一種U U型動(dòng)葉片選粉機(jī)的研究及應(yīng)用

豆海建，秦中華，王維莉，柴星騰，于濤，趙劍波

1 引言

選粉機(jī)是隨著圈流粉磨工藝的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的粉磨核心裝備之一，其性能好壞對(duì)水泥產(chǎn)品質(zhì)量、系統(tǒng)產(chǎn)量及系統(tǒng)粉磨電耗影響很大。因此，為降低系統(tǒng)粉磨電耗，提高水泥成品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外均對(duì)選粉機(jī)開(kāi)展了深入的理論研究[1～6]，在研究方法上均采用多重參照系MRF方法。MRF方法實(shí)質(zhì)上是一種通過(guò)固定轉(zhuǎn)子，使氣流按設(shè)定的轉(zhuǎn)速繞轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉片流動(dòng)的方法。該方法從理論上違背了選粉區(qū)內(nèi)氣流由于轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)而被動(dòng)流動(dòng)的實(shí)際物理過(guò)程?；贛RF方法的缺陷，天津院采用滑移動(dòng)網(wǎng)格[7～9]方法，成功實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值處理，并據(jù)此建立了國(guó)內(nèi)外獨(dú)有的，基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的選粉機(jī)數(shù)值研究平臺(tái)[10～12]。該平臺(tái)包括選粉效率、循環(huán)負(fù)荷、Trump曲線等的CFD數(shù)值求解及數(shù)據(jù)處理技術(shù)。利用該平臺(tái)，天津院在對(duì)國(guó)內(nèi)外選粉機(jī)常見(jiàn)的動(dòng)葉片進(jìn)行充分的理論研究的基礎(chǔ)上，提出了U型動(dòng)葉片技術(shù)，結(jié)合天津院TRMK5.6試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了U型動(dòng)葉片選粉機(jī)。自2015年10月，U型動(dòng)葉片選粉機(jī)，先后于河北前進(jìn)冶金科技、河北乾寶、徐州明潤(rùn)、重慶萬(wàn)州等數(shù)個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的礦渣、生料、水泥中進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，均取得了良好的效果。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 U型動(dòng)葉片技術(shù)的提出

為提高選粉機(jī)的技術(shù)性能，創(chuàng)建自有品牌，提高國(guó)產(chǎn)裝備在國(guó)際市場(chǎng)上的技術(shù)亮點(diǎn)，天津院以TRM56.4生料磨實(shí)物選粉機(jī)為研究對(duì)象，采用動(dòng)力相似原則，設(shè)計(jì)選粉機(jī)的動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)及配置數(shù)目。然后采用三維建模軟件，構(gòu)建常見(jiàn)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）的選粉機(jī)三維實(shí)物模型。最后，利用天津院獨(dú)有的選粉機(jī)數(shù)值研究平臺(tái)，研究在相同的工況條件下不同動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)的選粉機(jī)阻力性能。CFD計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 選粉機(jī)常見(jiàn)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)

據(jù)表1，在相同的工況條件下，LV動(dòng)葉片相對(duì)于其他常見(jiàn)動(dòng)葉片，CFD計(jì)算選粉阻力最低，Leos?che動(dòng)葉片、TRM動(dòng)葉片的選粉機(jī)阻力最高，這同工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合。對(duì)比圖2、圖3，在相同的工況條件下，LV動(dòng)葉片選粉區(qū)間的速度方向，相比于TRM動(dòng)葉片選粉區(qū)的速度方向，更偏向徑向，這是LV動(dòng)葉片選粉阻力低的動(dòng)力學(xué)原因。從LV動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)上看，其內(nèi)外風(fēng)翅起關(guān)鍵作用。從圖2、圖3的速度矢量圖上，不難發(fā)現(xiàn)氣流流經(jīng)動(dòng)葉片后，由于徑向空間受壓縮，致使切向速度越來(lái)越大，由此產(chǎn)生的離心動(dòng)壓也越來(lái)越大，繼而增大后續(xù)氣流的通行阻力。此時(shí)LV動(dòng)葉片的內(nèi)外風(fēng)翅能平衡一部分離心動(dòng)壓，降低后續(xù)氣流的通行阻力，從而降低選粉阻力。對(duì)比表1中L動(dòng)葉片和LV動(dòng)葉片的選粉阻力值，LV動(dòng)葉片相對(duì)于L動(dòng)葉片選粉阻力低，主要原因是LV動(dòng)葉片多了外風(fēng)翅。Leosche動(dòng)葉片雖有外風(fēng)翅，但其外風(fēng)翅在跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中卻產(chǎn)生了外推氣流的作用，阻止了氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此其選粉阻力最高。

