王利輝，張路明 ，高 勛

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

立式輥磨簡(jiǎn)稱(chēng)立磨，采用料床粉磨機(jī)理，通過(guò)磨輥與磨盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)粉磨物料，集破碎、研磨、烘干及分選等工序于一體。

其工作原理為：電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料通過(guò)喂料閥給料落到磨盤(pán)中心，在離心力作用下向磨盤(pán)外緣運(yùn)動(dòng)，在磨盤(pán)襯板上方形成料床；多個(gè)磨輥由各自的加載系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)向磨盤(pán)上的料床加壓，在摩擦力作用下磨輥與磨盤(pán)相向轉(zhuǎn)動(dòng)，物料被帶入磨輥與磨盤(pán)之間進(jìn)行粉碎；粉碎后的物料溢出到磨盤(pán)的外緣，越過(guò)擋料環(huán)，與來(lái)自噴吹環(huán)的高速熱氣流混合，一部分粗顆粒被排出磨外，其余顆粒向上接受重力場(chǎng)分選和選粉機(jī)離心力場(chǎng)分選。

立磨流程簡(jiǎn)單、粉磨效率高，現(xiàn)已廣泛用于生料、水泥和礦渣等物料的粉磨。在實(shí)踐中，立磨成品粒度影響著產(chǎn)品質(zhì)量。例如在水泥顆粒組成中，不同粒度的顆粒對(duì)水泥水化性能的作用是不同的，水泥質(zhì)量與水泥成品中 3～32 μm 顆粒的含量有很大關(guān)系[1]。因此，優(yōu)化立磨選粉效果是立磨改進(jìn)的一個(gè)重要方向。另外，由于資源緊缺，節(jié)能降耗成為所有粉磨系統(tǒng)取得競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。筆者以平盤(pán)錐輥型礦渣立磨為例，從立磨整體工藝方面探討一種優(yōu)化選粉效果和節(jié)能降耗的可行性方案。

1 礦渣立磨工藝流程

礦渣粉磨系統(tǒng)工藝流程如圖 1 所示。經(jīng)定量給料機(jī)稱(chēng)重的礦渣進(jìn)入立磨粉磨，粉磨合格的礦渣在磨內(nèi)經(jīng)分選后，成品進(jìn)入收塵器；一部分廢氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)抽出，由煙囪外排，其余廢氣 (余熱可利用) 和熱風(fēng)爐產(chǎn)生的氣體一同進(jìn)入立磨，對(duì)物料進(jìn)行烘干和輸送。

圖1 礦渣粉磨系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of slag grinding system

2 立磨選粉機(jī)分級(jí)區(qū)構(gòu)成及性能標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 立磨選粉機(jī)分級(jí)區(qū)的構(gòu)成

立磨選粉機(jī)由重力分級(jí)區(qū)和離心分級(jí)區(qū)構(gòu)成，如圖 2 所示。

圖2 立磨選粉機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of powder separator for vertical mill

立磨選粉機(jī)的重力分級(jí)區(qū)，是指導(dǎo)風(fēng)葉片外邊緣和選粉機(jī)中部殼體、下部殼體之間，以及選粉機(jī)下部殼體和選粉機(jī)粗粉返料錐之間的環(huán)形區(qū)域。在重力分級(jí)區(qū)域，顆粒流在高速氣流攜帶作用下，經(jīng)過(guò)重力分選，自下而上進(jìn)入選粉機(jī)離心分級(jí)區(qū)。

立磨選粉機(jī)的離心分級(jí)區(qū)是指籠形轉(zhuǎn)子與導(dǎo)風(fēng)葉片之間的環(huán)形區(qū)域。物料經(jīng)過(guò)重力分級(jí)區(qū)分選之后進(jìn)入離心分級(jí)區(qū)，顆粒與氣體兩相流在導(dǎo)風(fēng)葉片的作用下，均勻地進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片外邊緣和導(dǎo)風(fēng)葉片內(nèi)邊緣形成的同心環(huán)狀區(qū)域，在離心力與向心力的作用下進(jìn)行分級(jí)。粗顆粒被甩出后，掉落到選粉機(jī)粗粉返料錐斗中，進(jìn)入磨盤(pán)上的粉磨區(qū)進(jìn)行再次粉磨，而合格物料則進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，通過(guò)出風(fēng)口排出磨外，由收塵器進(jìn)行收集。

