粉磨系統(tǒng)中高效選粉機(jī)的研究與應(yīng)用

一、研究的目的與意義

眾所周知，球磨機(jī)對(duì)物料的粉碎主要是依靠研磨體對(duì)物料的沖擊與研磨作用來實(shí)現(xiàn)的，這種沖擊及研磨作用是通過研磨體的表面?zhèn)鬟f給與之相接觸的物料的，屬于單顆粒粉碎。由于單顆粒粉碎的偶然性，使大量的能量消耗在研磨體之間及研磨體與磨機(jī)襯板之間的碰撞與磨損上，因而其效率很低。據(jù)Answlm的粉碎功理論測定：軸承、齒輪等純機(jī)械損失占12.3%；隨產(chǎn)品散熱占47.6%；從磨機(jī)筒體散發(fā)的輻射占6.4%；空氣帶走熱量占31.4%；用于粉碎物料的理論能量消耗僅占很小的一部分，約為2.3%。

目前，一般在以下兩個(gè)方面加以改進(jìn)，以提高球磨機(jī)的粉磨效率。一是改變內(nèi)部裝置。節(jié)能襯板、可調(diào)隔倉板的研制成功，為粉磨系統(tǒng)降低了能耗。第二方面是改變粉磨系統(tǒng)，將原來的開路粉磨系統(tǒng)改為閉路粉磨系統(tǒng)。與之相應(yīng)的，選粉機(jī)也因技術(shù)發(fā)展的需要，為提高選粉效率，降低系統(tǒng)能耗，由傳統(tǒng)的第一代離心式選粉機(jī)、第二代旋風(fēng)式選粉機(jī)發(fā)展到第三代高效選粉機(jī)。

開路粉磨系統(tǒng)具有流程簡單、設(shè)備少、投資省、操作方便等特點(diǎn)。但由于物料必需全部達(dá)到成品細(xì)度的部分物料才能出磨，因此，當(dāng)細(xì)度要求較高時(shí)，已被磨細(xì)達(dá)到細(xì)度要求的部分物料不能及時(shí)卸出而出現(xiàn)過粉磨現(xiàn)象，導(dǎo)致粉磨系統(tǒng)的粉磨效率降低、能耗增加（當(dāng)粉磨高標(biāo)號(hào)水泥及易磨性差別大的混合粉時(shí)，過粉磨現(xiàn)象更為嚴(yán)重）。閉路粉磨系統(tǒng)由于配備了選粉機(jī)，能將粉磨后的合格物料及時(shí)分離出來，從而可有效地減少過粉磨現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的粉磨效率及產(chǎn)量，降低能耗；同時(shí)產(chǎn)品細(xì)度均勻，并可通過調(diào)節(jié)選粉設(shè)備的操作參數(shù)來靈活控制，以滿足生產(chǎn)要求。缺點(diǎn)是系統(tǒng)流程較為復(fù)雜，投資較大。

對(duì)上述兩種粉磨系統(tǒng)的取舍，主要取決于對(duì)產(chǎn)品細(xì)度的要求。據(jù)文獻(xiàn)介紹，當(dāng)粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)品比表面積低于3100cm2/g時(shí)，兩種系統(tǒng)（包括輔機(jī)在內(nèi)）的產(chǎn)品單位電耗相當(dāng)；但當(dāng)細(xì)度要求較高時(shí)，開路系統(tǒng)的單位電耗明顯高于閉路系統(tǒng)。由于建筑業(yè)的發(fā)展，對(duì)水泥強(qiáng)度的要求越來越高，相應(yīng)的也提高了對(duì)產(chǎn)品細(xì)度的要求；同時(shí)，閉路系統(tǒng)更易于控制產(chǎn)品細(xì)度，改變產(chǎn)品品種，對(duì)市場的適應(yīng)性更強(qiáng)。因此，閉路系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

