立式轉(zhuǎn)子與臥式轉(zhuǎn)子選粉機(jī)概論

  自20世紀(jì)70年代末，日本小野田公司設(shè)計(jì)出基于平面渦流分級(jí)原理的O-Sepa系列選粉機(jī)以來，第三代分選技術(shù)在建材、非礦、化工、制藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并圍繞“分散、分級(jí)、收集”，衍生出外形各異的類似分選設(shè)備，但無論外形存在多大變化，其核心轉(zhuǎn)子與O-Sepa系列選粉機(jī)無本質(zhì)區(qū)別，分級(jí)機(jī)理沒有突破，因此筆者認(rèn)為目前市場上的選粉機(jī)均屬第三代選粉機(jī)范疇，其最大區(qū)別仍在于轉(zhuǎn)子的布置形式，即立式轉(zhuǎn)子與臥式轉(zhuǎn)子。

  基于上述認(rèn)知，本文著重探討立式轉(zhuǎn)子與臥式轉(zhuǎn)子選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)性能、選粉機(jī)理、應(yīng)用情況及選用原則。

  1、結(jié)構(gòu)形式

  立式轉(zhuǎn)子可定義為選粉機(jī)轉(zhuǎn)子主軸軸線豎直布置的結(jié)構(gòu)形式，反之，若主軸軸線水平布置則稱之為臥式轉(zhuǎn)子，以此作為第三代選粉機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，即可分為立式選粉機(jī)與臥式選粉機(jī)。立式選粉機(jī)的代表為日本小野田公司的O-Sepa選粉機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其轉(zhuǎn)籠與主軸套組件均豎直布置；臥式選粉機(jī)的代表為德國洪堡公司的VSK選粉機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其轉(zhuǎn)籠與主軸套組件均水平布置。

圖1 O-Sepa選粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2 VSK選粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意

  基于此兩類結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)氣流走向、物料流走向、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)籠個(gè)數(shù)、物料預(yù)分散方式、物料循環(huán)與收集方式，以及工藝系統(tǒng)配置需求，衍生出多種外形的立式與臥式選粉機(jī)，對(duì)較有特點(diǎn)的類型統(tǒng)計(jì)如下，見表1。

  表1立式、臥式選粉機(jī)類型

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  2、性能特點(diǎn)

  在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，對(duì)于立式選粉機(jī)主軸而言，若能嚴(yán)格保證轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度和喂料均勻性，理論上主軸只承受動(dòng)平衡精度下偏心距引起的極小徑向力，而臥式選粉機(jī)為懸臂梁支承，因此主軸所受徑向力偏大，同規(guī)格主軸將會(huì)比立式選粉機(jī)粗，相應(yīng)軸承及相關(guān)部件均會(huì)偏大；對(duì)于立式選粉機(jī)殼體而言，其為圓柱或圓錐形結(jié)構(gòu)，整體剛度比臥式選粉機(jī)殼體扁平結(jié)構(gòu)強(qiáng)，因此運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的可能性降低，同時(shí)不會(huì)發(fā)生殼體“喘振”，即殼體被負(fù)壓氣體抽吸變形的情況；但立式選粉機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備重量比臥式選粉機(jī)重，制造成本上升。

  因布置方式的不同，導(dǎo)致設(shè)備性能也存在較大差別，概述如下：

  1）選粉效率。立式選粉機(jī)無論采取上喂料或下喂料，均能保證喂料點(diǎn)沿轉(zhuǎn)子周向90%以上區(qū)域參與分選，由于結(jié)構(gòu)限制，臥式選粉機(jī)為單側(cè)進(jìn)風(fēng)，約有1/4~1/3區(qū)域不參與分選，因此相同規(guī)格臥式選粉機(jī)選粉效率較立式選粉機(jī)低。

  2）細(xì)度控制。立式選粉機(jī)四周進(jìn)風(fēng)，再經(jīng)導(dǎo)流葉片均布，整個(gè)轉(zhuǎn)子圓周徑向風(fēng)速基本一致，在轉(zhuǎn)子切向轉(zhuǎn)速一定時(shí)，分選成品粒徑均齊，不易跑粗。因結(jié)構(gòu)限制，臥式選粉機(jī)轉(zhuǎn)子底部徑向風(fēng)速較高（最高點(diǎn)約12~14m/s），轉(zhuǎn)子頂部和粗粉出口側(cè)徑向風(fēng)速偏低（最低＜2m/s），在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，分選成品粒徑范圍變寬，容易跑粗。