2.2 選粉機(jī)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分析

選粉機(jī)性能主要從選粉效率、切割粒徑和分級(jí)精度等 3 個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。選粉效率是指選粉操作后成品中所含小于某一粒徑的粉體質(zhì)量與選粉操作前物料中所含小于該粒徑的粉體質(zhì)量之比；切割粒徑是指部分分級(jí)效率為 50% 時(shí)的粒徑；分級(jí)精度是指在部分分級(jí)效率曲線圖中，實(shí)際分級(jí)曲線相對(duì)理想分級(jí)曲線的偏離程度，其計(jì)算公式為

式中：d75為部分分級(jí)效率為 75% 的顆粒粒徑，m；d25為部分分級(jí)效率為 25% 的顆粒粒徑，m。

由此可知，選粉效率和分級(jí)精度的計(jì)算都需要以了解選粉機(jī)進(jìn)料、成品及返料的粒度分布特性為前提。對(duì)于單體式選粉機(jī)而言，這些不難測(cè)量，但立磨選粉機(jī)和立磨本體是一體式結(jié)構(gòu)，立磨粉磨物料的成品即是選粉機(jī)的進(jìn)料，選粉機(jī)的返料又成為立磨粉磨的一部分進(jìn)料，這一切都在立磨內(nèi)部進(jìn)行。因此，選粉機(jī)的進(jìn)料和返料的性質(zhì)難以測(cè)量，選粉效率和分級(jí)精度也就難以確定，從而無(wú)法繪制全面評(píng)價(jià)立磨選粉機(jī)特性的 Tromp 曲線，也就無(wú)法根據(jù)這些參數(shù)對(duì)選粉機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。雖然能夠得出切割粒徑的計(jì)算公式，但是這個(gè)公式只涉及選粉機(jī)宏觀結(jié)構(gòu)尺寸，并不涉及選粉機(jī)細(xì)節(jié)尺寸，對(duì)選粉機(jī)進(jìn)一步改進(jìn)的意義不大。

3 整體工藝優(yōu)化方案及其分析

3.1 整體工藝優(yōu)化方案

物料由粗顆粒變?yōu)槌善芳?xì)顆粒要在立磨及選粉機(jī)內(nèi)部循環(huán)多次，不合格物料會(huì)反復(fù)在磨盤(pán)與選粉機(jī)之間上升又落下，直到被多次粉磨后達(dá)到合格粒度。在內(nèi)循環(huán)過(guò)程中，不合格物料不僅耗費(fèi)風(fēng)量進(jìn)行輸送，并且與合格物料混合在一起，使選粉機(jī)進(jìn)料質(zhì)量濃度非常大，顆粒之間相互吸附、團(tuán)聚、干擾，大大增加了系統(tǒng)通風(fēng)阻力，降低了選粉效率。同時(shí)，這些不合格物料降落到磨盤(pán)之后，需要增加噴水量以穩(wěn)定料床，因此在這些物料再次被吹起之后，又要重復(fù)耗費(fèi)熱量進(jìn)行烘干，增加了熱量的消耗。

立磨內(nèi)物料在整個(gè)過(guò)程中，主要完成兩次分級(jí)。首先在重力分級(jí)區(qū)完成一次重力分選，稱(chēng)之為初選；初選后的合格物料進(jìn)入離心分級(jí)區(qū)完成離心分選。其中，重力分選在很大程度上決定了進(jìn)入離心分級(jí)區(qū)顆粒粒徑的大小，對(duì)選粉機(jī)的循環(huán)負(fù)荷以及選粉效率都有著重大影響，最終影響成品的產(chǎn)量與質(zhì)量[2]322。因此，優(yōu)化立磨選粉效果就是要把盡可能多的合格物料輸送到離心分級(jí)區(qū)的同時(shí)，把盡可能多的不合格物料在重力區(qū)分選下去。

在重力分級(jí)區(qū)內(nèi)，影響顆粒運(yùn)動(dòng)的力主要有浮力、氣體阻力和自身重力。對(duì)于一定的顆粒，浮力和自身重力為定值，氣體阻力則隨著顆粒與流體相對(duì)速度的變化而變化，最終三力達(dá)到平衡，顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，當(dāng)顆粒相對(duì)于流體的速度數(shù)值上等于流體速度時(shí)，顆粒將在空間懸浮不動(dòng)，該顆粒各有 50% 的概率進(jìn)入選粉機(jī)離心分級(jí)區(qū)或直接返回粉磨區(qū)，該顆粒的粒徑即為重力分級(jí)區(qū)的切割粒徑。童聰?shù)热薣2]323推算出選粉機(jī)重力分級(jí)區(qū)的切割粒徑

