粉磨系統(tǒng)中高效選粉機的研究與應(yīng)用

一、研究的目的與意義

眾所周知，球磨機對物料的粉碎主要是依靠研磨體對物料的沖擊與研磨作用來實現(xiàn)的，這種沖擊及研磨作用是通過研磨體的表面?zhèn)鬟f給與之相接觸的物料的，屬于單顆粒粉碎。由于單顆粒粉碎的偶然性，使大量的能量消耗在研磨體之間及研磨體與磨機襯板之間的碰撞與磨損上，因而其效率很低。據(jù)Answlm的粉碎功理論測定：軸承、齒輪等純機械損失占12.3%；隨產(chǎn)品散熱占47.6%；從磨機筒體散發(fā)的輻射占6.4%；空氣帶走熱量占31.4%；用于粉碎物料的理論能量消耗僅占很小的一部分，約為2.3%。

目前，一般在以下兩個方面加以改進(jìn)，以提高球磨機的粉磨效率。一是改變內(nèi)部裝置。節(jié)能襯板、可調(diào)隔倉板的研制成功，為粉磨系統(tǒng)降低了能耗。第二方面是改變粉磨系統(tǒng)，將原來的開路粉磨系統(tǒng)改為閉路粉磨系統(tǒng)。與之相應(yīng)的，選粉機也因技術(shù)發(fā)展的需要，為提高選粉效率，降低系統(tǒng)能耗，由傳統(tǒng)的第一代離心式選粉機、第二代旋風(fēng)式選粉機發(fā)展到第三代高效選粉機。

開路粉磨系統(tǒng)具有流程簡單、設(shè)備少、投資省、操作方便等特點。但由于物料必需全部達(dá)到成品細(xì)度的部分物料才能出磨，因此，當(dāng)細(xì)度要求較高時，已被磨細(xì)達(dá)到細(xì)度要求的部分物料不能及時卸出而出現(xiàn)過粉磨現(xiàn)象，導(dǎo)致粉磨系統(tǒng)的粉磨效率降低、能耗增加（當(dāng)粉磨高標(biāo)號水泥及易磨性差別大的混合粉時，過粉磨現(xiàn)象更為嚴(yán)重）。閉路粉磨系統(tǒng)由于配備了選粉機，能將粉磨后的合格物料及時分離出來，從而可有效地減少過粉磨現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的粉磨效率及產(chǎn)量，降低能耗；同時產(chǎn)品細(xì)度均勻，并可通過調(diào)節(jié)選粉設(shè)備的操作參數(shù)來靈活控制，以滿足生產(chǎn)要求。缺點是系統(tǒng)流程較為復(fù)雜，投資較大。

對上述兩種粉磨系統(tǒng)的取舍，主要取決于對產(chǎn)品細(xì)度的要求。據(jù)文獻(xiàn)介紹，當(dāng)粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)品比表面積低于3100cm2/g時，兩種系統(tǒng)（包括輔機在內(nèi)）的產(chǎn)品單位電耗相當(dāng)；但當(dāng)細(xì)度要求較高時，開路系統(tǒng)的單位電耗明顯高于閉路系統(tǒng)。由于建筑業(yè)的發(fā)展，對水泥強度的要求越來越高，相應(yīng)的也提高了對產(chǎn)品細(xì)度的要求；同時，閉路系統(tǒng)更易于控制產(chǎn)品細(xì)度，改變產(chǎn)品品種，對市場的適應(yīng)性更強。因此，閉路系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

