（材料加工工程专业论文）新型波形辊压磨的设计与研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 节能是促进经济社会可持续发展、实现全面建设小康社会宏伟目标的关 键之一。工业是能源和原材料的主要消耗大户，水泥工业又是大量耗能的工 业，水泥工业中大量能耗在粉磨作业上，节能降耗是我国水泥工业长期而重 要的任务，实现这一目标关键在于提高粉磨效率，降低粉磨作业电耗。本文 研究的波形辊压磨是一种新型的节能、降耗的粉磨设备，具有深远的理论意 义和较高的实用价值。 本文通过对石灰石料层粉碎理论的基础实验研究，找出最佳粉碎应力区 间，优化了波形辊子间隙等参数，为后续的波形辊有限元分析施加载荷提供 支持，本文在“差速粉碎 的理念上，结合差速挤压剪切粉碎理论和料层粉 碎理论优化波形种类，设计了一种新型的圆弧段式波形辊压磨的辊子，并就 波形辊子的特点与传统圆柱辊子及其他辊子等进行了分析比较，在理论上阐 述了波形辊子在高效节能和粉碎特性方面的优越性。通过对波形辊轮廓曲线 的函数的建立，并对波形辊的钳角和间隙研究，进一步论证了波形辊在粉碎 效果方面的优越性。 在对波形辊凸面和凹面的有限元分析和非线性计算，得出了波形辊的凸 面和凹面的应力分布规律，并进行了强度校核。 关键词：波形辊压磨；料层粉碎；波形函数；钳角；有限元分析 a bs t r a c t e n e r g ys a v i n gi sak e yo fp r o m o t i n gc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s o c i e t ya n db u i l d i n gaw e l l t o - d o s o c i e t y i n d u s t r yi st h ep r i m a r yp a r to f c o n s u m i n ge n e r g ya n dr a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l s ，a n dc e m e n t i n d u s t r y c o n s u m e sal o to fe n e r g y , a n dg r i n d i n gc o n s u m e sal o to fe n e r g yi nc e m e n t 1 n d u s t r y s os a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o ni s b e c o m i n ga ni m p o r t a n ta n d l o n g 。t e r mt a s k ，t h ek e yo ft h a ti s i m p r o v i n gg r i n d i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c i n g e l e c t r i c i t yc o nc o n s u m p t i o n t h e w a v e t y p er o l l e rp r e s e n t e di nt h i s p a p e r b e l o n g san e wg e n e r a t i o ne n e r g ys a v i n gg r i n d i n gs y s t e m t h ew a v e t y p er o l l e r m i l l sf a r - r e a c h i n gt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ei sm u c hh i g h e r b a s eo nm a t e r i a lb e dp r e s s u r et e s t ，t h ep a p e rf i n do u tt h eb e s tr a n g e so ft h e c o m p r e s s l o ns t r e s s i tp r o v i d e ss u p p o r tt ot h e w a v e t y p er o l l e rw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，i m p l e m e n t a t i o no ft h e ”d i f f e r e n t i a l c r u s h ”t h e c r u s hc o n c e p to ft h et r a d i t i o n a lc r u s h i n ga n d g r i n d i n ge q u i p m e n tt h e o r yh a sb e e n s t u d i e d ，c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t ia lt h e o r ya n dt h ee x t r u d e dm a t e r i a l1 a v e rs h e a r c r u s ht h e o r