降低了系統的分磨電耗。按“系統節能”的思維，FPP磨研制者還在繼續探索；這是值得借鑒的。
3、抗磨技術與耐磨材料的應用
抗磨技術與耐磨材料，是摩擦學與材料工程所研究的問題，也是粉碎設備的發展所必須面對的問題。磨損問題，不僅加大了耗材成本，降低了運轉率；而且也消耗了能量！但單純的強調材料的硬度或一味地追求高檔的耐磨材料，在很多情況下不僅增加了設備成本，而且效果并不好。在粉碎設備的抗磨措施中，要針對具體對象的磨蝕機理而采用合理的抗磨技術和選用合適的耐磨材料。
FPP采用變質劑澆鑄技術實現了硬度和韌性的協調，磨輥表面硬度達到HRC63以上、韌性達到6.5J/cm2。設計了獨特的抗磨結構，降低了金屬磨損耗，延長了構件的使用壽命。經多方考核，該產品粉磨水泥熟料其無維修耐磨壽命可達5000小時以上，實踐證明：耐磨性能好，可以取代鎳硬Ⅳ，其價格也比較適中。
4、FPP磨機功能設計的個性化
粉碎設備的功能，不同于通常的制造業，其個性化要求高得多。特別是近20年來，功能個性化的趨勢日益明顯，除了受原料與產品的多變性影響之外，還有一個市場爭奪的因素。諾貝爾經濟獎獲得者赫伯特.西蒙曾說過，隨著互聯網的發展，最有價值的不再是信息，而是你的注意力。這就是所謂的“注意力經濟”。
在國內近10多年新開發粉體加工設備中，這種“功能個性化”的特征更為明顯。如南京高精齒輪公司研制了兩級均載功能的傳動裝置而突破了國內立磨大型化的瓶頸；中材國際集團開發成功了NC型輥式篩分喂料機，實現了對礦石進行預處理的功能；還有諸多的烘干機、選粉機、收塵器等等，都體現了功能個性化的特征，對粉碎設備的拓展起著有利的作用。
FPP磨及其配置的自流振動篩，具有主機磨、選分離，磨內調隙分級、磨外先篩后選等主要的獨到功能。以下圖所示的結構作一比較：
圖5中，立磨是將粉磨與分選合為一體，系統緊湊、可在磨內烘干，特適用于生料磨，發達國家水泥生產線的生料磨幾乎全用它；但主機高度大、造價高，風機大、電耗高，磨、選串聯降低了可靠性。圖6中的FPP磨把磨、選分離，并通過內篩分裝置（5）實現磨內即時分級；出磨粉料經自流振動篩篩分后，上篩面上物料反回FPP磨，下篩面上的細顆粒料進球磨機，最下面的細粉再進選粉機和球磨機的出料一起得到合格的產品（見圖4－2）。這種配置特適合水泥熟料、粒化高爐礦渣、鋼渣等物料的粉磨；投資省、電耗低、維修方便，產品理化指標好。
這里要注意的是，功能個性化固然能吸引市場注意力，但是如果沒有性能的保證，產品是沒有市場的，即使短期吸引了眼球，也不會有長久的效益。劣質設備本身就是與低碳經濟相背離。
結束語
粉磨設備是水泥工業生產中的關鍵設備，在冶金、礦業等過程工業中也基本相同，節能降耗大可為。只要我們樹立科學思路、重視技術創新，遵循“優勢”原則，一定會獲得巨大的經濟效益和良好的社會效益。
