球磨機工作原理及研磨體運動分析

文章來源：lntbhr　更新時間：2017/09/05

　　一、球磨機工作原理：
　　球磨機的主要工作部分是一個裝在兩個大型軸承上并水平放置的回轉圓筒，筒體用隔倉板分成幾個倉室，在各倉內裝一定形狀和大小的研磨體。研磨體一般為鋼球、鋼鍛、鋼棒、卵石、礫石和瓷球等。為了防止筒體被磨損，在筒體內壁裝襯板。當球磨機回轉時，研磨體在離心力和與筒體內壁的襯板面產生的摩擦力的作用下，貼附在筒體內壁的襯板面上，隨筒體一起回轉，并被帶到一定高度（如圖1所示），在重力作用下自由下落，下落時研磨體像拋射體一樣，沖擊底部的物料把物料擊碎。研磨體上升、下落的循環運動是周而復始的。此外，在磨機回轉的過程中，研磨體還產生滑動和滾動，因而研磨體、襯板與物料之間發生研磨作用，使物料磨細。由于進料端不斷喂入新物料，使進料與出料端物料之間存在著料面差能強制物料流動，并且研磨體下落時沖擊物料產生軸向推力也迫使物料流動，另外磨內氣流運動也幫助物料流動。因此，磨機筒體雖然是水平放置，但物料卻可以由進料端緩慢地流向出料端，完成粉磨作業。
　　二、研磨體運動的基本狀態：
　　球磨機筒體的回轉速度和填充率對于粉磨物料的作用影響很大。當筒體以不同轉速回轉時，筒體內的研磨體可能出現三種基本狀態，如圖2.2所示。
　　轉速太慢，研磨體和物料因摩擦力被筒體帶到等于動摩擦角的高度時，研磨體和物料就下滑，稱為"傾瀉狀態"，對物料有研磨作用，但對物料的沖擊作用很小，因而使粉磨效率不佳；
　　轉速太快，研磨體和物料在其慣性離心力的作用下
　?。╝）低轉速；
　?。╞）適宜轉速；
　?。╟）高轉速
　　貼附筒體一起回轉（作圓周運動），稱為"周轉狀態"，研磨體對物料起不到沖擊和研磨作用；
　　轉速比較適宜，研磨體提升到一定高度后拋落下來，稱為"拋落狀態"，研磨體對物料較大的沖擊和研磨作用，粉磨效率高。實際上，運動狀態是很復雜的，貼附在磨機筒壁向上的運動；沿筒壁和研磨體層向下的滑動；類似拋射體的拋落運動；繞自身軸線的自轉運動以及滾動等。所謂研磨體對物料的基本作用，正是上述各種運動對物料的綜合作用的結果，其中主要的可以歸結為沖擊和研磨作用。
　　分析研磨體粉碎物料的基本作用，目的是為確定合理運動狀態，這是正確選擇與計算磨機的適宜工作轉速、需用功率、生產能力以及磨機機械計算的依據。
　　三、球磨機內運動分析：球磨機的粉磨作用，主要是研磨體對物料的沖擊和研磨。為了進一步了解磨機操作時研磨體對物料作用的實質，以便確定磨機的工作參數，如適宜的工作轉速、功率消耗、生產能力、研磨體裝填量以及掌握影響磨機粉磨效率的各項因素、筒體受力情況與強度計算等，都必須對研磨體在磨機內的運動狀態加以分析研究。
　　研磨體運動的實際狀態是很復雜的，為了使問題分析簡單化，作如下基本假設：
你?。?）當磨機在正常工作時，研磨體在筒體內按所在位置的運動軌跡只有兩種：一種是一層層地以筒體橫斷面幾何中心為圓心，按同心圓弧軌跡隨著筒體回轉作向上運動；另一種是一層層地按拋物線軌跡降落下來；
　?。?）研磨體與筒壁間及研磨體層與層之間的相對滑動極小，具體計算時略去不計；
　?。?）磨機筒體內物料對研磨體運動的影響略去不計；
　?。?）研磨體作為一質點，因此最外層回轉半徑，可以用筒體的有效內徑表示。研磨體按圓弧隨筒體回轉作向上運動，當達到某一高度時，開始離開圓弧軌跡而沿拋物線軌跡下落，此瞬時的研磨體中心稱為脫離點，各層研磨體脫離點的連線稱為脫離點軌跡，如圖7.3中AB線。當研磨體以拋物線軌跡降落后，到達降落終點，此瞬時的研磨體中心點稱為降落點，各層研磨體降落點的連線稱為降落點軌跡，如圖7.3中的CD線。
　　四、球磨機的生產能力：影響球磨機生產能力的因素很多，例如物料性質、入磨物料粒度、要求產品細度、加料均勻程度和磨機內裝填程度等。另外還與磨機的結構形式有關，例如磨機筒體長度和直徑、倉數、各倉間長度的比值、隔倉板的形式和有效斷面大小、研磨體種類以及襯板形狀等。還有新工藝和新技術的采用，也是提高磨機生產能力的有效措施。
