吳笑梅：轉速與填充率對球磨機粉磨效果的影響及其機理研究

??目前，在礦業(yè)方面大型的球磨機實行電瓶調(diào)速取得了一些使用壽命延長、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)開始實行節(jié)能降耗，若把這個技術轉嫁到水泥粉磨這個系統(tǒng)上是否同意可行？華南理工大學副教授吳笑梅與教授樊粵明做了這方面的研究，并覺得這個研究結果有一定的意義，因此在2017年第九屆國際粉磨峰會上與大家分享了這項研究成果，而這也是該項研究報告首次公開。

??吳笑梅將報告從研究背景、研究方案、研究結果與結論、工業(yè)實驗結果與結論四個方面來闡述。

??一、研究背景

??1.球磨機

??應用領域：由于它的結構比較簡單可靠性比較強所以在冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑行業(yè)等各大領域都廣泛的應用。

??優(yōu)點：結構簡單，可靠性高，易于維護；在水泥粉磨領域，對水泥的顆粒分布及粒形的貢獻使之成為水泥粉磨工藝環(huán)節(jié)中重要的設備。

??趨勢：在目前水泥工業(yè)當中，煤磨、生料粉碎都已經(jīng)由球磨機向輥壓機半終粉磨+球磨機轉變。但正如合肥水泥研究設計院的副院長兼總工程師包瑋所說的，球磨機對于水泥的性能有不可替代的作用，所以目前來說，對于水泥的粉磨系統(tǒng)來說球磨機還是一個主流的組成設備之一。即使組成設備越來越大型化，不管是現(xiàn)在還是將來，球磨機在水泥粉磨系統(tǒng)中還是占據(jù)重要地位的。

??球磨機輸入磨機的功：它的能量轉換方面，一部分能轉變固體的表面能；另一部分，會產(chǎn)能大量的熱能、聲能散失于空間。因此，球磨機能量的利用率上來說是比較低的。

??2.轉速

??球磨機轉速固定不變，以磨內(nèi)研磨體具有最大降落高度這一理論設定的，對于沖擊粉碎作用具有很好的指導意義。然而對于目前水泥粉磨系統(tǒng)中球磨機所擔當?shù)难心プ饔脕碚f，其最佳轉速的確定仍值得進一步探討。在過去的粉磨系統(tǒng)中，填充率會直接影響到球磨機內(nèi)介質(zhì)的運動狀態(tài)。那么在我們以研磨為主的情況下，這個填充率到底是多少合適也是值得我們重新認識的。

??3.填充率

??在實際的粉磨過程中，填充率直接影響球磨機內(nèi)部介質(zhì)運動狀態(tài)，不同填充率下轉速對粉磨效果的影響有何變化也值得進一步研究。

??二、研究方案

??報告從以下四部分進行研究：建立合適的評價方法（從粉碎效果，研磨效果，達到同等粉碎/研磨效果的電耗水平來評價）；設計實驗，研究球磨機轉速和填充率對粉碎效果以及研磨效果的影響；在一端為透明有機玻璃端蓋的球磨機上，研究不同轉速、填充率下介質(zhì)運動狀態(tài)；根據(jù)實驗結果，利用介質(zhì)運動理論對其進行分析解釋

??1.建立合適的評價方法

??首先從粉磨動力學的模型來設定評價方法。粉碎速度：粗顆粒百分含量隨時間的變化速率。在粉磨過程的瞬間，某粒級顆粒減少的速率與物料中該粒級顆粒的含量稱正比。借助這個粉碎動力學方程我們自己也研發(fā)了一個研磨動力學方程：物料比表面積S隨時間的變化速率。假設比表面積隨時間的變化速率與此時物料比表面積和目標比表面積H的差值成正比。也就是說在球磨機的研磨過程中以物料比表面積S隨時間的變化速率來評價它的研磨速度。

??目前大部分的球磨機即使在輥壓機半終粉磨之后任然有兩倉，頭倉粗磨階段，二倉是細磨階段。吳笑梅在實驗室的小磨上面安裝變頻器，分別模擬大的球磨機的頭倉和二倉來研究不同的轉速率對破碎速度和研磨速度的影響。并且理論計算出達到同樣的破碎效果的時候，不同轉速率所對應的能耗水平，達到同樣比表面積的時候不同轉速率所對應的能耗水平。

研究方案設計

??2.設計實驗

??在試驗過程中，設置了兩個填充率的邊界條件，在試驗小磨上做試驗參數(shù)。研究了轉速率在58%和88%轉速范圍內(nèi)，研磨體的級配參照大磨的研磨體級配，在模擬粗磨試驗的時候就是用球磨機頭倉的級配。頭倉就是用二倉的級配。如圖。頭倉的物料我們是先取回來在實驗室的破碎機中先破碎。二倉的物料力度大概是篩余值是1%左右。

??2.1填充率為18%時轉速對粉磨效果的影響

??2.1.1粗磨實驗

??2.1.1.1轉速率與粉碎速度常數(shù)的關系

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

??2.1.1.2轉速率與粉碎能耗的關系

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

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

??2.1.2細磨實驗

??2.1.2.1 轉速率與物料研磨速度常數(shù)的關系?