作為閉路粉磨系統(tǒng)的一個重要的配套設(shè)備——選粉機，雖然本身并無粉碎物料的作用，但其性能好壞直接影響到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，即影響到系統(tǒng)的粉磨效率、產(chǎn)量及能耗。因此，高效選粉機技術(shù)的研究具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、粉磨系統(tǒng)增產(chǎn)降耗的要求。與高效選粉機機配套的粉磨系統(tǒng)，具有更高的粉磨效率、產(chǎn)量及較低的能耗。配有傳統(tǒng)選粉機的閉路粉磨系統(tǒng)，在生產(chǎn)一般細(xì)度的水泥時，單位能耗并不比開路系統(tǒng)低；生產(chǎn)高細(xì)度水泥時，盡管與開路相比，電耗降低、產(chǎn)量提高，但與生產(chǎn)一般細(xì)度水泥時相比，產(chǎn)量有較大幅度的降低。而如果采用高效選粉機機，雖然也有類似現(xiàn)象，但其降低幅度明顯減小。

2、水泥質(zhì)量要求的提高，也對選粉機提出了更高的要求。一方面是使用廠家對水泥質(zhì)量的要求提高，有向高細(xì)度、高標(biāo)號水泥發(fā)展的趨勢，而對高細(xì)度水泥的生產(chǎn)，開路粉磨或帶傳統(tǒng)選粉機的閉路粉磨系統(tǒng)又很難勝任。另一方面是人們對水泥質(zhì)量認(rèn)識的進(jìn)一步深入，使得在評價水泥質(zhì)量方面的一些觀點發(fā)生了變化。最初，作為水泥質(zhì)量主要指標(biāo)之一的水泥細(xì)度是用篩余控制的，用篩余控制只能反映成品中粗顆粒的多少，不能反映全部顆粒的粗細(xì)情況；而后發(fā)展到比表面積控制，水泥越細(xì)，比表面積越大?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，即使是比表面相同的水泥產(chǎn)品，因采用的粉磨流程、選粉方式不同，其強度也有差別。閉路粉磨配高效選粉機可以低一些，其原因在于顆粒級配的不同。研究表明，水泥顆粒組成中不同粗細(xì)的顆粒對水泥水化性能的作用是不同的。大于60μm的顆粒對水泥強度作用甚微，只起填料作用；小于3μm的顆粒的水化過程在硬化初期就已完成，只對水泥早期強度有利；3-30μm的顆粒是水泥的主要活性部分、承擔(dān)強度增長的主要粒徑。對此，一些水泥品種曾對3-30μm顆粒的含量提出了具體的要求：

普通硅酸鹽水泥：40-50%

高強快硬水泥：50-60%

超高強快硬水泥：＞70%

由此可見，水泥質(zhì)量與水泥成品中3-30μm顆粒的含量有很大關(guān)系。而在水泥粉磨作業(yè)中，要得到某一粒徑范圍含量較高，分布相對較窄的水泥產(chǎn)品，只有通過高效選粉機來調(diào)節(jié)、控制，否則難以實現(xiàn)。

3、高效選粉機技術(shù)的研究成果，既可拓展到非金屬礦、化工、食品等行業(yè)的分選技術(shù)中；也對超細(xì)粉分級技術(shù)的研究具有一定的參考價值，而超細(xì)粉的分級又是機械法制備超細(xì)粉領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵技術(shù)。

二、選粉機的發(fā)展與現(xiàn)狀

水泥工業(yè)用選粉機是由英國人Munfond和Moadie于1885發(fā)明的，后由德國人取得制造權(quán)，1888年開始出售。由于美國生產(chǎn)商斯特蒂文特（Sturtovant）公司生產(chǎn)的這種選粉機最為有名，故習(xí)慣上稱為Sturtevant型選粉機，亦即離心式選粉機，這就是所謂的第一代選粉機。隨著世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，德國洪堡——維達(dá)格公司于60年代初研制開發(fā)了洪堡——維達(dá)格型選粉機，即所謂的旋風(fēng)式選粉機，也就是第二代選粉機。第一代選粉機由于結(jié)構(gòu)與工作原理的限制，選粉效率不高，粉磨系統(tǒng)的效率與產(chǎn)量提高有限；第二代選粉機因其核心結(jié)構(gòu)并沒有脫離第一代選粉機的范疇，工作原理上無根本性的變化，所以性能提高有限。近十年來，選粉機的研究有了突破性的發(fā)展，國外各公司相繼開發(fā)出了新型高效第三代選粉機，例如日本小野田公司率先推出的O-Sepa型選粉機，因采用新的分級結(jié)構(gòu)與原理，顯著提高了選粉機的選粉效率及產(chǎn)量，水泥質(zhì)量與系統(tǒng)能耗也得到改善。

