摘要:从上世纪70年代以来，可持续发展逐步成为世界各国政府与科技界、工业界最关注的焦点。在这一浪涛中，水泥粉磨节能技术得到了飞速发展，各种节能降耗的新型粉磨设备应运而生；FPP磨机就是其中最新的设备之一。
粉磨是建材、冶金、火电、无机化工等众多过程工业生产中不可缺少的工艺流程，其电耗大、铁耗高，不仅加大了生产成本，更影响到全社会的资源供应。
从上世纪70年代以来，可持续发展逐步成为世界各国政府与科技界、工业界最关注的焦点。什么叫可持续发展？布伦特兰委员会认为：在不影响子孙后代生存的情况下，使当今人们的需求得到满足。因此，经济运行的模式必须发生巨大变革。近几年中，随着温室效应的日趋严重，低碳经济成为全球的中心议题。
在这一浪涛中，水泥粉磨节能技术得到了飞速发展，各种节能降耗的新型粉磨设备应运而生；FPP磨机就是其中最新的设备之一。
一、低碳经济推动水泥粉磨节能技术的发展
1、水泥粉磨三大特征
水泥生产流程通常可简单描述为“两磨一烧”,原、燃料和水泥熟料的粉磨电耗大约占水泥总电量的70%-75%,对水泥生产的总能耗和成本影响很大。水泥粉磨主要有三大特征：
⑴ 产量大、能耗高。1978年我国水泥产量仅为0.65亿吨，从1985年起一直居世界第一并呈加速增长态式；到2002年猛增至7.25亿吨，2007、2008、2009年，我国水泥产量更是分别高达13.2、13.9、16.3亿吨。以每吨水泥综合电耗105度计算，09年累计耗电171亿度，其中用于粉磨的电耗约占整个电耗的70%－75%，为120－130亿度。
⑵ 物料的多样性与时变性。“水泥粉磨”指的是水泥熟料烧成前后的“两磨”，包括以石灰石为主的生料粉磨、煤磨和水泥熟料的粉磨、混合材的粉磨。各种物料、特别是产地或生产厂家不同的同类物料，其易磨性相差较大；而且随着湿度、温度的变化，粉磨、筛分效率等参数会相应波动，单位产品的能耗也随之不同，实施节能粉磨技术时必须予以分析。
⑶ 特定的工艺要求。粉磨作业必须满足水泥生产工艺过程和产品质量的要求，这是水泥粉磨节能技术的大前提。生料粉磨要保证其易混性、易烧性；煤的粉磨要根据煅烧要求，从化学、物理两方面予以平衡；熟料和混合材的粉磨涉及到水泥的质量，工艺约束更加严格：要在保证良好水化性、混凝土各期强度和耐久性等各方面性能的条件下，从比表面积、颗粒级配、微观形貌及粉体混合的均匀度等各项指标上予以实现。中国水泥协会秘书长孔祥忠教授近年在不同场合，多次强度：从事粉磨技术研究和粉磨设备设计制造的同行，必须充分重视这一问题。
2、节能降耗是水泥粉磨的热点
节能降耗既是提高运转率、降低生产成本的要求，也是节约资源、降低环境负荷的要求。这是水泥粉磨的热点，也是世界水泥工业长久以来的主题之一。
传统的破碎设备、粉磨设备以及两者之间的关联与负荷分配方式，使单位产品的电耗、铁耗都偏高。在粉碎设备100多年的发展进程中，世界各国围绕节能、降耗作了无数工作。在20世纪80年代，出现了“高能化”破碎理论以及基于高能化理论的破碎机，如美国A-C公司的高能圆锥破碎机、前苏联选矿设计院的系列惯性破碎机。尤其是“料层挤压粉碎”理论的出现以及由此而开发的辊压机、立磨等挤压粉磨设备的成功应用，使粉磨节能技术产生了一次飞跃。从本质上讲，“料层挤压粉碎”就是“高能化”粉碎的一种有效方式。上述的理论与相应的设备，打破了传统的节能模式，在对脆性物料断裂特性与粉碎过程充分研究的基础上，采用“高能输入、强力粉碎”的途径，取得了革命性的节能效果。这种开放性思维的成功范例，确实值得我们借鉴。