??隨著轉速率的提高，研磨速度常數(shù)也是增加的。說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系。

??2.1.2.2 轉速率與研磨能耗的關系

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

??2.2填充率為30%時轉速對粉磨效果的影響

??2.2.1粗磨實驗

??2.2.1.1  轉速率與粉碎速度的關系

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

??填充率為30%時，隨著轉速率由70%增至88%，粉碎能耗呈上升趨勢；70%--79%時，能耗較低，在76%時達到最低。轉速過低時，粉磨時間比較長。最佳轉速率在76%-79%之間。

??2.2.2 細磨實驗

??2.2.2.1 轉速率與研磨速度常數(shù)及研磨能耗的關系

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

??3.1 不同轉速和填充率下介質(zhì)運動形態(tài)

??隨著轉速率的提高，做拋落運動的介質(zhì)是增加的。（如下圖）

??根據(jù)介質(zhì)的運動規(guī)律，對介質(zhì)的運動和介質(zhì)所在的能量進行了理論的計算。認為影響球磨機粉磨效果的因素拆分成兩大塊：

??第一，單位時間內(nèi)介質(zhì)對粉磨物料沖擊的頻率；

??第二，降落點處介質(zhì)速度。可分為切向速度和法向速度

??3.3填充率對粉磨效果的影響機理

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

??填充率為18%時的研磨效果整體上要優(yōu)于30%時的研磨效果。

??三、結論

??由上述試驗可得出以下結論：（1）填充率為18%時，隨著轉速率由58%增至88%，達到同等細度的粉碎能耗呈下降趨勢，達到同等比表面積的研磨能耗呈下降趨勢；且目標細度越小及目標比表面積越大時，不同轉速率之間的能耗差異越明顯。

??（2）填充率為30%時，隨著轉速率由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。76%--79%時，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；最佳研磨效果的轉速高于最佳粉碎效果的轉速。

??（3）法向沖擊能量是影響粉碎效果的主要因素。當轉速率在79%--82%以下的低轉速范圍時，影響研磨效果的主要因素是法向沖擊能量；當轉速率在79%--82%以上的高轉速范圍時，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區(qū)要大于低填充率，相同轉速時低填充率下的粉碎和研磨效果比高填充率下好。

??四、工業(yè)實驗結果與結論

??對廣東某公司大磨上進行變頻調(diào)速來進行試驗。它也是輥壓機半終粉磨系統(tǒng)+水泥磨的開路球磨機。由于現(xiàn)在大型的粉磨設備震動較嚴重，因此只在這個機器上做了降低轉速的研究?？偣沧隽巳卧囼灐?

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

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??第二次工業(yè)試驗結果（如下圖）：

??第三次工業(yè)試驗結果(如下圖)：

??輥壓機半終粉磨+開路球磨機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)工業(yè)試驗總結：

??（1）在現(xiàn)有輥壓機半終粉磨+開路球磨機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，通過變頻技術對水泥磨實施變頻降速后，可較大幅度降低水泥磨的運行功率，增大輥壓機與球磨機運行功率比值，產(chǎn)生良好的系統(tǒng)節(jié)電效果。水泥磨轉速從為50HZ調(diào)制44.5HZ，球磨機運行功率下降12%，噸水泥電耗降低3.5%-6.2%，噸水泥電耗降幅達1-1.5度。臺產(chǎn)略有下降，產(chǎn)品顆粒分布有增寬趨勢，早期強度略有增加，物理性能變化不大，能滿足企業(yè)品質(zhì)控制要求。

??（2）對工業(yè)水泥粉磨系統(tǒng)的指導意義：最佳研磨效果時的轉速大于最佳粉碎效果時的轉速，工業(yè)磨機以最佳粉碎效果設定轉速率為76%?？梢钥紤]利用變頻技術增加球磨機的轉速，降低球磨機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)輥壓機與球磨機運行功率的比值，產(chǎn)生較好的節(jié)電效果。進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。