王利輝，張路明 ，高 勛

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

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

立式輥磨簡稱立磨，采用料床粉磨機理，通過磨輥與磨盤的相對運動粉磨物料，集破碎、研磨、烘干及分選等工序于一體。

其工作原理為：電動機通過減速器帶動磨盤轉(zhuǎn)動，物料通過喂料閥給料落到磨盤中心，在離心力作用下向磨盤外緣運動，在磨盤襯板上方形成料床；多個磨輥由各自的加載系統(tǒng)驅(qū)動向磨盤上的料床加壓，在摩擦力作用下磨輥與磨盤相向轉(zhuǎn)動，物料被帶入磨輥與磨盤之間進行粉碎；粉碎后的物料溢出到磨盤的外緣，越過擋料環(huán)，與來自噴吹環(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分選和選粉機離心力場分選。

立磨流程簡單、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的一個重要方向。另外，由于資源緊缺，節(jié)能降耗成為所有粉磨系統(tǒng)取得競爭力的一個重要因素。筆者以平盤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)定量給料機稱重的礦渣進入立磨粉磨，粉磨合格的礦渣在磨內(nèi)經(jīng)分選后，成品進入收塵器；一部分廢氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機抽出，由煙囪外排，其余廢氣 (余熱可利用) 和熱風(fēng)爐產(chǎn)生的氣體一同進入立磨，對物料進行烘干和輸送。

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

2 立磨選粉機分級區(qū)構(gòu)成及性能標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 立磨選粉機分級區(qū)的構(gòu)成

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

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

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

立磨選粉機的離心分級區(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)過重力分級區(qū)分選之后進入離心分級區(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行分級。粗顆粒被甩出后，掉落到選粉機粗粉返料錐斗中，進入磨盤上的粉磨區(qū)進行再次粉磨，而合格物料則進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，通過出風(fēng)口排出磨外，由收塵器進行收集。

2.2 選粉機性能的評價標(biāo)準(zhǔn)及分析

選粉機性能主要從選粉效率、切割粒徑和分級精度等 3 個參數(shù)來評價。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效率為 50% 時的粒徑；分級精度是指在部分分級效率曲線圖中，實際分級曲線相對理想分級曲線的偏離程度，其計算公式為

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

由此可知，選粉效率和分級精度的計算都需要以了解選粉機進料、成品及返料的粒度分布特性為前提。對于單體式選粉機而言，這些不難測量，但立磨選粉機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的進料，選粉機的返料又成為立磨粉磨的一部分進料，這一切都在立磨內(nèi)部進行。因此，選粉機的進料和返料的性質(zhì)難以測量，選粉效率和分級精度也就難以確定，從而無法繪制全面評價立磨選粉機特性的 Tromp 曲線，也就無法根據(jù)這些參數(shù)對選粉機進行改進。雖然能夠得出切割粒徑的計算公式，但是這個公式只涉及選粉機宏觀結(jié)構(gòu)尺寸，并不涉及選粉機細節(jié)尺寸，對選粉機進一步改進的意義不大。

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)槌善芳氼w粒要在立磨及選粉機內(nèi)部循環(huán)多次，不合格物料會反復(fù)在磨盤與選粉機之間上升又落下，直到被多次粉磨后達到合格粒度。在內(nèi)循環(huán)過程中，不合格物料不僅耗費風(fēng)量進行輸送，并且與合格物料混合在一起，使選粉機進料質(zhì)量濃度非常大，顆粒之間相互吸附、團聚、干擾，大大增加了系統(tǒng)通風(fēng)阻力，降低了選粉效率。同時，這些不合格物料降落到磨盤之后，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)耗費熱量進行烘干，增加了熱量的消耗。

立磨內(nèi)物料在整個過程中，主要完成兩次分級。首先在重力分級區(qū)完成一次重力分選，稱之為初選；初選后的合格物料進入離心分級區(qū)完成離心分選。其中，重力分選在很大程度上決定了進入離心分級區(qū)顆粒粒徑的大小，對選粉機的循環(huán)負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區(qū)的同時，把盡可能多的不合格物料在重力區(qū)分選下去。

