（机械电子工程专业论文）过热蒸汽下涡轮分级机的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文采用四川绵阳流能粉体设备有限公司某型号过热蒸汽分级机进行了 粉煤灰的粉碎实验，分析了分级机转速，过热蒸汽压力等对粉煤灰粉后灰的 影响，记录了运行过程中不同时刻分级机上下轴承的温度，测试了分级机不 同转速下的阻力损失，通过该实验发现轴承在自然冷却时轴承温度过高，临 时采用间隙加水冷却轴承座对轴承进行冷却，能保证轴承正常运行，但振动 较大，实验为设备的改进和以后规模化生产具有一定的指导意义。 为探究轴承的温度场分布，解决轴承温升问题，本文以该型号过热蒸汽 分级机为原型，利用有限元分析软件a n s y s 建立数值模型，并分别对其在 自然冷却、水冷轴承座和油循环冷却轴承三种条件下主轴系统的温度场进行 数值模拟分析。并通过模拟结果对比分析水冷轴承座和油循环冷却两种方式 各自的优缺点。 关键词：过热蒸汽分级机轴承 a n s y s 数值模拟冷却 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s u p e r h e a t e dc l a s s i f i e r , w h i c hi sp r o d u c t e db ym i a n y a n gl i u n e n gp o w d e r e q u i p m e n tc o ，l t d ，w a sa d o p t e dt oe x p e r i m e n to nc r u s h i n gf l ya s h i ta n a l y z e d t h ee f f e c t so fr o t a t es p e e do fc l a s s i f i e ra n dp r e s s u r eo fs u p e r h e a t e d ，e e t ，o n c r u s h i n gf l ya s h ，r e c o r d e dt h et e m p e r a t u r eo fa b o v ea n db e l o wb e a r i n gd u r i n g o p e r a t i o nu n d e rd i f f e r e n tt i m e ，t e s t e dt h er e s i s t a n c eo fc l a s s i f l e ru n d e rd i f i e ；r e n t r o t a t es p e e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，f i n dt h a tt h eb e a r i n gh a sh i g ht e m p e r a t u r e o nt h ec o n d i t i o no fn a t u r a lc o o l i n g i tc a ng u a r a n t e et h eb e a r i n gr u nn o r m a l l yb u t v i b r a t i o ni sb i g g e rw h e nt e m p o r a r yu s i n gw a t e rc o o l i n gh o u s i n gg a po fb e a r i n g s f o rc o o l i n g t h i se x p e r i m e n th a sc e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n go f e q u i p m e n ta n dl a t e rf o rl a r g e - s c a l ep r o d u c t i o n i no r d e rt os t u d yt h eb e a r i n gt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dt os o l v et h e p r o b l e mo fb e a r i n gt e m p e r a t u r er i s e ，t h i sp a p e rb a s eo nt h i sm o d e lo v e r h e a t e d s t e a mg r a d em a c h i n ei sap r o t o t y p e ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y se s t a b l i s hn u m e r i c a lm o d e l ，a n dm a k i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so f t h et e m p e r a t u r ef i e l do fm a i ns h a f ts y s t e mi nt h r e ec o n d i t i o n so ft h en a t u r a l c o o l i n gr e s p e c t i v e l y ，w a t e