（机械工程专业论文）筒辊磨粉磨机理与粉磨效果研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 ( 笆墨磨是九十年代继辊压机、立磨之后开发出来的新一代节能 粉磨设备。其粉磨过程是：物料从磨圆筒的一端进入，通过导料装 置导向筒体与磨辊之间的间隙研磨。其研磨次数可以调节，它的特 点是将球磨机的作用和辊压机的优点接合在一起，充分利用了单颗 、 粒破碎和料床粉碎的原理，大大的提高了粉磨效率。尸 本文结合国家重大技术装备国产化创新项目一筒式辊碾磨开发 项目，通过对筒辊磨的塑壁盟里、星型的分析、趁魔夔墨的研 究及与辊压机、立磨粉磨效果、粉磨机理的比较，可知：首先，由 于筒与辊的特殊结构方式，筒辊磨内粉体由初期的单颗粒破碎逐渐 过渡到层压粉碎阶段，较好地防止了飞溅能的损失，其次，在粉磨 过层中，粉体由疏松到密实，充分利用了颗粒的非光滑表面及应力 集中效应使其应力低于辊压机。实验证实，筒辊磨的粉磨效果大大 优于立磨和辊压机。 通过对筒辊磨层压应力的分析可知：筒辊磨层压应力与拉入角， 结构参数，粉体级配物理性质有关。这有助于确定简辊磨的各种结 构参数，为筒辊磨的工业应用提供了进一步的理论指导。 武汉理工大学硕士学位论文 粉磨设备发展概术 在水泥工业中，以传统的球磨机为主的粉磨作业耗电量约为总 耗电量的6 5 一7 0 。而球磨机的粉磨有效功仅占提供给磨机运转总能 量的2 - 5 。能量利用率非常低。据有关资料对球磨机能量消耗的分 析，螺栓磨擦损失4 3 。齿轮磨擦损失8 1 ，简体热损失6 4 ，空 气热吸收3 1 4 ，产品热吸收4 7 6 。可见大部分能量没有真正用于 粉碎物料上，有8 5 以上转变成了热能损耗。热能损耗主要归因于球 磨机内钢球问以及钢球与衬板间的无用撞击和摩擦。 辊压机是八十年代中期发展起来的一种新型粉蘑设备，是粉磨 技术的突破。辊压机的应用可大幅度提高产量，降低能耗。 挤压粉碎过程与球磨机粉磨截然不同。在挤压粉磨过程中，物 料首先被喂入挤压磨，由于挤压磨两磨辊的相向运动的作用而被带 入两辊之间，磨辊对物料料床施加强大的压力；随着磨辊的转动， 磨辊间的物料逐渐下沉。受压的强度愈来愈大，直至辊缝的最狭处， 压力强度达到最大，这时候物料被高压彻底粉碎，形成薄片状料饼 被卸出。在整过挤压过程中，物料是被封闭在狭小的空间里，不产 生相对运动，很少有动能和热能转换而带来的浪费，这大大减少了 粉碎功的损失，提高了输入能量的利用率。 辊压机粉磨系统是一种节能粉磨系统，用于生料粉磨系统主要 有两种工艺配置形式：一种是终粉磨系统，全部成品由辊压机产生， 取消了球磨机，能大幅度节能，单位生料粉磨利民耗可低于1 5 千瓦 小时吨；另一种是部分终粉磨系统，与球磨机、选粉机配合组成生 料粉磨系统，辊压机出来的料先经过选粉机，分选出部分成品后再 入磨机，使球磨机的负荷大大减轻，因而粉磨电耗也较低，一般在 1 6 一1 8 千瓦小时吨。如为日产5 0 0 0 吨生产线配套的辊压机产量要达 到3 5 0 4 0 0 吨d , 时，配用功率也要达到3 5 0 0 4 0 0 0 千瓦。当前国际 上辊压机终粉磨系统只能满足日产4 0 0 0 吨生产线规模需要。如k h d 公司的产品r p 2 0 o 1 7 0 一1 8 0 ，配用功率3 0 0 0 千瓦，生产能力3 0 0 3 5 0 吨小时，用于沙特m a l k h e t 水泥厂和中国南昌水泥厂p o l y s i u s 公 司为直径2 0 x 1 2 米，配用功率为2 8 0 0 千瓦，生产能力3 0 0 吨小 时，已用于秘鲁a t o - c o n g o 水泥厂。