立式磨粉磨過程的實驗樣機設(shè)計與分析

　　　　Design and Analysis on the Model Machineof Vertical Mill Grinding Process

Abstract    This paper presents the structure and the types of vertical roller mills. This paper introduces running mechanism of vertical roller mills－the mechanism of grinding in the material bed and three stages in the grinding process. According to the grinding process characteristics and production needs, technology scheme of experimental analysis has been set up. This paper analyzes the grinding characteristics from comminuted particle distribution, the influence of gap width in grinding processing, and the influence of roller shape in grinding processing.

Keywords    vertical roller mill, grinding, particle beds grinding, experiment

前言

　　現(xiàn)代化的水泥生產(chǎn)工藝對包括原料、固體燃料、熟料的混合材等粉料的制備質(zhì)量要求越來越高，不僅要有足夠的細度，還要有合理的顆粒組成，并能保證顆粒組成的均勻和穩(wěn)定。而粉磨又是水泥生產(chǎn)過程中電耗最高的工藝環(huán)節(jié)，使用傳統(tǒng)的粉磨設(shè)備——球磨機，約占水泥綜合電耗的60％～70％。盡管這個電耗數(shù)字與前20～30年相比已經(jīng)下降了30％左右。[1][2]由于立式磨和球磨組成的聯(lián)合粉磨生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出的水泥有比較寬的粒度分布范圍和比較好的水泥使用性能，因此立式磨裝備及工藝技術(shù)作為高效節(jié)能的粉磨方式不僅在我國水泥行業(yè)得到越來越廣地應(yīng)用，而且也越來越多地得到鋼鐵、電力、化工、冶金、非金屬礦行業(yè)的認同和采用[3]。

　　目前國內(nèi)外立式磨的種類有：雷蒙(LM)磨、萊歇(Loesche)磨、伯利鳩斯(Polysius)輥式磨、皮特斯(Peters)環(huán)球磨、阿托克斯(Atox)輥式磨、日本Kurimoto VX輥式磨、國內(nèi)TCGM型輥式磨和HRM型立式磨等。在國內(nèi)水泥行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的立式磨有：MPS磨、伯利鳩斯(Polysius)輥式磨、萊歇磨、Atox磨、HRM磨、LM磨等，其磨輥和磨盤形式如圖1所示。

1 粉磨機理的研究

　　粉碎是一個使用外力克服固體物料的內(nèi)聚力使物料破碎，使其粒徑減小，表面積增大的過程。立式磨粉磨機理就是料床粉碎。工作時，通過液壓加壓裝置給磨輥以很大的壓力，壓向磨盤，磨輥和磨盤之間不直接接觸形成料床，磨輥始終在磨盤的碾壓滾道上碾壓物料。物料層在磨輥與磨盤之間除主要受壓力作用之外，還受一定的剪切力，物料每通過磨輥一次，就要受到一次擠壓和剪切作用[4]。物料在料床中粉碎時經(jīng)過三個階段：壓緊階段、擠壓階段和膨脹階段。

　　在壓緊階段，物料由松散狀態(tài)逐漸壓緊密實，排出約占體積40%的空氣。在該階段由于物料通過的截面大幅度縮小，而通過的物料量保持不變，物料的運動速度呈加速度狀態(tài)。該階段的功率消耗只占總消耗量的2%。

　　在擠壓階段，由于物料顆粒不規(guī)則，因此物料每個顆粒所受壓力是不均勻的，同時也是不規(guī)則的，物料顆粒除了受到各個顆粒之間的擠壓力外，還受到顆粒之間由于摩擦而產(chǎn)生的剪切力及因拱架而產(chǎn)生的彎曲力，當(dāng)物料顆粒與磨輥之間及物料顆粒之間的接觸應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力超過物料本身的強度極限時，物料顆粒就發(fā)生破碎。

　　在理論上當(dāng)壓力足夠大時，受壓的料層會變?yōu)樗蟮募毞?，但由于物料顆粒大小的不均勻，大顆?？偸鞘紫仁芰Χ冗_到其強度極限而發(fā)生粉碎，當(dāng)顆粒大小趨于一致，所有顆粒都小于某一粒徑后，料層變成料餅，造成粉磨困難。解決的方法就是及時的將合格的細粉分離出來。
在膨脹階段，隨著壓力逐漸降低，被壓緊的物料會出現(xiàn)一些膨脹。物料層的厚度和磨輥與磨盤之間的間隙有輕微的差別。