r - c o o l e dh o u s i n g sa n do i lc i r c u l a t i n gc o o l i n gb e a r i n g a n dt h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n t r a s ta n da n a l y s i st h e i rr e s p e c t i v e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb e a r i n ga n do i lc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r c o o l i n go ft h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s k e yw o r d s ：s u p e r h e a t e ds t e a m ；c l a s s i f i e r ；b e a r i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c o o l i n g 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 超细气流粉碎的特点及其发展现状 气流粉碎技术的研究在国外已有近1 0 0 年的历史，而我国则是从上世纪 8 0 年代才开始【l 】。从气流粉碎及其气流分级技术的研究开发现状来看，目前 大部分研究都集中在应用开发、气流粉碎分级设备的形式、各种操作参数对 气流粉碎分级性能的影响等方面，而对于机理性的研究，( 如气流粉碎和气流 分级的机理、气流粉碎和分级流场的特性等) 则相对较少。我国气流粉碎所 使用的设备主要是仿制设备，独立自主研发的较少。 气流粉碎机是制备超细粉体最有效、最常用的设备之一。它是利用工质 通过喷嘴( 亚音速喷嘴、超音速喷嘴) ，产生高速气流，使颗粒相互产生冲 击、碰撞、摩擦以及气流对物料的冲击剪切作用而实现超细粉碎的。 目前超细粉体的制备方法主要有：物理法、化学法和其他综合方法。物 理法是工业中最为常用的一种方法。它包括两种方法，一种是机械粉碎法， 其原理是将材料由大化小，即将大块物料通过外力作用将其粉碎得到超细粉 体；另一种是构筑式，其原理是将小尺寸原子、离子或分子通过成核和长大 两个步骤合成为超微粉体。采用前者得到的产品，成本低、产量大、工艺简 单、适于大规模工业生产，但其纯度、细度和形貌均不及构筑法制备的超细 粉体，而采用后者得到的产品纯度、细度和形貌较好，但的是产量小、成本 高，不适合大规模工业生产。所以，目前大规模的工业生产中，超细粉体大 多数是采用机械法粉碎法来加工【2 】。 目前，气流粉碎设备广泛应用于化工、非金属矿、材料、医药、颜料、 涂料、化妆品等行业的超细粉碎，产品细度通常可达l + l t m ，由于气流经超 音速喷管绝热膨胀后可产生降温效应，因而还适用于低熔点、热敏性物流的 超细粉碎【3 】。机械冲击式粉碎机、振动磨、搅拌磨等粉碎设备的生产周期往 往较长，从而使生产效率低；物料粉碎时会产生大量的热，致使热敏性物料 变质；而且设备的磨损会污染产品。因此这些机械式粉碎机已不能完全满足 人们对超细粉体物料越来越高的要求，气流粉碎设备在生产超细粉体方面有 取代机械式粉碎机的趋势【4 j 。 目前，在国内外文献中气流粉碎分级设备通常按机型分为：对喷式气流 粉碎机、循环管式气流粉碎机、扁平式气流粉碎机、靶式气流粉碎机和流化 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 床( 对喷) 式气流粉碎机【5 】i 引。 气流粉碎机发展前期偏向于微粉碎过程的研究，随着技术及工艺的不 断改进，逐步将研究重点放在控制粒度分布和粒子形状方面，随后又进一 步将技术应用于除去杂质和低温粉碎。国外对于超细粉碎技术的研究起步 较早，从2 0 世纪4 0 年代就开始注重以超细粉碎、分级及改性为基础的深加 工技术，到6 0 年代该技术已取得迅速发展。目前英、日、美、德等国都具 备较高水平的超细粉碎技术和设备，可以加工细度为0 5 1 01 tm 窄级别的 超细粉体【_ 7 1 。流化床对喷( 冲) 式气流粉碎机是7 0 年代末8 0 年代初德国 a l p i n e 公司开发并投入使用的新机型，具有能耗低、磨损轻、污染小、噪 声低、产品粒度细且分布较均匀、能用于较高硬度物料的粉碎等特点。芬 兰爱磨有限公司的f p 型对冲式粉碎机具有与a l p i n e 公司流化床气流粉碎机 相似的特点，也是内置转子轮式分级机【8 】。此外，原德国a l p i n e 公司将逆 向喷射原理与流态化床中的膨胀气体喷射流相结合开发研制出一种流态化 逆向喷射磨( a f g ) ，这种磨机应用范围广泛，与其他类型的气流粉碎机 相比可节约能量3 0 - - , 4 0 ，且设备磨损较轻，运转可全部实现自动化， 现在国内已有引进机型。另有，日本风动工业株式会社生产的气动射流磨 机( 简称p j m ) ，美国斯特蒂文特公司生产的m i c r o n l z e r 扁平式气流粉碎 机，美国特罗斯特气流粉碎机公司生产的r a j a sj e t p u l v e r i z e r 型气流粉碎机 也都己广泛应用于矿物的超细粉碎。 