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一、研究的目的與意義

眾所周知，球磨機對物料的粉碎主要是依靠研磨體對物料的沖擊與研磨作用來實現的，這種沖擊及研磨作用是通過研磨體的表面傳遞給與之相接觸的物料的，屬于單顆粒粉碎。由于單顆粒粉碎的偶然性，使大量的能量消耗在研磨體之間及研磨體與磨機襯板之間的碰撞與磨損上，因而其效率很低。據Answlm的粉碎功理論測定：軸承、齒輪等純機械損失占12.3%；隨產品散熱占47.6%；從磨機筒體散發的輻射占6.4%；空氣帶走熱量占31.4%；用于粉碎物料的理論能量消耗僅占很小的一部分，約為2.3%。

目前，一般在以下兩個方面加以改進，以提高球磨機的粉磨效率。一是改變內部裝置。節能襯板、可調隔倉板的研制成功，為粉磨系統降低了能耗。第二方面是改變粉磨系統，將原來的開路粉磨系統改為閉路粉磨系統。與之相應的，選粉機也因技術發展的需要，為提高選粉效率，降低系統能耗，由傳統的 代離心式選粉機、第二代旋風式選粉機發展到第三代高效選粉機。

開路粉磨系統具有流程簡單、設備少、投資省、操作方便等特點。但由于物料必需全部達到成品細度的部分物料才能出磨，因此，當細度要求較高時，已被磨細達到細度要求的部分物料不能及時卸出而出現過粉磨現象，導致粉磨系統的粉磨效率降低、能耗增加（當粉磨高標號水泥及易磨性差別大的混合粉時，過粉磨現象更為嚴重）。閉路粉磨系統由于配備了選粉機，能將粉磨后的合格物料及時分離出來，從而可有效地減少過粉磨現象，提高系統的粉磨效率及產量，降低能耗；同時產品細度均勻，并可通過調節選粉設備的操作參數來靈活控制，以滿足生產要求。缺點是系統流程較為復雜，投資較大。

對上述兩種粉磨系統的取舍，主要取決于對產品細度的要求。據文獻介紹，當粉磨系統的產品比表面積低于3100cm2/g時，兩種系統（包括輔機在內）的產品單位電耗相當；但當細度要求較高時，開路系統的單位電耗明顯高于閉路系統。由于建筑業的發展，對水泥強度的要求越來越高，相應的也提高了對產品細度的要求；同時，閉路系統更易于控制產品細度，改變產品品種，對市場的適應性更強。因此，閉路系統得到了廣泛的應用。

作為閉路粉磨系統的一個重要的配套設備——選粉機，雖然本身并無粉碎物料的作用，但其性能好壞直接影響到系統的運行狀態，即影響到系統的粉磨效率、產量及能耗。因此，高效選粉機技術的研究具有重要意義，主要體現在以下幾個方面：

1、粉磨系統增產降耗的要求。與高效選粉機機配套的粉磨系統，具有更高的粉磨效率、產量及較低的能耗。配有傳統選粉機的閉路粉磨系統，在生產一般細度的水泥時，單位能耗并不比開路系統低；生產高細度水泥時，盡管與開路相比，電耗降低、產量提高，但與生產一般細度水泥時相比，產量有較大幅度的降低。而如果采用高效選粉機機，雖然也有類似現象，但其降低幅度明顯減小。

2、水泥質量要求的提高，也對選粉機提出了更高的要求。一方面是使用廠家對水泥質量的要求提高，有向高細度、高標號水泥發展的趨勢，而對高細度水泥的生產，開路粉磨或帶傳統選粉機的閉路粉磨系統又很難勝任。另一方面是人們對水泥質量認識的進一步深入，使得在評價水泥質量方面的一些觀點發生了變化。最初，作為水泥質量主要指標之一的水泥細度是用篩余控制的，用篩余控制只能反映成品中粗顆粒的多少，不能反映全部顆粒的粗細情況；而后發展到比表面積控制，水泥越細，比表面積越大。現在發現，即使是比表面相同的水泥產品，因采用的粉磨流程、選粉方式不同，其強度也有差別。閉路粉磨配高效選粉機可以低一些，其原因在于顆粒級配的不同。研究表明，水泥顆粒組成中不同粗細的顆粒對水泥水化性能的作用是不同的。大于60μm的顆粒對水泥強度作用甚微，只起填料作用；小于3μm的顆粒的水化過程在硬化初期就已完成，只對水泥早期強度有利；3-30μm的顆粒是水泥的主要活性部分、承擔強度增長的主要粒徑。對此，一些水泥品種曾對3-30μm顆粒的含量提出了具體的要求：

普通硅酸鹽水泥：40-50%

高強快硬水泥：50-60%

超高強快硬水泥：＞70%

由此可見，水泥質量與水泥成品中3-30μm顆粒的含量有很大關系。而在水泥粉磨作業中，要得到某一粒徑范圍含量較高，分布相對較窄的水泥產品，只有通過高效選粉機來調節、控制，否則難以實現。

