（机械制造及其自动化专业论文）立式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究.pdf

g r i n d i n gp r o p e r t i e sa n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d y o fv e r t i c a lr o l l e rm i l l b y n i e j i n g h a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z ex i a n g b o at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：戛生白日期：! f ，z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈盟赴导师签名：捌日期：五卿 。“1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 济南大学硕e 学位论文 曼曼量曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼! ! ! 曼曼曼量量曼曼曼曼兰曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼舅曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈皇舅 目录 摘要v a b s t r a c t 1 u fii 第一章绪论1 1 1 课题的背景、目的及研究意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 课题目的及研究意义2 1 2 国内外立式磨研究状态2 1 2 1 国外立式磨研究动态3 1 2 2 国内立式磨研究动态6 1 3 粉碎理论的研究动态6 1 4 论文主要研究内容8 第二章立式磨粉磨机理及粉磨过程9 2 1 立式磨粉磨机理9 2 1 1 立式磨的结构、运行形式和优点9 2 1 2 立式磨的粉磨机理1 1 2 2 立式磨粉磨过程1 2 2 3 立式磨的主要参数1 4 2 3 1 临界啮入角1 4 2 3 2 磨辊压力1 5 2 3 3 辊盘的相对尺寸1 8 2 3 4 风速、风量1 8 2 4 立式磨粉磨时常见问题2 0 2 5 本章小结2 0 第三章立式磨粉磨区物料的受力和运动研究2 1 寺式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究 3 1 物料的压缩反弹特性2 1 3 2 立式磨粉磨区物料的受力2 3 3 2 1 密实阶段物料的受力2 4 3 2 2 受压粉碎阶段物料的受力2 4 3 2 3 反弹膨胀阶段物料的受力2 5 3 3 物料在磨盘上的运动2 6 3 3 1 物料在磨盘上的运动轨迹2 6 3 3 2 物料在磨盘上的受力2 7 3 3 3 物料在磨盘上的径向移动速度2 7 3 4 料床状态3 0 3 4 1 料床的稳定性3 0 3 4 2 料床厚度3 1 3 5 本章小结3 2 第四章立式磨粉磨的模拟分析3 5 4 1 离散元方法及e d e m 3 5 4 2 立式磨粉磨方式对粉磨层影响的数值分析3 5 4 2 1 磨辊、磨盘的配合形式3 6 4 2 2 立式磨数值模型的简化3 7 4 2 3 柱辊不同辊径比下粉磨层状态的数值仿真3 8 4 2 4 不同辊磨结构下粉磨层状态的数值仿真4 0 4 3 立式磨粉磨方式对粉磨层的影响4 l 4 3 1 磨辊辊径比对粉磨层的影响4 l 4 3 2 辊磨结构对粉磨层的影响4 6 4 4 不同喂料量下立式磨粉磨的数值分析4 8 4 5 本章小结5 0 第五章生产过程验证分析及实验样机设计5 1 5 1 生产过程验证分析5 1 5 1 1 生产现场数据的采集5 l 济南大学硕士学位论文 5 1 2 数据分析5 2 5 1 3 胎辊立式磨粉磨层状态的工程验证5 3 5 2 实验样机设计5 4 5 3 本章小结5 7 第六章结论与展望5 9 6 1 论文结论5 9 6 2 论文展望6 0 参考文献6 1 致谢6 5 附录6 7 一、在校期间发表的学术论文6 7 二、在校期间参加的项目6 7 三、在校期间获奖情况6 7 i i i 屯式磨粉磨性能分析0 仿真实验技术研究 济南大学硕上学位论文 摘要 立式磨作为高效、节能的粉磨设备，由于其具有产量高、运行稳定、可靠性 高等特点，在粉磨作业领域得到了广泛应用，尤其是用于新型干法水泥生产的原 料制备。随着立式磨的广泛应用和大型化的要求，对立式磨的粉磨过程和粉磨性 能进行研究，成为当今立式磨领域的主要研究方向之一。