y ，d e s i g nan e wc i r c u l a ra r c w a v e t y p er o l l e r ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew a v e - t y p er o l l e rw i t ht h et r a d i t i o n a lr o l l e ra n do t h e rr o l l e r ss oa n a l y z e da n d c o m p a r e d ，i nt h e o r y , t h ew a v e t y p er , o l l e rd e s c r i b e dt h ee n e r g y s a v i n ge f f e c ta n d ag o o dg r i n d i n gp e r f o r m a n c e t h r o u g he s t a b l i s ht h e w a v e t y p er o l l e rs e c t i o n f u n c t i o n ，a n ds t u d yt h e w a v e - t y p er o l l e rn i pa n g l ea n dg a p t h et h e s i s d e m o n s t r a t e sf u r t h e rt h ew a v e t y p er o l l e rd e s c r i b e dt h ee n e r g ys a v i n ge f f e c ta n d ag o o dg r i n d i n gp e r f o r m a n c e t h ef i n i t e 。e l e m e n ta n a l y s i sa n dn o n l i n e a ra n a l y t i co f t h ew a v e t y p er o i i e r c o n v e x l t ya n dc o n c a v n ys h o w st h a tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nl a wo ft h ew a v e t y p e r o l l e rc o n v e x i t ya n dc o n c a v i t y , a n dm a k e s t r e n g t hc h e c k k e yw o r d s ：w a v e t y p er o l l e rm i l l ；m a t e r i a lb e dc r u s h ：w a v e f o r mf u n c t i o n ： n i pa n g l e ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 二广 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1选题的背景及意义 中国“十一五 节能减排目标是单位国内生产总值能耗累计下降2 0 【1 1 。 “十一五”前四年中国单位g d p 能耗下降1 5 6 1 。可见节能降耗作为我国长 期社会和经济发展战略目标，任务还非常艰巨。实现有效的节能降耗是我国 突破经济发展能源瓶颈必经之路，直接关系到社会经济的可持续发展和全面 建设小康社会。实际上，粉碎( 包括破碎和磨碎) 是当代飞速发展的经济社 会必不可少的一个工业环节。在各种金属、非金属、化工矿物原料及建筑材 料的加工过程中，粉碎作业要消耗巨大的能量，而且又是个低效作业。物料 粉碎过程中，由于作业中产生发声、发热、振动和摩擦等作用，使能源大量 消耗。 在水泥行业中，粉碎作业是必不可少的工序，是水泥熟料、石灰石、粉 煤灰、矿渣加工的重要手段。根据发改委公布的数据：2 0 1 0 年全国水泥产量 1 8 6 7 9 6 万吨，同比增长1 5 5 。占世界水泥产量的6 0 以上，是名副其实的 “水泥大国 。但是我们也要看到，建材工业总产值只占全国总产值的4 ， 而建材行业消耗能源却占11 ，低产值高能耗的问题非常突出。由于水泥生 产工程中离不开粉体颗粒的制备，而粉体颗粒的制备又离不开粉体加工机械。 当把粉体加工到很细的颗粒时，所需要的能量是相当大的。据资料显示，以 传统的球磨机为主的粉磨作业耗电量约为全厂总耗电量的6 5 7 0 ，而球磨 机粉磨的有效利用率为1 2 。能量利用率非常低，衬板摩擦损失4 3 ， 齿轮摩擦损失8 1 ，筒体热损失6 4 ，空气热吸收3 1 4 ，产品热吸收4 7 6 。 由此可见，大部分的能量没有真正用在粉碎物料上，有8 5 以上转变成了热 能损耗【2 一i 。因此改善粉碎设备和工艺，提高粉碎效率，对提高粉碎技术，降 低粉磨能耗，提高经济和社会效益具有重大的现实意义。 粉碎工业中，学者们提出了粉碎应该由“多碎少磨 逐渐向“以碎代磨 的发展观点，这对大量节约粉碎能耗和钢耗具有深远的理论意义和实际意义。 因此，料层挤压粉碎便成了人们研究粉碎节能的主要方向。德国的k s c h o n e r t 教授在这方面进行了开拓性的研究工作，做出了具有突破性的成就。