在重力分級區(qū)內(nèi)，影響顆粒運動的力主要有浮力、氣體阻力和自身重力。對于一定的顆粒，浮力和自身重力為定值，氣體阻力則隨著顆粒與流體相對速度的變化而變化，最終三力達到平衡，顆粒做勻速運動。此時，當(dāng)顆粒相對于流體的速度數(shù)值上等于流體速度時，顆粒將在空間懸浮不動，該顆粒各有 50% 的概率進入選粉機離心分級區(qū)或直接返回粉磨區(qū)，該顆粒的粒徑即為重力分級區(qū)的切割粒徑。童聰?shù)热薣2]323推算出選粉機重力分級區(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，降低重力分級區(qū)氣流速度，即減小立磨系統(tǒng)風(fēng)量，可減小重力分級區(qū)的切割粒徑。重力分級區(qū)切割粒徑減小，使得更多不合格物料在重力分級區(qū)即返回粉磨區(qū)或排出磨外，而進入離心分級區(qū)的合格物料含量將更高，出選粉機的成品細度及粒度分布將會得到改善。張廷龍等人[3]計算重力分級區(qū)切割粒徑X50=258.8 μm，這說明重力分級區(qū)的成品粒度較粗，與離心分級區(qū)切割粒徑K50=38.7 μm 相比差距較大，也就是說，目前立磨系統(tǒng)通過降低風(fēng)量來提高重力分級區(qū)合格物料含量，從而優(yōu)化離心分級區(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，以達到把盡可能多的合格物料輸送到離心分級區(qū)的同時，把盡可能多的不合格物料在重力分級區(qū)分選下去的目標(biāo)。

3.2 整體工藝優(yōu)化對離心分級區(qū)的作用

高勛等人[4]提出的選粉機離心分級區(qū)的切割粒徑公式如下：

層流區(qū)

過渡區(qū)

湍流區(qū)

式中：X50為切割粒徑，m；μ為氣體動力黏度，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，無論在層流區(qū)、過渡區(qū)還是湍流區(qū)，在原選粉機結(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區(qū)切割粒徑變小，從而改善選粉機成品細度和粒度分布。

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

3.3 整體工藝優(yōu)化對節(jié)能增效的意義

首先，選粉機運行功率主要用于抵消選粉機轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時料幕的阻力，其公式為

式中：Nh為選粉機運行功率，kW；A0為轉(zhuǎn)子葉片總面積，m2；C0為選粉機給料質(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。選粉機給料質(zhì)量濃度為單位時間內(nèi)選粉機給料量與風(fēng)量的比值，由于系統(tǒng)風(fēng)量減小，單位時間內(nèi)選粉機給料量也減少，因此無法判斷選粉機給料質(zhì)量濃度C0的增減。但是根據(jù)選粉機運行功率的定義，由于單位時間內(nèi)流經(jīng)選粉機的氣體和物料都減少，轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時對料幕做功將減少，則選粉機運行功率將降低。由此可以反推選粉機給料質(zhì)量濃度C0必定降低。

其次，立磨的噴水系統(tǒng)主要用于對磨盤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，并沒有直接用于成品生產(chǎn)，屬于無效熱耗。采用上述方案后，在重力分級區(qū)有更多的不合格物料返回粉磨區(qū)或者進入外循環(huán)，循環(huán)路程變短，熱風(fēng)對其烘干時間也變短，這將減少系統(tǒng)對返料反復(fù)的噴水和烘干，有助于節(jié)能。

同時，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，促進節(jié)能。

此外，由于在重力分級區(qū)，更多的不合格物料沒有進入離心分級區(qū)，而是返回粉磨區(qū)或者進入外循環(huán)，縮短了磨內(nèi)物料的循環(huán)時間，循環(huán)變快，磨內(nèi)停留時間變短，粉磨速度加快。外循環(huán)部分物料被斗式提升機和帶式輸送機重新輸送到磨內(nèi)粉磨區(qū)，比原來氣力輸送也更節(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，還對物料輸送和烘干有一定影響，應(yīng)進一步分析可能出現(xiàn)的問題并采取措施。管路特性曲線應(yīng)對流速有一定限制，否則容易出現(xiàn)顆粒沉降，影響物料輸送。對此，可以在立磨管路設(shè)計時根據(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)速有一個較大的范圍，需要在立磨運行中探索其最優(yōu)值，如有必要，也可以通過調(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，減小無效熱耗的同時可能導(dǎo)致熱量不足，可以在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)提高立磨進口熱風(fēng)溫度予以解決。

4 結(jié)論

(1) 通過分析選粉機性能評價標(biāo)準(zhǔn)，指出由于立磨選粉機與立磨為一體結(jié)構(gòu)的特殊性，單純以改進選粉機結(jié)構(gòu)的方式提高立磨選粉機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區(qū)的同時，把盡可能多的不合格物料在重力分級區(qū)分選下去，以實現(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。由于立磨系統(tǒng)的復(fù)雜性，無論通過理論計算還是模擬仿真求解系統(tǒng)風(fēng)量最佳工況點都有較大難度。因此，需要在立磨粉磨系統(tǒng)現(xiàn)場操作實踐中，盡量降低系統(tǒng)風(fēng)量，同時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以探索使產(chǎn)量、選粉性能及節(jié)能效果都達到最優(yōu)的風(fēng)量最佳工況點，同時記錄這些運行數(shù)據(jù)，為今后立磨系統(tǒng)設(shè)備選型優(yōu)化打下基礎(chǔ)，實現(xiàn)節(jié)能增效。