吳笑梅：轉(zhuǎn)速與填充率對(duì)球磨機(jī)粉磨效果的影響及其機(jī)理研究

??目前，在礦業(yè)方面大型的球磨機(jī)實(shí)行電瓶調(diào)速取得了一些使用壽命延長(zhǎng)、能耗下降等效果。就目前水泥行業(yè)環(huán)保壓力不斷增加的背景下，水泥行業(yè)開(kāi)始實(shí)行節(jié)能降耗，若把這個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)嫁到水泥粉磨這個(gè)系統(tǒng)上是否同意可行？華南理工大學(xué)副教授吳笑梅與教授樊粵明做了這方面的研究，并覺(jué)得這個(gè)研究結(jié)果有一定的意義，因此在2017年第九屆國(guó)際粉磨峰會(huì)上與大家分享了這項(xiàng)研究成果，而這也是該項(xiàng)研究報(bào)告首次公開(kāi)。

??吳笑梅將報(bào)告從研究背景、研究方案、研究結(jié)果與結(jié)論、工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論四個(gè)方面來(lái)闡述。

??一、研究背景

??1.球磨機(jī)

??應(yīng)用領(lǐng)域：由于它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠性比較強(qiáng)所以在冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑行業(yè)等各大領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用。

??優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，易于維護(hù)；在水泥粉磨領(lǐng)域，對(duì)水泥的顆粒分布及粒形的貢獻(xiàn)使之成為水泥粉磨工藝環(huán)節(jié)中重要的設(shè)備。

??趨勢(shì)：在目前水泥工業(yè)當(dāng)中，煤磨、生料粉碎都已經(jīng)由球磨機(jī)向輥壓機(jī)半終粉磨+球磨機(jī)轉(zhuǎn)變。但正如合肥水泥研究設(shè)計(jì)院的副院長(zhǎng)兼總工程師包瑋所說(shuō)的，球磨機(jī)對(duì)于水泥的性能有不可替代的作用，所以目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于水泥的粉磨系統(tǒng)來(lái)說(shuō)球磨機(jī)還是一個(gè)主流的組成設(shè)備之一。即使組成設(shè)備越來(lái)越大型化，不管是現(xiàn)在還是將來(lái)，球磨機(jī)在水泥粉磨系統(tǒng)中還是占據(jù)重要地位的。

??球磨機(jī)輸入磨機(jī)的功：它的能量轉(zhuǎn)換方面，一部分能轉(zhuǎn)變固體的表面能；另一部分，會(huì)產(chǎn)能大量的熱能、聲能散失于空間。因此，球磨機(jī)能量的利用率上來(lái)說(shuō)是比較低的。

??2.轉(zhuǎn)速

??球磨機(jī)轉(zhuǎn)速固定不變，以磨內(nèi)研磨體具有最大降落高度這一理論設(shè)定的，對(duì)于沖擊粉碎作用具有很好的指導(dǎo)意義。然而對(duì)于目前水泥粉磨系統(tǒng)中球磨機(jī)所擔(dān)當(dāng)?shù)难心プ饔脕?lái)說(shuō)，其最佳轉(zhuǎn)速的確定仍值得進(jìn)一步探討。在過(guò)去的粉磨系統(tǒng)中，填充率會(huì)直接影響到球磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。那么在我們以研磨為主的情況下，這個(gè)填充率到底是多少合適也是值得我們重新認(rèn)識(shí)的。

??3.填充率

??在實(shí)際的粉磨過(guò)程中，填充率直接影響球磨機(jī)內(nèi)部介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不同填充率下轉(zhuǎn)速對(duì)粉磨效果的影響有何變化也值得進(jìn)一步研究。

??二、研究方案

??報(bào)告從以下四部分進(jìn)行研究：建立合適的評(píng)價(jià)方法（從粉碎效果，研磨效果，達(dá)到同等粉碎/研磨效果的電耗水平來(lái)評(píng)價(jià)）；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和填充率對(duì)粉碎效果以及研磨效果的影響；在一端為透明有機(jī)玻璃端蓋的球磨機(jī)上，研究不同轉(zhuǎn)速、填充率下介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用介質(zhì)運(yùn)動(dòng)理論對(duì)其進(jìn)行分析解釋

??1.建立合適的評(píng)價(jià)方法

??首先從粉磨動(dòng)力學(xué)的模型來(lái)設(shè)定評(píng)價(jià)方法。粉碎速度：粗顆粒百分含量隨時(shí)間的變化速率。在粉磨過(guò)程的瞬間，某粒級(jí)顆粒減少的速率與物料中該粒級(jí)顆粒的含量稱正比。借助這個(gè)粉碎動(dòng)力學(xué)方程我們自己也研發(fā)了一個(gè)研磨動(dòng)力學(xué)方程：物料比表面積S隨時(shí)間的變化速率。假設(shè)比表面積隨時(shí)間的變化速率與此時(shí)物料比表面積和目標(biāo)比表面積H的差值成正比。也就是說(shuō)在球磨機(jī)的研磨過(guò)程中以物料比表面積S隨時(shí)間的變化速率來(lái)評(píng)價(jià)它的研磨速度。