在国内水泥界，粉磨作业主要设备一直是粉磨效率只有5%-8%的球磨机占支配地位，因此开发和研究高效粉磨工艺和新型粉磨设备一直是国内外粉磨节能研究主题。法国FCB公司、德国洪堡公司和丹麦史密斯公司先后开发出基于料床挤压粉碎理论的新型粉磨装备，如现代立磨、挤压磨和筒辊磨，在各国水泥厂广为运行，粉磨节能效果达到25%-35%。国内，在科技部和行业主管部门的重点支持下，天津水泥设计研究院、合肥水泥研究设计院从“七五”开始多年来一直对挤压粉磨设备以及其构成的预粉磨和终粉磨系统进行了研究，取得了可喜的成果。南京水泥研究设计院、武汉理工大学、华新水泥股份有限公司分别开展了基于料床挤压粉碎理论的新型筒辊磨机进行的理论与应用研究，已取得了阶段性成果。
目前存在的问题是：在全国范围内，单位产量的粉磨电耗仍然高于国外水平；大型设备仍处于技术跟踪的状态，更缺乏系统成套的自主开发能力；日益增多的固体废物和低品位原燃料的利用须进行粉磨，相应的设备尚待研究开发。为此，国家相关部门采取了系列重大措施，强制性地限期淘汰直径3米以下的高能耗球磨机，大力支持节能粉磨技术和装备。据国家发改委产业协调司刘明处长的测算：“采用节能粉磨技术，对年产60万吨以上规模粉磨系统进行改造，需要投资约800亿元”，这是一个很大的市场！
3 、水泥粉磨节能技术的新进展：
在上世纪90年代以后，节能降耗的驱动从单一的追求利润扩展到社会责任，从而加快了技术发展的速度与广度。主要表现在下列几个方面：
⑴“高能化”粉碎技术的进一步拓展，大批新型粉碎设备不断涌现。这是近20年来粉碎技术与设备发展的一个明显特征。如瑞典sandvik集团推出的H7800型圆锥破碎机、德国Hazemag&EPR公司推出的AP—K51型反击破碎机；法国FCB公司对Horomill做了重大改进，完善了产品系列，等等。而原有的辊压机、立磨以及大型破碎机也进一步提高了性能、完善了运行参数、扩大了使用范围。我们国内，也从初期的引进、消化到实现技术与产品的国产化。如合肥水泥院、中信洛矿、天津水泥院等企业的辊压机、立磨分别成为了行业的知名产品。江苏飞鹏公司率先自主研发的多辊立式预粉磨机——FPP磨机，先后通过省、部级的技术成果鉴定和产品鉴定，正在迅速扩大市场。
⑵节能粉碎措施从宏观向微观的深化。作一个简单的例子：在图1中，从A点到D点，从宏观上讲，不管走ABD或ACD，距离相等。在步行时，从人的趋近心理出发，大部分人会走ABD；但若是开车，就必须从微观上考虑转弯的减速与功耗，应该走ACD更省功、省时。当然粉磨节能的问题不会这么简单。
以生产矿渣硅酸盐水泥为例，传统的方法是将矿渣、水泥熟料、石膏共同粉磨。细化分析得知，由于易磨性差异较大，矿渣达不到应有细度而浪费了它的潜在活性，因此，目前先进的生产线都采用矿渣与水泥熟料“单独粉磨”再混合的技术和设备配置，虽然设备投资大一些，但节能效果明显、资源利用充分。再细化研究，还有没有节能的潜力呢？德国一家水泥厂提出了“混合粉磨”的方式：先将矿渣预粉碎改善其易磨性，再与水泥熟料、石膏混合粉磨至成品，既可以利用粉磨中自然混合而省去“单独粉磨”后的混合能耗，又可以利用硬质矿渣微粉的微介质作用减少熟料粉磨的电耗。这种“宏观加微观” 的节能、降耗思路，在其他粉碎设备的设计与配置上也有所体现，不在此一一列举。我们看重的是这种思路的启发。
[3]从单机节能向系统节能的扩展。粉碎设备是一个系统，和所有机器一样，由四大部分组成，如图2所示：