作為閉路粉磨系統(tǒng)的一個(gè)重要的配套設(shè)備——選粉機(jī)，雖然本身并無粉碎物料的作用，但其性能好壞直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，即影響到系統(tǒng)的粉磨效率、產(chǎn)量及能耗。因此，高效選粉機(jī)技術(shù)的研究具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、粉磨系統(tǒng)增產(chǎn)降耗的要求。與高效選粉機(jī)機(jī)配套的粉磨系統(tǒng)，具有更高的粉磨效率、產(chǎn)量及較低的能耗。配有傳統(tǒng)選粉機(jī)的閉路粉磨系統(tǒng)，在生產(chǎn)一般細(xì)度的水泥時(shí)，單位能耗并不比開路系統(tǒng)低；生產(chǎn)高細(xì)度水泥時(shí)，盡管與開路相比，電耗降低、產(chǎn)量提高，但與生產(chǎn)一般細(xì)度水泥時(shí)相比，產(chǎn)量有較大幅度的降低。而如果采用高效選粉機(jī)機(jī)，雖然也有類似現(xiàn)象，但其降低幅度明顯減小。

2、水泥質(zhì)量要求的提高，也對(duì)選粉機(jī)提出了更高的要求。一方面是使用廠家對(duì)水泥質(zhì)量的要求提高，有向高細(xì)度、高標(biāo)號(hào)水泥發(fā)展的趨勢，而對(duì)高細(xì)度水泥的生產(chǎn)，開路粉磨或帶傳統(tǒng)選粉機(jī)的閉路粉磨系統(tǒng)又很難勝任。另一方面是人們對(duì)水泥質(zhì)量認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，使得在評(píng)價(jià)水泥質(zhì)量方面的一些觀點(diǎn)發(fā)生了變化。最初，作為水泥質(zhì)量主要指標(biāo)之一的水泥細(xì)度是用篩余控制的，用篩余控制只能反映成品中粗顆粒的多少，不能反映全部顆粒的粗細(xì)情況；而后發(fā)展到比表面積控制，水泥越細(xì)，比表面積越大?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，即使是比表面相同的水泥產(chǎn)品，因采用的粉磨流程、選粉方式不同，其強(qiáng)度也有差別。閉路粉磨配高效選粉機(jī)可以低一些，其原因在于顆粒級(jí)配的不同。研究表明，水泥顆粒組成中不同粗細(xì)的顆粒對(duì)水泥水化性能的作用是不同的。大于60μm的顆粒對(duì)水泥強(qiáng)度作用甚微，只起填料作用；小于3μm的顆粒的水化過程在硬化初期就已完成，只對(duì)水泥早期強(qiáng)度有利；3-30μm的顆粒是水泥的主要活性部分、承擔(dān)強(qiáng)度增長的主要粒徑。對(duì)此，一些水泥品種曾對(duì)3-30μm顆粒的含量提出了具體的要求：

普通硅酸鹽水泥：40-50%

高強(qiáng)快硬水泥：50-60%

超高強(qiáng)快硬水泥：＞70%

由此可見，水泥質(zhì)量與水泥成品中3-30μm顆粒的含量有很大關(guān)系。而在水泥粉磨作業(yè)中，要得到某一粒徑范圍含量較高，分布相對(duì)較窄的水泥產(chǎn)品，只有通過高效選粉機(jī)來調(diào)節(jié)、控制，否則難以實(shí)現(xiàn)。

3、高效選粉機(jī)技術(shù)的研究成果，既可拓展到非金屬礦、化工、食品等行業(yè)的分選技術(shù)中；也對(duì)超細(xì)粉分級(jí)技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值，而超細(xì)粉的分級(jí)又是機(jī)械法制備超細(xì)粉領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

二、選粉機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀

水泥工業(yè)用選粉機(jī)是由英國人Munfond和Moadie于1885發(fā)明的，后由德國人取得制造權(quán)，1888年開始出售。由于美國生產(chǎn)商斯特蒂文特（Sturtovant）公司生產(chǎn)的這種選粉機(jī)最為有名，故習(xí)慣上稱為Sturtevant型選粉機(jī)，亦即離心式選粉機(jī)，這就是所謂的第一代選粉機(jī)。隨著世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，德國洪堡——維達(dá)格公司于60年代初研制開發(fā)了洪堡——維達(dá)格型選粉機(jī)，即所謂的旋風(fēng)式選粉機(jī)，也就是第二代選粉機(jī)。第一代選粉機(jī)由于結(jié)構(gòu)與工作原理的限制，選粉效率不高，粉磨系統(tǒng)的效率與產(chǎn)量提高有限；第二代選粉機(jī)因其核心結(jié)構(gòu)并沒有脫離第一代選粉機(jī)的范疇，工作原理上無根本性的變化，所以性能提高有限。近十年來，選粉機(jī)的研究有了突破性的發(fā)展，國外各公司相繼開發(fā)出了新型高效第三代選粉機(jī)，例如日本小野田公司率先推出的O-Sepa型選粉機(jī)，因采用新的分級(jí)結(jié)構(gòu)與原理，顯著提高了選粉機(jī)的選粉效率及產(chǎn)量，水泥質(zhì)量與系統(tǒng)能耗也得到改善。