辊压机本身不兼有烘干作用， 原料水分太时，还要增加辅机进行烘干。 立式磨是集中碎、粉磨、烘干、选粉等功能于一体的节能粉磨 系统，流程简单，便于布置。立式磨是应用料床粉磨原理，粉磨电 耗低。立式磨系统的单位生料粉磨电耗为球磨7 5 一9 0 ，而且烘干能 力强，特别适用于s b 窑或n s p 窑，可以利用窑尾低温废气进行烘干， 武汉理工大学硕士学位论文 甚至不需要建厂房，大大节省了基础投资。立式磨的入磨原料粒度 大、控制灵活、漏风少、噪音低、运转率高、金属磨耗少，因而成 为当今生料粉磨系统的主导设备。2 0 世纪9 0 年代以后，国际上的立 磨技术又有了新的发展，运用有限之分析、热传导分析、流体力学 计算、工艺参数优化等现代方法解决了大型磨机工艺和结构的难点； 特别是新型耐磨材料的应用，大大延长了使用的寿命。目前国际上 最大的立式磨是l o e s c h e 公司于1 9 9 9 年设计制造的l m 3 6 4 l ，电机 功率5 6 0 0 千瓦，生产能力6 0 0 7 0 0 吨4 , 时，磨辊直径3 0 米，用 于泰国p f e i f f e r 公司制造的m p s5 6 0 0 b 立磨，电机功率5 4 0 0 千瓦， 生产能力4 8 0 吨4 , 时已用于印度的m a h a r a s h t r a 水厂：p o l y s i u s 公 司制造的r m 6 9 2 9 立磨电机功率5 0 0 0 千瓦，生产能力6 0 0 吨小时， 已用于印尼i n d r o l i n d 0 水泥厂。通过以上比较看出，立式磨已成 为当今大型化生料磨的首选系统。另外，2 0 世纪9 0 年代以来，法国 的f c b 公司开发出h o r o m i l l ( 又叫卧式辊磨) ，它是将一圆筒形壳 体通过大齿圈小齿轮驱动实旌超临界转动，该驱动装置包含有自由 旋转辊，其通过液压系统作用于壳体上，新物料由壳体一侧进入并 受到离心力作用，由刮板从壳体带走。而后借助于受控偏移系统落 下。而此系统将物料重新混合，使得辊压的物料速度可以沿磨机调 整，并且可以调整在辊子与壳体间物料的受辊压次数。这种h o r o m i l l 磨被誉为是继辊压机、立式磨之后发展起来的第三代粉磨技术。作 为终粉磨系统，主机设备少、工艺流程简单、布置方便，可大幅度 降低土建工程费用。粉磨电耗低，节电效果突出。系统内压操作对 环境无污染。原料综合水分 j ) 为破裂部分。 x f( 1 = j ) 为破裂后残留部分。 ( 3 ) 磨矿总体平衡的磨矿动力学模型 a 里德的分批磨矿动力学磨型 里德于1 9 6 5 年在分批磨矿方程的一种解的论文中，根据总替平 衡磨矿动力学，导出了时间连续、粒度离散的分批磨矿总体平衡动 力学数学磨型： d i n , j ( _ t ) h ：- s , 啊( f ) 日+ 芝墨册l ( ，) 月 式中 碑( ，) 第i 个粒级的重量分数； h 一磨机卸料量； t 磨矿时问： s ，选择函数，表示第1 个粒级物料单位时间内磨碎的 分数( 几率) ； 毛破裂函数，表示第j 个粒级物料经初次粉碎后的粉 碎产品中进入第1 粒级的分数。它是破裂函数8 中的相应元，假定 b ，不随时间而变化。 该方程式建立的前提条件是各粒级物料在磨矿前后保持平衡。该 方程已推广到连续磨矿。 b 洛夫德的数学磨型 洛夫德在1 9 6 7 年发表了另一种磨矿的动力学数学模型 巴， 三【矿( d ，f ) d d 】= j 女( d 0 ) 矿( d 0 ，f ) 【耳d ，d o ) d d d d o 一茁( d ) ( d ，t ) d d l 上式描述了分批磨矿含量中粒度变化速率。 