显然，产品生产的能耗，不仅取决于“工作机”的功能与性能，也与其他三大部分的功能和性能密切相关。90年代以前，人们在“工作机”上做了很多有益的工作，现在也还在做；90 年代以后有了很大变化，除了调频技术、斩波技术等等被广泛采用之外，传动、驱动部分的技术与设备也在围绕节能而改进。例如粉磨设备的支承方式，在大型球磨机上普通采用了滑履支承；在中、小型球磨机上，出现了用新型滚动轴承取代传统的轴瓦，国内以辽宁北票理想公司自主开发了JMQ系列节能磨机和LMJU系列磨机专用滚动轴承为代表的产品。由华中科技大学研发的“变极起动无滑环绕线转子感应电动机”，无需串入起动电阻解决了重载起动问题，取消了滑环碳刷，不仅提高了驱动装置的可靠性，而且降低了7%-9%的驱动能耗，并且有较大的过载能力。FPP磨机系统中，以新型的自流振动分级代替现行的气流分级，使分级电耗从每吨4度降为0.1度，等等。当然，从系统上综合节能，还有其他方面与实例，不再一一列举。
4、“绿色制造”为粉磨技术提供了广阔的舞台
水泥的绿色制造已提了10来年，主要包括节省资源、减排降荷、消纳废弃物、研究新型的“绿色水泥”等。
⑴ 天然矿物的充分利用，拓展了粉磨技术的研究与应用
上世纪90年代以来，若干主要工业生产所需的天然矿物资源渐显短缺，原料成本上升，而市场上对粉体产品的质量要求越来越高。如何满足市场要求，提高天然矿物的利用率和附加值，是粉碎技术与装备发展中，必须关注的一个课题。
由于高品位、优质矿物的日益短缺，低品位、劣质矿物的利用势在必行，这就对矿物的预加工、粉碎、分选、均化等提出了更高的要求。
对水泥工业来说，优质石灰石、优质原煤面临着潜在的资源危机；巨量的煤矸石和矿山表层料，必须消纳。
对石灰石资源：已探明我国各种石灰石资源储量为500多亿吨，其中目前不能用于水泥生产的低品位石灰石约300亿吨。2009年我国水泥产量16.3亿吨，消耗优质石灰石11.5亿吨以上。以次预测，水泥工业按目前增长速度和现有资源利用技术，优质石灰石资源将在今后20年内耗竭。 低品位资源、替代资源的有效利用技术，是解决水泥工业面临的资源挑战问题的一项重大共性关键技术。其中，原料粉磨技术是重要内容之一。
据统计：2009年我国原煤产量为29.6亿吨；水泥生产就消耗了1.8亿吨，占了6.6%，而旋窑水泥烧成中，原应采用高热值烟煤。国内外烟煤供应紧张、价格高，应寻求改用烟煤和低热值煤的途径。合肥水泥研究设计院近来研制出高细煤粉立式磨，“打破了水泥业界煤粉制备只能用球磨的传统”，解决了新型干法水泥生产中利用无烟煤和低品位煤做燃料的难题，获得良好的经济效益和节能效果。
⑵ 固体废弃物的再资源化，正在推动着粉磨技术装备发展
工业固废种类繁多，如冶炼废渣、化工废渣、矿山废石与尾矿、火电厂废渣等等，数量庞大，性质各异。目前其利用的主要途径是生产建筑材料。上世纪90年代以前，上述固废也在利用，如粒化高炉矿渣、粉煤灰等早已用于水泥混合材，但是属于低水平的利用。近20年来，利用工业固废的技术与设备的水平有很大提高，从而实现了资源化利用。以粒化高炉矿渣为例，前后的变化可用下表1简概表明：
表1中所列的立磨（含CKP磨）、挤压机、卧辊磨及其配套设备，在矿渣资源化利用中存在着很大的市场空间。德国、日本、法国等发达国家已获得了很大实惠。我国也开始打入了这一市场。如天津水泥工业设计院研制的TRM3131S型矿渣立磨，飞鹏公司自主研发的FPP磨在多家企业成功运行，主要性能达到同类设备国际先进水平；江苏科行公司在江苏省政府的支持下，开发了卧辊磨矿渣粉磨系统；合肥水泥研究院研制成功了KXT科氏力粉料计量与控制系统，填补了国内空白，达到国外先进水平。
据统计分析，把矿渣单独粉磨的设备投资列表如下（见表2）。由表2的对比数据就可以看出，矿渣单独粉磨的设备所蕴含的商机可观。
对于建筑垃圾的资源化利用，近20年内才逐步成为热点。建筑垃圾主要来源于新建筑物施工、旧建筑物拆除、建筑物装修以及建筑物的非正常破坏。建筑垃圾是城市垃圾的主要来源之一。国外发达国家对建筑垃圾的利用发展很快：在德国，建筑工地垃圾利用率1987年还为零，到1998年就达到72%；在丹麦，建筑垃圾利用率从1990年的25%提高到1999年的90%；在日本，土木工程建设废弃物再生率1995年就达到68%。