三、各類選粉機(jī)的性能特點(diǎn)及分級(jí)機(jī)理

3.1離心式選粉機(jī)

離心式選粉機(jī)由于本身結(jié)構(gòu)的缺陷，存在選粉效率低，細(xì)度調(diào)節(jié)不方便等缺點(diǎn)，當(dāng)要求生產(chǎn)產(chǎn)量高、細(xì)度高和多品種水泥時(shí)，表現(xiàn)得更為突出。通常認(rèn)為，空氣選粉機(jī)的選粉過程主要分以下三個(gè)環(huán)節(jié)：物料的分散、分級(jí)及細(xì)粉的收集。而離心式選粉機(jī)正是在這三個(gè)環(huán)節(jié)上不同程度地存在著問題，現(xiàn)分析如下：

離心式選粉機(jī)內(nèi)顆粒的受力情況如下：

重力Fg，方向向下，大小與顆粒質(zhì)量成正比；

離心力Fe，方向?yàn)樗綇较蛳蛲?，大小隨顆粒所處位置不同而變化；

氣體阻力Fd，其方向與大小均隨所處位置不同而變化。

三者合力為R。由于在分級(jí)區(qū)內(nèi)，截面形狀變化較大，致使各截面的氣流速度的大小與方向變化較大，分級(jí)氣流不能形成穩(wěn)定、均齊的分級(jí)力場。因此，在分級(jí)區(qū)內(nèi)同一粒徑大小的顆粒會(huì)因處在不同的位置而受到大小與方向都不同的合力。由上而下的分級(jí)氣流在分級(jí)區(qū)上部蓋風(fēng)板處，因突然變向形成一死角，在死角內(nèi)形成局部渦流，干擾分級(jí)區(qū)的流場；同時(shí)，機(jī)壁效應(yīng)的存在，也影響細(xì)粉的分離，使部分細(xì)粉與粗粉一起碰到內(nèi)壁而沉降。這兩方面的因素導(dǎo)致選粉機(jī)無明確的分級(jí)界面和穩(wěn)定的分級(jí)力場，分級(jí)精度低。

物料在選粉機(jī)內(nèi)主要靠撒料盤的離心力拋出分散，不可能在整個(gè)截面上均勻分布；同時(shí)，分級(jí)區(qū)內(nèi)流場的不穩(wěn)定更加劇了物料的分散不均，而物料充分、均勻的分散卻是實(shí)現(xiàn)高效率分級(jí)的前提條件。

離心式選粉機(jī)的細(xì)粉收集靠外筒體，由于外筒體的直徑較大，細(xì)粉收集效率較低，大量微細(xì)粉隨氣流循環(huán)，一方面增加了分級(jí)區(qū)的粉體濃度，加劇了顆粒間的相互干擾；另一方面，粉體濃度的增加，細(xì)粉更易團(tuán)聚或與粗粉一起向機(jī)壁沉降，使粗粉中的細(xì)粉含量增加。

由于上述諸因素的影響，導(dǎo)致了選粉機(jī)選粉效率的降低。

3.2旋風(fēng)式選粉機(jī)

由于旋風(fēng)式選粉機(jī)外部設(shè)立了獨(dú)立的空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，取代離心式選粉機(jī)內(nèi)的大風(fēng)葉；機(jī)體四周布置6-8個(gè)旋風(fēng)收塵器，用以收集細(xì)粉，將離心式選粉機(jī)的內(nèi)循環(huán)方式改為外循環(huán)方式，把選粉機(jī)的物料分級(jí)與細(xì)粉收集兩過程分開，使旋風(fēng)式選粉機(jī)相對(duì)于離心式選粉機(jī)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