式中w ( d ，t ) 经过t 时间后总的粒度分布； b ( d ，d 。) 破碎函数； k ( d ) 粒度为d 的磨矿速度常数； d o _ 始料粒度； w ( d ) 粒度为d 的颗粒重量。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 洛夫德本人曾给出积分微分方程的一种近似解，卡普尔 在1 9 7 1 年也发表了该方程的另一种近似解。 综上所述，三种磨矿动力学数学模型中，总体平衡磨矿动力 学模型是把林奇的矩阵磨型和前述用指数表示的磨矿动力学方程结 合起来的较完善的模型，因此它的用途更加广泛。因为可以根据不 同的磨矿流程，分别用解析法或数值计算法( 用计算机) 求它的解， 用于工业生产中实现磨矿过程晟优化管理，更好地节能降耗。 三筒辊磨的粉碎机理及层压应力分析 1 筒辊磨的工作原理 筒辊磨( 图1 ) 由支承在滑履轴承上的一个水平圆筒组成，它通 过一个敞开式大齿轮系驱动。圆筒很短，它仅仅装衬在研磨区，其 长度比圆筒直径还小。在圆筒里面有一个( 或几个) 水平的由液压 加载的辊子，它的驱动仅仅靠其与圆筒和辊子之间挤压间隙的物料 接触磨擦而进行。物料从磨圆筒的端进入，由于圆筒在高于临界 速度之上运转产生的离心力作用，使物料以均匀分布的料层被送到 它的内表面，经过一个单独的已获得专利：的刮料装置导向研 磨间隙。采用这种方法，使物料在通往磨出口的过程中受到多次的 控制挤压。借助于合适的取料设备把粉磨后的物料送到斗式提升机。 通过提升机把物料输送到一台高效选粉机。成品在收尘器收集下来。 而粗粉重新回到筒辊磨。 研制筒辊磨的一个基本思想就是利用筒体的高速转动在磨简内 物料受到较大的离心力作用而紧贴筒壁运动。这是在圆筒和磨辊问形 成均匀料层的最简单的方法。因为磨圆筒在1 5 倍临界速度下运行， 其所受的扭矩仅为管磨的1 3 左右，这样就使磨机齿轮减速机相对较 小而非常紧凑。由于物料的特殊运动和挤压条件，这种磨机已显示出， 不仅适台细磨干物料，同样也显然适用处理湿的或粘的物料。如到处 使用的作为复合水泥的混合材的火山灰，粒化高炉矿渣和石灰石等。 武汉理工大学硕士学位论文 图一筒辊磨纵断面 1 喂料2 卸料口 3 除尘 4 齿圈5 滑履6 简体 7 磨辊8 轴承 9 液压缸 1 0 磨道称1 1 物料控制装置 2 、筒辊磨的层压粉碎作用 物料在筒辊磨的粉碎腔内实现层压粉碎，大体经历如下阶段： ( 1 ) 当物料由于离心力的作用进入粉碎腔以后，开始受到较小 的压力作用，各颗粒因受压而相互靠紧、密实，故体积变化较大( 此 时的接触角a 。称为初始拉入角，对筒辊磨。产l 舻) ，由于辊子和简体 的转动，推动物料前进，颗粒群的密度增大，应力强度上升，由于辊 子和简体的间隙越来越小，颗粒之间已由点接触变为面接触，有些颗 粒开始沿解理面破碎，这种破碎与一般破碎机相同。 ( 2 ) 层压粉碎阶段，当密实颗粒群继续向辊子和筒体的最小间 隙处前进时，进一步密实为由各种颗粒群构成的料层；由于其密实 度增高，细颗粒会在高压作用下重新律列，占住颗粒问的粒间间隙， 导致颗粒间的间隙几乎趋向于零，这样在高应力作用下的层压过程 中的颗粒之问进行着应力传递，颗粒之间存在着强烈的作用力与反 作用力，当应力升高到材料的压碎极限时，众多的颗粒便产生概率 极高的粉碎行为或产生众多的微裂纹。由于物料的物理性质和颗粒 几何性质的差异，尤其是物料表面形状的非光滑性及众多非光滑表 面在层压力作用下，将会产生复杂的应力作用和极大的应力集中， 加这粉体由疏松到密实是连续过程，其颗粒粉碎行为不仅仅发生于 较高压力，而在压力较低下亦能发生大量的颗粒粉碎行为。 ( 3 ) 排料阶段，由于颗粒粉碎概率增高，己碎的众多细颗粒必然在 武汉理工大学硕士学位论文 高应力作用下向粒间间隙处“流动”重新各排列自的位置，物料体积 也不但发生变化，个别“难碎”大颗粒必然被众多的细颗粒所包围， 此时粒间应力传递相当分散：颗粒重新排列的料层挤压到两辊最小间 隙处时，料层密实度更高，于是产生了“结团”行为，这就是所谓的 “料饼”，此时料饼通过最小间隙处，排出粉碎腔，在离心力作用下， 通过物料控制设备，进入下一次粉碎，直到得到合格的产品出磨。 1 、筒辊磨粉碎机理 在本节开头已经简单的介绍了筒辊磨的工作原理，为便于分析， 现接合筒辊磨内物料的变化方向再将筒辊磨的粉碎机理详细的介绍 如下： 图九为筒辊磨( h x l ) 磨的结构示意图： 图九筒辊磨研压机理图( 双辊) 由前面所述的粉碎的物理原理可知单颗粒破碎由于两块颚板问 缓慢施加加压可以得到最好的粉碎效果，但可惜这种过程不可能在 工业条件下进行，因为它导致了粉碎能力的降低，筒辊磨也是利用 料床粉碎( 层压粉碎) 的原理，同时最大限度的发挥了单个颗粒破 碎的作用。 如图所示：物料由中部喂入后，简体以1 5 倍以上的临界转速 旋转，简体内的物料在强大的离心力作用下紧贴筒体作高速旋转， 辊子在摩擦力的作用下以相同于辊子的线速度高速旋转，在油缸的 作用下以较高的压力将来料粉碎，粉碎后的物料在简体内由料流控 制装置进行碾压次数控制，成品也由该装置导出筒体。 由于物料在筒体内可以径向和轴向控制，因此成品细度也可以 1 9 i 武汉理工大学硕士学位论文 调节，经控制作为预粉磨，出料粒度小于0 0 8 r a m 的含量达到3 5 以 上，而小于2 m 的粉磨后的物料的重量可以达到9 5 或更高。 由此可见：同辊磨的粉碎机理主要是： ( 1 ) 单颗粒破碎，当物料处于磨辊和简体装置的作业区时。大 颗粒物料直接被压碎，由于筒体的曲率远大于立磨，因此单颗粒破 碎的机率大大增加。 a 单颗粒破碎b 层压粉碎 ( 2 ) 层压粉碎( 料床粉碎) ，细颗粒物料受到挤压下形成料床， 进行粒间粉碎。由前面所述的粉碎的物理原理可知，脆性材料材料 破碎时，飞溅能损失是惊人的，由于筒辊磨的特殊结构，大的钳角， 辊筒间的连续挤压作用，大大的降低了飞溅能耗，提高粉碎效率。 上图为物料由单颗粒破碎进入层压粉碎的示意图 图示r 1 为筒体内径，r 为辊子半径，对中3 x 2 5 m h x l 磨， r l = 1 5 0 0 m m ，r = 4 5 0 m m ，当物料由图a 所示状态转化为图b 所示状态时， 在粉磨机理上就是由单颗粒破碎转化为层压粉碎，这个过程是一个 连续变化过程，它们中问的状态是两种粉磨机理共存的状态，图中h 为料层厚度，实际工作中其值小于3 0 n e ( 图中为了直观放大了5 倍) ， 当一个或多个小颗粒在离心力的作用下带到图a 所示位置时，由于 物料粒径大于辊子与筒体间的间隙，在摩擦力与辊子压力作用下， 颗粒沿节理面破碎，此时，物料较松散，辊子作用在该位置的压力 也较小，物料以单颗粒破碎为主。 物料在离心力与摩擦力的作用下继续沿筒体转动方向运动，物 料的密实度有所增加，辊子的压力也有所提高，此时不仅存在有单 颗粒破碎，而且由于物料之间的应力传递，也发生层压粉碎。 随着物料沿筒体转动方向继续运动，物料的密实度继续增加直 到间隙为零，辊子作用的压力也达到最大，物料之间的应力传递成 为物料粉碎的主要形式，在这里，物料之间存在强烈的作用力与反 作用力 武汉理工大学硕士学位论文 众多的颗粒产生了慨率极高的粉碎行为或产生众多的微裂纹，这就 是层压粉碎。 