　?。?）物料方面入磨物料易碎性大，容易粉磨，生產能力就高；反之則生產能力就低。入磨物料粒度大時，磨機第一倉必須裝入較多的大鋼球，這樣可使研磨體達到擊碎物料的目的，第一倉在一定程度上便起到破碎機的作用，造成粉磨過程不合理，因磨機的破碎效率比破碎機低得多。所以減小入磨粒度能提高磨機生產能力，降低電耗。加料均勻，而且加料量合適，則磨機生產能力提高。加料量太少或過多，都要降低生產能力。因為加料量太少時，研磨體降落時，并不全部沖擊在物料上，而是有一部分研磨體互相撞擊，作了無用功；反之，加料量過多，沖擊能量不能充分發揮，磨機生產能力也不能提高。
　?。?）球磨機結構方面磨機的長徑比與生產方式有關，對于開流生產系統的磨機，為保證產品的細度一次合格，長徑比L/D=3.5~6；對于圈流生產系統的磨機，為加大物料的流通量，應選取L/D=2.5~3.5。磨機內的倉數一般為2~4倉，長徑比愈大，倉數愈多。
　　可根據生產實踐經驗來確定，一般干法圈流生產磨機：雙倉磨時，第一倉倉長為全長的30%~40%，第二倉倉長為全長的60%~70%；三倉磨時，第一倉倉長為全長的25%~30%，第二倉倉長為全長的25%~30%,第三倉倉長為全長的45%~50%。對于開流生產的磨機，細磨倉應適當增加長度。生產高強度等級的水泥時也是這樣，這是為了增加物料的細磨時間，使產品達到細度要求。磨機內隔倉板的形式，隔倉板的篦孔數量和大小要恰當，如果篦孔數量不多，尺寸太小，隔倉板的有效通風面積就小，這樣增加了抽風阻力，而且物料流速也受到一定影響。如果篦孔數量太多或太大，則隔倉板的強度不夠，且易使較粗顆粒進入下一倉，負荷加重，各倉工作便失去平衡。磨機襯板的表面形狀對磨機產量的影響也不小，因它可以改變提升高度，即影響研磨體對物料的沖擊和研磨效率。所以，應該正確選擇襯板的形式。物料在磨內粉磨效率也與種類、規格、級配和填充率有關。因此，必須正確合理地選擇。
　　(3) 采用新技術方面粉磨系統自動控制。根據磨機噪聲，采用電耳法控制電磁振動給料機或皮帶喂料機，控制磨內物料適量和自動調節物料均勻加入，使磨內物料量始終保持最佳狀態，這樣可提高磨機產量。加強磨內通風。磨內具有一定的風速，使粉磨過程中產生的微粉能及時被氣流帶走，減少了微粉的緩沖作用，可以提高粉磨效率，產品質量不會受到影響。當通風良好時，磨內水蒸氣及時排出，隔倉板篦孔不致被堵塞，粘附現象也減少，并能降低磨內溫度，這樣有利于磨機操作和提高產品質量。磨內通風速度因粉磨不同物料而不同，一般為0.3~1.0m/s。生產高強度等級水泥應選用低速；反之應選用大一點的速度。磨內噴水。粉磨水泥時要產生很多熱量，這對水泥質量和粉磨效率都是不利的，并影響產量。水以高壓空氣加以霧化噴入磨內，有效地帶走了磨內的熱量，實現磨內冷卻。水是表面活性物質，容易使微粒的聚結體實現解體，防止研磨體上包料。磨內噴水是根據磨內溫度而確定，一般在100℃以下不噴水。另外，噴水量根據入磨熟料溫度而定，約占水泥量的1%~2%，并使噴入磨內水分完全蒸發，不殘留水分。從磨頭噴水或磨尾噴水都可以。當入磨物料溫度很高時，從磨頭噴水比較有利，而在一般情況下是從磨尾噴水的。磨內噴水可使生產能力提高5%~10%。磨內加入助磨劑，可提高生產能力10%左右，一般用三乙醇胺，摻入量占入磨物料的0.04%~0.1%。
　?。?）球磨機生產能力計算上述各因素都會影響磨機的生產能力，至今還沒有一個能將這些因素全部包括在內的計算公式，確切的數據必須通過生產實踐才能確定。
　　現將一般常用的計算公式介紹如下
　　Q=0.2VDnGV0.8K (7.70)
　　式中:Q——球磨機的生產能力，t/h； V——球磨機筒體的有效容積，m3； D——筒體的有效內徑，m; K——球磨機單位功率單位時間的產量,t/(kW·h)。球磨機單位功率單位時間的產量見表1。