相对而言，国内对超细粉碎技术的研究起步较晚。我国是在2 0 世纪8 0 年 代才开始研究，因此，其理论研究方面的成果与国外相比相对较少。但近年： 来随着超细气流粉碎分级技术在我国的迅速发展，国内也有很多可喜的研究 成果。目前，国内占主导地位的几种干式精细分级机，如咸阳非金属矿研究 设计院粉体工程中心制造的q f 型空气分级机、上海化机三厂的f q z 和f y z 型 超微分级机、沈阳飞机研究所粉体工程公司的f j j 型分级机和昆山市超微粉碎 机厂的w f j 型涡轮式分级机等，是在国夕 - m s 、m s s 年r l 德国的a t p 单轮或多轮 涡轮式分级机技术的基础上发展起来的1 9 】【1 0 】。这些干式精细分级机，基本上 都与相应的机械冲击式超细粉磨机或气流粉碎机配套使用，其分级粒径可在 较大的范围内调节。孙鸿亮等人在a l p i n e 型气流粉碎机的分级原理基础上， 设计出分级轮寿命可提高4 倍以上的f j l l0 0 型分级轮，和简支梁结构形式的 h l 型流化床式对喷气流粉碎机，弥补了a l p i n e 型气流粉碎机分级轮弯曲变 形大、运转不平衡、能耗大等缺陷，并在粉体加工行业广泛推广应用】。王 曙耀等【l2 l 在此基础上进行了改进，设计了球靶式气流粉碎机，其靶呈半球形， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 使靶面磨损减小，物料不易沉积，冲击力强，提高了粉碎效率和粉碎的颗粒 细度。吕烘灿等【”】研制了一种新型板式气流粉碎机，粉碎机内设置内衬反击 板，机壳内设置循环冷却水套降温，粉体不堆积，广泛用于镁铝合金和橡胶 等易燃易爆物的粉碎。叶菁【1 4 】在对超细气流粉碎装置的实用研究中，发明了 一种中药材冲击摩擦超细气流粉碎装置，这种装置将喷射气流的高速冲击粉 碎作用和旋转靶的高速摩擦粉碎作用复合用于中药材的超细气流粉碎中，使 中药材通过离心布料器均匀的分配至多个喷嘴加速管冲击旋转靶，在靶表面 摩擦纹理的剪切作用下得以冲击、摩擦粉碎，经分级获得超细中药材粉体。 薛彬等【1 5 】人研制出了一种双圆盘对撞式气流粉碎机，其特征在于有两个相交 的圆盘状粉碎室，粉碎室周围有若干只能产生两股旋向相同的超高速旋流的 射流喷嘴，颗粒在圆盘相交部位受到强烈的对撞和摩擦而被快速粉碎，撞击 力度大，能耗低。徐宝东设计的喷旋式气流粉碎机是比较有价值的国家发明 专利，其结构结合扁平式、靶式和流化床的优点，利用喷动床和流态化技术 提供的一种新机型，其在同样原料和粉碎细度的情况下，处理能力显著增高 【1 6 】 o 目前，常用的粉碎工质是压缩空气，粉碎特殊物料也用到惰性气体( 氦 气、氮气等) ，过热蒸汽作为粉碎工质还很少。气流粉碎具有的特点： ( 1 ) 高速气流引导颗粒到极高的速度发生碰撞，粉碎强度大，可获得微 米级甚至亚微米级的超微细粉体；( 2 ) 产品的粒度分布窄，过粉碎小；( 3 ) 压缩空气通过绝热膨胀、冷却降温，粉碎时间短，粉碎腔的温度常低于常温， 特别适用于低熔点、热敏性物料的粉碎；( 4 ) 物料相互碰撞粉碎，设备磨损 小、产品污染小【1 7 l 【1 8 】【19 1 。 但气流粉碎机仍存在一些不足。例如，设备制造成本高，能耗大，加工 成本也较大；单机处理能力较差( 产量均小于l t h ) ，不适合大规模生产： 产品粒度难以达到亚微米级，在1 0 9 m 以下时产量大幅度下降，加工成本急剧 增加等。与之相配套的分级设备也存在着一些不可忽视的问题，如分级机能 耗较大、操作稳定性较差、分级效率较低、分级精度难于保证等一系列缺点。 另外，在工质使用上，国内大多使用空气，很少使用过热蒸汽或惰性气体。 设备加工精度与材质的磨损问题也仍困扰着设备制造商和广大国内用户。总 体来说，国内多数厂家只是处于仿制国外同类设备的水平上，还谈不上自己 的技术创新。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 2 工业余热的利用现状 工业余热是在工业企业生产过程中，各种换能设备、用能设备和化学反 应设备中产生而未被利用的热量资源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、 废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料 余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料 消耗总量的1 7 6 7 ，可回收利用的余热资源约为余热总资源的6 0 t 2 0 1 。 炼钢转炉余热利用：烟气余热回收，一是采用煤气回收法( 未燃法) ， 将排烟中大量的c o 气体通过冷却除尘后加以回收，用作化工原料或燃料。进 行发电，生产电力，减少整个生产的净消耗电量。 玻璃熔窑余热利用：在我国，一般的平板玻璃熔窑平均单耗为3 2 3 9 k g 箱，是美国的3 2 倍，热效率只有2 5 - 4 0 ，烟气离开蓄热室的温度约6 5 0 一- 7 0 0 摄氏度。多采用烟管式余热锅炉回收熔窑烟气余热，进入余热锅炉的烟气 温度约5 0 0 摄氏度，排烟温度约1 6 0 摄氏度，可生产2 7 5 摄氏度的过热蒸汽l 5 t h ，供生产和采暖用。 