辊压研磨基本参数分析

2016-09-27刘康宁

水泥技术 2016年4期

刘康宁

辊压研磨基本参数分析

刘康宁

辊压机和立式辊磨都是辊压研磨，其特点是用压力使两个辊面间松散堆积的物料相互作用而得以破碎或研磨。加压的磨辊要能自由移动，才能完全压实充满磨辊间隙的物料。辊压研磨与辊式破碎机不同，后者的辊子固定且两辊之间有一定辊隙，喂入的松散原料传递的力是不确定的，由于辊隙始终敞开，很多未被辊压的细料会穿过。辊式破碎机破碎的物料颗粒比辊隙大，而辊压研磨可研磨规格在一定范围内的物料，研磨后的物料颗粒远比辊隙小。

1　物料压力

从夹角α顶点开始磨辊对物料加压，接近最窄间隙处压力最大，然后陡降到最低。由图1可得式（1）：

式中：

δ——两辊面间钳角，rad

α——夹角，rad

R——磨辊半径，m

L——冲击区域的长度，m

图1　钳角δ和夹角α图

如忽略磨辊边缘压力降或将其认为是非常宽的磨辊，就比较容易评估物料的最大压力。按史密斯公司经验，冲击长度L的压力分布接近正三角关系，即最大压力约为平均压力的两倍，即：

式中：

Pmax——作用在物料上的最大压力，kN/m2

T——施加在磨辊上的力，kN

W——磨辊宽度，m

将式（1）中的L和D1=2R1代入式（2）：

式中：

KT——单位磨辊压强，kN/m2

最大压力与磨辊直径比和钳角δ有关。对于辊压机，两个磨辊直径通常是相等的，则Pmax≈8KT/δ。而立式辊磨因D2为无穷大，则Pmax≈4KT/δ。由研磨件几何尺寸和研磨物料可粗略确定最大压力。

2　研磨料层厚度和产量

在磨辊间间隙充满时，物料的通过量是研磨料层厚度H、磨辊宽度W、磨辊速度v和磨辊滚过后物料的密度ρp的乘积。当磨辊速度和物料压力一定时，研磨产量与料层厚度成正比。ρp与松散喂料密度ρf比为冲击比F= ρp/ρf。由图2可知，用冲击比、钳角和磨辊直径推算的研磨料层厚度H见式（5）：

式中：

由式（5）可见，当钳角不变时，在相同的喂料和摩擦条件下，料层厚度与磨辊直径成正比，钳角与料层厚度成正比。改变松散喂料密度将改变冲击比，它对研磨料层影响很大，故稳定喂料极其重要。

对松散密度1 300kg/m3无细颗粒物料，压缩后密度为2600kg/m3，如添加细颗粒，密度将升高至1 700kg/ m3，其料层厚度增加［（2 600/1 300）-1］/［（2 600/ 1 700）-1］，或者是1.89倍。

图2　料层厚度H计算图

由式（5）得钳角为：

将式（6）代入式（3）中得：

如果喂料比是变化的，在相同的冲击比和最大压力下，要维持期望的产量，必须要改变磨辊压力T与料层厚度平方根之比。

3　功率消耗

磨辊传递的功率N是切线速度v和滚动摩擦力（μ× T）的乘积，该摩擦力是研磨料层压力分布的切线部分。像α和μ一样，反作用力角β（rad）很小，与切线角度相等，见图3。

图3　反作用力T和反作用力角β

系数μ是滚动摩擦力的角度，无论是两个磨辊驱动还是单磨辊驱动，它是两反作用力角β之和。

式中：

N——功率消耗，W

μ——滚动摩擦角，rad

v——DM处的速度，m/s

β——反作用力角，rad

合力T通过压力分布重力的中心。如果这种分布是正三角关系，T位置的β是α/3，这比较接近实际情况。将μ=δ/3代入式（8）得：

将式（9）除以磨辊间通过的物料量可得到单位功率消耗N′。再将式（3）中的T、式（5）中的H和F=ρp/ρf代入得：

式中：

N′——单位通过量的功率消耗，J/kg ρf——喂料的松散密度，kg/m3

ρp——压缩后的物料密度，kg/m3

物料压缩的单位功率消耗仅受最大压力影响并随密度变化而改变。如密度改变很小，即喂料的堆积密度高，将需要较高压力，物料研磨功率肯定高。相反，用较低压力研磨空隙较高的物料则意味着不经济。