  3）設(shè)備壓損。立式選粉機(jī)分選氣流從選粉機(jī)入口到出口會(huì)經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)向，若為下進(jìn)風(fēng)下進(jìn)料形式，分選物料也會(huì)經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)向，因此局部阻力損失偏高。臥式選粉機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，無預(yù)分散裝置和均布導(dǎo)流葉片，因此局部阻力損失較低。

  4）單機(jī)功率。單機(jī)配用功率與分選物料濃度、選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片面積等存在正比關(guān)系，因立式選粉機(jī)分選區(qū)域和單位面積葉片承載物料濃度較臥式選粉機(jī)大，因此配用功率和實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率均較臥式選粉機(jī)高。

  5）烘干能力。物料在立式選粉機(jī)內(nèi)部停留時(shí)間長、實(shí)際烘干容積也較臥式選粉機(jī)大，因此其烘干能力強(qiáng)于臥式選粉機(jī)。

3 理論分析

  立式選粉機(jī)和臥式選粉機(jī)在選粉效率、細(xì)度控制、設(shè)備壓損、單機(jī)功率和烘干能力等方面存在差別，其根本原因是基于殼體和轉(zhuǎn)籠布置形式對(duì)流場限制所致。圖3為立式選粉機(jī)縱向截面速度分布云圖，速度沿軸向變化較大且多次轉(zhuǎn)向并存在局部渦流，因此利于物料分散及預(yù)分離，降低后續(xù)轉(zhuǎn)籠部分濃度而提高分選效率，但會(huì)增加沿程和局部阻力損失；另一方面，速度及方向的變化導(dǎo)致氣流相與顆粒相間產(chǎn)生速度差利于增加單位容積烘干能力。圖4為立式選粉機(jī)橫截面流場分布矢量圖，氣流經(jīng)導(dǎo)流葉片均勻進(jìn)入轉(zhuǎn)子，沿圓周360°方向徑向速度保持平穩(wěn)恒定（3~6m/s），因此不存在分選死區(qū)，也不會(huì)造成局部徑向風(fēng)速過大而跑粗，具有更高的分選效率和對(duì)成品細(xì)度更好的控制能力。

圖3 立式選粉機(jī)縱向截面速度云圖

圖4 立式選粉機(jī)橫向截面速度矢量圖

  圖5為臥式選粉機(jī)橫向截面速度分布云圖，風(fēng)料入口處轉(zhuǎn)子徑向速度不均，特別是風(fēng)管右側(cè)與蝸殼交接處存在高風(fēng)速區(qū)，沿轉(zhuǎn)子外沿周向速度分布也不均，上側(cè)和左側(cè)風(fēng)速減緩，轉(zhuǎn)籠入口底部及右側(cè)風(fēng)速偏高，這也是造成產(chǎn)品跑粗的原因之一；另外，蝸殼左側(cè)存在一個(gè)速度發(fā)散區(qū)，削弱了此處進(jìn)入轉(zhuǎn)籠的風(fēng)速，不利于360°全周分選。

圖5 臥式選粉機(jī)橫向截面速度分布云圖

圖6 臥式選粉機(jī)轉(zhuǎn)子外沿徑向速度曲線

  圖6為轉(zhuǎn)子外沿徑向速度曲線，沿轉(zhuǎn)子周向，底部徑向風(fēng)速較高，可達(dá)16m/s，幾乎與轉(zhuǎn)子切向速度一致，且存在一個(gè)明顯回流（回流速度4~5m/s），這是臥式選粉機(jī)產(chǎn)生跑粗的主要原因，而從轉(zhuǎn)子頂側(cè)到轉(zhuǎn)子左側(cè)，徑向風(fēng)速雖然較平穩(wěn)，但整體數(shù)值偏低，僅1~3m/s，導(dǎo)致分選區(qū)域不足而造成選粉效率偏低。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不存在導(dǎo)流葉片和預(yù)分離裝置，因此兩相流在設(shè)備中停留時(shí)間短，阻力損失會(huì)隨之下降，其轉(zhuǎn)子分選區(qū)域減少、承載物料量少，選粉機(jī)單機(jī)功率較立式選粉機(jī)低。

  表2在輥壓機(jī)生料終粉磨的應(yīng)用

  4、現(xiàn)場應(yīng)用情況

  4.1 輥壓機(jī)生料終粉磨系統(tǒng)