式中：CD為阻力系數(shù)；ρg為氣體密度，kg/m3；v為氣流速度，m/s；α為返料錐錐角，(°)；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；ρs為顆粒密度，kg/m3。

根據(jù)此公式，降低重力分級(jí)區(qū)氣流速度，即減小立磨系統(tǒng)風(fēng)量，可減小重力分級(jí)區(qū)的切割粒徑。重力分級(jí)區(qū)切割粒徑減小，使得更多不合格物料在重力分級(jí)區(qū)即返回粉磨區(qū)或排出磨外，而進(jìn)入離心分級(jí)區(qū)的合格物料含量將更高，出選粉機(jī)的成品細(xì)度及粒度分布將會(huì)得到改善。張廷龍等人[3]計(jì)算重力分級(jí)區(qū)切割粒徑X50=258.8 μm，這說(shuō)明重力分級(jí)區(qū)的成品粒度較粗，與離心分級(jí)區(qū)切割粒徑K50=38.7 μm 相比差距較大，也就是說(shuō)，目前立磨系統(tǒng)通過(guò)降低風(fēng)量來(lái)提高重力分級(jí)區(qū)合格物料含量，從而優(yōu)化離心分級(jí)區(qū)選粉效果的方案有很大可行空間。因此，可以采用盡量降低系統(tǒng)風(fēng)量的方法，以達(dá)到把盡可能多的合格物料輸送到離心分級(jí)區(qū)的同時(shí)，把盡可能多的不合格物料在重力分級(jí)區(qū)分選下去的目標(biāo)。

3.2 整體工藝優(yōu)化對(duì)離心分級(jí)區(qū)的作用

高勛等人[4]提出的選粉機(jī)離心分級(jí)區(qū)的切割粒徑公式如下：

層流區(qū)

過(guò)渡區(qū)

湍流區(qū)

式中：X50為切割粒徑，m；μ為氣體動(dòng)力黏度，Pa·s；Q為系統(tǒng)風(fēng)量，m3/h；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρf為氣體密度，kg/m3；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；r為轉(zhuǎn)子半徑，m；h為轉(zhuǎn)子高度，m。

根據(jù)上述公式，無(wú)論在層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)還是湍流區(qū)，在原選粉機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變的情況下，減小風(fēng)量都可以使離心分級(jí)區(qū)切割粒徑變小，從而改善選粉機(jī)成品細(xì)度和粒度分布。

另外，根據(jù) Tromp 曲線，旁路值也是評(píng)價(jià)選粉機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)。旁路值的產(chǎn)生主要和選粉機(jī)給料質(zhì)量濃度有關(guān)，由于物料分散不好，有一部分細(xì)小的顆粒因相互吸附、團(tuán)聚及干擾等作用，沒(méi)有被分散就落入粗粉。旁路值越小的選粉機(jī)，其選粉效率越高，性能越好。上述方案降低了選粉機(jī)給料的質(zhì)量濃度，這將會(huì)使旁路值降低，選粉效率提高。

3.3 整體工藝優(yōu)化對(duì)節(jié)能增效的意義

首先，選粉機(jī)運(yùn)行功率主要用于抵消選粉機(jī)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時(shí)料幕的阻力，其公式為

式中：Nh為選粉機(jī)運(yùn)行功率，kW；A0為轉(zhuǎn)子葉片總面積，m2；C0為選粉機(jī)給料質(zhì)量濃度，kg/m3；ρ為氣體密度，kg/m3；ut為轉(zhuǎn)子線速度，m/s。

立磨中氣體的馬赫數(shù)基本上都小于 0.3，可認(rèn)為其為不可壓縮流體，氣體密度ρ近似為恒定值。選粉機(jī)給料質(zhì)量濃度為單位時(shí)間內(nèi)選粉機(jī)給料量與風(fēng)量的比值，由于系統(tǒng)風(fēng)量減小，單位時(shí)間內(nèi)選粉機(jī)給料量也減少，因此無(wú)法判斷選粉機(jī)給料質(zhì)量濃度C0的增減。但是根據(jù)選粉機(jī)運(yùn)行功率的定義，由于單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)選粉機(jī)的氣體和物料都減少，轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)料幕做功將減少，則選粉機(jī)運(yùn)行功率將降低。由此可以反推選粉機(jī)給料質(zhì)量濃度C0必定降低。

