??目前，在礦業(yè)方面大型的球磨機(jī)實(shí)行電瓶調(diào)速取得了一些使用壽命延長、能耗下降等效果。就目前水泥行業(yè)環(huán)保壓力不斷增加的背景下，水泥行業(yè)開始實(shí)行節(jié)能降耗，若把這個技術(shù)轉(zhuǎn)嫁到水泥粉磨這個系統(tǒng)上是否同意可行？華南理工大學(xué)副教授吳笑梅與教授樊粵明做了這方面的研究，并覺得這個研究結(jié)果有一定的意義，因此在2017年第九屆國際粉磨峰會上與大家分享了這項(xiàng)研究成果，而這也是該項(xiàng)研究報告首次公開。

??吳笑梅將報告從研究背景、研究方案、研究結(jié)果與結(jié)論、工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論四個方面來闡述。

??一、研究背景

??1.球磨機(jī)

??應(yīng)用領(lǐng)域：由于它的結(jié)構(gòu)比較簡單可靠性比較強(qiáng)所以在冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑行業(yè)等各大領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用。

??優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于維護(hù)；在水泥粉磨領(lǐng)域，對水泥的顆粒分布及粒形的貢獻(xiàn)使之成為水泥粉磨工藝環(huán)節(jié)中重要的設(shè)備。

??趨勢：在目前水泥工業(yè)當(dāng)中，煤磨、生料粉碎都已經(jīng)由球磨機(jī)向輥壓機(jī)半終粉磨+球磨機(jī)轉(zhuǎn)變。但正如合肥水泥研究設(shè)計院的副院長兼總工程師包瑋所說的，球磨機(jī)對于水泥的性能有不可替代的作用，所以目前來說，對于水泥的粉磨系統(tǒng)來說球磨機(jī)還是一個主流的組成設(shè)備之一。即使組成設(shè)備越來越大型化，不管是現(xiàn)在還是將來，球磨機(jī)在水泥粉磨系統(tǒng)中還是占據(jù)重要地位的。

??球磨機(jī)輸入磨機(jī)的功：它的能量轉(zhuǎn)換方面，一部分能轉(zhuǎn)變固體的表面能；另一部分，會產(chǎn)能大量的熱能、聲能散失于空間。因此，球磨機(jī)能量的利用率上來說是比較低的。

??2.轉(zhuǎn)速

??球磨機(jī)轉(zhuǎn)速固定不變，以磨內(nèi)研磨體具有最大降落高度這一理論設(shè)定的，對于沖擊粉碎作用具有很好的指導(dǎo)意義。然而對于目前水泥粉磨系統(tǒng)中球磨機(jī)所擔(dān)當(dāng)?shù)难心プ饔脕碚f，其最佳轉(zhuǎn)速的確定仍值得進(jìn)一步探討。在過去的粉磨系統(tǒng)中，填充率會直接影響到球磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)。那么在我們以研磨為主的情況下，這個填充率到底是多少合適也是值得我們重新認(rèn)識的。

??3.填充率

??在實(shí)際的粉磨過程中，填充率直接影響球磨機(jī)內(nèi)部介質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)，不同填充率下轉(zhuǎn)速對粉磨效果的影響有何變化也值得進(jìn)一步研究。

??二、研究方案

??報告從以下四部分進(jìn)行研究：建立合適的評價方法（從粉碎效果，研磨效果，達(dá)到同等粉碎/研磨效果的電耗水平來評價）；設(shè)計實(shí)驗(yàn)，研究球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和填充率對粉碎效果以及研磨效果的影響；在一端為透明有機(jī)玻璃端蓋的球磨機(jī)上，研究不同轉(zhuǎn)速、填充率下介質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用介質(zhì)運(yùn)動理論對其進(jìn)行分析解釋

??1.建立合適的評價方法

??首先從粉磨動力學(xué)的模型來設(shè)定評價方法。粉碎速度：粗顆粒百分含量隨時間的變化速率。在粉磨過程的瞬間，某粒級顆粒減少的速率與物料中該粒級顆粒的含量稱正比。借助這個粉碎動力學(xué)方程我們自己也研發(fā)了一個研磨動力學(xué)方程：物料比表面積S隨時間的變化速率。假設(shè)比表面積隨時間的變化速率與此時物料比表面積和目標(biāo)比表面積H的差值成正比。也就是說在球磨機(jī)的研磨過程中以物料比表面積S隨時間的變化速率來評價它的研磨速度。