  表2為立式選粉機(jī)和臥式選粉機(jī)在輥壓機(jī)生料終粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用情況，其使用結(jié)果與理論分析對(duì)應(yīng)，在不考慮物料特性情況下，以選粉機(jī)風(fēng)量為基準(zhǔn)，當(dāng)80μm篩余控制在14%~18%左右時(shí)，立式選粉機(jī)200μm篩余可控制在1%，臥式選粉機(jī)則為2%~6%，同時(shí)單位風(fēng)量產(chǎn)量立式選粉機(jī)比臥式選粉機(jī)高約5%~10%，這與立式選粉機(jī)選粉效率偏高有關(guān)；另一方面，立式選粉機(jī)壓損比臥式選粉機(jī)高500~1000Pa，但當(dāng)選粉機(jī)規(guī)格變大時(shí)，由于局部阻力降低，兩者之間壓損差距減小。

  因此，針對(duì)臥式選粉機(jī)，應(yīng)考慮如何控制200μm篩余和提高選粉效率。據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，通常有以下方式：

  1）增加補(bǔ)風(fēng)閥風(fēng)量。在風(fēng)量能滿足物料提升要求的前提下，可適當(dāng)增加補(bǔ)風(fēng)閥風(fēng)量，減少上升管道風(fēng)量，以改善轉(zhuǎn)子圓周徑向風(fēng)速均勻性，但此時(shí)應(yīng)避免上升管道風(fēng)量減少影響V型選粉機(jī)分選效率。

  2）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子偏心距。進(jìn)風(fēng)口中心線與轉(zhuǎn)子中心之間距離為轉(zhuǎn)子偏心距A，偏心距越小，上升管道氣流對(duì)轉(zhuǎn)子沖擊越大，即轉(zhuǎn)子底部局部風(fēng)速越高、越易跑粗，反之，篩余則相對(duì)易于控制，但會(huì)造成分選區(qū)域減少，影響選粉效率，該A值在正常設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上根據(jù)物料對(duì)轉(zhuǎn)籠的沖擊影響可偏約±500mm。如圖7所示，某現(xiàn)場調(diào)整偏心距后，盡管在相同成品細(xì)度下，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速能減低1~2Hz，產(chǎn)量卻并未改善。

圖7 調(diào)整轉(zhuǎn)子偏心距

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  3）增加導(dǎo)流葉片。通過在上升管道和轉(zhuǎn)子底部之間增加導(dǎo)流葉片，可以降低此處局部風(fēng)速、控制細(xì)度，但同樣會(huì)影響選粉效率。如圖8所示，某現(xiàn)場增加導(dǎo)流葉片后，在相同成品細(xì)度下，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速可降低4~5Hz，但當(dāng)導(dǎo)流葉片之間間距過小時(shí)，產(chǎn)量反而下降。

圖8 增加導(dǎo)流葉片

  4）改善物料易磨性和轉(zhuǎn)子密封。易磨性越差則循環(huán)負(fù)荷越大、選粉濃度增加，同時(shí)也影響物料粒度分布，選粉機(jī)相同轉(zhuǎn)速下，200μm篩余增加，反之，篩余降低，而易磨性除與石灰石自身品質(zhì)相關(guān)外，也與配料密切相關(guān)，硅石、煤矸石、鋼渣等較難磨；改善轉(zhuǎn)子密封，可解決由于密封造成的顆粒跑粗，但對(duì)于臥式選粉機(jī)而言，其不是主要原因。當(dāng)物料易磨性不佳時(shí)，要在不影響選粉效率的情況下徹底解決臥式選粉機(jī)200μm篩余偏粗的情況，目前較困難。

  針對(duì)立式選粉機(jī)，應(yīng)考慮如何降低阻力，可采用以下方式：縮短下殼體高度，降低沿程阻力；減少速度突變，降低局部阻力；優(yōu)化導(dǎo)流葉片、轉(zhuǎn)子葉片和出風(fēng)口形式；控制內(nèi)循環(huán)，避免物料返混；設(shè)置渦流消除裝置，如圖9所示；采用側(cè)進(jìn)風(fēng)形式，如圖10所示；加大選粉機(jī)規(guī)格，降低物料濃度等。

圖9 渦流消除裝置

圖10 側(cè)面進(jìn)風(fēng)形式

  表3在輥壓機(jī)水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用

  4.2 輥壓機(jī)水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)