l9 7 9 年 和1 9 8 4 年，他发表文章从粉碎物料的能量观点出发，对传统的粉磨方式进行 了系统的实验研究和理论探讨，首次提出了高压作用下的“料床粉碎 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 ( p r e s s u r ec o m m i n u t i o ni nt h em a t e r i a l ) 这全新概念i5 1 ，从而引发了粉磨行 业上一次革命。物料层在较高的体积密度下，选择一种适合于物料特征的应 力强度，控制物料有规律地通过应力区，使施力物体与物料颗粒之间以及物 料颗粒相互之间有效地进行的力传递，致使磨料遭到破碎或者产生大量的裂 纹，就必然会节约能耗。比如，新型高效节能辊压磨，它就是料层粉碎理论 实践的产物之一1 6 】。本课题是在传统辊压磨的基础上提出一种新型的辊压磨 一一波形辊压磨。波形辊压磨在保留传统辊压磨优势的基础上，加上剪切力 作用下的粉碎降低了粉碎压力太大的问题，提高了粉磨效率，进一步起到节 能降耗的作用。 1 2 粉磨技术和设备的发展现状 1 2 1 粉磨技术的发展 粉碎作业出现在几千年前甚至更远，但是真正规模化生产并上升到一定 理论水平是在第一次工业革命之后。18 6 7 年，学者p rv o nr i t t i n g e r 提出一 个崭新的概念一一破碎粉碎理论，它首次定量的解释了物料粉碎状态的改变 和能量消耗的内在关系，为以后粉碎领域的理论发展做出重大贡献l 。 1 2 1 1强度理论 工业粉碎用的物料，一般都来自于天然矿山、井下的丌采或工业生产， 这些物料内部本身都存在着许多局部薄弱面。有外力作用时，这些局部薄弱 面周围容易产生应力集中，随着外力增加，应力集中将更大，解理加剧、裂 纹扩展开始，必然导致物料的破坏。实际上强度值是随被粉碎物料的形状、 大小变化而变化的，物料粒度越小，强度值显著增大。因为物料越大，其不 均质性也越大。在物料中的各组份对强度的作用不是叠加的，也不是各组份 的平均值，而是最小值。极少量的薄弱部位决定了物料整体的物理性质【7 l 。 1 2 1 2 能耗理论 粉碎过程其实是一个外力做功过程，物料颗粒粒径的减小与能量消耗之 间的关系一直是粉碎学家研究的焦点。一百多年来，许多科学家提出一些精 辟的理论，虽然这些学说都是从一些不切实际的假设开始，但是他们最终研 究的结果，在某一方面具有很大的适应性。比较广为认可的有三大能耗理论： 表面积假说、体积假说和裂纹假说。 ( 1 ) 表面积假说 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 18 6 7 年雷廷智( p p v o nr i t t i n g e r ) 提出，粉碎过程是物料有大球形变成 小球形的过程，物料表面积是增加的，粉碎过程中的能耗与物料表面积的增 加成正比，或内力的单元功d a l 与物料的断面面积增加量d s 成正比，即 d a , 芘d s l 8 1 。实践证明，该理论用于粉碎过程能耗计算，当粉碎产品粒径范围 在0 0 l l m m 时，比较适合，雷廷智假说认为粉碎所做功全部用来克服新生 表面分子之间的内聚力，这种假说只能用在比较理想的情况，要求物料在粉 碎过程中没有变形，且各向同性，没有解理和层理结构；当破碎比很大( i 1 0 ) ， 这种假说的测试结果和实际情况比较接近1 9 1 。 ( 2 ) 体积假说 18 8 5 年基尔皮切夫( f k i c k ) 提出，物料粉碎过程，是由一个大圆柱体 受到挤压力的作用，在其内部引起应力和产生应变，应力达到极限，导致物 料破坏，变成形状相似的小圆柱体，同时每次的粉碎比都相同，粉碎所消耗 的能量与物料的体积或质量的减小成正比，或内力的单元功d a 2 与物料的粉 碎后体积变化量d v 成正比，即d a 2 = k 2 d v , 实践证明，当粉碎产品粒径范围 大于1 0 m m 时，用于粉碎过程能耗计算比较适合。体积假说是以弹性形变理 论为基础，体积假说也是以理想条件为前提的，不考虑物料的形状、性质， 也不考虑物料粉碎后增加的表面积；体积假说适用于粉碎比不是很大的物料， 这是因为粉碎比小，粉碎后的物料产生的新表面积比较小，能量主要消耗在 物料的变形上；体积假说比较适合物料的压碎和破碎等i 1 0 l 。 ( 3 ) 裂缝假说 1 9 5 2 年邦德( f c b o n d ) 提出，物料粉碎的过程其实是正方体在受到压 应力的情况下，积累一定的能量后产生了裂纹，由于裂纹的扩展，纵横交错， 形成无数大小相同的小正方体，最后才被粉碎。粉碎所消耗的能量与j 下方体 的边长( 颗粒平均粒径) 的平方根成反比。裂缝假说是介于表面积假说和体 积假说之间的一种理论，即a 3 旺1 d ，对每一个颗粒所消耗的功 a 3 眨d 3 d = d 5 = 塔，所以有d a 3 = k 3 d 晒，实践证明，当粉碎产品粒径 范围在1 10 m m 之间时，用于粉碎过程能耗计算比较适合；裂缝假说认为， 物料在受到外来作用时，先产生变形，当变形到一定程度后，物料内部薄弱 面产生微小细裂纹，变形能集中在这些微小细裂纹附近，使得裂纹不断扩展， 最终导致物料破裂i 。 