表1 常見(jiàn)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)的選粉機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果

圖2 TRM動(dòng)葉片選粉區(qū)速度矢量圖

圖3 LV動(dòng)葉片選粉區(qū)速度矢量圖

通過(guò)上述分析，從降低選粉阻力的角度，不難得出動(dòng)葉片的內(nèi)外風(fēng)翅起關(guān)鍵作用的結(jié)果，但LV動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)不一定是最優(yōu)的，有必要對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。據(jù)此，對(duì)LV動(dòng)葉片進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，3種方案如圖4所示。在相同的工況條件下，CFD數(shù)值求解選粉阻力、選粉效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

圖4 LV動(dòng)葉片優(yōu)化改進(jìn)方案

根據(jù)表2、表3計(jì)算數(shù)據(jù)，LV內(nèi)折120°，相對(duì)于LV標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)葉片，選粉阻力降低了701.3Pa，降幅高達(dá)23.7%，效果十分明顯。在選粉效率方面，LV內(nèi)折120°，相對(duì)于LV標(biāo)準(zhǔn)及另外兩種優(yōu)化方案，45μm選粉效率提高了3～8個(gè)百分點(diǎn)，80μm選粉效率最低。無(wú)論對(duì)于生料顆粒還是水泥顆粒，80μm已屬于粗顆粒，從成品細(xì)度控制和選粉角度而言，80μm顆粒的選粉效率不宜太高，否則就會(huì)出現(xiàn)成品跑粗的現(xiàn)象。因此，LV內(nèi)折120°動(dòng)葉片方案，展現(xiàn)了其選粉清晰度高的優(yōu)良性能，非常適合于水泥、礦渣等細(xì)度、顆粒級(jí)配要求高的粉磨系統(tǒng)選粉，因其截面輪廓類似“U”形，天津院于2010年提出全新U型動(dòng)葉片技術(shù)。

表2 LV動(dòng)葉片改進(jìn)方案CFD計(jì)算阻力

表3 LV動(dòng)葉片改進(jìn)方案選粉機(jī)CFD計(jì)算選粉效率（轉(zhuǎn)速57r/min）

圖5 SK520選粉機(jī)U型動(dòng)葉片轉(zhuǎn)子

2.2 U型動(dòng)葉片選粉機(jī)試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證U型動(dòng)葉片選粉機(jī)的理論研究結(jié)果和性能，天津院以TRMKS5.6試驗(yàn)?zāi)サ腟K520選粉機(jī)為研究對(duì)象，采用動(dòng)力相似原則，設(shè)計(jì)了U型動(dòng)葉片轉(zhuǎn)子（圖5）。同時(shí)為研究不同靜葉片結(jié)構(gòu)對(duì)分選性能的影響，設(shè)計(jì)了L型直靜葉片-U型動(dòng)葉片（L-U），N型靜葉片-U型動(dòng)葉片（N-U）兩種方案的試驗(yàn)?zāi)ミx粉機(jī)，以礦渣為試驗(yàn)原料，共計(jì)72種工況礦渣粉磨試驗(yàn)。

基于上述U型動(dòng)葉片的三種方案下的選粉機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，U型動(dòng)葉片選粉機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)O-Sepa選粉機(jī)：L-U型選粉機(jī)阻力降低26.7%；主機(jī)電耗降低12.4%；成品比表面積：L-U型提高27.6%，N-U型提高32.1%；R45μm（%）細(xì)度：L-U型增加0.7個(gè)百分點(diǎn)，N-U型降低2.8個(gè)百分點(diǎn)；成品顆粒分布n值：L-U型降低7.7%，N-U型降低8.2%。

3 結(jié)果與討論

在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，天津院第一臺(tái)N-U型選粉機(jī)，于2015年10月在前進(jìn)冶金科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“前進(jìn)公司”）TRMS43.3礦渣磨（1號(hào)磨）、NU4826選粉機(jī)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的效果。系統(tǒng)產(chǎn)量、電耗、成品質(zhì)量的標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