  表3為立式選粉機(jī)和臥式選粉機(jī)在輥壓機(jī)水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用情況，不考慮物料特性情況下，以選粉機(jī)風(fēng)量為基準(zhǔn)，當(dāng)比表面積在3300~3600cm2/g時(shí)，臥式選粉機(jī)45μm篩余可控制在12%，而立式選粉機(jī)基本在2%~6%，即立式選粉機(jī)所選成品粒度更集中；與輥壓機(jī)生料終粉磨一樣，立式選粉機(jī)阻力比臥式選粉機(jī)高500~1000Pa。但值得注意的是，同為立式選粉機(jī)，阻力越大，在保證系統(tǒng)風(fēng)量的情況下，產(chǎn)量反而越高，這應(yīng)該與參與選粉的循環(huán)物料濃度有關(guān)。

  因此，針對(duì)臥式選粉機(jī)，應(yīng)考慮如何控制45μm篩余，以減少對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，其可行方案與輥壓機(jī)生料終粉磨方案一致。某現(xiàn)場在使用臥式選粉機(jī)對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造后，選粉機(jī)選出的成品45μm篩余＞20%，嚴(yán)重影響了早期強(qiáng)度，因此在選粉機(jī)入口增加導(dǎo)流葉片，45μm細(xì)度基本能控制在12%，滿足使用要求。

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  另一方面，立式選粉機(jī)分選成品粒度集中，45μm篩余過低，特別是在半終粉磨系統(tǒng)中，部分輥壓機(jī)擠壓出的細(xì)粉直接進(jìn)入成品，對(duì)需水性和凈漿流動(dòng)度造成影響。據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，可采取以下幾種解決方案：

  1）對(duì)選粉機(jī)進(jìn)行速差控制，即通過控制程序的改變使得選粉機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生周期性變化，成品粒度分布也會(huì)發(fā)生周期性變化，但這種方案不易控制，同時(shí)還容易造成電氣和機(jī)械故障。

  2）分別進(jìn)行粉磨，再在細(xì)粉中摻入部分粗粉，這種方案理論上可行，但初期成本增加。

  3）采用兩臺(tái)選粉機(jī)或雙轉(zhuǎn)子選粉機(jī)，進(jìn)行差速運(yùn)行，此方案較方案2可行。

  4）風(fēng)量滿足的情況下，在選粉機(jī)下殼體或中殼體上開旋流風(fēng)閥，如圖11所示，刻意改變分選區(qū)局部風(fēng)速，某現(xiàn)場采用此方案，在相同比表面積情況下，可提高45μm篩余1%，但由于外部引入的冷風(fēng)風(fēng)速較高，易造成殼體、導(dǎo)流葉片和轉(zhuǎn)子葉片磨損。

  5）通過對(duì)稱拆卸和調(diào)整部分導(dǎo)流葉片，如圖12所示，可改變轉(zhuǎn)籠圓周局部徑向風(fēng)速，從而改變成品細(xì)度。某現(xiàn)場采用此方案，在相同比表面積情況下，可提高45μm篩余1%左右。

圖11 中殼體或下殼體上開旋流風(fēng)閥

圖12 拆卸部分導(dǎo)流葉片

  5、選用原則

  如上所述，在不考慮設(shè)備制造成本前提下，立式選粉機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)于臥式選粉機(jī)。而對(duì)于設(shè)備性能，兩者則各有優(yōu)勢，可根據(jù)粉磨物料特性、工藝系統(tǒng)特點(diǎn)、使用要求進(jìn)行選取，在此分析如下。

  5.1 輥壓機(jī)生料終粉磨系統(tǒng)

  輥壓機(jī)生料終粉磨利用完全受限料床擠壓原理進(jìn)行物料粉磨，其粉磨效率高，能耗低，因此在生料粉磨中得到廣泛應(yīng)用：

  1）由于生料煅燒過程中物料粒度分布越集中，越利于煅燒，同時(shí)200μm篩余較80μm篩余對(duì)燒成影響更為明顯，特別是當(dāng)配料中含硅石、石英砂等物料或石灰石易磨性較差時(shí)，成品粒度會(huì)普遍變粗，200μm和80μm篩余差距拉大，即粒度分布變寬，立式選粉機(jī)因其較好的粒度控制具有優(yōu)勢；反之，物料易磨性較好，200μm和80μm篩余均會(huì)降低，對(duì)燒成影響減弱，臥式選粉機(jī)因其較低的阻力具有優(yōu)勢。