1 2 1 3 粉碎机械化学理论 粉碎机械化学指的是物料的机械能和化学能的相互转化，它研究的对象 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 是固体物体在受到冲击、剪切、摩擦、压缩或延伸等机械力作用时，物料内 部晶体结构发生变形，甚至产生多相晶，导致晶格缺陷，表面积增加，从而 表面能增加，同时，物料的热力学性质，化学性质，结晶学性质都会发生变 化。机械粉碎其实是采用机械能使得物料由大颗粒变成小颗粒的过程，在颗 粒减小的时候，物料本身的晶体结构，物理化学性质，热力学性质等都会发 生机械化学变化，物料这种机械化学变化与施加机械力的方式，施加时间， 机械力施加环境，物料本身的物理化学性质，被粉碎物料的粒度，种类等都 有很大关系，并不是在所有物料中表现的都很明显i l2 1 。 在水泥生产中，粉碎机械化学理论研究越来越深，它是“物理激发 技 术的理论依据。具体应用：如何进一步提高水泥和其他活性混合材料的比表 面积，来增加其水化反应的强度等级及使用性能等等。 1 2 1 4 球磨机粉磨理论 球磨机是一种以钢球或者钢段在回转的筒体内把里面的物料粉碎的重要 设备，在设计制造球磨机时，为了得出球磨机工作时的主要技术参数，对工 作中的球磨机内部物料粉碎进行动态研究，做了一些假设： ( 1 ) 研磨体与磨机筒体内壁之间的相对滑动忽略不计； ( 2 ) 磨机筒体内物料对研磨体运动状态的影响忽略不计； ( 3 ) 当磨机正常运转时，研磨体在磨机筒体内，按其所在位置一层一层 地进行连续循环运动，且各层研磨体在循环运动中互不干扰； ( 4 ) 研磨体在筒体内循环运动的轨迹是由两种曲线封闭组成，一种是以 筒体断面中心为圆心向上运动的同心圆弧；另一种是向下运动的抛物线1 1 3 j 。 1 2 1 5 球磨机粉磨动力学理论 为了更好的控制物料在球磨机中的粉碎过程，选择球磨机最佳的工作条 件，就必须对球磨机工作时，物料在球磨机内的粉碎过程足够理解，颗粒粉 碎与时问的关系，这就是粉磨速度问题，即粉磨动力学理论。 某一粗粒级含量的减少速度与该瞬间球磨机中未磨好的粗粒级含量成正 比。其数学表达式如下： 譬一k , r一= ：一 出 式中： r 一粉磨t 时间后，某一粗粒级的含量( 以筛余累计百分数表示) ； t 一粉磨时间； 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 k 。一粉磨速度常数，与粉磨条件有关； “一”负号表示r 随时间增加而减少。 1 9 5 4 年高登( a m g a u d i n ) 、巴斯( l b a s s ) 等人导出了一个新的粉磨 动力学的数学模型l l4 1 ，也被业内人士称之为：现代粉磨动力学数学表达式， 并应用于工业生产指导工作。在整个粉磨过程中，粒度i 增加的速率必须等 于所有大颗粒产生的粒度i 的总量，减去粒度i 粉碎成较小颗粒的速率。 掣叫w ) + i - i t 鸠( ，) “l j = l 式中： m i 、m i 一表示粒度i i 在总颗粒质量中的重量百分数； s i 、s i 一表示粒度i j 的单位粉碎速率； b “一表示粒度i 粉碎到i 的重量百分数； t 一粉碎时间。 1 2 1 6 料层粉碎理论 在破碎机械中，我们经常看到机械力直接作用于物料将其粉碎；然而在 粉磨设备中，物料被粉碎的现象却不一样，它是以一种物料床层( 颗粒群) 的堆积方式来接受外力，直接受外力作用的颗粒很少，大部分是通过颗粒之 间的传递、或相互作用受应力集中而被粉碎、破坏，这就是“料层粉碎 现 象( 也称“料床粉碎”) 。 通过对单颗粒撞击试验，人们发现颗粒在破碎过程中往往有“二次破碎， 并且有大量小颗粒溅飞，说明损失了能量。有人认为利用这部分能量将会使 破碎效率提高，因此，有人提出：用较小的持续的载荷要比用很大的冲击力 破碎物料更有效率。在对冲击力进行料层粉碎和慢压力的料层粉碎实验对比 得出结论：如果设静压粉碎效果为1 0 0 ，冲击粉碎效果仅为3 5 4 0 。料 层粉碎更能节能且粉碎效果更好l ”1 1 1 6 l 。 早在l9 6 2 年，美国的伯格特龙( b h b e r g s t r o m ) 等人便提出了采用层 压粉碎以提高能量利用率的观点。以此为起点，许多外国公司研制了具有新 型破碎腔的高效破碎机。1 9 6 4 年施密特( p s c h m i d t ) 就对层压粉碎进行了研 究。格鲁沃特( g r e e w o o d ) 等人还于l9 6 7 年在环形碾磨机内用钢球为介质 对不同给料量进行层压粉碎实验，发现给料量较多时颗粒具有强烈的相互作 用，而给料量较少时，又表现为单颗粒粉碎行为；在层压粉碎时，破碎函数 g 相近时，选择函数s 是不同的i l 。鲁斯( l o o s ) 在l9 6 9 年对玄武岩、花 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 岗岩在容器内进行2 0 m p a 的层压粉碎实验结果表明：颗粒分布函数值与压力 间的关系在对数坐标上呈直线关系。戈尔( g o l l ) 则证明影响层压粉碎产品 粒度分布的主要因素是压力，物料的其他性质属于次要因素。霍夫曼 ( h o f f m a n n ) 等人对几种不同规格的玻璃球和石英颗粒在较大应力强度范围 内进行层压粉碎研究，测量了应变曲线、功耗、粉碎几率和粒度分布函数等 参数。阿齐兹( a z i z ) 等人还对水泥熟料的单颗粒和料层粉碎进行过研究。 