立式磨的粉磨性能可以 用粉磨能力( 磨机产量和单位粉磨能耗等) 和产品细度等指标来衡量。本文以影 响立式磨粉磨效果的磨机结构参数和工艺参数为研究对象，从理论研究、数值仿 真和实验研究三个方面对立式磨粉磨性能进行了分析。 在理论研究方面，通过对料层粉碎理论、立式磨运行形式和立式磨粉磨机理 的分析，将立式磨的粉磨过程分为密实阶段、物料受压粉碎阶段和物料反弹膨胀 阶段三个阶段。结合立式磨粉磨过程，对立式磨的工作参数进行了分析，包括啮 入角、磨辊压力、辊盘相对尺寸以及风速、风量等。以料层的压缩反弹特性 为切入点，结合立式磨粉磨部件的特征，对物料层在立式磨粉磨过程中三个阶段 的受力进行了理论分析，得出了物料层在粉磨区的受力公式。以物料在磨盘上的 运动轨迹为引入点，对物料在磨盘上的受力和物料在磨盘上的径向移动速度进行 了分析。从料床稳定性和料床厚度两个方面，对立式磨料层状态进行了分析。得 出了辊磨压力、辊磨形式、磨盘转速、物料湿度等因素与物料层受力、物料移动 速度、料床稳定性等磨机性能的关系。粉磨压力主要影响产品的粒度组成，即细 粉的产率。磨盘转速主要影响物料在磨盘上的受力和径向移动速度，进而决定了 物料在磨盘上的停留时间，直接影响立式磨的粉磨效果。物料湿度主要影响料床 的稳定性，物料湿度小，形不成稳定的料床，会造成磨机振动等现象；物料湿度 过大，细粉包裹在颗粒的周围，对物料的粉碎起阻碍作用，影响粉磨效果。料床 厚度主要影响磨机的运行，料床过薄和过厚都会造成磨机的振动。 在数值仿真研究方面，应用离散元分析方法对粉磨层状态进行了数值仿真。 粉磨层状态是影响立式磨粉磨效果的关键性因素。粉磨层的状态指物料层上方压 力的分布形式，其取决于立式磨的粉磨方式。为研究立式磨粉磨方式对粉磨层的 影响，采用s o l i d w o r k s 软件创建了立式磨的粉磨简化模型，并将模型导入离散元 分析软件e d e m 进行数值仿真。通过仿真得出了不同粉磨方式下粉磨区内物料 v 市式磨粉磨忭能分析与仿真实验技术研究 层上方的压力分布图，不同辊盘结构配合形式对对产品粒度的影响规律。通过不 同喂料量下立式磨粉磨的数值仿真，得出了不同喂料量下物料对立式磨磨辊最大 作用力的变化情况，得出了喂料量与磨机运行间的关系。 在实验研究方面，通过生产过程验证分析，验证了喂料量与立式磨运行间的 关系，并在物料粉磨生产现场验证了胎辊的离散元仿真结果。为了在后续工作中 对立式磨的粉磨性能进行更加深入的研究，结合立式磨运行原理和仿真分析结 果，设计了液力加载式立式磨实验样机。 关键词：立式磨；粉磨性能；粉磨层；粉磨方式 v i 济南大学硕t 学位论文 a b s t r a ct a st h eh i g he f f i c i e n c ye n e r g ys a v i n gg r i n d i n ge q u i p m e n t ，t h ev e r t i c a lr o l l e rm i l l h a sb e e nu s e dm o r ew i d e l yi nt h eg r i n d i n gf i e l db e c a u s ei th a st h ea d v a n t a g e so fh i g h y i e l d ，s t a b l eo p e r a t i o n , h i g l lr e l i a b i l i t ya n ds oo n e s p e c i a l l yf o rg r i n d i n gt h ec e m e n t r a wm a t e r i a l si nt h en s pc e m e n tp r o d u c t i o nf i e l d w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f v e r t i c a lr o l l e rm i l la n di t sm a x i m i z a t i o n ，t h er e s e a r c ho ni t sg r i n d i n gp r o c e s sa n di t s g r i n d i n gp r o p e r t i e sb e c o m e o n eo ft h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef i e l do fv e r t i c a l r o l l e rm i l l t h eg r i n d i n gp r o p e r t i e so fv e r t i c a lr o l l e rm i l lc a nb ec h a r a c t