  2）輥壓機(jī)料床粉磨的理論基礎(chǔ)是擠壓物料必須形成密實(shí)的料床，而形成密實(shí)料床的前提是喂入物料應(yīng)具有滿足要求的粒度分布，即在避免大于0.05倍輥徑顆粒的情況下減少細(xì)粉進(jìn)入，因此，當(dāng)喂料細(xì)粉偏多、物料過碎或因易磨性等條件影響導(dǎo)致進(jìn)入輥壓機(jī)平均粒徑偏細(xì)時(shí)，立式選粉機(jī)因其較高的選粉效率可降低回粉中的細(xì)粉含量而起到提高輥壓機(jī)做功和保證穩(wěn)定運(yùn)行的作用，而此時(shí)選用臥式選粉機(jī)，可能導(dǎo)致輥壓機(jī)振動(dòng)、主軸承溫度偏高和產(chǎn)量降低等現(xiàn)象；反之，若喂料較為均齊，能滿足輥壓機(jī)喂料要求時(shí)，臥式選粉機(jī)對(duì)產(chǎn)量的影響則不明顯。

  3）當(dāng)物料水分較高時(shí)，需要滿足熱平衡所需風(fēng)量、風(fēng)溫及烘干容積，立式選粉機(jī)烘干容積較大，可與V型選粉機(jī)出口直接相連，而臥式選粉機(jī)烘干能力相對(duì)較弱，因此需設(shè)計(jì)較長的豎直烘干風(fēng)管，從而樓層土建高度會(huì)有所增加，但考慮布置形式和基礎(chǔ)載荷等因素，立式選粉機(jī)樓層平面所占面積并不會(huì)比臥式選粉機(jī)少，因此在選用時(shí)應(yīng)綜合考慮水平方向與豎直方向所需空間來計(jì)算成本。

  5.2 輥壓機(jī)水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)

  通過計(jì)算，立式輥磨粉磨水泥單位電耗與輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)相比并不具有明顯優(yōu)勢，粉磨水泥性能亦未被國內(nèi)市場普遍接受，因此輥壓機(jī)水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)在水泥粉磨系統(tǒng)改造中仍占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢。

  1）理論上，水泥成品3~30μm顆粒含量越高，水泥早、中期強(qiáng)度較好，也就是水泥粒徑分布范圍越集中于3~30μm，越利于強(qiáng)度發(fā)揮，但是，由于輥壓機(jī)的引入，改變了顆粒外在形貌、增加了顆粒內(nèi)在裂紋，不考慮配料和熟料質(zhì)量前提下，過于集中的粒徑會(huì)影響需水性和凈漿流動(dòng)度，給后續(xù)混凝土施工帶來困難，因此，在滿足一定強(qiáng)度前提下，較寬的粒徑分布范圍更有利于成品的綜合性能。采用臥式選粉機(jī)，雖然會(huì)因選粉效率降低而影響系統(tǒng)產(chǎn)量，卻對(duì)水泥綜合性能有利。但值得注意的是，若聯(lián)合粉磨后續(xù)球磨為開路系統(tǒng)，則容易因?yàn)檫x粉機(jī)跑粗而導(dǎo)致入磨篩余偏高，造成出磨水泥偏粗的情況，所以，選用時(shí)應(yīng)綜合考慮后續(xù)球磨系統(tǒng)形式及成品粒度控制要求。

  2）在水泥磨改造過程中，有時(shí)為節(jié)約成本，不希望對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，而在該系統(tǒng)中加入選粉機(jī)后，會(huì)相應(yīng)增加系統(tǒng)壓損，此時(shí)選用壓損較低的臥式選粉機(jī)具有優(yōu)勢。若選用立式選粉機(jī)，因過高的壓損，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量降低，不能滿足系統(tǒng)要求，部分細(xì)粉難以從V型選粉機(jī)帶出而回到輥壓機(jī)，造成輥壓機(jī)運(yùn)行功率偏低，球磨磨空，產(chǎn)量下降。

  3）水泥粉磨系統(tǒng)對(duì)物料的烘干要求較低，有時(shí)為減少磨內(nèi)包球還需引入大量冷風(fēng)，除非配料中含有水分過高的水渣、濕排粉煤灰、脫硫石膏或磷石膏等，臥式選粉機(jī)均能滿足烘干要求。但臥式選粉機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，難以實(shí)現(xiàn)多次分離，因此適宜用在預(yù)分離系統(tǒng)，在工藝較為復(fù)雜，物料需進(jìn)行多次分離時(shí)，立式選粉機(jī)更有優(yōu)勢。

  6、結(jié)束語

  根據(jù)工藝需要，目前國內(nèi)外選粉機(jī)形式多樣，但其核心部分與O-Sepa選粉機(jī)無異，均屬于第三代選粉機(jī)范疇，立式轉(zhuǎn)子和臥式轉(zhuǎn)子是其最大區(qū)別，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)物料特性、工藝需求、成品特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選，才能達(dá)到高產(chǎn)低耗的目的。