??目前大部分的球磨機(jī)即使在輥壓機(jī)半終粉磨之后任然有兩倉，頭倉粗磨階段，二倉是細(xì)磨階段。吳笑梅在實(shí)驗(yàn)室的小磨上面安裝變頻器，分別模擬大的球磨機(jī)的頭倉和二倉來研究不同的轉(zhuǎn)速率對破碎速度和研磨速度的影響。并且理論計算出達(dá)到同樣的破碎效果的時候，不同轉(zhuǎn)速率所對應(yīng)的能耗水平，達(dá)到同樣比表面積的時候不同轉(zhuǎn)速率所對應(yīng)的能耗水平。

研究方案設(shè)計

??2.設(shè)計實(shí)驗(yàn)

??在試驗(yàn)過程中，設(shè)置了兩個填充率的邊界條件，在試驗(yàn)小磨上做試驗(yàn)參數(shù)。研究了轉(zhuǎn)速率在58%和88%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，研磨體的級配參照大磨的研磨體級配，在模擬粗磨試驗(yàn)的時候就是用球磨機(jī)頭倉的級配。頭倉就是用二倉的級配。如圖。頭倉的物料我們是先取回來在實(shí)驗(yàn)室的破碎機(jī)中先破碎。二倉的物料力度大概是篩余值是1%左右。

??2.1填充率為18%時轉(zhuǎn)速對粉磨效果的影響

??2.1.1粗磨實(shí)驗(yàn)

??2.1.1.1轉(zhuǎn)速率與粉碎速度常數(shù)的關(guān)系

??轉(zhuǎn)速率與粉碎速度常數(shù)的關(guān)系，下圖中可以發(fā)現(xiàn)篩余值都是隨著轉(zhuǎn)速率的增加而下降的。0.9mm K破>0.2mm K破>0.08mm K破；細(xì)顆粒粉碎速度隨著轉(zhuǎn)速的變化不如粗顆粒敏感。

??2.1.1.2轉(zhuǎn)速率與粉碎能耗的關(guān)系

??從研究轉(zhuǎn)速率與粉碎能耗的關(guān)系中（如下圖）我們可以看出：隨著轉(zhuǎn)速率的提高，粉碎能耗的常數(shù)是增大的。

??粉碎至相同篩余時不同轉(zhuǎn)速下的粉碎能耗：在達(dá)到同樣篩余的情況下，不同轉(zhuǎn)速率達(dá)到的能耗是不一樣的。填充率為18%時，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等細(xì)度的粉碎能耗呈下降趨勢；且目標(biāo)細(xì)度越小，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越大。

??2.1.2細(xì)磨實(shí)驗(yàn)

??2.1.2.1 轉(zhuǎn)速率與物料研磨速度常數(shù)的關(guān)系?

??隨著轉(zhuǎn)速率的提高，研磨速度常數(shù)也是增加的。說明研磨效果也是變好的。我們把能量的參數(shù)引用到方程里，可以得到比表面積和研磨速度之間的關(guān)系。

??2.1.2.2 轉(zhuǎn)速率與研磨能耗的關(guān)系

??填充率為18%時，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等比表面積的研磨能耗呈下降趨勢；且目標(biāo)比表面積越大，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越大。

??2.2填充率為30%時轉(zhuǎn)速對粉磨效果的影響

??2.2.1粗磨實(shí)驗(yàn)

??2.2.1.1  轉(zhuǎn)速率與粉碎速度的關(guān)系

??K破79%時最高；0.2mm K破>0.08mm K破.粗磨階段，介質(zhì)對粗物料顆粒的粉碎作用更強(qiáng)。

??填充率為30%時，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，粉碎能耗呈上升趨勢；70%--79%時，能耗較低，在76%時達(dá)到最低。轉(zhuǎn)速過低時，粉磨時間比較長。最佳轉(zhuǎn)速率在76%-79%之間。

??2.2.2 細(xì)磨實(shí)驗(yàn)

??2.2.2.1 轉(zhuǎn)速率與研磨速度常數(shù)及研磨能耗的關(guān)系

??填充率為30%時，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，研磨速度常數(shù)增大，研磨能耗下降，因此高轉(zhuǎn)速下整體研磨效果比較好。

??3.1 不同轉(zhuǎn)速和填充率下介質(zhì)運(yùn)動形態(tài)

??隨著轉(zhuǎn)速率的提高，做拋落運(yùn)動的介質(zhì)是增加的。（如下圖）

??根據(jù)介質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律，對介質(zhì)的運(yùn)動和介質(zhì)所在的能量進(jìn)行了理論的計算。認(rèn)為影響球磨機(jī)粉磨效果的因素拆分成兩大塊：

??第一，單位時間內(nèi)介質(zhì)對粉磨物料沖擊的頻率；

??第二，降落點(diǎn)處介質(zhì)速度?？煞譃榍邢蛩俣群头ㄏ蛩俣?