⑴轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量可分別調(diào)節(jié)，既易于調(diào)節(jié)產(chǎn)品細(xì)度，也擴(kuò)大了細(xì)度的調(diào)節(jié)范圍。水泥產(chǎn)品的比表面積可調(diào)范圍為2500-7000cm2/g。

⑵采用小直徑的旋風(fēng)收塵器收集細(xì)粉，可提高細(xì)粉的收集效率（其收集效率可達(dá)90%，而離心式選粉機(jī)的收集效率僅為50%），減少細(xì)粉的循環(huán)量，有利于提高選粉效率。

⑶選粉效率提高，處理風(fēng)量增加。在相同的選粉能力下，旋風(fēng)式選粉機(jī)的機(jī)體直徑較離心式選粉機(jī)小，分級(jí)室單位截面積的處理物料量比離心式選粉機(jī)高2-2.5倍。

盡管如此，由于旋風(fēng)式選粉機(jī)的分級(jí)結(jié)構(gòu)與離心式選粉機(jī)相似，對(duì)離心式選粉機(jī)所存在的主要缺陷（如分級(jí)力場的不穩(wěn)定、機(jī)壁效應(yīng)局部渦流的存在等）都未能消除。因此，其分級(jí)性能的改善是有限的。

3.3第三代高效選粉機(jī)（以0-Sepa選粉機(jī)為例）

加入選粉機(jī)的物料自上而下通過由選粉機(jī)轉(zhuǎn)子上垂直布置的渦流調(diào)節(jié)葉片與導(dǎo)向葉片組成的較高的分級(jí)機(jī)會(huì)。在分級(jí)區(qū)內(nèi)，不存在機(jī)壁效應(yīng)和死角引起的局部渦流，在同一半徑的任何高度上內(nèi)外壓差始終一致，氣流速度相等，從而保證了顆粒所受各力的平衡關(guān)系穩(wěn)定不變。緩沖板的撞擊及水平渦流的沖涮，使物料充分分散并均勻地分布于分級(jí)區(qū)內(nèi)。這使得分級(jí)機(jī)具有如下性能特點(diǎn)：

1、選粉效率高，一般都在85%以上。

2、精度高，即特勞姆（Tromp）曲線比較陡。

3、細(xì)度調(diào)節(jié)簡單、靈敏、準(zhǔn)確。

據(jù)文獻(xiàn)介紹，離心式選粉機(jī)的選粉率一般在40-60%，分級(jí)精度小于0.3；旋風(fēng)式選粉機(jī)的選粉效率一般在60%左右，分級(jí)精度為0.3-0.45；以0-Sepa為代表的第三代高效選粉機(jī)的選粉效率一般在80%以上，分級(jí)精度可達(dá)0.5左右。

目前，國內(nèi)對(duì)選粉機(jī)的研究也主要集中在高效選粉機(jī)研究開發(fā)，或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的改造上，在消化吸收國外同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，力求有所突破，研制出高性能的選粉機(jī)。

四、高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機(jī)的研制與性能

高效選粉機(jī)性能的優(yōu)越性是顯而易見的，但由于選粉機(jī)主體不帶細(xì)粉收集裝置，需配備與其處理風(fēng)量相匹配的大規(guī)格的袋式收塵或電除塵器用以收集成品，這無疑較大幅度地增加了系統(tǒng)投資，也使工藝布置復(fù)雜，操作控制困難，在一定程度上限制了高效選粉機(jī)的推廣應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子式選粉機(jī)就是針對(duì)上述情況而研制的一種新型高效選粉機(jī)，以期在性能上達(dá)到目前高效選粉機(jī)的效果，在系統(tǒng)的布置、投資及工藝的復(fù)雜性等方面又優(yōu)于高效選粉機(jī)，這無疑對(duì)水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展、粉磨系統(tǒng)的節(jié)能增產(chǎn)很有意義的。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)目前水泥廠水泥細(xì)度的新要求，我們又與清華紫光吉利達(dá)公司共同研制了新型的雙轉(zhuǎn)子選粉機(jī)。

高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1、采用離心力場作為分級(jí)力場，結(jié)構(gòu)上采用雙籠式轉(zhuǎn)子?？紤]到選粉機(jī)內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及分布的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子采用倒錐形結(jié)構(gòu)，以保證選粉機(jī)分級(jí)室內(nèi)分級(jí)力場的穩(wěn)定。