e r i z e db yt h e m i l l i n gc a p a c i t y , t h a ti st h em i l lo u t p u ta n dt h eu n i te n e r g yc o n s u m p t i o n , t h ep r o d u c t f i n e n e s sa n ds oo n t a k i n gt h es 1 咖c n l r ep a r a m e t e r sa n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c h e f f e c tt h em i l l sg r i n d i n gp r o p e r t i e sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h em i l l sg r i n d i n g p r o p e r t i e s i sa n a l ) ，z e df r o mt h r e ea s p e c t s ：t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y i nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha s p e c t , f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep a r t i c l el a y e r c o m m i n u t i o nt h e o r ya n dt h eo p e r a t i o nf o r mo fv e r t i c a lr o l l e rm i l l ，t h eg r i n d i n g p r o c e s so fv e r t i c a lr o l l e rm i l l c a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：d e n s ep h a s e , t h e m a t e r i a lc r u s h i n gp h a s ea n dt h em a t e r i a le x p a n s i o np h a s e t h e nt h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e dw h i c hi n c l u d em e s h i n ga n g l e , t h eg r i n d i n gr o l l e rp r 懿s u r e ) t h er e l a t i v es i z eo fg r i n d i n gr o l l e ra n dg r i n d i n gt a b l e , t h es p e e da n df l u xo fm i l l v e n t i l a t i o n ，c o m b i n e dw i mt h eg r i n d i n gp r o c e s so ft h ev e r t i c a lr o l l e rm i l l t h i r d l y ， t a k i n gt h ec o m p r e s s i o n r e b o u n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a ll a y e ra st h es t a r i n g p o i n t ，t h ef o r c ec o n d i t i o no fm a t e r i a ll a y e ri nt h et h r e ep h a s eo ft h em i l l sg r i n d i n g p r o c e s si sa n a l y z e d t a k i n gt h em a t e r i a lm o v i n gt r a j e c t o r yo nt h eg r i n d i n gt a b l ea st h e i n t r o d u c t i o n ，t h em a t e r i a lf o r c ec o n d i t i o na n dt h em a t e r i a lr a d i a ls p e e d o nt h eg r i n d i n g t a b l ei sa n a l y z e d f i n a l l