??3.3填充率對粉磨效果的影響機(jī)理

??填充率18%時其最佳的粉碎效果要大于30%時；相對滑動的影響，18%填充率下曲線整體可以向左移動。

??填充率為18%時的研磨效果整體上要優(yōu)于30%時的研磨效果。

??三、結(jié)論

??由上述試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：（1）填充率為18%時，隨著轉(zhuǎn)速率由58%增至88%，達(dá)到同等細(xì)度的粉碎能耗呈下降趨勢，達(dá)到同等比表面積的研磨能耗呈下降趨勢；且目標(biāo)細(xì)度越小及目標(biāo)比表面積越大時，不同轉(zhuǎn)速率之間的能耗差異越明顯。

??（2）填充率為30%時，隨著轉(zhuǎn)速率由70%增至88%，粉碎速度常數(shù)呈先增大后減小的拋物線規(guī)律，粉碎能耗呈上升趨勢。76%--79%時，粉碎速度常數(shù)較大，粉碎能耗較低；研磨速度常數(shù)增大，研磨能耗下降；最佳研磨效果的轉(zhuǎn)速高于最佳粉碎效果的轉(zhuǎn)速。

??（3）法向沖擊能量是影響粉碎效果的主要因素。當(dāng)轉(zhuǎn)速率在79%--82%以下的低轉(zhuǎn)速范圍時，影響研磨效果的主要因素是法向沖擊能量；當(dāng)轉(zhuǎn)速率在79%--82%以上的高轉(zhuǎn)速范圍時，影響研磨效果的主要因素是切向磨剝能量。

??（4）填充率提高，球磨介質(zhì)拋落的距離變短，其攜帶的能量也降低；高填充率下的腎形蠕動區(qū)要大于低填充率，相同轉(zhuǎn)速時低填充率下的粉碎和研磨效果比高填充率下好。

??四、工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

??對廣東某公司大磨上進(jìn)行變頻調(diào)速來進(jìn)行試驗(yàn)。它也是輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)+水泥磨的開路球磨機(jī)。由于現(xiàn)在大型的粉磨設(shè)備震動較嚴(yán)重，因此只在這個機(jī)器上做了降低轉(zhuǎn)速的研究?？偣沧隽巳卧囼?yàn)。

??該公司5#水泥粉磨系統(tǒng)的配置為：一臺Φ1.7×1.1m輥壓機(jī)（配置功率1800kw）+V1000型選粉機(jī)的半終粉磨系統(tǒng)+m的開路球磨機(jī)（配置功率3550kw）。其中球磨機(jī)有效內(nèi)徑4.08m，頭倉有效長度3.5m，尾倉有效長度8.6m。

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??第二次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果（如下圖）：

??第三次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(如下圖)：

??輥壓機(jī)半終粉磨+開路球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)總結(jié)：

??（1）在現(xiàn)有輥壓機(jī)半終粉磨+開路球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，通過變頻技術(shù)對水泥磨實(shí)施變頻降速后，可較大幅度降低水泥磨的運(yùn)行功率，增大輥壓機(jī)與球磨機(jī)運(yùn)行功率比值，產(chǎn)生良好的系統(tǒng)節(jié)電效果。水泥磨轉(zhuǎn)速從為50HZ調(diào)制44.5HZ，球磨機(jī)運(yùn)行功率下降12%，噸水泥電耗降低3.5%-6.2%，噸水泥電耗降幅達(dá)1-1.5度。臺產(chǎn)略有下降，產(chǎn)品顆粒分布有增寬趨勢，早期強(qiáng)度略有增加，物理性能變化不大，能滿足企業(yè)品質(zhì)控制要求。

??（2）對工業(yè)水泥粉磨系統(tǒng)的指導(dǎo)意義：最佳研磨效果時的轉(zhuǎn)速大于最佳粉碎效果時的轉(zhuǎn)速，工業(yè)磨機(jī)以最佳粉碎效果設(shè)定轉(zhuǎn)速率為76%。可以考慮利用變頻技術(shù)增加球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低球磨機(jī)的填充率或更換密度更小的研磨介質(zhì)，提高其整體粉磨能耗利用率，增大粉磨系統(tǒng)輥壓機(jī)與球磨機(jī)運(yùn)行功率的比值，產(chǎn)生較好的節(jié)電效果。進(jìn)一步可研究陶瓷球做研磨介質(zhì)與水泥磨變頻聯(lián)合的水泥粉磨技術(shù)。