合成氨余热利用：法国对3 0 万t 合成氨装置的工艺气余热，安装了余热锅 炉回收，可生产压力为1 0 6 m p a ，流量1 8 0 t h 的高压蒸汽。 炼油厂余热利用：加热炉烟气及催化裂化装置再生器排出的烟气具有很 大的热量。国外一套处理能力2 4 0 万t 的装置，余热回收功率可达3 万k w 。 此外，我国的热电厂、水泥厂都存在大量的工业余热，目前对于工业产 生的废热主要用来产生蒸汽，利用蒸汽进行低温发电，这种利用余热资源发 电在部分程度上对余热资源进行了再利用，但其热效率较低，大概在1 0 - - - 一2 5 祭 之间。 为了提高工业余热利用效率，现在迫切需要开发一种高效利用技术，过 热蒸汽气流磨可利用工业余热产生的低品位过热蒸汽作为粉碎工质，对于水 泥厂和火电厂，可利用过热蒸汽气流磨，制备出附加值更高的超细粉煤灰， 它不仅能实现火电厂的节能，又可创造可观的经济效益。 1 1 3 石油焦的加工利用现状 浮法玻璃熔窑的燃料耗量大，是玻璃生产成本主要构成因素，目前浮法 玻璃熔窑燃料主要有重油、天然气和煤气。其中因重油来源广泛，热值高， 因而大多数玻璃生产厂家采用重油作为熔化玻璃所需的燃料。但随着世界石 油资源的日益短缺，重油价格飞速攀升。玻璃制造的燃料成本由制造成本的 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 3 0 上升至5 0 ，企业利润空间日趋缩小，生产经营举步维艰，发展受到严 重制约。寻求替代燃料是当务之急，石油焦干粉由于燃烧所放出的热量、各 项成份指标与重油相近，其灰分为0 2 0 3 5 ，含硫量 l ，c 含量为8 5 ， 其它轻质可燃物约1 3 7 ，不会对玻璃液产生污染，其成本相比于重油却降 低：3 0 5 0 ，已在玻璃行业得到了大量的应用，是新一代浮法玻璃熔窑节能环 保能源。 石油焦替代重油作为燃料，首先要求将石油焦粉碎为2 0 0 目全通过、4 0 0 目通过6 0 的干粉。目前国内生产玻璃企业在制备石油焦干粉制上普遍采用 机械磨，绵阳流能粉体设备有限公司先期研发的石油焦干粉机械磨，通过优 化粉碎主机和分级机结构设计，大幅度提高粉碎效率与大颗粒控制精度。采 用独特的流场设计的分室脉冲袋式除尘器，有效的解决了石油焦粘附性的问 题；保证了设备稳定运行；由于相对国内同类其他机型装机功率小，产量大， 能耗低。粒度分布严格，运行稳定，在国内得到大量的使用。截止目前已在 华尔润集团、沈阳耀华玻璃有限公司等3 0 余家大型企业中使用了1 8 0 余套装 机1 8 5 k w 的分级式冲击磨机。 但是分级式冲击磨加工石油焦仍然存在着诸多问题：( 1 ) 石油焦原料中 含有铁、硬质异物等杂质，在加工石油焦粉体过程中，对机械磨的磨蚀严重； ( 2 ) 加工能耗较高：( 3 ) 石油焦原料中含水量达8 1 2 ，粉碎后石油焦 的含水量较大，若需控制需增加预处理环节；( 4 ) 由于在空气环境中加工， 石油焦粉体易氧化而发生粉体自然或爆炸，安全性得不到保证等问题。 玻璃行业属于高耗能行业，产生有大量的余热，国家鼓励企业使用余热 发电以实现余热的利用，但是由于余热发电电能不稳定，不能实现与国家电 网的并网，企业产生电能只能自用，用不完的只能浪费，且余热发电效率很 低，最高不超过2 0 ，所以余热余压的利用，是国家重点支持的研究领域。 从目前分级式冲击磨使用的3 0 余家玻璃行业的现状来看，极少采用余热发电， 江苏华尔润集团下属的张家港华汇特种玻璃厂虽投入5 0 0 0 万元上了余热发电 项目，但运转不正常，效率低。通过对高耗能企业余热发电参数实际调研， 发现现有余热发电锅炉所产生的蒸汽或背压蒸汽参数完全满足其作为粉碎动 力介质加工粉体的需求，项目组已与华尔润达成协议，合作建立利用窑炉余 热产生低品位过热蒸汽加工石油焦干粉的示范生产线。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 利用低品位过热蒸汽粉碎石油焦，相对机械磨而言，具有以下优势：( 1 ) 易损件很少，设备维护费用低；( 2 ) 利用玻璃厂余热转化为低品位过热蒸汽 为动力，可节能8 0 ；( 3 ) 在粉碎过程中隔绝了粉体与空气的接触，没有粉 体爆炸的危险；( 4 ) 过热蒸汽状态下粉碎，能将粉体的水分控制到最低水平， 提高燃烧性能；( 5 ) 加工后的粉体有一定的温度，可减少燃烧过程中预热的 能量消耗，降低燃料的消耗；( 6 ) 加工粒度范围宽，可加工4 0 0 目的粉体， 也可根据需要加1 4 0 0 目1 2 5 0 0 目的粉体；( 6 ) 充分利用工业余热，符合国 家目前大力倡导节能减排政策的要求。 1 2 过热蒸汽气流磨简介 1 2 1 过热蒸汽的性质及利用现状 当蒸汽温度高于其相应压力下的饱和温度时，称为过热蒸汽。饱和蒸汽 的获得方式有两种：一是使饱和蒸汽继续受热；二是使干饱和蒸汽减压。过 热蒸汽与饱和蒸汽相比，具有更高的温度、更高的热量和更大的比容。在实 际的应用中，过热蒸汽主要用于发电厂的蒸汽轮机，通过过热蒸汽驱动汽轮 机时具有更高的热效率，并可避免水滴溢出冲蚀叶轮。过热蒸汽通过喷嘴推 动叶轮转动，同时带动发电机转子转动，这一过程会消耗大量的能量。如果 是饱和蒸汽，能量的降低必将导致部分蒸汽凝结成水。过热蒸汽气流磨中过 热蒸汽也同样如此，所以在过热蒸汽气流磨中，需要对其外壁加保温层。在 通过同一尺寸的管道和喷嘴时，过热蒸汽会以更高的速度通过【20 1 。 在同一压力下，过热蒸汽的温度虽然高于饱和蒸汽的温度，但过热蒸汽 却并不适合直接换热。