y , t h em a t e r i a ll a y e rs t a t ei sa n a l y z e df r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t ：t h es t a b i l i t ya n dt h et h i c k n e s so f m a t e r i a lb e d t h r o u g ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em i l l sg r i n d i n gp r o p e r t i e sa n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ft h ev e r t i c a lr o l l e rm i l l a r eo b t a i n e d t h eg r i n d i n g v 屯式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究 p r e s s u r em a i n l ya f f e c tt h ep r o d u c tp a r t i c l es i z ec o m p o s i t i o n , n a m e l y , i tm a i n l y i n f l u e n c et h ey i e l do ff i n ep o w d e r t h er o t a t i o n a ls p e e do fg r i n d i n gt a b l em a i n l y i n f l u e n c et h em a t e r i a lf o r c ec o n d i t i o na n dt h em a t e r i a lr a d i a l s p e e d t h u st h e r o t a t i o n a ls p e e do fg r i n d i n gt a b l ed e t e r m i n e st h em a t e r i a lr e s i d e n c et i m ei n t h e g r i n d i n gr e g i o n 1 1 1 em a t e r i a lh u m i d i t ym a i n l yi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fm a t e r i a lb e d 1 1 1 em a t e r i a lb e ds t a b i l i t yi sp o o rw h e nt h em a t e r i a lh u m i d i t ya tl o wl e v e l i tw o u l d c a u s et h ev e r t i c a lr o l l e rm i l lv i b r a t i o n 肌e nt h em a t e r i a lh u m i d i t ya th i g l ll e v e l ，i t w i l lc a u s et h ef o l l o w i n gp h e n o m e n o n ：t h ef i n ep o w d e re n c a p s u l a t ea r o u n dt h ec o a r s e p a r t i c l ea n di th i n d e rt h em a t e r i a l sg r i n d i n g t h et h i c k n e s sm a i n l yi n f l u e n c et h em i l l s o p e r a t i o n t l ev e r t i c a lr o l l e rm i l lw o u l dv i b r a t ew h e t h e rt h em a t e r i a lb e di st o o 也i c k o r t h i n i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na s p e c t , a st h ek e yf a c t o rw h i c hi n f l u e n tt h em i l l s g r i n d i n ge f f e c t ，t h eg r i n d i n gl a y e rs t a t ei sa n a l y z e du s i n gt