3、高效選粉機技術的研究成果，既可拓展到非金屬礦、化工、食品等行業的分選技術中；也對超細粉分級技術的研究具有一定的參考價值，而超細粉的分級又是機械法制備超細粉領域中的一個關鍵技術。

二、選粉機的發展與現狀

水泥工業用選粉機是由英國人Munfond和Moadie于1885發明的，后由德國人取得制造權，1888年開始出售。由于美國生產商斯特蒂文特（Sturtovant）公司生產的這種選粉機最為有名，故習慣上稱為Sturtevant型選粉機，亦即離心式選粉機，這就是所謂的 代選粉機。隨著 工業技術的進步和發展，德國洪堡——維達格公司于60年代初研制開發了洪堡——維達格型選粉機，即所謂的旋風式選粉機，也就是第二代選粉機。 代選粉機由于結構與工作原理的限制，選粉效率不高，粉磨系統的效率與產量提高有限；第二代選粉機因其核心結構并沒有脫離 代選粉機的范疇，工作原理上無根本性的變化，所以性能提高有限。近十年來，選粉機的研究有了突破性的發展，國外各公司相繼開發出了新型高效第三代選粉機，例如日本小野田公司率先推出的O-Sepa型選粉機，因采用新的分級結構與原理，顯著提高了選粉機的選粉效率及產量，水泥質量與系統能耗也得到改善。

三、各類選粉機的性能特點及分級機理

3.1離心式選粉機

離心式選粉機由于本身結構的缺陷，存在選粉效率低，細度調節不方便等缺點，當要求生產產量高、細度高和多品種水泥時，表現得更為突出。通常認為，空氣選粉機的選粉過程主要分以下三個環節：物料的分散、分級及細粉的收集。而離心式選粉機正是在這三個環節上不同程度地存在著問題，現分析如下：

離心式選粉機內顆粒的受力情況如下：

重力Fg，方向向下，大小與顆粒質量成正比；

離心力Fe，方向為水平徑向向外，大小隨顆粒所處位置不同而變化；

氣體阻力Fd，其方向與大小均隨所處位置不同而變化。

三者合力為R。由于在分級區內，截面形狀變化較大，致使各截面的氣流速度的大小與方向變化較大，分級氣流不能形成穩定、均齊的分級力場。因此，在分級區內同一粒徑大小的顆粒會因處在不同的位置而受到大小與方向都不同的合力。由上而下的分級氣流在分級區上部蓋風板處，因突然變向形成一死角，在死角內形成局部渦流，干擾分級區的流場；同時，機壁效應的存在，也影響細粉的分離，使部分細粉與粗粉一起碰到內壁而沉降。這兩方面的因素導致選粉機無明確的分級界面和穩定的分級力場，分級精度低。

物料在選粉機內主要靠撒料盤的離心力拋出分散，不可能在整個截面上均勻分布；同時，分級區內流場的不穩定更加劇了物料的分散不均，而物料充分、均勻的分散卻是實現高效率分級的前提條件。

離心式選粉機的細粉收集靠外筒體，由于外筒體的直徑較大，細粉收集效率較低，大量微細粉隨氣流循環，一方面增加了分級區的粉體濃度，加劇了顆粒間的相互干擾；另一方面，粉體濃度的增加，細粉更易團聚或與粗粉一起向機壁沉降，使粗粉中的細粉含量增加。

由于上述諸因素的影響，導致了選粉機選粉效率的降低。

3.2旋風式選粉機

由于旋風式選粉機外部設立了獨立的空氣循環風機，取代離心式選粉機內的大風葉；機體四周布置6-8個旋風收塵器，用以收集細粉，將離心式選粉機的內循環方式改為外循環方式，把選粉機的物料分級與細粉收集兩過程分開，使旋風式選粉機相對于離心式選粉機具有如下的優點：

⑴轉子轉速與系統的循環風量可分別調節，既易于調節產品細度，也擴大了細度的調節范圍。水泥產品的比表面積可調范圍為2500-7000cm2/g。

⑵采用小直徑的旋風收塵器收集細粉，可提高細粉的收集效率（其收集效率可達90%，而離心式選粉機的收集效率僅為50%），減少細粉的循環量，有利于提高選粉效率。

⑶選粉效率提高，處理風量增加。在相同的選粉能力下，旋風式選粉機的機體直徑較離心式選粉機小，分級室單位截面積的處理物料量比離心式選粉機高2-2.5倍。

盡管如此，由于旋風式選粉機的分級結構與離心式選粉機相似，對離心式選粉機所存在的主要缺陷（如分級力場的不穩定、機壁效應局部渦流的存在等）都未能消除。因此，其分級性能的改善是有限的。

