1　粉碎理论概述
　　早期的粉碎理论研究，大多是揭示粉碎机械能量消耗与被碎物料粒度减少量之间的关系。19世纪后叶，才出现了一些有价值的能耗理论，这就是大家熟知的表面积假说、体积假说、裂缝假说以及统一能量方程式。但是，这些假说与实际情况有较大出入，因此不能用于粉碎机械的设计和实际粉碎作业。
　　实际上用粉碎能耗来研究粉碎过程或固体的破碎程度的方法是不完善的。因为大量能量的驱动机械传动过程中以摩擦和声响的形态损失掉了，这种损失是可以测定的；而粉碎机械本身之内的一些能量损失却无法估算出来，其中包括颗粒受到摩擦而不碎裂造成的能量损失、动能和势能损失、颗粒弹性和塑性变形造成的能量损失、粉碎过程中的机械化学行为造成的能量损失等。因此，粉碎作用可作为粉碎机械操作的结果，该机械操作消耗了能量，而粒度减小只是能量消耗的一种间接结果。
　　基于上述原因，世界上许多学者和专家开始在物料粉碎机理、能量平衡及粉碎过程定量描述等方面进行了广泛的试验研究，提出了不少有价值的理论，并力求向具体化和实用化的方向迈进。在现代断裂力学和实验技术的发展基础上，提出了高压料层挤压粉碎理论，即物料在高压下产生应力集中引起裂缝并扩展，继而产生众多微裂纹，形成表面裂纹终达到物料破碎。高压料层粉碎避免了在机械破碎时所产生的大量飞溅残片所带走的破碎能量的浪费，并使能耗降低甚多从而占据了新一代磨机粉磨理论的主导地位。
2　粉碎技术及装备的发展趋势——节能、降耗、环保
　　球磨机的出现，使冶金、电力、选矿、化工等工业实现了飞速发展，由于其对各种物料的适应性强、粉磨能力高、制造简单、可适应各种生产能力等原因，在很长一段时间内，受到人们的青睐，仅水泥工业的粉磨作业，包括生料粉磨和水泥粉磨基本上都是应用球磨机来作为粉碎手段。但是，球磨机是一种能量利用率很低的粉磨设备，随着工业突飞猛进的发展，资源的过度开发、能源不足的问题日益困惑着各行业科技人员。在水泥工业中，水泥生产总耗电量的60％～70％用于粉磨作业，而粉磨的有效功仅占提供磨机运转总能量的3％左右，绝大部分输入能量转变为热能和声能而浪费；而且噪声污染严重，无法满足人们对环保的要求。因此，改进粉磨设备是大幅度降低水泥工业能耗的一项重要内容。
　　据统计，1990年建材及其他非金属矿物制品加工业的总能耗占全国总能耗的11．4％，占全国工业能耗的17．5％，仅次于电力工业，居第二位。万元产值能耗为14．11t标准煤，高出全国工业万元产值平均能耗2．93t标准煤的3．8倍之多。在能源供应日趋紧缺的情况下，能源问题已成为制约建材工业发展的重要因素。为了持续、稳定、协调地发展建材工业，实现从速度型向效益型的转变，必须首先实现从高能耗型向节能型的转变。
　　影响产品能耗高低的因素是多方面的，既有工艺方面的（如生产工艺过程与手段的选择及控制），也有设备方面的（如设备的类型及其性能），还有操作和管理方面的原因。这些因素大多与设备相关联，设备节能是节能工作中的一个重要领域，尤其在建材工业节能中，更占有重要位置。
　　搞好设备节能，关键在于积极采用新型节能装备和技术，保证设备处于良好的工作状态，以少的能量消耗取得大的经济效益，这就要求搞好设备管理工作，并对现有设备，特别是高能耗设备进行以节能降耗为中心的技术改造，不断地研制、发展和推广节能型设备。
　　20世纪80年代以来，料层挤压粉碎技术及装备取得了突破发展，是基于在较大的压力作用下颗粒间相互作用而粉碎的理论发展起来的。以挤压方式实现粉磨的立磨和辊压机，其能量有效利用率较高、能耗低、结构紧凑、占地面积小。料层挤压粉碎技术及装备广泛应用于水泥、火电、矿山开采加工等许多行业，它的发展一直受到各行业密切关注。但立磨机械结构复杂、系统通风费用高；辊压机辊压高、结构复杂、振动大、维护费用高、系统烘干能力低。所以，这些磨机的应用遇到了一定的困难。
　　近年来，法国FCB公司在欧共体支持下，在深入研究粉磨机理和现有各种粉磨设备的基础上，开发了一种具有球磨机的可靠性和产品质量、立磨的紧凑结构和辊压机的低能耗的全新结构的新型粉磨设备——筒辊磨，它的优势主要在于为挤压粉磨工艺找到了一条能充分发挥节能潜力的新途径。该技术的应用可以比普通粉磨系统节能20％～50％，产量可提高一倍以上。