2、籠式轉(zhuǎn)子與撒料盤一起安裝在主軸上，主軸由調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)，從而保證了分級(jí)力場的強(qiáng)度可通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速靈活調(diào)節(jié)，以改變分級(jí)力場中顆粒的受力情況，控制分級(jí)的切割粒徑，調(diào)節(jié)產(chǎn)品的細(xì)度與粒度組成。

3、采用高拋撒力的螺槳式撒料盤，使物料能比較均勻地分散于分級(jí)區(qū)內(nèi)，采用約束內(nèi)錐，以穩(wěn)定選粉室內(nèi)的氣體流場，并與環(huán)狀進(jìn)風(fēng)的滴流裝置一起形成二次分選結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)二次分選的效果，減少粗粉中混入的細(xì)粉量。

4、細(xì)粉的收集采用多個(gè)小規(guī)格高效旋風(fēng)筒并聯(lián)，布置于選粉機(jī)主體的四周形成一整體，一方面提高了細(xì)粉的分離效率，另一方面與其它高效選粉機(jī)相比，簡化了系統(tǒng)流程，節(jié)約了系統(tǒng)投資，調(diào)節(jié)、控制更為方便。

5、選粉機(jī)的處理風(fēng)量采用外部循環(huán)風(fēng)機(jī)供給，由選粉機(jī)下部切向?qū)脒x粉機(jī)，并經(jīng)滴流管的分流作用形成一旋轉(zhuǎn)上升的流場進(jìn)入選粉室，與經(jīng)撒料盤分散于該區(qū)域的物料充分混合，形成一較為穩(wěn)定的分級(jí)流場使物料分級(jí)，分級(jí)后的細(xì)粉由氣流攜帶流出選粉機(jī)，導(dǎo)入旋風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)氣固分離。這樣，選粉機(jī)內(nèi)的處理風(fēng)量可通過風(fēng)機(jī)管道中的調(diào)節(jié)閥門控制，與可調(diào)轉(zhuǎn)速的籠式轉(zhuǎn)子一起，調(diào)節(jié)分級(jí)室內(nèi)的分級(jí)力場，進(jìn)而控制產(chǎn)品的細(xì)度與粒度組成。

另外，考慮到目前水泥行業(yè)第一代，第二代選粉機(jī)的應(yīng)用較為普遍，特別是第二代選粉機(jī)的應(yīng)用更為普遍，在生產(chǎn)應(yīng)用中，如能采取有效措施加以改造，改善選粉機(jī)的性能，也是提高粉磨系統(tǒng)的效率、產(chǎn)量，降低能耗的有效途徑。因此，高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮到將該技術(shù)應(yīng)用于原有選粉機(jī)改造的可能性，以達(dá)到該技術(shù)既可作為一種新型高效選粉機(jī)的研制，也可用以對(duì)現(xiàn)有選粉機(jī)的改造。

由上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定、并經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究及生產(chǎn)應(yīng)用表明，高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機(jī)具有如下的性能特點(diǎn)：

1、物料在分級(jí)室內(nèi)，在較強(qiáng)的旋流及徑向剪切力的作用下，物料分散性好且強(qiáng)度高，分級(jí)效率高。

2、分選物料都經(jīng)過分級(jí)界面分明的選粉區(qū)，各部分的選粉條件穩(wěn)定，故選粉機(jī)的分級(jí)精度高。

3、細(xì)度調(diào)節(jié)方便可靠，且調(diào)節(jié)范圍較寬，可通過調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速及風(fēng)量靈活控制。

4、可使開流磨增產(chǎn)40-60%，選粉效率可達(dá)85%以上。如對(duì)現(xiàn)有旋風(fēng)式選粉機(jī)或離心式選粉機(jī)進(jìn)行改造，可在不改變主體結(jié)構(gòu)及電機(jī)負(fù)荷的情況下，確保效率在85%以上，增產(chǎn)20-30%。

5、在相同產(chǎn)量的情況下，與高效渦流式選粉機(jī)相比其效率相當(dāng)，但可降低系統(tǒng)投資20-30%，與旋風(fēng)式及高效離心式選粉機(jī)相比，不但可減少設(shè)備規(guī)格，并可提高效率20-40%。