我国起步较晚，建筑垃圾占地与资源浪费比较严重。以广州为例，每天有200多个建筑工地施工，建筑垃圾排放堆场面积在1万平方米以上的有110多个，主要倾倒和填埋。中国建材研究院1999年开始将建筑废弃物综合治理列为院“九五”攻关，10多年来做了大量前期工作，并在汶川大地震后建设了建筑垃圾资源化利用生产线。但全国范围内，情况仍显落后，尤其是在建筑垃圾资源化利用技术与设备方面。将建筑垃圾制成粗砂，是提高其利用率和资源化水平的有效途径之一。目前面临的难点之一是设备问题。如：废混凝土粉碎中如何去除钢材的影响；在公路工程中如何解决沿线作业的设备等等。这也是对粉碎设备的挑战与机遇。
⑴ 绿色水泥欣然问世，将提出全新的技术课题
据科学网电子杂志最新报道：由英国Novacem公司瓦拉斯普鲁斯牵头研制成功的绿色水泥，被评为2010年最具潜力的十大科技成果。瓦拉斯普鲁斯的绿色水泥采用镁硅酸盐取代先前的基础原料石灰岩。镁硅酸盐不仅在制造过程中比标准水泥需要的热量少，而且在硬化过程中还能够有效吸收空气中大量的二氧化碳，这使得生产总体上是“碳负性”。Novacem公司表示，这种水泥产品在整个生命周期中每吨可吸收0.6吨的二氧化碳，而且，它在加热时需要的温度也相对不高，大约需要650摄氏度(℃)。有学者分析:这种水泥的原料制备和水泥制成，将使现有的粉磨技术发生巨大变化。
二、FPP磨机研发的技术特点探讨
为了满足 “节能降耗”与“资源有效利用”的社会要求，粉碎设备必须在技术上不断进步。江苏飞鹏公司经多年努力研制成功FPP磨，体现了粉磨节能技术的潮流，其主要特点为：
1、FPP磨机采用“优势设计”的市场原则和技术创新相结合的措施
所谓“常规设计”（Routine Design），就是按照已有的知识和规划，进行一般机器的设计。从上世纪50年代起，在市场竞争推动下，从美国开始掀起了“创造性设计”的热潮，传及到世界各发达国家。在此热潮中，新产品不断涌现，市场空前繁荣。但这并不能使每个企业都平安生存，甚至一些知名的大企业也发生过破产或面临过破产的威胁。人们发现：花样翻新的设计在市场上的成功率只有20-30%或更低，甚至加重企业的危机。用前几年国内流行的一句话：“不上项目是等死，上项目是找死”。因此，人们又把注意力放到企业的“经营管理”和“市场营销”上来，还兴起了一门“工业工程学”的新学科。这对于企业当然是十分重要的。但是，这些学科都是以企业有了某种（些）有生命力的产品为前提，再从管理、经营与市场营销的角度来强化企业竞争力的。如果没有好的产品，再好的管理也无济于事。在美国最先出现了“为竞争的优势而设计”的思想，明确提出了“优势设计”（Advanced Desigh）的概念。因此，“优势设计”是以“常规设计”和“创新设计”为“基础”的更高一层的设计概念，是强化市场竞争力的设计方法。
决定市场竞争优势地位的两个主要指标是相对品质差异（relative difference）和相对成本（relative cost）。当企业产品的相对品质越高，而且相对成本越低时，企业的竞争地位就越高，甚至进入天堂的位置；相反则越危险，甚至跌入地狱。如图3所示：
FPP磨的主要研发者从事水泥设备设计制造40余年，把握着市场脉搏与行业动态，他们把粉磨工艺、机械设计、耐磨材料等多门学科融为一体，面对国内市场的需求和飞鹏公司自身的特点，经过对产品方向的调研、分析、预测，坚持不懈走过了从“常规设计”到“创新设计”再到“优势设计”的各个阶段，形成了目前的“优势产品”－－FPP磨机系列，被用户迅速接受，获得良好效益。