施文廷( s c h w e n d i n g ) 还应用加载辊在辊道上进行过层压粉碎实验，均得出 了某些有价值的结果1 1 7 】1 1 8 1 。 舒纳德在上述众多学者的研究基础上，从矿石粉碎能量需要的观点出发， 系统地研究了不同粉碎方式下矿石颗粒粉碎的能耗。同时又进行了一系列层 压粉碎实验后指出1 1 9 j ：“物料不是在破碎机工作面上或其它粉磨介质间单颗 粒的粉碎( 破碎或粉磨) ，而是作为一层( 或一个料层) 得到粉碎。该料层在 高压下形成，压力导致颗粒挤压其它邻近颗粒，直到其主要部分破碎、断裂， 产生裂缝或劈碎 2 0 1 。 他的研究结果表明脆性矿石用高压粉碎方式( 5 0 - - 3 0 0 m p a ) 进行层压粉 碎时所需能耗远远低于传统的粉碎方式( 如冲击、剪切等) 。 1 9 7 2 年德国学者舒纳德( s c h o n c r t ) 从能量需求观出发，研究了在不同 粉碎方式下单颗粒脆性物料的粉碎，并用高压挤压方式进行了料床粉碎，得 出所需能耗大大低于传统球磨机粉磨的方式，1 9 8 4 年制造出世界第一台辊压 机。料床粉碎理论的研究也开始了新的一页。 1 2 2 粉磨设备的发展 料层粉磨技术首先在水泥行业中得到应用，主要用来粉碎石灰石、水泥 熟料、矿渣等。八十年代以来，挤压粉磨技术同臻完善向传统的球磨粉磨工 艺提出挑战，挤压粉磨技术以高效、节能的优点在世界范围内得到广泛应用， 取得令人瞩目的经济和社会效益，从而受到广泛的关注。目前在中低硬度的 物料粉磨中普遍采用辊压磨进行粉磨加工。在冶金、选矿、煤炭、橡胶、塑 料等工业领域以及科研部门，辊压磨也是重要的粉磨设备。当前典型的料层 粉磨设备有立式磨、辊压磨和辊筒磨，它们的特征分别依靠相对运动的辊 盘、辊辊、辊筒装置来粉碎物料。三种料层粉磨设备各有优缺点，工作原 理略有区别，但没有本质的不同。它们一方面在相互竞争中逐步改进，另一 方面作为整体在和球磨的抗衡中得到发展，由于其显著的节能效果，至今已 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 动摇了球磨的主导地位1 2 。 立式磨的机器术语称呼( 学名) 为：辊式磨。与卧式安装的球磨机比较， 由于这种磨机是站立式使用方式，水泥行业内习惯称其为：立式磨，又称： 碾磨机。1 7 9 0 年在英国使用于工业生产，到1 9 2 8 年德国人才正式将立式磨 使用于水泥工业的煤粉制备；我国于19 7 8 年引进了德国的立式磨，1 9 8 4 年 才开始进行立式磨机技术及配备的国产化研讨，并制成了首台样机投入工业 运行。2 0 世纪5 0 年代以前使用规模较小，6 0 年代规模扩大，推广到水泥生 产，7 0 年代液压加载代替了弹簧，生产能力成倍增长，立式磨发展迅速，8 0 年代立式磨用来生产水泥生料，9 0 年代立式磨用来生产矿渣及熟料。到2 0 0 5 年，水泥工业应用的立式磨已经有2 0 0 0 多台 2 2 1 。立式磨能量利用率高于球 磨机。它集细碎、烘干、粉磨、选粉、输送为一体，具有粉磨效率高、电耗 低( 比球磨机节电2 0 3 0 ) 、烘干能力大、产品细度调节方便、工艺流程 简单、占地面积小、噪音低( 比球磨机低2 0 分贝) 、金属消耗少、检修方便 等优点1 2 3 】。 ：| 税壳z 9 鳆装置3 磨最4 格5 旺装置6 信融装置t 珥形瓦道8 霹匹j 庄缸 图1 - 1立式磨构造 f i g l 一1 s t r u c t u r eo fv e r t i c a ir o ii e ri i l iii 辊压磨的构想早在2 0 世纪3 0 年代就有人提出，但直至1 9 7 7 年才由 s c h o n e n t k 教授申报专利。p o l y s i u s 和k h d 公司与之合作，1 9 8 5 年分别投产 了各自的首台样机，用于生料的预磨粉。由于节能效果显著，得到了很快发 展，l o 年销售4 0 0 多台。9 0 年代中期以后有少量生料和矿渣终粉磨辊压磨投 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 产t 2 4 i i ”i 。辊压磨是根据料层粉碎原理设计出来的，它由两个相对旋转的辊子 构成，其中一个是固定辊，一个是活动辊，物料在辊压磨上方连续喂入，在 两个辊子5 0 3 0 0 m p a 的高压作用下，形成料饼。这些料饼强度低，含有大量 粉末，易磨性明显改善，为以后球磨机加工提供很大方便，从而大幅度降低 了整个粉磨系统的单位能耗【2 6 1 。辊压磨的工作特点是：满料、高压、慢速、 料床粉碎；与辊式破碎机的主要区别：辊式破碎机在破碎腔内的物料可多可 少，弹簧压力较低，辊筒转速较快，以单颗粒破碎为主【2 7 l 。 1 珊科装置2 目趸辊：活魂辊1 锗能器5 磕压汩缸6 帆契 图1 - 2辊压磨构造 f i g t 2 s t r u o t u r eo fh o ri z o n t a ir o ii e l 1 1 1 iii 辊筒磨又称：“h o r o 磨”，是由法国f b c 公司打造的卧式程度辊磨机。 它是2 0 世纪9 0 年代出现的节能粉磨配备，它的工作原理与辊压机相似，都 是以料层粉碎原理，采纳中等压力、靠频繁挤压方式破碎、粉磨物料。只是 辊压机用两个辊子完成挤压使命，而h o r o 磨是用圆筒的内表面与辊子的外 表面来完成粉碎使命，筒体转动带动磨辊，利用液压调解磨辊位置来调节磨 机粉磨压力。