劉云峰，白 潔，符惜煒，李 珂，黃 濤,3，阮 濤

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

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

4金堆城鉬業(yè)汝陽有限責(zé)任公司 河南汝陽 471200

立 磨廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)，集粉碎、烘干、分級于一體，可用于水泥生料、熟料、煤粉和礦渣的粉磨[1]。立磨配用的動態(tài)選粉機(jī)是立磨系統(tǒng)的一個重要組成部分，與立磨系統(tǒng)的整體性能相互關(guān)聯(lián)。動態(tài)選粉機(jī)一方面可以使回料中細(xì)粉料大幅度減少，利于立磨粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；另一方面，動態(tài)選粉機(jī)處理能力增大，也有利于立磨系統(tǒng)產(chǎn)量的提高[2-3]。隨著超細(xì)粉體的廣泛應(yīng)用，對動態(tài)選粉機(jī)分級性能提出了更高的要求，在保證獲得超細(xì)粉的同時，也要保證動態(tài)選粉機(jī)分級精度、選粉效率等其他性能指標(biāo)[4]。目前，許多研究者采取了各種方法對動態(tài)選粉機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)等方面做了大量的研究工作，取得了很多重要的研究成果。但是由于各廠家設(shè)計的動態(tài)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)存在差別，由此得到的結(jié)論也只適用于特定結(jié)構(gòu)的動態(tài)選粉機(jī)。因此，研究選粉機(jī)各種參數(shù)對立磨系統(tǒng)的影響，對未來立磨動態(tài)選粉機(jī)的開發(fā)、改造和調(diào)試具有重要的意義。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及粉體分離理論的不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外進(jìn)行了立磨腔內(nèi)氣固兩相流體數(shù)值模擬研究，為立磨結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)值依據(jù)[5-6]。孫樹峰等人[7]利用流體力學(xué)計算軟件對內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到渦流分級機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，流場的渦流現(xiàn)象會增強(qiáng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定程度時，會出現(xiàn)反流現(xiàn)象。高利蘋等人[8-9]利用 Fluent 軟件對分級機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，找出了在某一進(jìn)口風(fēng)速下與之相對應(yīng)的較佳轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速。筆者利用 CFD計算軟件對某型號立磨配用的動態(tài)選粉機(jī)進(jìn)行仿真，主要研究了動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)參數(shù)變化對動態(tài)選粉機(jī)選粉效率影響的規(guī)律。

1 選粉效率

1.1 研究思路

動態(tài)選粉機(jī)是將立磨粉磨系統(tǒng)出料中符合粒度要求的物料選出來，而不符合粒度要求的物料則留在立磨內(nèi)繼續(xù)研磨。理想狀態(tài)的動態(tài)選粉機(jī)，是可以將所有符合粒度要求的物料選出，而這種狀態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中是不可能實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計者能做的就是最大可能地提高動態(tài)選粉機(jī)的選粉效率。

選粉效率指的是選粉后成品中所含小于某一粒徑細(xì)粉的質(zhì)量與選粉前粉體中所含小于該粒徑細(xì)粉的質(zhì)量之比。選粉效率是評價選粉機(jī)性能的重要工藝參數(shù)之一，也是評價整個立磨系統(tǒng)性能的主要參數(shù)之一。

式中：η為選粉效率，%；m為選粉后粉體小于某一粒度的質(zhì)量，kg；m0為選粉前粉體小于某一粒度的質(zhì)量，kg。

為了表征動態(tài)選粉機(jī)實(shí)際分級結(jié)果與理想分級結(jié)果之間的偏離程度，提出了“分級精度指數(shù)”概念，這個指數(shù)用公式表示為

式中：d25為分級效率為 25% 的物料粒徑，μm；d75為分級效率為 75% 的物料粒徑，μm。

動態(tài)選粉機(jī)內(nèi)物料顆粒的分級非常復(fù)雜，且物料粒徑都是 μm 級，干擾因素眾多。因此依靠理論公式推導(dǎo)研究或試驗測定研究，都無法得到實(shí)際數(shù)據(jù)。筆者利用 CFD 計算軟件 Fluent 對動態(tài)選粉機(jī)選粉過程進(jìn)行模擬計算，以各工況下得到的選粉機(jī)效率曲線為依托，以分級精度指數(shù)為判定標(biāo)準(zhǔn)，對動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究，得到轉(zhuǎn)子葉片各參數(shù)對選粉機(jī)性能的影響，為選粉機(jī)開發(fā)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