三、各類選粉機的性能特點及分級機理

3.1離心式選粉機

離心式選粉機由于本身結(jié)構(gòu)的缺陷，存在選粉效率低，細(xì)度調(diào)節(jié)不方便等缺點，當(dāng)要求生產(chǎn)產(chǎn)量高、細(xì)度高和多品種水泥時，表現(xiàn)得更為突出。通常認(rèn)為，空氣選粉機的選粉過程主要分以下三個環(huán)節(jié)：物料的分散、分級及細(xì)粉的收集。而離心式選粉機正是在這三個環(huán)節(jié)上不同程度地存在著問題，現(xiàn)分析如下：

離心式選粉機內(nèi)顆粒的受力情況如下：

重力Fg，方向向下，大小與顆粒質(zhì)量成正比；

離心力Fe，方向為水平徑向向外，大小隨顆粒所處位置不同而變化；

氣體阻力Fd，其方向與大小均隨所處位置不同而變化。

三者合力為R。由于在分級區(qū)內(nèi)，截面形狀變化較大，致使各截面的氣流速度的大小與方向變化較大，分級氣流不能形成穩(wěn)定、均齊的分級力場。因此，在分級區(qū)內(nèi)同一粒徑大小的顆粒會因處在不同的位置而受到大小與方向都不同的合力。由上而下的分級氣流在分級區(qū)上部蓋風(fēng)板處，因突然變向形成一死角，在死角內(nèi)形成局部渦流，干擾分級區(qū)的流場；同時，機壁效應(yīng)的存在，也影響細(xì)粉的分離，使部分細(xì)粉與粗粉一起碰到內(nèi)壁而沉降。這兩方面的因素導(dǎo)致選粉機無明確的分級界面和穩(wěn)定的分級力場，分級精度低。

物料在選粉機內(nèi)主要靠撒料盤的離心力拋出分散，不可能在整個截面上均勻分布；同時，分級區(qū)內(nèi)流場的不穩(wěn)定更加劇了物料的分散不均，而物料充分、均勻的分散卻是實現(xiàn)高效率分級的前提條件。

離心式選粉機的細(xì)粉收集靠外筒體，由于外筒體的直徑較大，細(xì)粉收集效率較低，大量微細(xì)粉隨氣流循環(huán)，一方面增加了分級區(qū)的粉體濃度，加劇了顆粒間的相互干擾；另一方面，粉體濃度的增加，細(xì)粉更易團聚或與粗粉一起向機壁沉降，使粗粉中的細(xì)粉含量增加。

由于上述諸因素的影響，導(dǎo)致了選粉機選粉效率的降低。

3.2旋風(fēng)式選粉機

由于旋風(fēng)式選粉機外部設(shè)立了獨立的空氣循環(huán)風(fēng)機，取代離心式選粉機內(nèi)的大風(fēng)葉；機體四周布置6-8個旋風(fēng)收塵器，用以收集細(xì)粉，將離心式選粉機的內(nèi)循環(huán)方式改為外循環(huán)方式，把選粉機的物料分級與細(xì)粉收集兩過程分開，使旋風(fēng)式選粉機相對于離心式選粉機具有如下的優(yōu)點：

⑴轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量可分別調(diào)節(jié)，既易于調(diào)節(jié)產(chǎn)品細(xì)度，也擴大了細(xì)度的調(diào)節(jié)范圍。水泥產(chǎn)品的比表面積可調(diào)范圍為2500-7000cm2/g。