辊筒磨的粉磨效率近似于辊压机，同时运行的可靠性近似于球 磨机，因而，获得水泥企业极大的关切。1 9 9 2 年使用于工业生产，目前世界 上已有几十台磨投入使用，最大的生料台时产量为2 2 5 t h ，水泥台时产量达到 1 3 0 t h 。我国目前引进两台，主要用于水泥粉磨1 2 8 i l ”i 。辊筒磨的特点：工艺 流程简单，主机设备少，控制操作灵活、方便，占地面积小，土建工程费用 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 低；主机故障少，运转率高；检修、维护方便，劳动强度小；整个系统处于 负压操作，无粉尘污染；运转平稳，噪音较小；系统节电效果明显，单位产 品的电耗低，相同产量的球磨机综合电耗一般在3 5 4 5 k w h t ，而辊筒磨综 合电耗约2 6 k w h t ，节电可达3 5 - - - 7 0 ；自动化水平高，设备起动操作方 便、快捷，整个系统在中控室集中控制，操作人员少，生产成本较低；磨机 对物料的适应性强，产品质量稳定，品种更换容易，细度易于调整，颗粒级 配合理，水泥强度与球磨机相比略有提高1 3 0 1 。 i + t 土雌1 置囊膏：艇颤6 冉丘td l l l d 鼬l e 图1 - 3辊筒磨构造 f i g l 一3 s t r u c t u r eo fh o r om iii 总体来说，我国的粉碎设备和国际先进设备还有不少差距，主要表现在： ( 1 ) 由于我国的机械加工技术和国外还有一些差距，所以在已研制出的 各类超细粉碎设备中，机械加工粒度方面与国外先进设备还有一定的差距， 结构设计也需要进一步完善。 ( 2 ) 产品的种类相对较少，对用户的需求针对性差，无法满足广大用户 的需求。 ( 3 ) 高效先进的分级设备匮乏，无法将粉碎设备优势最大化q 4 i 。 1 3 粉碎的模型、方法及意义 1 3 1 粉碎的模型 r o s i n r a m m l e r 等学者认为1 3 5 1 ，粉碎产物的粒度分布具有二成分性( 严 格的说是多成分性) 。所谓二成分性乃指整个粒度分布包括粗粒和微粉两部分 一一一。一i 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第1o 页 的分布。粗粒部分取决于出口间隙的大小，为过渡成分；而微粉部分取决于 原材料的物性，为稳定成分。 根据粉碎产物粒度分布的二成分性，可以推论材料颗粒的破坏过程不是 由连续单一的破坏形式所构成，而是由两种以上的不同破坏形式的组合。 h v t t i n g 等人于是提出了粉碎的三种破坏模型l l o 】： ( 1 ) 体积粉碎模型，简单的讲就是一个大颗粒，受到整体的破坏，生产 许多粒度中等的颗粒，随着粉碎的进行，这些中等颗粒继续粉碎成具有一定 粒度分布的细颗粒，这些细颗粒继续粉碎成微粉成分即稳定成分。 ( 2 ) 表面粉碎模型，仅在颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断削下微 粉成分，直到粉碎完成，开始阶段，这一破坏不涉及颗粒内部。 ( 3 ) 均一粉碎模型，加于颗粒的力，使颗粒产生分散性地破坏，直接碎 成微成分。 一般情况下，实际的粉碎由体积粉碎和表面粉碎两种模型的叠加，表面 粉碎模型构成稳定成分，体积粉碎模型构成过度成分，从而形成二成分分布。 通常又将体积粉碎看作冲击粉碎，表面粉碎看作摩擦粉碎。但须指出体积粉 碎未必就是冲击粉碎，因而冲击力小时，冲击粉碎主要表现为表面粉碎。而 摩擦粉碎中往往还伴随着压缩作用，压缩作用却为体积粉碎。一般粗粉碎采 用压缩力，微粉碎则采用剪切力或摩擦力。 1 3 2 粉碎的基本方法 ( 1 ) 压碎：物料在两平面之问受到压力作用而被粉碎。挤压粉碎适用于 脆性物料，食品加工中常用的对辊粉碎机，如果对辊的线速度相等，则为纯 粹的挤压过程。 ( 2 ) 劈碎：物料受楔状刀具的作用而分裂。多用于脆性、韧性物料的破 碎，能耗较低。 ( 3 ) 剪碎：物料在两个破碎工作面间，如同承受载荷的两支点( 或多支 点) 梁，除了在外力作用点受劈力外，还发生弯曲折断。多用于较大块的长 或薄的硬、脆性物料粉碎。 ( 4 ) 击碎：物料在瞬间受到冲击力而被破碎。多用于脆性物料的粉碎， 粉碎范围很大。 ( 5 ) 磨碎：物料在两工作面或各种形状的研磨介质之问受到摩擦、剪切 作用而被磨削成为细粒，多用于小块物料或韧性物料的粉碎1 3 6 1 1 3 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 3 3粉碎的目的和意义 固体物料经过粉碎，颗粒由大变小，物料的比表面积增加，可以提高化 学反应的速度。在矿物加工过程中，矿石经过粉碎后，有助于实现不同矿物 的分离。几种固体物料想要均匀的混合，也必须在细粉状态下才能实现。粉 体最重要的质量指标是粒度和粒度分布，而粒度和粒度分布决定了粉体产品 的性能以及应用范围。例如，物料的化学反应速率、吸附性、堆积性、比表 面积、在液相介质中的沉降速度、溶解性、光学性能、电性、磁性等，这些 都与应用范围有直接关系。而产品的应用领域对物料的粒度及粒度分布均有 严格的要求。粉碎是当代飞速发展的经济社会必不可少的一个工业环节。粉 体技术被看作是高技术工业最重要的基础技术之一1 3 8 l 。 