　　五、研磨體種類與材質：
　　1、種類不同形狀和大小的研磨體，在粉磨過程中具有不同的研磨作用。水泥廠中球磨機使用的研磨體按其形狀分類主要以下幾種:
　?、?鋼球鋼球是球磨機廣泛使用的一種研磨體。根據粉磨工藝要求，通常選用Φ20～Φ130mm的各種規格的鋼球；對于球磨機的粗磨倉一般選用Φ50～Φ100mm的各種鋼球，細磨倉則選用Φ20～Φ50mm的各種鋼球。
　?、?鋼鍛鋼鍛的外形為短圓柱形，其規格以直徑乘長度的毫米數表示。鋼鍛一般用于開路球磨機的細粉磨倉，也用于閉路球磨機的細粉磨倉。常用的鋼鍛的規格有Φ10mm×10mm～ Φ50mm×60mm。小磨細磨倉的鋼鍛直徑小至Φ12mm×12mm 以下。
　?、?鋼棒鋼棒是棒磨機使用的一種研磨體。鋼棒規格以直徑乘長度的毫米數表示。鋼棒直徑一般選用Φ40～Φ90mm，棒長應比磨機棒倉長度短Φ50～Φ100mm。例如：Φ2.4m×13m濕法棒球磨，第一倉有效長度為2.75m，使用鋼棒規格為Φ60mm×2650mm、Φ65mm×2650mm和Φ70mm×2650mm。
　　2、研磨體材質選擇研磨體應具有較高的耐磨性和耐沖擊性。要求其材質堅硬、耐磨又不易破裂。研磨體表面不允許有明顯毛刺和裂縫，鋼球的不圓度不得超過其直徑的2％。　
　　在水泥工業中，磨機研磨體及襯板的消耗量相當大，研磨體材質的好壞，不僅影響到磨機的粉磨效率，而且關系到磨機的運轉率。世界各國在提高耐磨性上作出了成果，從20世紀60年代至70年代就廣泛應用高鉻鑄鐵(鋼)球。日本主要高鉻鋼球、低鉻鋼球和合金白口鑄鐵球；德國主要高鉻鑄鐵球和低合金鋼球；美國、加拿大常用合金鋼球。
　　近年來，在我國水泥工業中，球磨機用的研磨體材質如下幾種：
　?、?高鉻鑄球高鉻鑄球是一種含鉻量高（Cr10%以上）的合金白口鑄鐵球，其特性是耐磨、耐熱、耐腐蝕，并具有相當的韌性。馬氏體基體的高鉻鑄鐵球表面硬度HRC可達58～66。高鉻鑄鐵球的耐磨性為普通碳素鋼球的8～12倍。
　?、?低鉻鑄球低鉻鑄球含有少量的鉻元素，可保持鑄鐵的白口獲得珠光體金相。低鉻鑄球韌性、耐磨性較高鉻鑄球差別較大。
　?、?鍛造軸承鋼球鍛造軸承鋼球可以制造各種直徑的鋼球，含碳量為1.0％左右，含鉻量為0.5％左右，其余元素為常規含量。球耗比高鉻鑄鐵球高，但由于合金元素含量低，仍有較廣闊的使用市場。棒球磨的鋼棒材質要求硬度高、耐磨、不斷碎、不彎曲，常用40Mn鋼或70號高碳鋼軋制而成。
　　3、研磨體合理裝載量
　?。?）填充率的計算公式磨機內研磨體填充的容積與磨機有效容積之比的百分數，稱為研磨體的填充率。
　　φ=VsVm×100%
　　式中:φ——磨內研磨體填充率，％； Vs——磨內研磨體填充的容積，m3; Vm——磨機(倉)有效容積，m3。圖11 磨內研磨體填充面的中心高
　　(2) 實測磨內球面高度計算填充率當磨機裝入研磨體后驗證它的填充率是否與配球方案中規定的數值相符，或者在磨機運轉過程中因研磨體磨損后補充一些鋼球和鋼鍛時，常用實測和查表法來核算填充量。其做法是在磨內沒有物料或只有少量物料的情況下，先用尺測量磨機的有效內徑Di；再通過磨機中心測量從研磨體面到頂部襯板的垂直距離H，然后計算H/Di值，其關系式如下(如圖11)。
　　φ=β360-sinβ2π
　　h=Di2cosβ2
　　H1=Di2-h=Di21-cosβ2
　　式中:φ——磨機研磨體填充率； β——研磨體填充表面對磨機中心的圓心角； h——磨機中心至研磨體填充表面的距離，m； Di——磨機有效內徑，m； H1——磨內研磨體填充面高度，m。計算得出的H/Di值列于表7.2。
　　研磨體填充率大于32％的磨機，還可以采用以下經驗公式直接計算填充率
　　φ0=113-126Hdi
　　式中:φ0——磨內研磨體填充率，％。
