吴笑梅：转速与填充率对球磨机粉磨效果的影响及其机理研究

  目前，在矿业方面大型的球磨机实行电瓶调速取得了一些使用寿命延长、能耗下降等效果。就目前水泥行业环保压力不断增加的背景下，水泥行业开始实行节能降耗，若把这个技术转嫁到水泥粉磨这个系统上是否同意可行？华南理工大学副教授吴笑梅与教授樊粤明做了这方面的研究，并觉得这个研究结果有一定的意义，因此在2017年第九届国际粉磨峰会上与大家分享了这项研究成果，而这也是该项研究报告首次公开。

  吴笑梅将报告从研究背景、研究方案、研究结果与结论、工业实验结果与结论四个方面来阐述。

  一、研究背景

  1.球磨机

  应用领域：由于它的结构比较简单可靠性比较强所以在冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑行业等各大领域都广泛的应用。

  优点：结构简单，可靠性高，易于维护；在水泥粉磨领域，对水泥的颗粒分布及粒形的贡献使之成为水泥粉磨工艺环节中重要的设备。

  趋势：在目前水泥工业当中，煤磨、生料粉碎都已经由球磨机向辊压机半终粉磨+球磨机转变。但正如合肥水泥研究设计院的副院长兼总工程师包玮所说的，球磨机对于水泥的性能有不可替代的作用，所以目前来说，对于水泥的粉磨系统来说球磨机还是一个主流的组成设备之一。即使组成设备越来越大型化，不管是现在还是将来，球磨机在水泥粉磨系统中还是占据重要地位的。

  球磨机输入磨机的功：它的能量转换方面，一部分能转变固体的表面能；另一部分，会产能大量的热能、声能散失于空间。因此，球磨机能量的利用率上来说是比较低的。

  2.转速

  球磨机转速固定不变，以磨内研磨体具有最大降落高度这一理论设定的，对于冲击粉碎作用具有很好的指导意义。然而对于目前水泥粉磨系统中球磨机所担当的研磨作用来说，其最佳转速的确定仍值得进一步探讨。在过去的粉磨系统中，填充率会直接影响到球磨机内介质的运动状态。那么在我们以研磨为主的情况下，这个填充率到底是多少合适也是值得我们重新认识的。

  3.填充率

  在实际的粉磨过程中，填充率直接影响球磨机内部介质运动状态，不同填充率下转速对粉磨效果的影响有何变化也值得进一步研究。

  二、研究方案

  报告从以下四部分进行研究：建立合适的评价方法（从粉碎效果，研磨效果，达到同等粉碎/研磨效果的电耗水平来评价）；设计实验，研究球磨机转速和填充率对粉碎效果以及研磨效果的影响；在一端为透明有机玻璃端盖的球磨机上，研究不同转速、填充率下介质运动状态；根据实验结果，利用介质运动理论对其进行分析解释

  1.建立合适的评价方法

  首先从粉磨动力学的模型来设定评价方法。粉碎速度：粗颗粒百分含量随时间的变化速率。在粉磨过程的瞬间，某粒级颗粒减少的速率与物料中该粒级颗粒的含量称正比。借助这个粉碎动力学方程我们自己也研发了一个研磨动力学方程：物料比表面积S随时间的变化速率。假设比表面积随时间的变化速率与此时物料比表面积和目标比表面积H的差值成正比。也就是说在球磨机的研磨过程中以物料比表面积S随时间的变化速率来评价它的研磨速度。

  目前大部分的球磨机即使在辊压机半终粉磨之后任然有两仓，头仓粗磨阶段，二仓是细磨阶段。吴笑梅在实验室的小磨上面安装变频器，分别模拟大的球磨机的头仓和二仓来研究不同的转速率对破碎速度和研磨速度的影响。并且理论计算出达到同样的破碎效果的时候，不同转速率所对应的能耗水平，达到同样比表面积的时候不同转速率所对应的能耗水平。

研究方案设计

  2.设计实验

  在试验过程中，设置了两个填充率的边界条件，在试验小磨上做试验参数。研究了转速率在58%和88%转速范围内，研磨体的级配参照大磨的研磨体级配，在模拟粗磨试验的时候就是用球磨机头仓的级配。头仓就是用二仓的级配。如图。头仓的物料我们是先取回来在实验室的破碎机中先破碎。二仓的物料力度大概是筛余值是1%左右。

  2.1填充率为18%时转速对粉磨效果的影响

  2.1.1粗磨实验

  2.1.1.1转速率与粉碎速度常数的关系

  转速率与粉碎速度常数的关系，下图中可以发现筛余值都是随着转速率的增加而下降的。0.9mm K破>0.2mm K破>0.08mm K破；细颗粒粉碎速度随着转速的变化不如粗颗粒敏感。

  2.1.1.2转速率与粉碎能耗的关系

  从研究转速率与粉碎能耗的关系中（如下图）我们可以看出：随着转速率的提高，粉碎能耗的常数是增大的。

  粉碎至相同筛余时不同转速下的粉碎能耗：在达到同样筛余的情况下，不同转速率达到的能耗是不一样的。填充率为18%时，随着转速率由58%增至88%，达到同等细度的粉碎能耗呈下降趋势；且目标细度越小，不同转速率之间的能耗差异越大。