3.3第三代高效選粉機（以0-Sepa選粉機為例）

加入選粉機的物料自上而下通過由選粉機轉子上垂直布置的渦流調節葉片與導向葉片組成的較高的分級機會。在分級區內，不存在機壁效應和死角引起的局部渦流，在同一半徑的任何高度上內外壓差始終一致，氣流速度相等，從而保證了顆粒所受各力的平衡關系穩定不變。緩沖板的撞擊及水平渦流的沖涮，使物料充分分散并均勻地分布于分級區內。這使得分級機具有如下性能特點：

1、選粉效率高，一般都在85%以上。

2、精度高，即特勞姆（Tromp）曲線比較陡。

3、細度調節簡單、靈敏、準確。

據文獻介紹，離心式選粉機的選粉率一般在40-60%，分級精度小于0.3；旋風式選粉機的選粉效率一般在60%左右，分級精度為0.3-0.45；以0-Sepa為代表的第三代高效選粉機的選粉效率一般在80%以上，分級精度可達0.5左右。

目前，國內對選粉機的研究也主要集中在高效選粉機研究開發，或對現有設備的改造上，在消化吸收國外同類產品 技術的同時，力求有所突破，研制出高性能的選粉機。

四、高效雙轉子式選粉機的研制與性能

高效選粉機性能的優越性是顯而易見的，但由于選粉機主體不帶細粉收集裝置，需配備與其處理風量相匹配的大規格的袋式收塵或電除塵器用以收集成品，這無疑較大幅度地增加了系統投資，也使工藝布置復雜，操作控制困難，在一定程度上限制了高效選粉機的推廣應用。

轉子式選粉機就是針對上述情況而研制的一種新型高效選粉機，以期在性能上達到目前高效選粉機的效果，在系統的布置、投資及工藝的復雜性等方面又優于高效選粉機，這無疑對水泥生產技術的發展、粉磨系統的節能增產很有意義的。在此基礎上，針對目前水泥廠水泥細度的新要求，我們又與清華紫光吉利達公司共同研制了新型的雙轉子選粉機。

高效雙轉子式選粉機的結構特點如下：

1、采用離心力場作為分級力場，結構上采用雙籠式轉子。考慮到選粉機內氣流運動及分布的特點，轉子采用倒錐形結構，以保證選粉機分級室內分級力場的穩定。

2、籠式轉子與撒料盤一起安裝在主軸上，主軸由調速電機傳動，從而保證了分級力場的強度可通過改變電機轉速靈活調節，以改變分級力場中顆粒的受力情況，控制分級的切割粒徑，調節產品的細度與粒度組成。

3、采用高拋撒力的螺槳式撒料盤，使物料能比較均勻地分散于分級區內，采用約束內錐，以穩定選粉室內的氣體流場，并與環狀進風的滴流裝置一起形成二次分選結構，以增強二次分選的效果，減少粗粉中混入的細粉量。

4、細粉的收集采用多個小規格高效旋風筒并聯，布置于選粉機主體的四周形成一整體，一方面提高了細粉的分離效率，另一方面與其它高效選粉機相比，簡化了系統流程，節約了系統投資，調節、控制更為方便。

5、選粉機的處理風量采用外部循環風機供給，由選粉機下部切向導入選粉機，并經滴流管的分流作用形成一旋轉上升的流場進入選粉室，與經撒料盤分散于該區域的物料充分混合，形成一較為穩定的分級流場使物料分級，分級后的細粉由氣流攜帶流出選粉機，導入旋風筒實現氣固分離。這樣，選粉機內的處理風量可通過風機管道中的調節閥門控制，與可調轉速的籠式轉子一起，調節分級室內的分級力場，進而控制產品的細度與粒度組成。

另外，考慮到目前水泥行業 代，第二代選粉機的應用較為普遍，特別是第二代選粉機的應用更為普遍，在生產應用中，如能采取有效措施加以改造，改善選粉機的性能，也是提高粉磨系統的效率、產量，降低能耗的有效途徑。因此，高效雙轉子式選粉機在結構設計中，充分考慮到將該技術應用于原有選粉機改造的可能性，以達到該技術既可作為一種新型高效選粉機的研制，也可用以對現有選粉機的改造。

由上述的結構特點決定、并經實驗研究及生產應用表明，高效雙轉子式選粉機具有如下的性能特點：

1、物料在分級室內，在較強的旋流及徑向剪切力的作用下，物料分散性好且強度高，分級效率高。

2、分選物料都經過分級界面分明的選粉區，各部分的選粉條件穩定，故選粉機的分級精度高。

3、細度調節方便可靠，且調節范圍較寬，可通過調節主軸轉速及風量靈活控制。

4、可使開流磨增產40-60%，選粉效率可達85%以上。如對現有旋風式選粉機或離心式選粉機進行改造，可在不改變主體結構及電機負荷的情況下，確保效率在85%以上，增產20-30%。

5、在相同產量的情況下，與高效渦流式選粉機相比其效率相當，但可降低系統投資20-30%，與旋風式及高效離心式選粉機相比，不但可減少設備規格，并可提高效率20-40%。