h ed i s c r e t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di nt h ea r t i c l e 1 1 1 eg r i n d i n gs t a t em a i n l yr e f e r st ot h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o r mw h i c ha b o v et h em a t e r i a ll a y e r i td e p e n d so nt h ev e r t i c a l r o l l e rm i l lg r i n d i n gm e t h o d i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c to fg r i n d i n gm e t h o do nt h e m a t e r i a ll a y e r , t h es i m p l i f i e dm o d e lo ft h ev e r t i c a lr o l l e rm i l lw h i c hu s i n gd i f f e r e n t g r i n d i n gm e t h o da r ee s t a b l i s h e du s i n gt h es o l i d w o r k ss o f t w a r e i n t r o d u c et h em o d e l t ot h ed i s c r e t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ee d e mt os i m u l a t e t h r o u g hs i m u l a t i o n , t h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc h a r ta b o v et h em a t e r i a ll a y e rw h i c hl o c a t e di ng r i n d i n gz o n e u n d e rd i f f e r e n tg r i n d i n gm e t h o di sg o t a n dt h ei n f l u e n c el a wb e t w e e nf i tf o r ma n d p r o d u c ts i z ei so b t a i n e dt o o t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e e dq u a n t i t ya n dt h e m i l l o p e r a t i o ni so b t a i n e df r o mt h es i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tf e e dq u a n t i t y i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e e dq u a n t i t ya n dt h e m i l l o p e r a t i o ni sv e r i f i e dt h r o u g ht h ep r o d u c t i o np r o c e s sv a l i d a t i o n a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l ta b o u tt h et i r er o l l e ri sv e r i f i e di nt h ec e m e n tf a c t o r y i no r d e rt ot h e f u r t h e r r e s e a r c h , t h eh y d r a u l i cl o a d i n gv e r t i c a lr o l l e rm i l le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sd e s i g n e d c o m b i n e dw i t ht h em i l lo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：v e r t i c a lr o l l e rm i l l ；g r i n d i n gp r o p e r t i e s ；g r i n d i n gl a y e r ；g r i n d i n g m e t h o d t t 济南大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景、目的及研究意义 水泥行业作为能源的消耗大户，其能耗约占全国工业能耗的9 ，而粉磨领 域所消耗的能量占到了水泥行业整体电耗的6 0 0 0 - 7 0 1 1 。