　　在測量磨內研磨體填充表面高度時，應該注意磨內物料的填充情況。如果物料面高出研磨體15～20mm，則由計算得出的填充率應減去2%～4％的誤差數。研填充率對磨機的粉磨效率有很大的影響，研磨體填充率過高或過低都會導致磨機粉磨效率降低。影響研磨體最佳填充率的因素較多，如磨機的形式、規格、內部結構特性以及被粉磨物料的性能等。因此，應該在生產中通過試驗來求出最佳填充率，并根據影響因素的變化程度進行適當調整。表7.3為我國水泥工廠各種磨機一般的研磨體填充率數值。
　　水泥廠各種磨機的研磨體填充率：
　　中卸或尾卸烘干磨填充率φ(％)25～28；
　　一級閉路長磨填充率φ(％)30～36；開路長磨填充率(％)25～30；選粉烘干短球磨填充率(％)35~38；棒球磨的棒倉填充率(％)20～25；　　
　　二級閉路短球磨填充率(％)40～45。對于二級閉路球磨機和多倉磨機的研磨體填充率，還應該根據各級或各倉粉磨作用的平衡狀態適當進行調整。
　　例如：一臺三倉磨機在生產中如果顯示出粗粉碎能力不足，而細粉磨能力較強，則應適當提高第一倉鋼球的填充率而降低第三倉鋼鍛(球)的填充率，使各倉粉磨作用達到相對平衡。生產中改變產品品種或質量要求時，也應該考慮適當調整填充率。
　　(3) 研磨體裝載量計算裝入磨內(或倉內)的研磨體質量稱為研磨體裝載量，它取決于磨機填充率的大小。
　　G=Vφρ G=0.00785D2iLφρ
　　式中:G——磨內研磨體裝載量，t； V——磨機(倉)有效容積，m3； Di——磨機(倉)有效直徑，m； L——磨機(倉)有效長度，m； φ——磨內研磨體填充率，％； ρ——研磨體容積密度，t/m3。鋼球的容積密度一般為4.56～4.85t/m3。
　　4、鋼球級配大小直徑的鋼球及其質量的配合稱為鋼球級配。鋼球級配直接影響磨機的產量、產品質量和金屬消耗。鋼球級配的合理選擇，主要根據被粉磨物料的物理化學性能、磨機結構以及要求的產品細度等因素確定。物料在粉磨過程中，鋼球應有足夠的沖擊作用，同時要有一定的研磨作用。在研磨體裝載量不變的情況下，小鋼球比大鋼球的總表面積大，與物料接觸的機會多，故對研碎、細磨的細顆粒物料應選擇小鋼球。但從另一方面看，要將大塊的物料擊碎，才能進行有效的細磨，因而必須使鋼球具有較大的能量。選用鋼球的大小與被粉磨物料的粒度有一定關系，物料粒度越大，鋼球直徑也應該越大。由此可見，磨機中完全使用大直徑或完全使用小直徑的鋼球是不合適的，必須進行合理的配合。
　　根據生產經驗，選擇鋼球級配一般按如下因素關系確定：
　　(1) 依據入磨物料的粒度、硬度、易磨性以及對產品的細度要求確定鋼球級配。當入磨物料粒度小，易磨性好，產品細度要求較細時，就需要加強對物料的研磨作用，選用的鋼球直徑應小些。反之，若入磨物料粒度較大，易磨性差時，就需要加強對物料的沖擊粉碎作用，此時應選用大直徑鋼球。
　　(2) 由大鋼球配合的混合鋼球群較由小鋼球配合的混合鋼球群空隙率大。為了控制物料在磨內的流速，一般采用大小鋼球配合使用。適當減少鋼球之間的空隙，能使物料在磨內的流速減慢，延長物料在磨內的停留時間，提高粉磨效率。鋼球的級配數也不宜過多，因為鋼球在運動過程中，由于直徑不同其線速度不一樣，往往會產生鋼球的自然分層，直徑大的處在內層。若級配過多，分層更嚴重，這會影響粉磨效率。　　(3) 選用鋼球直徑的大小，還與磨內單位容積物料通過量有一定的關系。在閉路粉磨時，選粉機的回料使磨內單位容積物料通過量增加，在此情況下，鋼球在沖擊時，會受到一定的"緩沖"作用。因此，循環回料量高，鋼球的直徑要稍為大些；反之則小。
　　(4) 磨機襯板表面形狀也是配球考慮的因素之一。若襯板表面形狀致使帶球能力不足，則鋼球提升能力不夠。

來源：質檢部投稿

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