对筒辊磨而言，由于物料在简体内以螺旋线的方式沿筒体轴向 运动，由于物料粒度的变化，单颗粒破碎主要发生在简辊磨的入料 段，而在其后的多次碾压中以层压粉碎为主。 下面是2 0 0 1 年8 月2 1 日我们对筒辊磨磨内的取样筛余分析。 粉磨品种：5 2 5 p o ( 配比：熟料8 3 、石灰石5 、石膏5 、矿渣 9 ，比面积3 2 0 o 一k g ) ，取样各2 0 0 9 。取样位置：物料入口、简体 中部、物料出口。 料层厚度为2 2 衄，大小碾辊加压13 5 m p a 。 篡 1 0 6 5 62 51 2 50 9 旺5 0 2 0 0 8 t g ( a 2 ) 2 巾式中由为摩擦角； 图十曲面压力传递示意图 由此可见，其箝入角并非一个常数，与摩擦系数有关。当e = o 时，c o s ( a 2 ) = r ( r + r ) ，r 与n 成反比。由图十一可以看出，其中 d 随着辊子曲率大小和方向的变化其。角和b 角都在变化；当d 、d 不变时，h x l 磨的n 最小。换句话说，当n 相同时，其允许进料粒度 将增大，与b 角对应的碾压区将增加，瞬时产量会增大，这已为实 验所证实。 ( a )( b ) ( c ) 图十一a 和b 与碾辊直径及曲率半径方向的关系示意图 值得特别指出的是，图十一所示的这种结构和加压方式不仅在 武汉理工大学硕士学位论文 辊磨中存在，在球磨和其它大多数粉磨机械中都存在，只不过在它 们之间有加压方式、速率和有效性等方面的差别而己。 四筒辊磨的主要工作参数 一、啮入角d 啮入角对筒辊磨来说是一个很重要的参数，大啮入角的能更 好地把物料带入研磨间隙且降低磨损，下面是简辊磨啮入角的确定 方法： 为计算方便，假设被破碎物料块是球形的，物料本身的重 力与研压力相比可略去不计，由于风力在磨盘上对料层的影响较 小，也可略去不计。 图4 1 简辊磨的啮入角 由物料块与磨辊及筒体的接触点引切线，此两条切线的夹角称啮 入角n ，如图4 1 所示。要把直径为d 的物料块拖到磨辊下面，同时 把它压碎，若啮入角a 太大，就不能达到目的。 物料与磨辊的接触点产生正压力，p 与垂线成b 。在e e 方向上的 力平衡是保证钳住物料的基本条件 矿c o s 竺+ 织c o s 兰p s i i l 昙+ 只s i i l 昙 ( 4 - 1 ) 式中f 钥在物料上的摩擦系数，f 约为0 2 4 ； d 引a 、b 两点切线所夹的角，即啮入角； p 一磨辊作用在物料上的反作用力； 武汉理工大学硕士学位论文 解式( 4 1 ) 得： f t g - “g ( 4 2 ) 因摩擦系数等于摩擦角的正切，即f = 辔妒，则式( 4 2 ) 可改写成 2 口口( 4 3 ) 由图4 1 得知，口= 声一口却卢一目 在实际生产中测得各种磨机的啮八角分别为：辊压机为6 度，立磨 为1 2 度，筒辊磨为1 8 度。 二、辊子直径与物料料径的比例 由图4 一l 的几何关系可知 o b = ，+ ( r + r ) c o s ( p 一+ ( o c h r ) c o s o ( 4 4 ) 式中r 磨辊半径，m ： r 物料半径，m ： h 辊子与筒体间的间隙，设h = k r ， 其中系数k = ( 0 ，0 0 6 ) ( o c h r ) s i n 0 = ( r + ，) s i n c p 一目) d c ：( r + r ) s 砒p - o ) + h + r s i n 0 ( 4 5 ) 将式( 4 5 ) 代入( 4 - 4 ) 得 + 足一，= ( r + r ) 【c 。