水泥工业传统的粉磨 设备球磨机，对能量的利用率低，就整个粉磨系统电耗比而言，立式磨系统 粉磨原料比球磨机系统节能2 0 0 0 , , 3 0 。 1 1 1 选题背景 立式磨作为高效节能的粉磨设备，由于其具有产量高、运行稳定、可靠性高 等特点，在粉磨领域得到了广泛应用。在国外，早在2 0 世纪7 0 年代立式磨就被 作为水泥工业原料粉磨的主要设备。1 9 9 0 - - 2 0 0 4 年间，国外新建先进的 2 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 t d 的新型干法水泥的生料磨系统约有1 8 0 台( 套) ，其中9 5 以上采 用立式磨【2 1 。我国也于2 0 世纪8 0 年代中期引进了立式磨技术，并应用于新型干 法水泥生产线。据统计，到2 0 0 3 年我国共引进用于日产2 0 0 0 吨以上生产线配套 的大型立磨已超过4 7 台。2 0 1 0 年我国新型干法工艺比例已达8 0 以上，且每年 有1 0 0 多条新型干法水泥生产线开建，为立式磨提供了巨大市场。从技术发展和 我国节能、减排的要求看，立式磨必将成为粉磨领域的主力军。 目前，我国水泥的产量已突破1 8 亿吨( 国家发改委2 0 1 0 年统计数据) ，立 式磨作为水泥生料粉磨设备虽然已得到了广泛应用，但是与国外相比，我国还有 一定差距，还需要加强开发和研究的力度【3 】。较长时间里，我国的立式磨研究主 要以仿形为主，虽然近几年我国立式磨技术和装备得到了进步，但主要是在立磨 用减速机、磨辊磨盘耐磨材料、立式磨加工和装配方面，对立式磨的粉磨机理和 粉磨过程研究较少。而且我国自主生产的立式磨无论在粉磨效率，还是在可靠性 方面都与国外先进设备有一定差距( 据人民网2 0 0 8 年1 1 月报道，我国大型水泥 生产线原料粉磨9 0 以上均采用引进国外立式磨的方案) ，并且国外厂家对其技 术严格保密，迫切需要对立式磨粉磨性能进行研究。 立式磨作为高效节能的粉磨设备得到了水泥生产厂家的青睐，但是在应用过 屯式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究 程中也曝露出一些问题，如磨辊磨盘等粉磨部件的磨损及磨损后产量和质量的变 化；立式磨对物料的适应性；粉磨滑动摩擦小的物料的稳定操作；磨机的振动以 及吐渣等，这些问题影响了立式磨的粉磨效率。需要对立式磨粉磨过程和常见水 泥原料的易磨性进行分析，以进一步提高立式磨的粉磨效率。 1 1 2 课题目的及研究意义 立式磨的粉磨性能取决于立式磨的结构参数和粉磨工艺参数，对于不同的物 料，需要根据粉磨要求和物料性质选择不同型号的立式磨和粉磨工艺。立式磨的 性能与磨辊压力、喂料量( 即料层厚度) 、挡料圈高度、选粉机转速和磨盘、磨 辊的磨损程度等因素有关【4 】。立式磨运行过程中会出现磨机振动、磨辊磨盘磨损 等问题。而且用于水泥熟料粉磨时，需要解决磨机振动、磨辊和磨盘的严重磨损 以及水泥质量等问题【5 1 。课题通过对立式磨的粉磨性能分析和实验技术研究，获 得立式磨粉磨性能与粉磨压力、料层厚度等参数的关系，以及粉磨工艺参数和立 式磨结构参数对立式磨粉磨性能的影响规律，促进立式磨技术改进和结构改造， 其主要意义有以下几方面： ( 1 ) 通过理论研究，分析出立式磨的工艺参数以及结构因素与立式磨生产 效率之间的关系，有利于促进立式磨技术的改进，提高立式磨的加工性能； ( 2 ) 通过仿真分析和实验技术探索研究，有利于工程实际中立式磨粉磨工 艺的制定和立式磨运行过程中存在问题的改善，可以为粉磨厂家在立式磨选型和 制定粉磨工艺参数时，提供技术支持和参考； ( 3 ) 通过理论分析和数值仿真的探索研究，有利于从理论方面指导立式磨 的设计，为以后立式磨的优化设计奠定良好的基础，利于提高我国立式磨的设计 水平。 1 2 国内外立式磨研究状态 自2 0 世纪2 0 年代第一台立式磨在德国出现以来，立式磨的发展已经经历了 将近9 0 年的历史。在上世纪6 0 年代立式磨技术获得了突破，立式磨得到了改进 并向大型化发展。进入上世纪9 0 年代，随着有限元分析、流体学分析及工艺参 数优化等现代方法的使用，立式磨技术又有了新的飞跃，解决了大型立式磨的结 2 济南大学硕士学位论文 构难点，保证了大型干法水泥生产线对立式磨产能的要求。