3　几种料层挤压粉碎系统的现状评析
　　水泥工业致力于大幅度地降低能源消耗是一项重要而长期的任务，其主要关键在于提高粉磨效率，降低粉磨作业电耗。现今水泥生料粉磨已广泛采用立磨，其优越性已获得公认，市场占有率远超过传统的球磨系统。然而在水泥粉磨领域，无论是传统的球磨系统，还是辊压机、立磨、筒辊磨系统等等，它们都各有所长，但又有所不足。
3．1　辊压机系统
　　料层挤压粉碎技术及设备，在国外已有相当程度的发展，德国的K．Schnert教授在这方面进行了开拓性的研究工作，取得了具有突破性的成就。1979年和1984年，他发表文章从粉碎物料的能量观点出发，对传统的粉磨方式进行了系统的实验研究和理论探讨，首次提出了高压作用下的“料床粉碎”（PressureComminutionintheMaterialBed）这一全新概念，引发了粉磨行业上一次革命。
　　德国的两家公司很快吸收了这些技术，于1985年迅速推出了各自的辊压机产品，即保利休斯公司的高压粉碎辊（HighPressureGrindingRoller）和洪堡公司的辊压机（ThePressedRoller）。接着，世界各大水泥机械制造公司、丹麦史密斯公司及美国富乐公司竞相开发研制挤压磨，许多水泥厂家也争相应用，这引起我国有关部门和水泥行业工作者的高度重视。
　　我国从20世纪80年代中期也开始挤压磨的引进、开发和应用工作，一些科研院所和企业从德国洪堡公司引进挤压磨及其制造技术，并已在我国大中型现代化干法水泥生产线的设计和技改项目中得到推广应用。同时，有关的设计、科研单位与制造厂家合作对该引进技术装备进行了消化转化工作，并在此基础上自行研制设计了一系列中小型挤压磨，与1000t/d、700t/d水泥生产线相配套，这些设备已大部分采用国产材料和部件，并已应用于生产过程中，取得了良好的经济效益，这标志着我国水泥粉磨技术应用和设备制造达到了一个新的水平。
　　根据有关资料统计，用于水泥粉碎的辊压机全世界有近400台，其中我国约有90多台，其系统有预粉磨、联合粉磨、半终粉磨以及终粉磨等4种，后两者比较。该系统不足之处是对系统操作参数和水泥粒径组成等方面的调整，因相互间的影响因素较多，相关性较复杂，响应时间较滞缓，每次调整都需数小时才能完成，有时还可能出现反复，比较费力费时，不象球磨机系统那样简单直观，调整时间有30min就够了。
　　至于辊压机半终粉磨系统，其情况基本上与终粉磨系统相似，只是它的粉磨强度还可以取低一点，辊压机的物料循环率也可低一些，因而其检修量会稍少一点，年利用率高一点，同时，其系统的单位电耗与投资也较终粉磨的稍高一些。
3.2　立磨系统
　　20世纪50年代初，日本塔磨机有限公司首先研制成功立磨。瑞典布利登·艾利斯集团矿物处理系统公司（MPSI）相继也开发了立磨。美国、加拿大和俄罗斯等国先后在细磨领域使用。
　　立磨，也称辊式磨，与球磨机相比，不论是在结构、粉磨机理、系统流程、工艺布置上，还是在自动控制、参数确定、能源消耗上，都存在根本的区别。它的某些优点是球磨机本身所不能比拟的，主要表现在：立磨利用厚床原理粉磨，能量消耗较小，粉磨效率高，整个粉磨系统的电耗比球磨系统降低10％～20％；可充分利用预热器的低温废气。热风从环缝中进入，风速高达60～80m／s，故烘干效率高。如采用热风炉热源，可烘干含15％～20％水分的原料。而一般带烘干仓的球磨机大烘干水分为8％；物料在立磨内的停留时间比在球磨机内短得多，这便于测定、调整物料化学成分，及时选出合格细粉，有利于实现配料自动控制，并且产品的化学成分和颗粒级配均匀；物料入磨粒度可在50mm～150mm，故一般可放宽对破碎设备的要求。
　　目前使用的立磨主要有莱歇磨、MPS磨、保利休斯磨、环辊磨、雷蒙磨和Atox磨等。据报道，将立磨运用于水泥粉磨，单位电耗为25～29kWh/t水泥。
　　采用立磨来粉磨水泥的工业实践已有10余年了，当初因磨损和震动等问题阻碍了它的推广应用一直处于“攻关”阶段。近年来，因立磨在生料粉磨的突破以及材料科学的进展，在粉磨水泥方面有了良好的开端，成为水泥粉磨系统一支令人瞩目的新军。