1 4 粉碎技术和粉碎设备未来发展方向 未来粉碎技术和粉碎设备发展方向主要包括下面四个方面1 2 0 1 ( 1 ) 降低能耗方面，争取有一天找到一种新的理论突破三大粉碎理论， 使得在粉碎中更节能。 ( 2 ) 研究新的非机械力的高能或多力场联合作用的破碎设备，( 本文研 究的波形辊压磨就是靠压力和剪切力联合作用的粉碎设备) 开发粉碎与分级 相结合的闭路工艺及设备，从而降低能耗提高生产率； ( 3 ) 提高和改进现有粉碎设备的性能，降低生产成本，提高生产效率， 增加设备的品种和机型，优化设备参数，实现工艺研究和设备开发的一体化， 针对具体物料特性，进行设备开发设计； ( 4 ) 对粉碎理论进行深入研究。 当今伴随着工业发展，人们生活水平越来越高，同时对生活环境的要求 也越来越高，但是工业的增长必然导致能源及环境负荷的增大。 1 5 本课题研究内容 根据差速粉碎原理，提出一种新型的辊压磨一一波形辊压磨，经分析比 较，优化波形种类后，设计一种圆弧段式的波形辊表达其波形的轮廓函数， 计算出函数表达式；通过对粉碎理论的深入研究，结合料层粉碎理论，通过 在压力试验机上模拟料层粉碎，找出物料( 石灰石) 的最佳粉碎压力，以及 压力和物料体积变化关系，并用来研究传统辊压磨料层粉碎中压力分布，以 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 及运用到波形辊压磨中，优化波形辊参数。最后对设计的波形辊进行有限元 强度分析。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 通过压力试验得出料层粉碎的基本理论参数，即找出压力和物料体积 压缩率之间的函数关系以及物料粉碎的最佳压力区间。 ( 2 ) 根据多力场联合作用的粉碎原理，提出了差速粉碎的设想，优化设计 一种新型的波形辊圆弧段式波形辊。 ( 3 ) 结合料层粉碎实验优化波形辊的主要参数 ( 4 ) 对设计的波形辊进行仿真可行性分析。 ( 5 ) 通过对设计的波形辊有限元分析，进行强度校核，分析应力分布。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 静压粉碎实验研究 2 1 实验原料、实验设备及实验过程 2 1 1 实验原料 本次实验以给定粒度范围的石灰石作为原料，其粒度范围有如下三种： 1 7 5m m 2 o m m 、2 3 6 m m 2 5 r a m 、4 7 5 m m 5 0 r a m 。 2 1 2 仪器设备 材质4 5 号钢静压模具一个，直径为2 5 r a m ，壁厚2 0 r a m ，高度1 0 0 r a m 。 微机控制电子万能实验机一台，型号c m t 5 1 0 5 ，最大试验压力1 0 0 k n ，深 圳市新三思材料检测有限公司制造。 图2 - 1微机控制电子万能实验机 f i 9 2 1m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ie i e c t r o n i c su n iv e r s a it e s t i n gr o a c h i r e 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 24 5 号钢静压模具 f i9 2 24 5s t e e i s t a t icp r e s s u r em o u i d 2 1 3 实验过程 实验分为四部分：石灰石的三种粒度组成，分别在相同的料层高 3 0 m m 、加压速率1 0 0 0n s 、加载压强1 6 0m p a 下受静压作用，然后测其体 积压缩比和压强关系；在相同的粒度组成2 3 6 m m 2 5 m m 、加压速率15 0 0 n s 、载荷l6 0m p a 下，石灰石的四种不同厚度受静压作用，然后测其体积 压缩比和压强关系；相同的粒度组成2 3 6 m m 2 5 m m 、料层厚度5 0 m m 、 载荷1 6 0m p a 下，石灰石分别受四个不同加载速率的静压作用，然后测其体 积压缩比和压强关系；相同粒度组成2 3 6 m m 2 5 m m 、料层厚度5 0 m m 、 加压速率3 0 0 0n s 下，测量石灰石分别受5 0 m p a 、1 0 0 m p a 、1 2 0m p a 、1 4 0 m p a 、1 6 0m p a 的压强作用后的破碎量和变形量。 2 2 试验结果分析 2 2 1 不同加压速率下，加压压强和体积压缩比的关系 = ( 物料压缩前体积压缩后体积) 压缩前体积。值越大，石灰石的粉 碎率也越大，粉碎效果越好。是反映石灰石粉碎效果好坏的重要参数。 条件：粒度= 2 5 m m 加压压强= 1 6 0 m p a 料层厚度= 5 0 m m 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 表2 - 1不同加压速度的粉碎效果 t a bie 2 1c r u s hin ge f f e c to fdif f e r e n tc o m p r e s sio nr a t e 由表2 1 数据绘制图2 3 ，由图2 3 可知，在相同压强下，物料加压速度 和石灰石体积压缩比成反比，在同等压强和粒度下，加压速度越大，石灰石 的压缩体积比e 越小。