⑵采用小直徑的旋風(fēng)收塵器收集細(xì)粉，可提高細(xì)粉的收集效率（其收集效率可達(dá)90%，而離心式選粉機的收集效率僅為50%），減少細(xì)粉的循環(huán)量，有利于提高選粉效率。

⑶選粉效率提高，處理風(fēng)量增加。在相同的選粉能力下，旋風(fēng)式選粉機的機體直徑較離心式選粉機小，分級室單位截面積的處理物料量比離心式選粉機高2-2.5倍。

盡管如此，由于旋風(fēng)式選粉機的分級結(jié)構(gòu)與離心式選粉機相似，對離心式選粉機所存在的主要缺陷（如分級力場的不穩(wěn)定、機壁效應(yīng)局部渦流的存在等）都未能消除。因此，其分級性能的改善是有限的。

3.3第三代高效選粉機（以0-Sepa選粉機為例）

加入選粉機的物料自上而下通過由選粉機轉(zhuǎn)子上垂直布置的渦流調(diào)節(jié)葉片與導(dǎo)向葉片組成的較高的分級機會。在分級區(qū)內(nèi)，不存在機壁效應(yīng)和死角引起的局部渦流，在同一半徑的任何高度上內(nèi)外壓差始終一致，氣流速度相等，從而保證了顆粒所受各力的平衡關(guān)系穩(wěn)定不變。緩沖板的撞擊及水平渦流的沖涮，使物料充分分散并均勻地分布于分級區(qū)內(nèi)。這使得分級機具有如下性能特點：

1、選粉效率高，一般都在85%以上。

2、精度高，即特勞姆（Tromp）曲線比較陡。

3、細(xì)度調(diào)節(jié)簡單、靈敏、準(zhǔn)確。

據(jù)文獻(xiàn)介紹，離心式選粉機的選粉率一般在40-60%，分級精度小于0.3；旋風(fēng)式選粉機的選粉效率一般在60%左右，分級精度為0.3-0.45；以0-Sepa為代表的第三代高效選粉機的選粉效率一般在80%以上，分級精度可達(dá)0.5左右。

目前，國內(nèi)對選粉機的研究也主要集中在高效選粉機研究開發(fā)，或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的改造上，在消化吸收國外同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的同時，力求有所突破，研制出高性能的選粉機。

四、高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機的研制與性能

高效選粉機性能的優(yōu)越性是顯而易見的，但由于選粉機主體不帶細(xì)粉收集裝置，需配備與其處理風(fēng)量相匹配的大規(guī)格的袋式收塵或電除塵器用以收集成品，這無疑較大幅度地增加了系統(tǒng)投資，也使工藝布置復(fù)雜，操作控制困難，在一定程度上限制了高效選粉機的推廣應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子式選粉機就是針對上述情況而研制的一種新型高效選粉機，以期在性能上達(dá)到目前高效選粉機的效果，在系統(tǒng)的布置、投資及工藝的復(fù)雜性等方面又優(yōu)于高效選粉機，這無疑對水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展、粉磨系統(tǒng)的節(jié)能增產(chǎn)很有意義的。在此基礎(chǔ)上，針對目前水泥廠水泥細(xì)度的新要求，我們又與清華紫光吉利達(dá)公司共同研制了新型的雙轉(zhuǎn)子選粉機。

高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機的結(jié)構(gòu)特點如下：

1、采用離心力場作為分級力場，結(jié)構(gòu)上采用雙籠式轉(zhuǎn)子。考慮到選粉機內(nèi)氣流運動及分布的特點，轉(zhuǎn)子采用倒錐形結(jié)構(gòu)，以保證選粉機分級室內(nèi)分級力場的穩(wěn)定。