因为在换热的过程中，过热蒸汽温度先降低到饱和温 度，再在恒定的饱和温度下在放出汽化潜热。而过热蒸汽多出的热量和汽化 潜热相比非常小【2 。 1 2 2 过热蒸汽气流磨研究现状 利用过热蒸汽制备超细粉煤灰是一种新的技术，其以电厂低品位过热蒸 汽为动力，通过超音速喷嘴获得高速气流，加速粉煤灰颗粒，使粉煤灰获得 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 巨大的动能后相互碰撞，在碰撞、摩擦和剪切的共同作用下实现粉碎。并采 用蒸汽一空气热交换器对系统进行开机前的预热和停机后的置换，防止系统 产生结露现象；同时用于输送粉煤灰，可在输送的程中对粉煤灰进行预热， 避免由于温降引起水蒸汽在粉煤灰表面结露引起的“碰撞缓时”效应，提高 粉碎效率，而且气力输送也有利于增强粉煤灰的分散性，提高分级精度。过 热蒸汽流化床气流粉碎分级系统在综合利用电厂低品位蒸汽等余热的同时， 又对低等级粉煤灰进行超细化处理，实现了对固体废弃物的资源化利用。以 过热蒸汽为动力的超细粉体设备具有强大的粉碎力，在整个粉碎、分级、收 集系统中，可将蒸汽保持在过热状态，避免了湿法生产超细粉后的脱水、干 燥、干燥物料固结后需解离等缺点，还可以充分利用粉体超微细化过程中的 过热蒸汽的热能、高速气流的动能和固相活化反应( 如粉煤灰与c a o 或 c a ( o h ) 2 在高速碰撞过程中产生化学反应，生成高活性矿物) ，使粉体在微 细化过程中实现潜在火山灰活性的激发与改性一体化，将低等级粉煤灰制备 成高活性粉煤灰，从而极大地提高粉煤灰的附加值。实现低等级粉煤灰的低 成本、规模化应用。 1 2 2 1 过热蒸汽气流磨的优势 j 。 国内干法超微粉加工以气流磨的应用最多，目前是保证产品质量最好的 设备。其可制各各种高纯度的超微粉体物料，具有加工工艺简单，产品粒度 分布较窄，颗粒形态较好等优点，是近年来发展最快的超微加工技术。但以 压缩空气为介质的气流磨，能耗太高。而以过热蒸汽为介质的气流磨，在降 低能耗和加大粉碎强度上非常显著，在整个粉碎、分级、收集系统中，将蒸 汽保持在过热状态，避免了湿法生产超细粉收集的脱水、干燥的物料易固结 等缺点2 2 1 。 国内虽然也有蒸汽气流磨的介绍，但实际工作进展不大。较之空气气流 磨有以下优点【2 3 l ； ( 1 ) 蒸汽气流磨的能耗远远低于空气气流磨 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 以压缩空气为介质的气流磨的能量要经过多次转换才能作用到被粉碎的 颗粒上。以火力发电的过程为例，其能量转换形式为：燃料一过热蒸汽的势 能和热能一电能一压缩空气势能一喷射气流的动能一物料颗粒的动能。在燃 料转化为电能的过程中，能量损失是十分严重的，高参数蒸汽动力厂的实际 效率也只有4 0 左右。蒸汽气流磨能量转换形式为：燃料一过热蒸汽的势能 和热能一过热蒸汽的动能一物料颗粒的动能。相对于空气气流磨而言，能量 转换少了二个损失较大的过程，即过热蒸汽的势能一电能、电能一压缩空气 的势能，而燃料转化为过热蒸汽势能与热能的效率通常在7 6 8 7 ，可见， 过热蒸汽气流磨的能耗远远低于空气气流磨。 ( 2 ) 蒸汽气流磨的粉碎力远高于空气气流磨 流化床气流磨是由高压流体工作介质进入超音速喷嘴，产生超音速气流 进入粉碎室，带动物料相互碰撞、摩擦进行超细粉碎。经粉碎的物料随气流 进入分级区，按粒径大小分级。合格粒径的物料被分选出来，送入收集系统， 不合格物料再返回粉碎室继续粉碎。以压缩空气为介质的气流磨，其粉碎速 度一喷嘴出口产生的高速气流通常只能达到2 马赫左右。而以过热蒸汽作介 质的气流磨，其粉碎速度一喷嘴出口产生的高速气流易于达到3 马赫。因此 过热蒸汽气流磨的粉碎力远高于压缩空气【2 4 1 。 ( 3 ) 在同一温度下，过热蒸汽的粘度比空气低得多。高的临界速度又具 有较低的粘度，对粉碎极为有利。在相同的压力及温度条件下，用小分子量 的过热蒸汽粉碎物料，比压缩空气能得到更细的产品。 因此，使用过热蒸汽作为介质，能量转换损失少、利用率高、价格便宜， 气流粉碎的主要成本是工质成本，故采用过热蒸汽工质，在经济上有吸引力。 同时过热蒸汽的临界速度高，粉碎力度大，粉碎同样的物料，蒸汽工质的气 固比较之空气工质的气固比更小，易于获得更细的超细粉【2 3 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3高温场合轴承的处理方法及轴承研究现状 1 3 1 高温场合轴承的处理现状 轴承属于一种比较精密的零件，他的好坏直接影响到整台机器的正常工 作，轴承损坏的原因有，非有效的密封；过紧的配合；超出预定的负载等。 据统计损坏的轴承，有三分之一的是疲劳损坏，三分之一是因为润滑不良而 失效，其他的三分之一是因为密封不严致异物进入轴承和轴承的安装处理不 当。 引起轴承温度高的原因主要有以下几个方面 l 、负荷过大、2 、润滑不良、3 、外界环境温度过高、4 、轴承安装不当 5 、轴承密封不严，轴承内混入杂物。 高温场合轴承的处理主要从两个大的方向上去进行，一是通过外部方法 降低轴承的温度和散热条件，如：水冷轴承座，水冷空心轴，风冷截热，油 循环冷却、隔热和截热与冷却并用的方式；二是不改变环境温度，而是采用 能耐高温的高温轴承和高温润滑脂。 