1.2 計算條件

利用 Fluent 軟件對動態(tài)選粉機(jī)進(jìn)行仿真計算，需要確定基本計算參數(shù)，這些參數(shù)主要包括動態(tài)選粉機(jī)的處理風(fēng)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、入射物料粒徑分布及各粒徑質(zhì)量流等。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，動態(tài)選粉機(jī)的處理風(fēng)量設(shè)為 700 000 m3/h，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)為 120 r/min，動態(tài)選粉機(jī)處理物料的粒徑分布一般符合 R-R 規(guī)律，計算用物料粒徑 R-R 分布的分散系數(shù)為 2，中位粒徑為40 μm，物料粒徑參數(shù)如表 1 所列。

表1 物料粒徑參數(shù)Tab.1 Granularity parameters of material

1.3 計算模型

動態(tài)選粉機(jī)研究計算需要用到的模型分為三維模型和 CFD 計算湍流模型。動態(tài)選粉機(jī)三維模型如圖 1所示。

圖1 動態(tài)選粉機(jī)三維模型Fig. 1 3D model of dynamic classifier

動態(tài)選粉機(jī)工作時，轉(zhuǎn)子區(qū)域發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，在此類問題的 CFD 計算中，一般需要使用動網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。但動網(wǎng)格技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用求解中存在明顯不足，一是計算效率不高；二是收斂難度大。為了解決這個問題，處理三維模型時，將轉(zhuǎn)子區(qū)域單獨(dú)剖分出來，形成獨(dú)立的一個計算域。在此計算域上應(yīng)用RMF (旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法) 加載轉(zhuǎn)速，可以規(guī)避上述問題。這樣計算模型就形成了定子及筒體部、轉(zhuǎn)子部、立磨出料部 3 部分，其中轉(zhuǎn)子部外緣半徑為 2 880 mm，內(nèi)緣半徑為 2 750 mm，高為 3 620 mm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量為 200 片，圓周方向均布。計算時，模型之間采用內(nèi)部邊界條件 Interface 連結(jié)，入口采用速度入口Velocity，出口采用自由流出口 Outflow，湍流模型采用適用于復(fù)雜剪切流動、旋流和分離流預(yù)測的 RNGκ-ε模型，物料顆粒采用 DPM 入射流。

2 轉(zhuǎn)速對動態(tài)選粉效率的影響

2.1 不同轉(zhuǎn)速計算

轉(zhuǎn)子部件作為動態(tài)選粉機(jī)內(nèi)細(xì)粉輸送的必經(jīng)通道，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流場特性是影響選粉效率的關(guān)鍵因素之一。物料顆粒輸送到選粉機(jī)內(nèi)部時，顆粒會同時受到自身慣性離心力和空氣曳力的雙重作用。粒徑越大，離心初速度越大，顆粒受到的慣性離心力就越大。同樣，選粉機(jī)內(nèi)部流場速度越高，顆粒受到的流體曳力也會越大，這 2 種力對物料顆粒的作用強(qiáng)度決定了粒子的出入方向。當(dāng)慣性離心力相對較大時，物料顆粒更容易被甩出，進(jìn)入粗粉；反之，將隨空氣通過轉(zhuǎn)子葉片間隙進(jìn)入細(xì)粉。因此，研究動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對選粉效率的影響具有重要意義。

綜上所述，結(jié)合某型號立磨的實(shí)際使用情況，針對動態(tài)選粉機(jī)不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析研究。

2.2 計算分析

通過對不同粒徑的物料顆粒進(jìn)行軌跡追蹤，可以得到該粒徑物料進(jìn)入計算域和排出計算域的顆粒數(shù)量，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以得到該粒徑在此轉(zhuǎn)速下的分級效率。物料粒度對不同轉(zhuǎn)速下分級效率的影響如圖 2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下物料粒度對分級效率的影響Fig. 2 Influence of material granularity on classification efficiency at various rotary speed

從圖 2 可以看出：

(1) 立磨用動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在 90 r/min 以下時，對各粒徑物料沒有分級能力；

(2) 90 r/min 是動態(tài)選粉機(jī)工作的臨界轉(zhuǎn)速，各粒度物料的選粉效率處于震蕩狀態(tài)；

(3) 轉(zhuǎn)速在 90 r/min 以上時，動態(tài)選粉機(jī)選粉效率曲線具有相似性。即對 45 μm 以下粒徑物料，選粉效率處于高位區(qū)間；對 45 μm 以上粒徑顆粒，需要盡可能留在立磨內(nèi)繼續(xù)研磨，此時隨著轉(zhuǎn)速的增加，大顆粒物料的選粉效率在快速下降。

為了更好判別動態(tài)選粉機(jī)在 100、110、120 r/min轉(zhuǎn)速下的性能，需要分別求出每個方案下的分級精度指數(shù)。由式 (2) 處理所得的數(shù)據(jù)如表 2 所列。

表2 不同轉(zhuǎn)速的分級精度指數(shù)Tab.2 Classification accuracy coefficient at various rotary speed