??目前大部分的球磨機(jī)即使在輥壓機(jī)半終粉磨之后任然有兩倉(cāng)，頭倉(cāng)粗磨階段，二倉(cāng)是細(xì)磨階段。吳笑梅在實(shí)驗(yàn)室的小磨上面安裝變頻器，分別模擬大的球磨機(jī)的頭倉(cāng)和二倉(cāng)來(lái)研究不同的轉(zhuǎn)速率對(duì)破碎速度和研磨速度的影響。并且理論計(jì)算出達(dá)到同樣的破碎效果的時(shí)候，不同轉(zhuǎn)速率所對(duì)應(yīng)的能耗水平，達(dá)到同樣比表面積的時(shí)候不同轉(zhuǎn)速率所對(duì)應(yīng)的能耗水平。

研究方案設(shè)計(jì)

??2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

??在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置了兩個(gè)填充率的邊界條件，在試驗(yàn)小磨上做試驗(yàn)參數(shù)。研究了轉(zhuǎn)速率在58%和88%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，研磨體的級(jí)配參照大磨的研磨體級(jí)配，在模擬粗磨試驗(yàn)的時(shí)候就是用球磨機(jī)頭倉(cāng)的級(jí)配。頭倉(cāng)就是用二倉(cāng)的級(jí)配。如圖。頭倉(cāng)的物料我們是先取回來(lái)在實(shí)驗(yàn)室的破碎機(jī)中先破碎。二倉(cāng)的物料力度大概是篩余值是1%左右。

??2.1填充率為18%時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)粉磨效果的影響

??2.1.1粗磨實(shí)驗(yàn)

??2.1.1.1轉(zhuǎn)速率與粉碎速度常數(shù)的關(guān)系

??轉(zhuǎn)速率與粉碎速度常數(shù)的關(guān)系，下圖中可以發(fā)現(xiàn)篩余值都是隨著轉(zhuǎn)速率的增加而下降的。0.9mm K破>0.2mm K破>0.08mm K破；細(xì)顆粒粉碎速度隨著轉(zhuǎn)速的變化不如粗顆粒敏感。

??2.1.1.2轉(zhuǎn)速率與粉碎能耗的關(guān)系

??從研究轉(zhuǎn)速率與粉碎能耗的關(guān)系中（如下圖）我們可以看出：隨著轉(zhuǎn)速率的提高，粉碎能耗的常數(shù)是增大的。

??粉碎至相同篩余時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的粉碎能耗：在達(dá)到同樣篩余的情況下，不同轉(zhuǎn)速率達(dá)到的能耗是不一樣的。填充率為18%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等細(xì)度的粉碎能耗呈下降趨勢(shì)；且目標(biāo)細(xì)度越小，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越大。

??2.1.2細(xì)磨實(shí)驗(yàn)

??2.1.2.1 轉(zhuǎn)速率與物料研磨速度常數(shù)的關(guān)系?

??隨著轉(zhuǎn)速率的提高，研磨速度常數(shù)也是增加的。說(shuō)明研磨效果也是變好的。我們把能量的參數(shù)引用到方程里，可以得到比表面積和研磨速度之間的關(guān)系。

??2.1.2.2 轉(zhuǎn)速率與研磨能耗的關(guān)系

??填充率為18%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等比表面積的研磨能耗呈下降趨勢(shì)；且目標(biāo)比表面積越大，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越大。

??2.2填充率為30%時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)粉磨效果的影響

??2.2.1粗磨實(shí)驗(yàn)

??2.2.1.1  轉(zhuǎn)速率與粉碎速度的關(guān)系

??K破79%時(shí)最高；0.2mm K破>0.08mm K破.粗磨階段，介質(zhì)對(duì)粗物料顆粒的粉碎作用更強(qiáng)。

??填充率為30%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，粉碎能耗呈上升趨勢(shì)；70%--79%時(shí)，能耗較低，在76%時(shí)達(dá)到最低。轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，粉磨時(shí)間比較長(zhǎng)。最佳轉(zhuǎn)速率在76%-79%之間。

??2.2.2 細(xì)磨實(shí)驗(yàn)

??2.2.2.1 轉(zhuǎn)速率與研磨速度常數(shù)及研磨能耗的關(guān)系

??填充率為30%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，研磨速度常數(shù)增大，研磨能耗下降，因此高轉(zhuǎn)速下整體研磨效果比較好。

??3.1 不同轉(zhuǎn)速和填充率下介質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)

??隨著轉(zhuǎn)速率的提高，做拋落運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)是增加的。（如下圖）

??根據(jù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和介質(zhì)所在的能量進(jìn)行了理論的計(jì)算。認(rèn)為影響球磨機(jī)粉磨效果的因素拆分成兩大塊：

??第一，單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)對(duì)粉磨物料沖擊的頻率；

??第二，降落點(diǎn)處介質(zhì)速度?？煞譃榍邢蛩俣群头ㄏ蛩俣?