2、FPP磨节能技术的系统化方法
“系统化”是提高粉磨节能技术水平的有效途径之一，FPP磨综合运用粉磨工艺技术、机械工程技术及分级技术的方法，从压力传递、料床稳定、即时分级、机械筛分、系统配置等各个环节，实现功能优化、节省粉磨过程能耗，降低成本。
FPP磨机构成的水泥粉磨系统，如下图所示：
在图示粉磨系统中，由于优化了压力机构的参数和压力值，提高了压辊向被磨物料传递压力的有效性、减少了无用功；调整喂料位置、保持料层厚度提高了料床稳定性；磨内分级装置起到即时分级作用，提高有效粉碎率；独创自流振动筛替代气流筛分，大幅度降低了选粉能耗；达到综合节电30%-35%的世界先进水平。而图4－2中的联合粉磨系统又将筛下物料中的合格细粉分出来，经高效选粉机进成品库，进一步降低了系统的分磨电耗。按“系统节能”的思维，FPP磨研制者还在继续探索；这是值得借鉴的。
3、抗磨技术与耐磨材料的应用
抗磨技术与耐磨材料，是摩擦学与材料工程所研究的问题，也是粉碎设备的发展所必须面对的问题。磨损问题，不仅加大了耗材成本，降低了运转率；而且也消耗了能量！但单纯的强调材料的硬度或一味地追求高档的耐磨材料，在很多情况下不仅增加了设备成本，而且效果并不好。在粉碎设备的抗磨措施中，要针对具体对象的磨蚀机理而采用合理的抗磨技术和选用合适的耐磨材料。
FPP采用变质剂浇铸技术实现了硬度和韧性的协调，磨辊表面硬度达到HRC63以上、韧性达到6.5J/cm2。设计了独特的抗磨结构，降低了金属磨损耗，延长了构件的使用寿命。经多方考核，该产品粉磨水泥熟料其无维修耐磨寿命可达5000小时以上，实践证明：耐磨性能好，可以取代镍硬Ⅳ，其价格也比较适中。
4、FPP磨机功能设计的个性化
粉碎设备的功能，不同于通常的制造业，其个性化要求高得多。特别是近20年来，功能个性化的趋势日益明显，除了受原料与产品的多变性影响之外，还有一个市场争夺的因素。诺贝尔经济奖获得者赫伯特.西蒙曾说过，随着互联网的发展，最有价值的不再是信息，而是你的注意力。这就是所谓的“注意力经济”。
在国内近10多年新开发粉体加工设备中，这种“功能个性化”的特征更为明显。如南京高精齿轮公司研制了两级均载功能的传动装置而突破了国内立磨大型化的瓶颈；中材国际集团开发成功了NC型辊式筛分喂料机，实现了对矿石进行预处理的功能；还有诸多的烘干机、选粉机、收尘器等等，都体现了功能个性化的特征，对粉碎设备的拓展起着有利的作用。
FPP磨及其配置的自流振动筛，具有主机磨、选分离，磨内调隙分级、磨外先筛后选等主要的独到功能。以下图所示的结构作一比较：
图5中，立磨是将粉磨与分选合为一体，系统紧凑、可在磨内烘干，特适用于生料磨，发达国家水泥生产线的生料磨几乎全用它；但主机高度大、造价高，风机大、电耗高，磨、选串联降低了可靠性。图6中的FPP磨把磨、选分离，并通过内筛分装置（5）实现磨内即时分级；出磨粉料经自流振动筛筛分后，上筛面上物料反回FPP磨，下筛面上的细颗粒料进球磨机，最下面的细粉再进选粉机和球磨机的出料一起得到合格的产品（见图4－2）。这种配置特适合水泥熟料、粒化高炉矿渣、钢渣等物料的粉磨；投资省、电耗低、维修方便，产品理化指标好。
这里要注意的是，功能个性化固然能吸引市场注意力，但是如果没有性能的保证，产品是没有市场的，即使短期吸引了眼球，也不会有长久的效益。劣质设备本身就是与低碳经济相背离。
结束语
粉磨设备是水泥工业生产中的关键设备，在冶金、矿业等过程工业中也基本相同，节能降耗大可为。只要我们树立科学思路、重视技术创新，遵循“优势”原则，一定会获得巨大的经济效益和良好的社会效益。