其次，立磨的噴水系統(tǒng)主要用于對(duì)磨盤(pán)上的干燥物料增濕以形成穩(wěn)定料床，便于粉磨工作。被增濕物料在被粉磨之后仍要經(jīng)熱風(fēng)烘干，這部分用于烘干的熱量，并沒(méi)有直接用于成品生產(chǎn)，屬于無(wú)效熱耗。采用上述方案后，在重力分級(jí)區(qū)有更多的不合格物料返回粉磨區(qū)或者進(jìn)入外循環(huán)，循環(huán)路程變短，熱風(fēng)對(duì)其烘干時(shí)間也變短，這將減少系統(tǒng)對(duì)返料反復(fù)的噴水和烘干，有助于節(jié)能。

同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)平衡原理，粉磨系統(tǒng)廢氣最小排放量要能夠帶走系統(tǒng)中新產(chǎn)生的水汽，以保持系統(tǒng)水汽質(zhì)量平衡。假設(shè)廢氣排放處含水量和溫度不變，按上文所述，系統(tǒng)新產(chǎn)生的水汽減少，帶走系統(tǒng)新產(chǎn)生的水汽將需要更少的廢氣量，廢氣帶走的熱量也更少，促進(jìn)節(jié)能。

此外，由于在重力分級(jí)區(qū)，更多的不合格物料沒(méi)有進(jìn)入離心分級(jí)區(qū)，而是返回粉磨區(qū)或者進(jìn)入外循環(huán)，縮短了磨內(nèi)物料的循環(huán)時(shí)間，循環(huán)變快，磨內(nèi)停留時(shí)間變短，粉磨速度加快。外循環(huán)部分物料被斗式提升機(jī)和帶式輸送機(jī)重新輸送到磨內(nèi)粉磨區(qū)，比原來(lái)氣力輸送也更節(jié)能。

3.4 整體工藝優(yōu)化的其他分析

減小立磨系統(tǒng)風(fēng)量除了能夠提高立磨選粉效率和節(jié)能降耗之外，還對(duì)物料輸送和烘干有一定影響，應(yīng)進(jìn)一步分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題并采取措施。管路特性曲線應(yīng)對(duì)流速有一定限制，否則容易出現(xiàn)顆粒沉降，影響物料輸送。對(duì)此，可以在立磨管路設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要調(diào)整管路截面積予以解決。另外，噴嘴環(huán)出口風(fēng)速是影響物料輸送的重要參數(shù)，該風(fēng)速有一個(gè)較大的范圍，需要在立磨運(yùn)行中探索其最優(yōu)值，如有必要，也可以通過(guò)調(diào)整噴嘴環(huán)出口面積予以解決。由于系統(tǒng)風(fēng)量的減少導(dǎo)致用于物料烘干的熱量減少，減小無(wú)效熱耗的同時(shí)可能導(dǎo)致熱量不足，可以在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)提高立磨進(jìn)口熱風(fēng)溫度予以解決。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)分析選粉機(jī)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指出由于立磨選粉機(jī)與立磨為一體結(jié)構(gòu)的特殊性，單純以改進(jìn)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)的方式提高立磨選粉機(jī)選粉效果有一定局限性。

(2) 從整體工藝角度出發(fā)，可采用降低系統(tǒng)風(fēng)量的方法，在把盡可能多的合格物料輸送到離心分級(jí)區(qū)的同時(shí)，把盡可能多的不合格物料在重力分級(jí)區(qū)分選下去，以實(shí)現(xiàn)立磨系統(tǒng)整體選粉性能的提高和節(jié)能增效。

(3) 要達(dá)到方案中選粉性能的提高和各環(huán)節(jié)的節(jié)能，需要找到系統(tǒng)風(fēng)量最佳工況點(diǎn)。由于立磨系統(tǒng)的復(fù)雜性，無(wú)論通過(guò)理論計(jì)算還是模擬仿真求解系統(tǒng)風(fēng)量最佳工況點(diǎn)都有較大難度。因此，需要在立磨粉磨系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)踐中，盡量降低系統(tǒng)風(fēng)量，同時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以探索使產(chǎn)量、選粉性能及節(jié)能效果都達(dá)到最優(yōu)的風(fēng)量最佳工況點(diǎn)，同時(shí)記錄這些運(yùn)行數(shù)據(jù)，為今后立磨系統(tǒng)設(shè)備選型優(yōu)化打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。