电主轴上轴承的处理方法：当切削速度超过某一数值后，随切削速度增 大，切削温度不升反降，切削力下降，表面质量提高，加工效率提高3 倍左 右，这与常规速度切削现象正好相反，而且这一临界速度值与工件材料的特 性有关，由于高速切削的优点，因此高速加工技术发展异常迅速，高速的加 工中心及其相关设备在国际机床市场上已非常流行。高速主轴单元是实现高 速加工的重要组成部件，目前采用高速机床主轴多采用电主轴，它是将电机 定子装配在主轴套筒内。电机转子和主轴做成一个整体，实现了电机与主轴 之间的零传动。由于主轴的转速很高，一般从几万到十几万转每分，因此对 其轴承要求较高，因此其轴承与满足精度和耐用两个要求。电主轴的热源主 要有两个，一是电机转动时损耗的电能转化来的热能，而是轴承自身转动产 生的热能。电主轴的轴承的处理现状是：除功率较小( 约 0 5 1 k w ) 和某些采 用油雾润滑者例外。冷却方式一般采用含添加剂的循环水或油，相应地配备 管路和控温冷却装置。它除冷却电机外，还附带冷却支承，如冷却液在电机 西南科技大学硕士研究生学位论文第1o 页 和前支承的外环夹层( 一般在电机外壳切有螺旋冷却液槽) 内循环。这就使整 个主轴部件温升低且恒定，有利于轴承的预载，最终又有利于主轴的刚度和 精度，可以抵偿冷却增加成本的负效应。冷却液温控制系统，在环境温度 1 0 0 1 2 4 0 0 的条件下，一般可控制在2 0 2 5 范围内某一设定的温度，精 度为0 7 ，特殊要求可达0 3 【2 5 】。 熔岩泵上的处理方法：熔盐泵( 图1 1 ) 用于高温硝酸盐、亚硝酸盐、 离子膜烧碱的输送，以及广泛用于三聚氢氨、制盐、制碱及尿素等化工流程 中输送介质的温度通常在4 0 0 到4 6 0 之间，因此在过流部件的材料选 择时，要注意耐高温和耐腐蚀问题，其轴承的目前的处理方法有：( 1 ) 脂润 滑风冷；( 2 ) 脂润滑水冷( 图2 2 ) ；( 3 ) 油润滑风冷；( 4 ) 油润滑水冷 四种方式。但脂润滑风冷效果不明显【2 6 1 。 i i 上袖膏 ii 中轴一 囱目风翅 可 jc 下轴 c = ) 泵体 板 图1 - 1熔岩泵的结构示意图图1 - 2熔岩泵脂润滑水冷却结构示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd ia g r a mo ft h e f ；g 1 2 s c h e m a t i cd ia g r a mo ft h ei a v a l a v ap u m p p u m po nt h ec o n d i t i o no fw a t e rc o o i n g 窑车上轴承的处理方法：窑车是一种在高温窑里运送物品的一种装置， 窑里的温度一般很高，轴承的温度一般也在2 0 0 ( 2 以上，但由于窑车本身速 度慢，轴承的自身发热量小，目前窑车中轴承主要采用能耐高温的陶瓷轴承 和高温润滑脂【2 7 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l l 页 1 3 2 轴承的研究现状 我国轴承工业起步于二十世纪五十年代，经过半个世纪的发展，已经形 成那个了比较系统完整的生产和技术体系，成为排名与日本、美国和德国之 后的世界轴承生产的第四大国，但是，与发达国家相比，我国轴承工业还存 在很大的差距，这些差距主要体现在以下几个方面：轴承的尺寸公差和旋转 精度、高速性能、寿命和可靠性、振动和噪声以及特殊情况下的轴承使用技 术上。在国内的一些重要领域，如名航飞机、高速铁路客车、中高档轿车、 计算机、引进型重大装备方面，基本都是进口轴承【2 引。 ( 1 ) 陶瓷轴承：世界上第一套陶瓷轴承由美国n a s a 公司于1 9 7 2 年研 制成功，之后，世界上各工业强国就一直在竞相研制、生产更高性能的陶瓷 轴承经过三十几年的发展，已经逐步走向工程应用的一种高性能产品，现有 全陶瓷轴承( 套圈、支架、滚动体均为陶瓷) 和复合陶瓷轴承( 仅滚动体为 陶瓷，套圈和支架为金属或高分子材料) 两种。陶瓷轴承具有高速( d n 值达 3 0 0 万) 、长寿命( 约为钢制轴承的3 - 5 倍) 、耐摩擦、高强度、重量轻( 只 有钢制轴承的6 0 ) 、防磁、绝缘、承受缺油润滑能力强等优点，这些都是 金属轴承无法比拟的。在航空航天、核工业、石油工业、化学工业、轻纺工 业、食品工业、机械工业等高温、高速、耐腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干 摩擦的特殊环境下，其不可替代的作用正在被人逐渐的认识。 国外陶瓷轴承研发与生产实力较强的有：美国、日本、德国、法国、俄 罗斯、英国等十几个国家，此外，意大利、韩国、台湾等国家和地区也在积极 开发陶瓷轴承。目前，世界各国研究陶瓷轴承处于领先水平的主要公司有瑞 典的s k f 、法国的圣戈班戒、日本的n s k 和k o y o 、美国的t e m k e n 和 n o o n 、俄罗斯的r o s v 、德国的f a g 等。 我国的陶瓷轴承研究起步较晚，第一套陶瓷球轴承于1 9 9 0 年在黑龙江 晶体公司问世，之后，一些大专院校和研究院所就开始了陶瓷轴承的基础研 究工作。目前，国内陶瓷轴承研发集中在复合陶瓷轴承，即解决高精度陶瓷 球的加i n 造问题上，但这只是陶瓷轴承研发中的一小部分基础工作，球的 产量大小及加工技术的高低难以真正反映企业陶瓷轴承水平的高低。