??3.3填充率對(duì)粉磨效果的影響機(jī)理

??填充率18%時(shí)其最佳的粉碎效果要大于30%時(shí)；相對(duì)滑動(dòng)的影響，18%填充率下曲線整體可以向左移動(dòng)。

??填充率為18%時(shí)的研磨效果整體上要優(yōu)于30%時(shí)的研磨效果。

??三、結(jié)論

??由上述試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：（1）填充率為18%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等細(xì)度的粉碎能耗呈下降趨勢(shì)，達(dá)到同等比表面積的研磨能耗呈下降趨勢(shì)；且目標(biāo)細(xì)度越小及目標(biāo)比表面積越大時(shí)，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越明顯。

??（2）填充率為30%時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，粉碎速度常數(shù)呈先增大后減小的拋物線規(guī)律，粉碎能耗呈上升趨勢(shì)。76%--79%時(shí)，粉碎速度常數(shù)較大，粉碎能耗較低；研磨速度常數(shù)增大，研磨能耗下降；最佳研磨效果的轉(zhuǎn)速高于最佳粉碎效果的轉(zhuǎn)速。

??（3）法向沖擊能量是影響粉碎效果的主要因素。當(dāng)轉(zhuǎn)速率在79%--82%以下的低轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，影響研磨效果的主要因素是法向沖擊能量；當(dāng)轉(zhuǎn)速率在79%--82%以上的高轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，影響研磨效果的主要因素是切向磨剝能量。

??（4）填充率提高，球磨介質(zhì)拋落的距離變短，其攜帶的能量也降低；高填充率下的腎形蠕動(dòng)區(qū)要大于低填充率，相同轉(zhuǎn)速時(shí)低填充率下的粉碎和研磨效果比高填充率下好。

??四、工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

??對(duì)廣東某公司大磨上進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。它也是輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)+水泥磨的開(kāi)路球磨機(jī)。由于現(xiàn)在大型的粉磨設(shè)備震動(dòng)較嚴(yán)重，因此只在這個(gè)機(jī)器上做了降低轉(zhuǎn)速的研究。總共做了三次試驗(yàn)。

??該公司5#水泥粉磨系統(tǒng)的配置為：一臺(tái)Φ1.7×1.1m輥壓機(jī)（配置功率1800kw）+V1000型選粉機(jī)的半終粉磨系統(tǒng)+m的開(kāi)路球磨機(jī)（配置功率3550kw）。其中球磨機(jī)有效內(nèi)徑4.08m，頭倉(cāng)有效長(zhǎng)度3.5m，尾倉(cāng)有效長(zhǎng)度8.6m。

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??第二次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果（如下圖）：

??第三次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(如下圖)：

??輥壓機(jī)半終粉磨+開(kāi)路球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)總結(jié)：

??（1）在現(xiàn)有輥壓機(jī)半終粉磨+開(kāi)路球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，通過(guò)變頻技術(shù)對(duì)水泥磨實(shí)施變頻降速后，可較大幅度降低水泥磨的運(yùn)行功率，增大輥壓機(jī)與球磨機(jī)運(yùn)行功率比值，產(chǎn)生良好的系統(tǒng)節(jié)電效果。水泥磨轉(zhuǎn)速?gòu)臑?0HZ調(diào)制44.5HZ，球磨機(jī)運(yùn)行功率下降12%，噸水泥電耗降低3.5%-6.2%，噸水泥電耗降幅達(dá)1-1.5度。臺(tái)產(chǎn)略有下降，產(chǎn)品顆粒分布有增寬趨勢(shì)，早期強(qiáng)度略有增加，物理性能變化不大，能滿足企業(yè)品質(zhì)控制要求。

??（2）對(duì)工業(yè)水泥粉磨系統(tǒng)的指導(dǎo)意義：最佳研磨效果時(shí)的轉(zhuǎn)速大于最佳粉碎效果時(shí)的轉(zhuǎn)速，工業(yè)磨機(jī)以最佳粉碎效果設(shè)定轉(zhuǎn)速率為76%。可以考慮利用變頻技術(shù)增加球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低球磨機(jī)的填充率或更換密度更小的研磨介質(zhì)，提高其整體粉磨能耗利用率，增大粉磨系統(tǒng)輥壓機(jī)與球磨機(jī)運(yùn)行功率的比值，產(chǎn)生較好的節(jié)電效果。進(jìn)一步可研究陶瓷球做研磨介質(zhì)與水泥磨變頻聯(lián)合的水泥粉磨技術(shù)。