2、籠式轉(zhuǎn)子與撒料盤一起安裝在主軸上，主軸由調(diào)速電機傳動，從而保證了分級力場的強度可通過改變電機轉(zhuǎn)速靈活調(diào)節(jié)，以改變分級力場中顆粒的受力情況，控制分級的切割粒徑，調(diào)節(jié)產(chǎn)品的細(xì)度與粒度組成。

3、采用高拋撒力的螺槳式撒料盤，使物料能比較均勻地分散于分級區(qū)內(nèi)，采用約束內(nèi)錐，以穩(wěn)定選粉室內(nèi)的氣體流場，并與環(huán)狀進(jìn)風(fēng)的滴流裝置一起形成二次分選結(jié)構(gòu)，以增強二次分選的效果，減少粗粉中混入的細(xì)粉量。

4、細(xì)粉的收集采用多個小規(guī)格高效旋風(fēng)筒并聯(lián)，布置于選粉機主體的四周形成一整體，一方面提高了細(xì)粉的分離效率，另一方面與其它高效選粉機相比，簡化了系統(tǒng)流程，節(jié)約了系統(tǒng)投資，調(diào)節(jié)、控制更為方便。

5、選粉機的處理風(fēng)量采用外部循環(huán)風(fēng)機供給，由選粉機下部切向?qū)脒x粉機，并經(jīng)滴流管的分流作用形成一旋轉(zhuǎn)上升的流場進(jìn)入選粉室，與經(jīng)撒料盤分散于該區(qū)域的物料充分混合，形成一較為穩(wěn)定的分級流場使物料分級，分級后的細(xì)粉由氣流攜帶流出選粉機，導(dǎo)入旋風(fēng)筒實現(xiàn)氣固分離。這樣，選粉機內(nèi)的處理風(fēng)量可通過風(fēng)機管道中的調(diào)節(jié)閥門控制，與可調(diào)轉(zhuǎn)速的籠式轉(zhuǎn)子一起，調(diào)節(jié)分級室內(nèi)的分級力場，進(jìn)而控制產(chǎn)品的細(xì)度與粒度組成。

另外，考慮到目前水泥行業(yè)第一代，第二代選粉機的應(yīng)用較為普遍，特別是第二代選粉機的應(yīng)用更為普遍，在生產(chǎn)應(yīng)用中，如能采取有效措施加以改造，改善選粉機的性能，也是提高粉磨系統(tǒng)的效率、產(chǎn)量，降低能耗的有效途徑。因此，高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分考慮到將該技術(shù)應(yīng)用于原有選粉機改造的可能性，以達(dá)到該技術(shù)既可作為一種新型高效選粉機的研制，也可用以對現(xiàn)有選粉機的改造。

由上述的結(jié)構(gòu)特點決定、并經(jīng)實驗研究及生產(chǎn)應(yīng)用表明，高效雙轉(zhuǎn)子式選粉機具有如下的性能特點：

1、物料在分級室內(nèi)，在較強的旋流及徑向剪切力的作用下，物料分散性好且強度高，分級效率高。

2、分選物料都經(jīng)過分級界面分明的選粉區(qū)，各部分的選粉條件穩(wěn)定，故選粉機的分級精度高。

3、細(xì)度調(diào)節(jié)方便可靠，且調(diào)節(jié)范圍較寬，可通過調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速及風(fēng)量靈活控制。

4、可使開流磨增產(chǎn)40-60%，選粉效率可達(dá)85%以上。如對現(xiàn)有旋風(fēng)式選粉機或離心式選粉機進(jìn)行改造，可在不改變主體結(jié)構(gòu)及電機負(fù)荷的情況下，確保效率在85%以上，增產(chǎn)20-30%。

5、在相同產(chǎn)量的情況下，與高效渦流式選粉機相比其效率相當(dāng)，但可降低系統(tǒng)投資20-30%，與旋風(fēng)式及高效離心式選粉機相比，不但可減少設(shè)備規(guī)格，并可提高效率20-40%。