陶瓷轴 承生产技术的精髓应该集中反映在实际生产、应用中，如：陶瓷实体保持架、 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 浪型保持架、剖分式保持架的加工、成型技术，近净型制坯技术和成型烧结加 工技术，陶瓷内外套圈滚道的加工技术，高精度套圈滚道表面的获得技术， 陶瓷轴承的装配工艺方法，游隙选定以及应用现场与金属箱体的配合公差的 处理技巧等。 我国陶瓷研发存在的问题有：( 1 ) 研发主要集中在高速、高精度上，在 使用上多属高速机床、数控机床、电主轴等高速场合要求的长寿命、低噪音 陶瓷球轴承。研究的重点是复合陶瓷轴承，主要是陶瓷球；解决的问题主要 有两个，一是陶瓷球的制坯工艺，二是高精度陶瓷球的加工工艺。陶瓷球的 材质主要是氮化硅、氧化锆，尤以氮化硅为主，对新材料如s i c 、z t a 、sa i l o n 研究较少。( 2 ) 国内轴承制造企业和特种陶瓷企业都在各自为战，轴承制造 企业生产不了特种陶瓷，特种陶瓷企业也加工不了轴承，这就导致了理论与 实际应用严重脱节。我国陶瓷轴承发展的方向是实现陶瓷轴承的产业化生产， 有专家预言，陶瓷轴承有可能完全替代金属轴承2 9 】【3 0 】【3 1 1 。 ( 2 ) 磁力轴承：该轴承是利用电磁力使转子稳定悬浮起来且轴心位置可 以由控制系统控制的一种新型轴承，磁力轴承也称电磁轴承或磁悬浮轴承【3 2 1 ， 是利用磁力的作用使转轴悬浮在空间特定位置，实现传统轴承的作用，但它 避免了转子与轴承的直接接触，磁力轴承系统由转子、传感器、控制器和执 行器四大部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。 由于磁力轴承具有不接触、无摩擦、无润滑、无密封、低功耗、支承力 可控可调等特点，为转子振动主动控制提供了很好的途径，磁力轴承技术被 广泛应用于转子的振动主动，许多研究者开展了磁力轴承用于控制转子振动 问题的研究。具体场合有机床主轴、航空发动机、计算机硬盘、压缩机、离 心机等。 磁力轴承的优点：由于其无机械接触，因而无磨损，其寿命实际上是控 制电路元器件的寿命，比接触式轴承寿命长得多。无须润滑，可省去泵、管 道、过滤器、密封元件和相关仪表，减少了物耗和维护费用，也不会因使用 润滑剂而污染环境，因此特别适合于真空技术、无菌车间等超净环境。也可 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 以用于由于环境恶劣( 温度，粉尘，辐射) 而引起的润滑不良的场合，可在真 空、空气、氦、碳氢化合物、蒸汽、铀、海水、液态氧和液态氢中工作。可 以减少由于摩擦升温带来的能量损耗，其能耗是传统机械轴承能耗的5 2 0 ，是空气静压轴的1 0 2 0 。允许转子高速旋转，其转速只受转子材 料能承受离心力强度限制。 磁力轴承的缺点：磁悬浮系统整体成本较高，价格昂贵；在振动的主动 控制方面，它主要作为支撑装置以及作平面运动的振动体的吸振，而关于转 子振动的动力吸振器的研究较少。磁力轴承技术在转子振动主动控制中的研 究，特别是作为动力吸振器的研究还有待进一步的深入i ”】。 1 4存在的问题及发展趋势 现代科技的发展对超细粉体提出了越来越高的要求，不仅要求粉体极细， 而且要求粒度分布窄，对于分级设备的要求更高。虽然近几年在气流粉碎分 级基础理论研究方面有了很大的进步，但很多方面尚不够深入，仍需进一步 完善提高，尤其是关于过热蒸汽工质的粉碎分级技术研究。关于超细粉煤灰 制备的设备很多，但均存在能耗大，成本高等缺陷，难以真正的转化为生产 力。过热蒸汽气流粉碎分级系统可有效提高粉碎强度，降低能耗，实现超细 粉体的低成本、规模化生产，但国内外关于过热蒸汽气流粉碎的研究较少， 许多关键技术尚需进一步探讨。 ( 1 ) 关于气流粉碎机结构参数对粉碎效果影响研究远非对机械磨机那么 普遍，而且对于流化床粉碎机的流场、参数优化和数学模型的研究鲜见报道， 而关于过热蒸汽气流粉碎装置未见提及； ( 2 ) 流化床气流粉碎及分级流场的实验研究需要进一步加强，目前很少 有关于流场测试仪器的报道，而过热蒸汽粉碎分级系统的高温和易冷凝性也 使得很多测试设备无法测试； ( 3 ) 关于空气气流粉碎机和过热蒸汽气流粉碎机粉碎效率的比较，没有 从内部流场的比较上给予解释。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 4 ) 至今未见对过热蒸汽流化床气流粉碎分级装置的计算机仿真模拟、 结构设计以及工业化试验的研究。过热蒸汽工质的特殊性使得许多关键性问 题难以解决，开发新型过蒸汽流化床气流粉碎系统尚属探索阶段。 1 5本课题研究意义及主要内容 1 5 1 研究意义 以过热蒸汽为介质的气流磨工艺可有效提高电厂综合热效率，降低粉体 加工成本，并可在微细化过程中实现粉煤灰潜在火山灰活性激发与改性一体 化，将低等级粉煤灰制备成高活性粉煤灰，从而极大的提高粉煤灰利用档次， 实现低等级粉煤灰的低成本、规模化应用。本文通过理论和试验研究，在过 热蒸汽气流粉碎分级机的基础上进一步提出相应的改进措施，解决分级机的 一些相关问题，如轴承过热等，提高设备在过热蒸汽环境下的可靠性和稳定 性，同时探索影响轴承发热的有关因素，建立其参数模型。为设计高转速分 级机提供参考和依据。 目前，国内外均无采用低品位过热蒸汽作为动力，制备超细粉煤灰的设 备系统。