　　立磨水泥的各项性能均与球磨的相同。它还具有以下特点：系统简单、调节灵活、响应速度快，可以很方便地改变水泥细度和粒径分布，或改换生产不同品种的水泥。可以看出，其单位电耗也相当低，比较。其不足之处是：如果水分太低，料床厚度波动较大，影响磨机平稳运行，往磨内适当喷水则可解决震动问题。如果喂料水分太高（例如>15％）则需启动热风炉往磨内通热风。如遇雨季的大雨，喂料水分很高时，只能停产。
　　目前，日本秩父小野田公司和川崎公司正在联合开发的CKP－FG立磨系统，对于水泥、矿渣的粉磨或超细磨具有较大的潜力，其特点是仅选取立磨下部的粉磨部分，粉磨后的物料全部由提升机送到一台单独的选粉机中进行分选，并与立磨组成圈流操作系统，旨在节省风扫式为主的立磨气力输送物料的电耗。
3．3　筒辊磨系统
　　鉴于辊压机的高压力对设备制造的苛求和喂料速度对运转速度的限制，以及立磨的制造成本高和压力低等缺点，法国FCB公司于1993年推出了第一台筒辊磨（Horomill），并在意大利Buzzi水泥有限公司试用成功，取得了每吨水泥粉磨电耗为18kWh的良好效果。筒辊磨是一种中高压、薄料层、筒体内物料循环的挤压粉磨设备，理论上兼具辊压机的节能效果与球磨机的运转可靠性，有良好的应用前景，受到国内外水泥机械制造厂和水泥厂的密切关注，以期望在水泥粉磨节能降耗方面，获得更大的效益。但是，由于其结构及材料选择仍有待完善，在实际生产中仍存在许多问题，有待于科技人员进一步研究，使其广泛应用于各粉磨行业。
　　现今处于运转、调试、改进或攻关阶段的筒辊磨有3种，即法国FCB公司的Horomill，丹麦FLS公司的Cemax磨，以及我国华新水泥公司的HXL筒式辊碾磨。筒辊磨（Horomill）在投入水泥粉磨系统实际运转应用中，机械和工艺操作等方面的故障一直困扰着它，例如刮料板断裂与磨损、磨机震动、轴承发热漏油、辊面损坏、物料循环量波动、瞬时峰值特大造成系统堵塞等。FCB公司在法国拉法基水泥公司的大力支持下，相继在一些水泥厂调试试用，同时也在不断地改进设计，寻求解决上述弊端的办法。
　　Cemax磨与Horomill相比，Cemax磨在设计方面主要有3点不同。首先是将粉磨压力适当减小了一些，在不显著影响粉磨效果的前提下，适当减轻筒体和磨辊的负载，特别防范强度过于集中；其次是采用机械式两端进料与风扫式两端卸料方式，维持磨辊两端受力平衡，以利消除诸多机械故障，平稳运转；第三是将磨辊轴承的设计温度提高到130℃，适当加大了轴承规格，使之能承受粉磨物料温度高达100℃以上，等同于球磨机的工作条件，以利部分二水石膏脱水，生成半水石膏，保证成品水泥的凝结时间与球磨机的一样。据了解，Cemax粉磨系统虽然达到了设计要求，但仍不够完善，需继续改进，主要还是机械方面的问题。
　　华新水泥公司开发的HXL筒辊磨系统，经过安装调试，设计产量OPC水泥约100t／h，或矿渣细度450m²／kg时为45t／h。在今后长期运转中如能克服筒辊磨的某些缺陷，将主导我国在粉磨方面的科技创新。
4　几种料层挤压粉磨系统综合比较与评价
　　粉磨系统按其技术成熟程度大致可分为三大类。第一类是成熟的，如：辊压机半终与终粉磨，以及立磨等系统。尽管它们各自还有待完善之处，然而人们对这些不足基本上找到了相应的对策和解决办法。第二类是大体上成熟，但仍有重要缺陷待改进解决的，如：Horomill和Cemax磨等系统。第三类是尚待长期实践验证的，即华新的HXL筒辊磨等新研发的系统。
　　根据以上粉碎理论及其发展，为了适应我国水泥实施ISO国际标准的需要，水泥细度与其粉磨系统效率亟需提高，同时瞄准国际上粉磨技术发展趋势，不仅要求料层挤压粉碎技术及装备尽量节能、降耗，而且在粉磨效果、产量、质量及环保等方面也提出了更高的要求。这就要求科技人员重点研究开发和推广应用新的粉磨系统与相应的措施，使其粉磨效果、效率达到稳定、高效，并逐步成为粉磨行业的主导机械。如：辊压机、立磨、筒辊磨、环辊磨等粉磨系统，它们虽然是粉磨速度、粉磨强度以物料粒度分布范围等工艺参数不同形式的粉磨系统（见表1），但共同的宗旨在于节能、降耗、环保。用户可结合具体情况对各种系统作出正确的评价与选择。