  2.1.2细磨实验

  2.1.2.1 转速率与物料研磨速度常数的关系 

  随着转速率的提高，研磨速度常数也是增加的。说明研磨效果也是变好的。我们把能量的参数引用到方程里，可以得到比表面积和研磨速度之间的关系。

  2.1.2.2 转速率与研磨能耗的关系

  填充率为18%时，随着转速率由58%增至88%，达到同等比表面积的研磨能耗呈下降趋势；且目标比表面积越大，不同转速率之间的能耗差异越大。

  2.2填充率为30%时转速对粉磨效果的影响

  2.2.1粗磨实验

  2.2.1.1  转速率与粉碎速度的关系

  K破79%时最高；0.2mm K破>0.08mm K破.粗磨阶段，介质对粗物料颗粒的粉碎作用更强。

  填充率为30%时，随着转速率由70%增至88%，粉碎能耗呈上升趋势；70%--79%时，能耗较低，在76%时达到最低。转速过低时，粉磨时间比较长。最佳转速率在76%-79%之间。

  2.2.2 细磨实验

  2.2.2.1 转速率与研磨速度常数及研磨能耗的关系

  填充率为30%时，随着转速率由70%增至88%，研磨速度常数增大，研磨能耗下降，因此高转速下整体研磨效果比较好。

  3.1 不同转速和填充率下介质运动形态

  随着转速率的提高，做抛落运动的介质是增加的。（如下图）

  根据介质的运动规律，对介质的运动和介质所在的能量进行了理论的计算。认为影响球磨机粉磨效果的因素拆分成两大块：

  第一，单位时间内介质对粉磨物料冲击的频率；

  第二，降落点处介质速度。可分为切向速度和法向速度

  3.3填充率对粉磨效果的影响机理

  填充率18%时其最佳的粉碎效果要大于30%时；相对滑动的影响，18%填充率下曲线整体可以向左移动。

  填充率为18%时的研磨效果整体上要优于30%时的研磨效果。

  三、结论

  由上述试验可得出以下结论：（1）填充率为18%时，随着转速率由58%增至88%，达到同等细度的粉碎能耗呈下降趋势，达到同等比表面积的研磨能耗呈下降趋势；且目标细度越小及目标比表面积越大时，不同转速率之间的能耗差异越明显。

  （2）填充率为30%时，随着转速率由70%增至88%，粉碎速度常数呈先增大后减小的抛物线规律，粉碎能耗呈上升趋势。76%--79%时，粉碎速度常数较大，粉碎能耗较低；研磨速度常数增大，研磨能耗下降；最佳研磨效果的转速高于最佳粉碎效果的转速。

  （3）法向冲击能量是影响粉碎效果的主要因素。当转速率在79%--82%以下的低转速范围时，影响研磨效果的主要因素是法向冲击能量；当转速率在79%--82%以上的高转速范围时，影响研磨效果的主要因素是切向磨剥能量。

  （4）填充率提高，球磨介质抛落的距离变短，其携带的能量也降低；高填充率下的肾形蠕动区要大于低填充率，相同转速时低填充率下的粉碎和研磨效果比高填充率下好。

  四、工业实验结果与结论

  对广东某公司大磨上进行变频调速来进行试验。它也是辊压机半终粉磨系统+水泥磨的开路球磨机。由于现在大型的粉磨设备震动较严重，因此只在这个机器上做了降低转速的研究。总共做了三次试验。

  该公司5#水泥粉磨系统的配置为：一台Φ1.7×1.1m辊压机（配置功率1800kw）+V1000型选粉机的半终粉磨系统+m的开路球磨机（配置功率3550kw）。其中球磨机有效内径4.08m，头仓有效长度3.5m，尾仓有效长度8.6m。

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  第二次工业试验结果（如下图）：

  第三次工业试验结果(如下图)：

  辊压机半终粉磨+开路球磨机联合粉磨系统工业试验总结：

  （1）在现有辊压机半终粉磨+开路球磨机联合粉磨系统中，通过变频技术对水泥磨实施变频降速后，可较大幅度降低水泥磨的运行功率，增大辊压机与球磨机运行功率比值，产生良好的系统节电效果。水泥磨转速从为50HZ调制44.5HZ，球磨机运行功率下降12%，吨水泥电耗降低3.5%-6.2%，吨水泥电耗降幅达1-1.5度。台产略有下降，产品颗粒分布有增宽趋势，早期强度略有增加，物理性能变化不大，能满足企业品质控制要求。

  （2）对工业水泥粉磨系统的指导意义：最佳研磨效果时的转速大于最佳粉碎效果时的转速，工业磨机以最佳粉碎效果设定转速率为76%。可以考虑利用变频技术增加球磨机的转速，降低球磨机的填充率或更换密度更小的研磨介质，提高其整体粉磨能耗利用率，增大粉磨系统辊压机与球磨机运行功率的比值，产生较好的节电效果。进一步可研究陶瓷球做研磨介质与水泥磨变频联合的水泥粉磨技术。