本技术的研究为工业余热的利用和超细粉碎提供了一个新的途径。 1 5 2 研究的主要内容 - i l 、通过现有实验设备进行粉煤灰的超细粉碎实验，对比分析过热蒸汽气 流磨和空气气流磨的粉碎效果，测试过热蒸汽气流磨操作参数：分级机转速， 蒸汽入口压力，加料速度，进料粒径，含水量对粉煤灰粉碎后粒径的影响以 及产能的影响，分析了并测试分级机上下轴承的温度变化，以及分级机在不 同转速下压力损失。发现分级机轴承的温升较大，超过了轴承的使用极限温 度。需要对分级机轴承部分进行改进。 2 、通过a n s y s 模拟分级机在自然冷却下的温度场分布，并通过实验数 据验证数值模拟结果的准确性。在模型准确的前提下，设计了水冷轴承座和 油循环冷却轴承冷两种解决方案，并通过数值模拟方法来验证两种方案的优 缺点，确定出最佳的解决方案。通过前面的结果设计出分级机的结构。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l5 页 第二章过热蒸汽下分级机的实验研究 本实验采用了江油巴蜀电厂的简易过热蒸汽气流粉碎分级系统，在过热 蒸汽压力为0 5 o 9 m p a ，温度为2 8 0 - 、一3 4 0 c 等参数条件下，系统运行稳定， 粉碎分级效果良好，加工的超细粉煤灰平均粒径达到l 5um ，粉煤灰火山 灰活性大幅提高。 2 1试验原料及试验条件 2 1 1 试验原料 一 实验原料采用了江油巴蜀电厂的低等级干排灰，d 5 0 = 9 7 6 8 9 m ，d 9 0 = 2 7 3 6 9 9 m ，主要化学成分见表2 - 1 。 表2 - 1低等级粉煤灰化学组成( ) t a b 2 1 ( ；h e m ic a ic o m p o s i t i o n1 0 wg r a d ef i ya s h 2 1 2 试验设备及工艺方法。 、 本试验采用的过热蒸汽粉碎分级与收集系统，主要设备包括：过热蒸汽 粉粉碎机、过热蒸汽涡轮分级机、高温袋式除尘器、高温风机、蒸汽一空气 换热器、脉冲喷吹装置、螺杆加料机、以及相关的测试仪器与安全装置等。 图2 1 是制备粉煤灰粉体的试验装置系统图。图2 2 为过热蒸汽粉碎分级系 统现场照片，其中分级装置采用过热蒸汽用立式涡轮分级机，除尘器为特殊 设计的高温抗结露袋式除尘器。整个系统设备均用不锈钢制作并做保温处理。 本系统的开机顺序为：在进行安全检查之后，开启蒸汽一空气换热器的 蒸汽进出口阀门使空气与过热蒸汽进行热量交换，同时开启高温风机，高温 风机产生的负压引导由蒸汽一空气热交换器换热后的高温空气从通风加料管 进入粉碎分级机和袋式除尘器进行预热，待系统内温度达到水蒸气的饱和温 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 度以后，开启粉碎腔的蒸汽进口阀门，过热蒸汽在粉碎腔中以超音速喷出， 同时粉煤灰原灰在螺杆加料机以及高温空气的带动下被送入粉碎室，在超音 速气流的引射下碰撞、摩擦，进而达到改变物料粒径的目的，粒径合格粉体 则气流带动下，通过项部设置的涡轮分级机经袋式除尘器收集。合格粒径的 大小通过改变分级机的转速来进行调节。 本实验是在其他参数不变的情况下，分别改变分级轮转速、螺杆加料机 转速以及过热蒸汽压力等参数进行试验。根据试验所测得的超细粉煤灰粒度 分析各参数的影响，进而对实验系统进行优化。 试验中蒸汽压力通过蒸汽阀门调整，涡轮分级机转速采用变频器控制， 加料速度通过调节螺杆加料机转速来控制。 ，工 嚏 - 岁 v 可埚 4 y 押 ? 目 i莛 o d i i 1 气流磨2 分级机3 耐高温除尘器4 高温引风机 图2 - 1过热蒸汽气流粉碎分级系统 fig 2 1 s u p e r h e a t e ds t e a mg rin din gs y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - 2试验现场设备照片 f i g 2 2 p h o t o so fe q u ip m e n t 2 1 3 测试装置 ( 1 ) 激光粒度分析仪，m a s t e r i z e r 2 0 0 0 型，英国马尔文； ( 2 ) 智能热球式风速计，z r q f - - c 3 0 m s 型，北京市检测仪器厂 ( 3 ) u 型压力计，橡皮软管 ( 4 ) 电子天平，常熟j j 精仪厂 ( 5 ) 秒表，金雀牌电子秒表s j 9 2 型，上海手表厂 ( 6 ) 温度数显仪，花m c h 6 ，能与各类模拟量输出的传感器、变送器配 合使用，完成温度、压力、液位、成分等物理量的测量、变换、显示和控制 ( 7 ) 热电偶温度传感器 w rt 0 5 螺钉式热电偶，量程o 3 0 0 ，由压紧 螺钉、保护套管和延伸式补偿导线等组合而成，具有热响应时间快、使用方 便等特点 ( 8 ) m s 便携式红外测温仪，测温范围3 2 4 2 0 ，宁波利德仪器设备有 限公司 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 _ 2 试验结果与讨论 2 2 1 分级轮转速的影响 分级轮转速是涡流空气分级机操作中最重要的参数之一，因为分级轮转 速的大小会直接影响到整个分级机的分级性能。分级机切割粒径的函数表达 式可表示为： 历 盔( q ，) = 兄兰笋 v ( 2 1 ) 式中： d c 一一切割粒径，l t m