进入2 1 世纪，为适 应水泥生产线的进一步扩大，立式磨朝超大型化发展。目前，世界上最大的立式 磨是德国莱歇( l o e s c h e ) 公司正在生产的l m 6 9 4 型立式磨，其产量可到1 2 0 0 t h ， 将用于印度日产1 0 0 0 0 吨每天的水泥生产线上【6 1 。 1 2 1 国外立式磨研究动态 国外对立式磨的研究比较早，始于2 0 世纪初期，雷蒙磨是各种立式磨的雏 形。国外第一台立式磨于1 9 2 5 年诞生于德国，最初用于发电站磨制烟煤，它应 用于水泥工业始于1 9 3 5 年的德国【7 1 。主要研究单位有德国的莱歇( l o e s c h e ) 公 司、非凡( p f e i f f e r ) 公司、伯利休斯( p o l y s i u s ) 公司、克劳斯塔尔大学，丹麦 的史密斯( f l s m i d t h ) 公司以及日本的宇部公司等。 德国莱歇公司对立式磨的研究已有1 0 0 多年的历史。1 9 2 7 年莱歇公司申请 了世界上第一台关于立式磨的专利【引。2 0 世纪9 0 年代中期，莱歇公司采用 2 + 2 3 + 3 技术进行莱歇磨用于粉磨渣块和高炉矿渣的研究。2 + 2 3 + 3 技术是指磨 机有两三个粉磨用的主磨辊和两三个用于压紧物料的辅助磨辊。2 + 2 3 + 3 技术 的主磨辊和辅助磨辊的工作示意图如图1 1 所示【9 。l l 】。 图1 12 + 2 3 + 3 技术主磨辊和辅助磨辊工作示意图 2 0 0 5 年，莱歇公司依据现有莱歇磨按比例缩小尺寸制造了一个立式磨实验 机，该实验机的磨盘直径为0 3 6 m 1 2 1 。莱歇公司应用此实验机进行了渣块和高炉 矿渣的粉磨实验，给出了莱歇磨粉磨渣块和高炉矿渣的粉磨能力，并根据实验数 据对莱歇磨进行了结构改进，提高了莱歇磨的能量利用率。另外，为了避免物料 3 专式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究 中金属异物对磨辊和磨盘等零件的磨损，莱歇公司对磨盘结构进行了改进，在磨 盘边缘开设了供异物通过的排泄孔【1 3 1 。 2 0 世纪9 0 年代末，德国克劳斯塔尔大学为了研究立式磨的粉磨性能，设计 制造了只有一个磨辊的立式磨实验机，该实验机方案和简图分别如图1 2 和图1 3 所示【1 4 1 。该实验机只有一个磨辊，采用电机通过减速机驱动磨盘的方式，与工程 立式磨驱动方式相同。克劳斯塔尔大学为了研究能耗与物料粒度的关系，以及模 拟循环粉磨状态下物料上的压力分布情况，利用此实验机对三种不同性能的煤块 分别进行了过粉磨实验和循环粉磨实验。通过实验，克劳斯塔尔大学得出了产品 粒度分布与粉磨次数及能耗的关系，以及物料上方压力的分布形式。 4 6 1 l 1 0 5 2 图1 2 德国克劳斯塔尔大学立式磨实验机方案 l 一磨盘；2 一电机：3 一磨辊；4 一杠杆系统；5 一弹簧加压装置：6 11 一限位装置； 7 - _ 进料装置；8 一出料口；9 转矩；l o 粉磨力；1 2 一收尘器；1 3 一风机 4 图1 3 德国克劳斯塔尔大学立式磨实验机简图 德国非凡公司对立式磨的研究始于第二次世界大战后，其产品是m p s 磨。 m p s 磨的主要设计特点为：采用胎形磨辊和带有沟槽的磨盘，这种设计使其磨 内压降低，并且可以使低热气体得到更好的应用。2 0 世纪6 0 年代起，m p s 磨开 始用于煤块和水泥原料的粉磨。1 9 8 0 年非凡公司推出了第一台水泥矿渣立式磨， 并对其粉磨性能进行了研究。为了对常见水泥物料进行性能测试和水泥厂立式磨 的选型，非凡公司还开发了实验室用m p s 3 2 型立式磨选型设科1 ” r l 。 2 0 世纪6 0 年代德国伯利休斯公司开始对立式磨进行研究，并于1 9 6 5 年开 发出伯利鸠斯立式磨。2 0 世纪中叶，丹麦的史密斯公司开始立式磨的研究工作， 设计制造了阿托克斯( a t o x ) 立式磨。2 0 世纪8 0 年代史密斯公司在对其它立式 磨粉磨过程进行受力和磨损分析后，对阿托克斯立式磨的设计提出了全新的设计 思路，设计出采用平面磨盘、圆柱形磨辊，磨辊与磨盘垂直正交布置结构的全新 立式磨，并于2 0 世纪9 0 年代中期，在多年经验和对立式磨粉磨性能研究的基础 上，再一次完善了阿托克斯磨机的设计【1 8 l 。2 0 0 0 年印度科学与工业研究达尔米 亚( d a l m i a ) 学会和贝汉布尔( b e r h a m p u r ) 大学为了研究粉磨方式对物料的影 响，分别用球磨机和立式磨对波兰特水泥渣块与石膏的混合物进行了粉磨实验 【1 9 】。