2 實驗研究

　　為了系統(tǒng)研究立式磨的粉磨原理、各種因素對磨機性能的影響以及不同磨輥和磨盤形狀對加工的影響等問題，作者設(shè)計了立式磨實驗樣機，并進行了以下研究。

2.1  實驗裝置

　　實驗裝置由磨盤、磨輥、電機、傳動齒輪、加壓杠桿、支架和底座等部分組成(見圖2)，磨盤和磨輥也可根據(jù)實驗要求調(diào)換成圓柱形或圓錐形。作用在磨輥軸上的壓力有兩部分，一部分是磨輥軸部件的重量，另一部分是杠桿的重量及加在杠桿上的配重。磨盤上有兩塊刮板，分別將盤邊緣及中心的物料刮到磨輥下，既保證所有的物料都能受到輥壓，又保持了料床的穩(wěn)定，降低振動。

　　實驗機參數(shù)：電機功率N =5.5kW，齒輪傳動比i =8，電機額定轉(zhuǎn)速n =1440r/min，電機額定轉(zhuǎn)矩M =36.476Nm，磨盤轉(zhuǎn)速n1 =180r/min，磨盤直徑Dm =400mm，胎形磨輥大徑D =138mm、長度L =76mm、磨輥最大壓力P =3026N。

2.2  實驗裝置的特點

　　該裝置結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，具有以下特點：

(1)工作原理與實際工程設(shè)備相符。粉磨的主驅(qū)動力由電機通過減速施加于磨盤，與實際上產(chǎn)中立式磨的驅(qū)動方式一致。

(2)能夠?qū)Σ煌ポ佇螤畹姆勰バ阅苓M行對比。實驗裝置可以更換不同形狀的磨輥和磨盤，因此可以對比柱形磨輥、錐形磨輥和胎形磨輥的粉磨加工性能。

(3)針對胎形磨輥，設(shè)計了多套不同曲率的磨輥磨盤，為HRM型立式磨的設(shè)計開發(fā)提供了依據(jù)。

2.3  立式磨的主要計算公式

 
2.4  實驗研究與分析

2.4.1 粉磨粒度分布規(guī)律

　　在相同的粉磨循環(huán)次數(shù)和相同的磨輥液壓力下，采用不同形狀的磨輥，物料的顆粒分布情況也不相同。圖3給出了在相同的粉磨循環(huán)次數(shù)和磨輥液壓力下不同磨輥形狀的實驗細粉(物料顆粒粒徑在10～1000μm)篩余量的分布趨勢。

　　資料顯示，在物料顆粒粒徑<100μm時，三種實驗樣加工物料的顆粒分布曲線有趨同的趨勢。但物料顆粒粒徑在100～1000μm時，各種輥形的粉磨效果是有差別的，同一輥形的磨輥尺寸、曲率不同，粉磨效果也是有區(qū)別的。

　　本實驗樣機的應(yīng)用，能高效、合理的驗證這些規(guī)律，并能給出各種磨輥形狀和尺寸比率下粉磨過程的合理參考工藝參數(shù)。

2.4.2 磨輥和磨盤的間隙對加工性能的影響

　　磨輥和磨盤的間隙與以下三個方面相關(guān)：(1)粉磨物料的內(nèi)摩擦力；(2)磨輥液壓力；(3)粉磨物料的壓塑性。

　　通常粉磨加工中磨輥和磨盤的間隙為磨輥直徑  的0.005～0.025倍。在粉磨加工中磨輥和磨盤的間隙隨著壓力的增大逐漸減小。圖4所示為磨輥和磨盤的間隙與磨輥液壓力的關(guān)系。

2.4.3 磨輥形狀對加工性能的影響

　　在粉磨加工中，不同形狀磨輥的粉磨效果互不相同。在相同比能耗和篩選粒徑下，胎形磨輥的產(chǎn)品的通過率最高。在料床平穩(wěn)的加工過程中，胎形磨輥可較好的與料床上的物料接觸并將擠壓力傳遞給物料；實際生產(chǎn)工程中，磨輥的形狀、尺寸、胎形輥的曲率等對產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和效率影響都是比較大的，本實驗樣機所實驗得出的數(shù)據(jù)，對改進現(xiàn)有磨型和開發(fā)新型磨機具有重要參考和指導(dǎo)價值。

3 結(jié)論

　　本文對比了三種不同磨輥形狀的實驗樣機的加工性能，并進行了分析，為進一步研究立式磨的加工性能和水泥生產(chǎn)廠商選取合理的立式磨種類提供了依據(jù)。