一台辊压机的功率消耗为4kWh/t或4×3 600J/kg，喂料和料饼的密度为1 600kg/m3和2 400kg/m3，则沿磨辊宽度的平均最大压力为：

若用50MPa压力、密度比2 200/1 600，其单位辊压功率消耗在0.8kWh/t左右，该物料需5次循环才能达到207MPa的细度。

4　钳角

辊压机通常为填塞喂料，磨辊上面的喂料斗物料充足。由挤压后的料饼厚度和物料通过率来确定最大或临界钳角，磨辊表面形状对摩擦力有影响，物料的稳定性也是主要因素。水泥原、燃物料临界钳角的典型值见表1。

表1　水泥原、燃物料临界钳角的典型值

立式辊磨中，由磨盘上新喂入物料和循环物料量来确定研磨料层厚度。如料层变得过厚，过多的物料将被推开，这将产生猛烈的振动且浪费能源，因而，立式辊磨必须始终在稳定的料层下运转，此时该钳角比临界值小。原料立式辊磨典型的最大研磨料层厚度大约是磨辊直径的2%，对于密度比2 000/1 000=2.0，按式（6）计算，其钳角为：

对典型的立式辊磨而言，该值大约是临界钳角的70%，原料摩擦系数μ大约在0.09～0.10之间。

如果立式辊磨研磨水泥，钳角小将导致料层非常薄，仅是磨辊直径的0.5%～0.7%，这对立式辊磨来讲将难以控制和维护而引起振动和不稳定运行。

可由式（9）粗略地确定钳角，也可直接从立式辊磨的功率消耗式（8）中确定滚动摩擦系数μ，更简单和准确。由式（9）可知，其钳角大约是摩擦系数的3倍。而用δ与μ之比描述，结果将更准确，低压时比值接近3.0，高压时比值接近3.8。

5　功率和产量

式（8）表示每个磨辊吸收的功率，它是磨盘切向负荷（μ×T）乘以名义研磨轨迹直径处的速度，见图4。用单位磨辊压力KT表示可得：

式中：

i——磨辊数量，个

DR——磨辊直径，m

DM——名义直径，m

n——磨盘速度，r/min

图4　磨辊负荷的垂直和水平分力

式中：

D0——磨盘直径，m

立式辊磨的功率随其规格的2.5次方增加。这里的系数0.844依据不同立式辊磨而略有变化，范围为0.4～1.0。式（11）也说明立式辊磨的功率消耗受立式辊磨所能承受的最大磨辊压力KT和料层的最大摩擦系数μ影响。对于多数研磨煤和水泥原料的立式辊磨，其单位磨辊压力为400～800kN/m2，不能用较高的单位磨辊压力来补偿非常低的产量系数。

前已述及，滚动摩擦系数μ大约是钳角的1/3。钳角随研磨料层厚度的增加而上升到临界值，它取决于物料和磨辊表面的夹角。摩擦系数μ也随研磨料层厚度上升而增加到一定范围，对于光滑磨辊，通常的摩擦系数范围见表2。

表2　摩擦系统范围

立式辊磨功率随其规格的2.5次方增加。立式辊磨重量和价格的增加趋势是立式辊磨规格的3次方。球磨机功率是球磨机规格的3.5次方。所以用大装备不经济。

单位功率消耗N/P和产量P，不仅取决于物料的易磨性和要求的细度，也取决于选粉机的效率、气流和其他操作参数。原料立式辊磨典型的单位功率消耗范围为5～8kWh/t。

对于一台磨盘名义直径4m的3个磨辊的立式辊磨，当其研磨压力为160kPa，功率消耗1 600kW时，它的KT和μ为多少？油缸直径300/150mm，每个磨辊重量24.5t=245kN。磨辊压力为：