美国在2 0 世纪7 0 年代引进了立式磨技术，于2 0 世纪9 0 年代对立式磨关键 部件的磨损进行了研究，2 0 0 5 年美国人对其2 0 0 2 年第一台用于水泥( 波兰特水 泥、矿渣等) 粉磨的立式磨进行了经验总结，对影响水泥质量的操作数据等进行 了分析【2 们。 5 屯式磨粉磨性能分析弓仿真实验技术研究 1 2 2 国内立式磨研究动态 国内对立式磨的研究起步较晚，自2 0 世纪7 0 年代末，才比较重视立式磨粉 磨生料的研究开发工作【2 1 1 。国内较大的立式磨研究单位主要有合肥水泥研究设计 院，天津水泥工业设计研究院，沈阳重型机器厂等。 天津水泥工业设计研究院在2 0 世纪8 0 年代初完成辊磨制备水泥生料工艺及 装备的研究实验并获成功【2 2 1 ，开发出了t r m 系列立磨。在此基础上，天津水泥 工业设计研究院在1 9 9 0 年建立了t r m 3 6 型辊磨实验系统，对国内水泥原料进 行了大量的辊磨易磨性和磨蚀性实验工作【2 3 1 。对立式磨粉磨水泥生料时的产量、 磨耗以及能耗等问题，天津院也进行了相关研究和探讨。2 0 0 4 年天津院联合华 南理工大学，采用闭路球磨、间歇实验球磨和实验立磨t r m 3 6 三种粉磨装置对 高炉矿渣的粉磨效能进行了研究【2 钔。 合肥水泥研究设计院从1 9 8 4 年开始立式磨的研究工作，并在广泛研究消化 国外立式磨的基础上，开发出了h r m 型立式磨【2 5 1 。2 0 多年来，合肥院先后研 发了水泥生料磨、熟料与矿渣磨、煤磨、非矿细磨四种类型3 0 多种规格的立式 磨。2 0 0 8 年，合肥院研制的h r m 4 8 0 0 型立式磨在虎山集团5 0 0 0 t d 水泥生产线 上成功应用，结束了我国不能自主研究大型原料磨的历史，此磨机也是目前国内 自主研发的最大规格的原料立式磨。近年来，合肥院对立式磨的结构进行了大量 研究，尤其是针对磨辊、磨盘及分级设备。并结合实践，指出了稳定的料层、物 料的平衡、风量等参数对立式磨稳定运行及粉磨效果的重要性1 2 6 , 2 7 1 。 沈阳重型机器厂于1 9 8 5 年1 2 月由德国非凡公司引进了m p s 型辊式磨的设 计制造技术，以及m p s 3 2 型辊式磨选型全套实验室设备【2 1 1 。沈阳重工先后为芜 湖、哈尔滨、琉璃河等水泥厂作了立式磨选型实验。通过吸收消化国外立式磨先 进技术，并通过对料床稳定性、磨辊磨盘的磨损以及选粉等关键技术的研究，沈 阳重工现已开发出拥有自主产权的m l k 立式矿渣磨机 2 引。 1 3 粉碎理论的研究动态 粉碎理论的研究始于1 9 世纪中期，早期的粉碎理论主要针对单颗粒粉碎， 到1 9 世纪晚期，已形成比较完善的单颗粒粉碎理论体系，形成了表面积学说、 体积学说和裂缝学说三大著名粉碎能耗学说。 6 济南大学硕士学位论文 随着现代粉体工程的发展，人们发现单颗粒粉碎在实际粉碎作业中，仅出现 在粗碎阶段，而在其余的粉碎阶段几乎均表现为物料颗粒的集体粉碎行为。基于 上诉原因，国内外学者对物料的粉碎理论展开了新一轮的探索，提出了一系列粉 碎理论。其中以德国克劳斯塔尔技术大学的ks c h o n c r t 教授提出的高压料层粉 碎理论最为著名。高压料层粉碎理论是指众多颗粒在压力作用下相互聚集、接触 所形成的颗粒群受力而发生粉碎的现象【2 9 1 。辊筒磨、辊压机、立式磨都是采用高 压料层粉碎原理的粉磨机械。料层粉碎时，料层中的每个颗粒都处在其它颗粒的 包围之中，颗粒之间相互作用，物料颗粒处于复杂的受力状态。料层粉碎理论不 同于单颗粒粉碎低能量、多次数的能量输入特点，料层粉碎具有以下规律【3 0 1 。 ( 1 ) 物料单次接受能量巨大。物料形成料层并在短时间内通过压力区，受 到高压力的挤压，接受大量的能量输入。 ( 2 ) 在压力区挤压力主要在物料之间相互传递。物料中低强度、多缺陷的 大颗粒首先被压碎成细小颗粒，并填充于颗粒间的缝隙中，使物料层容量加大。 ( 3 ) 物料被粉碎的过程是物料被压缩的过程。 ( 4 ) 料层中的颗粒特性、颗粒排列方式及受力形式决定了料层中物料的应 力状态。 图1 4 是石英料层粉碎时的载荷位移( 料层厚度方向) 曲线【3 1 1 ，颗粒平均粒 径2 4 r a m 。其反应了料层粉碎中物料的粉碎过程。 2 5 2 0 1 5 z 蟹 1 0 5 0 0 12 3 s r a m 图1 4 料层粉碎的载荷位移曲线 图1 4 代表了料层粉碎的三个阶段：物料密实阶段、物料受压粉碎阶段和料 7 电式磨粉磨性能分析与仿真实验技术研究 层结团阶段。 o p 物料密实阶段。此阶段压力较小，物料在压力作用下相互接近、挤 紧，物料层达到一定的密实度。p 点对应的压力称为特征压力，其主要与物料的 性质有关，特征压力基本上与矿物单颗粒破碎时的强度呈对应关系； p q 卅料受压粉碎阶段。物料被密实后，随着压力增加，首先低强度的 大颗粒原有裂纹扩大或在缺陷处产生裂纹、裂缝，发生欲损伤；随着压力的进一 步增大，压