这是因为石灰石的粉碎过程是一个力的传递过程和能 量吸收过程，力的传递和能量吸收都需要一定的时间，加压速度过快，石灰 石受到的压强还没有来得及传递到料层的内部，能量自然也没有传递到料层 内部，瞬间造成料层外部粉碎内部没有完全粉碎的状态，冈此加压速度越大， 相同压强下e 值会越小。 u 稃 鲁 硝 娶 蝗 俺 倦 俺 图2 - 3不同加压速度下加压压强p 和的关系 fi9 2 3 t h er eia tio n s h ipb e t w e e np r e s s u r epa n deu n d e rdif f e r e n tp r e s s u r e r a t e 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 2 不同料层厚度下，加压压强和体积压缩比的关系。 条件：粒度= 2 5 m m加压速度= l5 0 0 n s加压压强= 16 0 m p a 表2 - 2不同料层厚度的粉碎效果 t a b i e 2 2c r u s h in ge f f e c to fd i f f e r e n tt h i c k n e s so fb e d 根据表2 2 绘制图2 4 ，由图2 4 可知，石灰石在相同粒度和加压速度下， 料层厚度与体积压缩比e 成反比。即料层厚度越厚，石灰石体积压缩比e 值 越低。我们知道e 值越大说明石灰石粉碎率越大，粉碎效果越好。这是因为 石灰石在粉碎过程中，颗粒之间相互影响，相互制约，粉碎过程中产生的细 粉填充在颗粒周围的空隙中将粗颗粒包围，部分粗颗粒受到保护而未被粉碎。 u 萋 莲 图2 - 4不同料层厚度下加压压强p 和e 的关系 f i 9 2 - 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r epa n d u n d e rd i f f e r e n tt h i c k n e s s o fb e d 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 2 2 3 不同粒度下，加压压强和体积压缩比的关系。 条件：料层厚度= 3 0 m m加压速度= 1 0 0 0 n s加压压强= 1 6 0 m p a 表2 - 3不同粒度的粉碎效果 t a b i e 2 3 c r u s h i n ge f f e c to fd i f f e r e n tp a r t i c i es iz e 根据表2 3 绘制图2 5 ，由图2 5 可知，石灰石在相同加压速度和料层厚 度下，颗粒粒度和体积压缩比e 成正比，即石灰石初始粒度越大，在相同压 强下e 值也越大。这是因为石灰石料层是由许多不规则的颗粒组成的松散集 合体，粒度越大，松散度也越大，因而具有较高的孔隙度。石灰石粉碎过程 其实就是空隙度不断减小的过程，当开始加压时，颗粒问互相桥搭成的“拱 桥”遭到破坏，外力使得颗粒向更加密实的方向发展，颗粒相互之间彼此充 填空隙和重新排列，使得石灰石的接触面积增大，密实度提高。颗粒越大， 空隙度也越大，压缩空间也越大，在相同压强下，体积压缩率自然也越大。 图2 - 5不同粒度下加压压强p 和e 的关系 f j 9 2 - 5 t h er e i a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r epa n d u n d e rd i f f e r e n tp a r t ic i e siz e u斟舞斟饔笨悼蒜懈 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 2 2 4 加压压强和体积压缩比的关系。 条件：粒度= 2 5 m m料层厚度= 5 0 m m加压速度= 3 0 0 0 n s 图2 - 6加压压强和的关系 f i 9 2 6 t h er e i a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ea n d e 通过用软件m a t l a b 曲线模拟，发现加压压强和的关系可以用函数 占= 钾6 p + 卯印表示，( 其中a ，b ，c ，d 为系数，p 为加压压强) 且拟合度 高达0 9 9 9 9 。图2 5 的曲线函数为 占= 0 3 2 81 e n 0 0 1 4 2 尸一0 3 2 7 4 e o 0 5 7 6 2 p f 2 1 ) 由图2 - 6 可知，当加压压强p 在6 0 m p a 以上增加时，物料压缩率的增 加率在慢慢的减小，众所周知，加压压强和机器的能耗成正比，且压强过大 对机器的损害也越大，所以，在保证产品的粒度满足要求的前提下，加压压 强应该尽量的小。我们对( 2 1 ) 中的压强p 进行一次和二次求导，并绘制出一 次和二次导函数的函数图像，见图2 7 和2 8 。由图2 8 ，我们可以看出当加 压压强大约为1 2 0 m p a 的时候，压强的二次导函数值接近为0 ，说明在图2 7 中，加压压强大于1 2 0 m p a 的时候，压缩率e 的增加率基本不变，且由图中 观察可知一次到函数在加压压强1 2 0 m p a 的时的值接近o ，所以我们可以得 出，石灰石在加压到1 2 0 m p a 的时候，压强继续增大而此后压缩率的变化非 常小