由表 2 可以看出：k值越接近 1，選粉機(jī)性能越接近理想分級狀態(tài)；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，動態(tài)選粉機(jī)分級性能也在提高，但在轉(zhuǎn)速為 110、120 r/min 時，二者差別不大。

-45 μm 物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，轉(zhuǎn)速 ＜ 90 r/min 時，物料通過選粉機(jī)物料中細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，說明選粉機(jī)對大粒徑物料沒有分級效果；當(dāng)轉(zhuǎn)子在 90 r/min 以上轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，選粉后細(xì)粉質(zhì)量占比明顯提高。

圖3 -45 μm 物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 3 Mass fraction of material whose granularity less than 45 μm

3 葉片數(shù)量對選粉效率的影響

3.1 葉片數(shù)量計算

轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量也是動態(tài)選粉機(jī)設(shè)計時需要考慮的重要因素。轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量少，運(yùn)行時消耗功率就小，相對選粉效率就要降低；轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多，運(yùn)行時消耗的功率就高，選粉效率有保證。因此如何在保證選粉效率的同時，使用轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量最少，是選粉機(jī)設(shè)計者關(guān)心的問題。基于此，制定了不同葉片數(shù)量下選粉效率變化的研究方案，如表 3 所列。

表3 不同葉片數(shù)量計算方案Tab.3 Calculation schemes with various number of blade

3.2 計算數(shù)據(jù)分析

按照表 3 中所列的研究數(shù)據(jù)，對動態(tài)選粉機(jī)不同葉片數(shù)量的選粉效率進(jìn)行仿真，得到的選粉效率對比曲線如圖 4 所示。

圖4 葉片數(shù)量對選粉效率的影響Fig. 4 Influence of number of blade on classification efficiency

由圖 4 可以看出，上述 5 種葉片數(shù)量得到的選粉效率曲線基本吻合，這說明：

(1) 動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片達(dá)到一定數(shù)量后，選粉效率不會隨著葉片數(shù)量的增加而增加；

(2) 動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量太多，設(shè)計冗余量太大，建議降低轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量。

4 葉片寬度對選粉效率的影響

4.1 葉片寬度計算

動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時，葉片之間形成了物料粒子通道，葉片的寬度決定了物料通道的長度。由于選粉過程是一個涉及到多相流、多變化因素的復(fù)雜過程，轉(zhuǎn)子葉片間的流場對于選粉結(jié)果十分重要。在特定風(fēng)量的條件下，葉片寬度對選粉效率存在影響，因此制定如下研究方案，研究轉(zhuǎn)子葉片寬度變化對選粉效率的影響規(guī)律，如表 4 所列。

表4 葉片寬度研究方案Tab.4 Research scheme about blade width

4.2 計算數(shù)據(jù)分析

按照表 4 中所列的數(shù)據(jù)，對動態(tài)選粉機(jī)不同轉(zhuǎn)子寬度的選粉效率進(jìn)行仿真，得到的選粉效率對比曲線如圖 5 所示。

圖5 葉片寬度對選粉效率的影響Fig. 5 Influence of blade width on classification efficiency

由圖 5 可以看出，隨著轉(zhuǎn)子葉片寬度的增大，選粉機(jī)的選粉效率先提高后降低。葉片 3 種寬度的分級精度指數(shù)如表 5 所列。

表5 不同寬度的葉片分級精度指數(shù)Tab.5 Classification accuracy coefficient at various blade width

由表 5 可以看出：轉(zhuǎn)子葉片寬度增大 25 mm，分級精度指數(shù)更接近于理想狀態(tài)指數(shù) 1，這也說明了對于每一種新設(shè)計的動態(tài)選粉機(jī)，在確定工況下，轉(zhuǎn)子葉片寬度存在最優(yōu)值。

5 結(jié)論

經(jīng)過仿真計算動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等相關(guān)參數(shù)對選粉效率的影響，可以得到如下結(jié)論。

(1) 動態(tài)選粉機(jī)正常工作是有臨界轉(zhuǎn)速的，低于臨界轉(zhuǎn)速時，動態(tài)選粉機(jī)達(dá)不到選粉效果；

(2) 動態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)速不是越高越好，在正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，選粉效率隨轉(zhuǎn)速提高而提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，提高轉(zhuǎn)速對于選粉效率沒有影響；

(3) 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量存在合理數(shù)值，葉片數(shù)量設(shè)計冗余會導(dǎo)致消耗功率增加，但對選粉效率沒有影響；

(4) 隨著轉(zhuǎn)子葉片寬度的增大，動態(tài)選粉機(jī)選粉效率先提高后降低，這提醒了設(shè)計者在確定工況下，轉(zhuǎn)子葉片寬度存在最優(yōu)值。