咿一p ) + s i n ( 1 p - 矿o ) c o s o 一_ s 缸；而p - 一o ) 厅+ 胄一，= ( r + r ) c o s 妒一日) + s i l l ( p o ) c t g o s i n ( 卢一o ) c s e 0 ( 4 - 6 ) 将却= 声一0 及h = k r 代入式( 4 6 ) ，得 献+ r 一，= ( r + r ) c o s 2 p + s i n 2 烈c t g o c s c o ) 】 夸 e o s 2 妒+ s i n 却( c t c o - c s e o ) = 占 则艘+ r r = 吠+ 口 二：旦：! ! 二兰( 4 7 ) rdl + 占 式中d 劫料料径，m ； d 一磨辊直径，m 。 上式说明物料料径与磨辊直径的关系，磨辊直径大，则入料料径 武汉理工大学硕士学位论文 也大。但比值等于或超过上式的值时则磨辊的平稳性较差，振动和噪 音也会响应增加。 三、功率的计算 筒辊磨的功率计算由于实验数据尚不够广泛，系数归纳有待更 多的证实，但实验已提供这方面大致范围，只是需要更多的检测。 筒辊磨的功率的基本计算式为： n = p f ic o s qv l o sn 式中： n 一一功率，k w ； p _ 一一辊压力( 包括辊自重及油缸压力) ，k g ： f 一一固体物料摩擦系数： 一一料群抗压强度系数，与平均粒度有关； a 一一旌力方向和辊与简体切点的夹角，由结构形式 确定： t l 一一储备系数( 或效率) ，取0 8 5 o 9 。 四、产量的计算 产量的计算公式目前积累的数据尚不够充分。根据试验结 果，可按下式近似计算：q = k q n 式中： q 一一粉磨产品产量，t h ； k 一与料群平均粒度有关的系数，取1 1 1 3 ： q 一一单位产品功耗，由预粉磨、终粉磨、细粉 磨( 3 5 0 0 4 0 0 0 c m 2 g ) 要求试验确定。 产量的计算还可以用另外一个公式： q = v l6y 式中： v 一一物料轴流速度，m s ，与导料系统有关： l 一碾轴长度，m ； 6 一与物料箝入角相对应的料层厚度，m ； y 一一物料容重。 五、压力的确定 筒滚磨的压力依据筒辊磨在粉磨系统中所起的作用有不同的选 择，如果用于终粉磨 则工作压力较高；如果用于予粉磨则工作压力较低，为几个m p a ， 下表为法国h o r o m i l l ( 筒辊磨) 与辊压机，立磨的压力比较( 棍子 直径为8 0 0 m ) 武汉理工大学硕士学位论文 表4 一l 磨机类型压力( b a r ) 辊压机 3 5 0 0 立磨 1 0 0 筒磨辊 5 0 0 - 1 0 0 0 五筒辊磨粉磨效果分析 一、物料粉碎的粒度特性及粉碎定律 l 、粒度特性 物料粉碎以后，产品粒度不可能是均匀的，而是从大到小连续 变化的。把某一个粒度范围规定为一个级别，其中各级别的重量比 例就称为颗粒级配，他标志着物料的粒度特性。 粉碎产品的颗粒级配是否有一定的规律? 它们之间能否用数学 关系来表示? 这一个问题很早就被人们所重视。a 。0 。g a t e s 于1 9 1 6 年根据实验提出了粉碎产品的粒度关系式。 。= c x 式中 u 通过筛孔x 的累计重量百分数； n l 指数，与物料和设备有关； c - - 常数； x 筛孔或颗粒的尺寸 随后a 。0 。g a t e s 于1 9 2 6 年根据自己的实验资料，发现均质岩 石在粉碎以后，细级别重量在对数坐标上是一条直线，他们之间的 关系可用以下公式表示： u = cx - 式中u 残留于x 筛孔和通过下一极更大p x 筛孔的颗粒 重量百分数； c 常数； m 、指数，与物料和设备有关 x 筛孔尺寸。 对于g a u d i n 的这个关系式，r 。s c h u h m