则：

6　物料压力和循环

物料最大压力可由式（3）计算，用式（5）计算冲击比F并代入式（10）中，由此求出每次磨辊滚过物料的单位功率消耗N′。如用总功率除以该值，可得到滚过次数或循环次数：

式中：

C——循环系数

P——产量，t/h

例如：立式辊磨产量250t/h，研磨料层厚度50mm，假定磨辊下的物料密度ρp为2 000kg/m3，则：

立式辊磨的研磨循环次数的范围一般为10～20，该循环也能更直接地用生产中滚过的物料量来确定。

式中：

Q——滚过物料量，t/h

当料层厚度为磨盘直径的1%时可得到：

用此式，H=50mm=50/4 000=1.25%，则循环次数：

7　磨盘上物料移动

立式辊磨的磨盘将物料输送到磨辊下研磨，磨盘速度较高时，离心力会超过物料与磨盘间的摩擦力，使物料朝磨盘边缘滑动。对于相同离心力区域，磨盘转速与磨盘直径的平方根成反比。3个磨辊的原料立式辊磨的转速是56/，一般都在50～60r/min之间，数值高、产量高。但对难磨物料，速度大时相对引起的振动大。

图5　物料绝对和相对运动轨迹

料层形状和颗粒的运动由磨盘形状、磨盘速度、返回的物料量和物料与磨盘的摩擦值来决定。不同物料的摩擦值，计算的典型流动曲线见图5。假设物料像“雨”一样落下并平稳地越过磨盘区域，则物料以螺旋线方式运动。摩擦小时径向速度高，相对磨盘滑行趋势靠后。显然，摩擦值特别低的颗粒，物料流过磨盘边缘的量比通过磨辊的量大。磨盘喷环处的物料循环将很高，也许比研磨循环次数式（12）高2～3倍，大约是10～20次，即物料在流过磨盘边缘前，未被辊压过。该流动方式是对于带有低的或一般挡料圈的平的和轻微沟槽的磨盘而言。对于研磨水泥的立式辊磨，挡料圈非常高，以此来控制物料的径向流动，其优点是可保持最大的研磨料层厚度、吸收最大的功率和降低物料循环次数，缺点是分选频率降低和不经济。

图6是料层厚度的计算图。磨盘直径的百分数是基于喂料量是200（m3/h），相对的循环次数是30次。当物料摩擦系数高和径向速度较低时，料层通常会变得较厚。高摩擦系数比低摩擦系数料层厚，这是由于在磨盘内边摩擦力接近及大于离心力时对物料的加速较小。摩擦力是1.0时，物料将不会运动。

图6　料层厚度计算图

喂到磨辊中的物料必须钳住，见图7。接近磨辊的物料切向速度比磨辊和磨盘表面速度低。从AA到BB物料被加速到表面速度而没有开始压缩，在BB物料被压实，且压缩开始。

图7　物料压缩图

对于1%磨盘直径的典型料层厚度H，冲击比为2，在BB点厚度是F×H或磨盘直径的2%。一般原料和平滑磨盘间摩擦系数为0.6，AA处料层厚度大约是1.5倍，即磨盘直径的3%。

8　滞留时间

假定料层厚度是3%磨盘直径，喷环直径约是1.2D0，密度是1t/m3，则总量为：π×（1.2D0）2×0.03×D0= 0.03（t）。如前所述，功率的增加是直径的2.5次方，典型的约是7×（t/h），这意味着滞留时间随立式辊磨规格的平方根增加，约是：

对于悬浮物料和选粉机中的物料，显然，滞留时间只能用秒，不能用分。这也解释了为什么立式辊磨对喂料的波动是敏感的，甚至周期短。

9　滑动和磨损

由于磨辊和磨盘表面速度不同，立式辊磨运转时对物料将产生滑动研磨，通常滑动的剪切力研磨时也预防结团，有时滑动会引起磨辊和磨盘表面磨损，因此，降低滑动是有意义的。滑动磨损参数的评价必须是在相同产量下的磨损且磨辊滑动速度必须是等同的，该相对滑动速度见图8。若要立式辊磨没有滑动，需锥形磨辊母线与磨盘母线顶点重合。磨辊表面任意点的相对滑动速度是半径距离X除以磨辊半径R。