為更直接對(duì)比U型動(dòng)葉片的技術(shù)效果，天津院協(xié)同前進(jìn)冶金科技有限公司，于2017年4月將1號(hào)磨選粉機(jī)U型動(dòng)葉片更換為某公司L型動(dòng)葉片，并于2017年6月進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

根據(jù)表4、表5的標(biāo)定數(shù)據(jù)可知，前進(jìn)公司TRMS43.3礦渣磨的同一臺(tái)選粉機(jī)，在更換為某公司L型動(dòng)葉片后，雖然使用的是外購(gòu)礦渣，T3000=78.9min，相對(duì)原U型動(dòng)葉片時(shí)使用的自產(chǎn)礦渣，T3000=90.2min，易磨性變好，但磨機(jī)產(chǎn)量、系統(tǒng)電耗、成品比表面積等方面卻變差。更換L型動(dòng)葉片后，系統(tǒng)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量由U型動(dòng)葉片時(shí)的干基123.8t/h下降至干基101.8t/h，降幅達(dá)17.8%；成品比表面積平均下降110cm2/g，系統(tǒng)電耗增加2.2kWh/t。理論上講，若物料易磨性變好，磨機(jī)系統(tǒng)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量應(yīng)提高，比表面積應(yīng)增加，電耗應(yīng)降低，但更換L型動(dòng)葉片后結(jié)果卻相反。這證明U型動(dòng)葉片相對(duì)某公司L型動(dòng)葉片，在提高主機(jī)粉磨效率、降低系統(tǒng)電耗上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表4 前進(jìn)公司TRM43.3礦渣磨N-U型選粉機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)

表5 前進(jìn)公司TRMS43.3礦渣磨選粉機(jī)更換為L(zhǎng)型動(dòng)葉片后標(biāo)定數(shù)據(jù)

在N-U型選粉機(jī)與該廠非同一規(guī)格磨機(jī)（2號(hào)、3號(hào)TRMS32.2）的傳統(tǒng)O-Sepa選粉機(jī)對(duì)比中，也表現(xiàn)出了同樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在同一時(shí)間段粉磨相同的物料時(shí)，2號(hào)、3號(hào)磨的系統(tǒng)電耗最優(yōu)時(shí)38kWh/t，而1號(hào)磨正常時(shí)為34kWh/t左右，磨輥磨損后期為38kWh/t左右；顆粒級(jí)配方面，2號(hào)、3號(hào)磨的O-Sepa選粉機(jī)的成品顆粒分布n值平均在1.17，而1號(hào)磨N-U型選粉機(jī)的n值平均1.08；在礦粉活性方面，在粉磨相同的礦渣原料時(shí)，N-U型選粉機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)O-Sepa選粉機(jī)活性有變好的趨勢(shì)。

為從理論上進(jìn)一步了解前進(jìn)公司TRMS43.3礦渣磨N-U4826選粉機(jī)的性能，天津院利用自己獨(dú)有的選粉機(jī)數(shù)值研究平臺(tái)，CFD數(shù)值求解了該選粉機(jī)在相同的轉(zhuǎn)速、喂料量等工況條件下，U型、L型兩種動(dòng)葉片配置方案的Trump曲線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6的選粉機(jī)Trump曲線可知：（1）相同的工況條件下，U型動(dòng)葉片旁路值β≈5%，L型動(dòng)葉片的β≈10%；（2）相同轉(zhuǎn)速條件下，U型動(dòng)葉片分選的成品顆粒更細(xì)；（3）對(duì)于粒徑≥35μm的顆粒，U型動(dòng)葉片分選更清晰。因此，從CFD理論計(jì)算結(jié)果上看，U型動(dòng)葉片相對(duì)于L型動(dòng)葉片選粉效率更高、分選更清晰。這就是前進(jìn)公司TRMS43.3礦渣磨更換為某公司L型動(dòng)葉片后，產(chǎn)量下降、電耗升高的內(nèi)在原因。

圖6 前進(jìn)公司TRMS43.3礦渣磨SS4500選粉機(jī)U/L動(dòng)葉片方案CFD計(jì)算Trump曲線

在U型動(dòng)葉片選粉機(jī)繼前進(jìn)冶金科技有限公司TRMS43.3礦渣磨首臺(tái)工業(yè)應(yīng)用后，又先后應(yīng)用于河北乾寶MLS4250生料磨、徐州明潤(rùn)TRM?WF36.3礦渣磨、西南萬(wàn)州MLS4531生料磨，均取得了良好的應(yīng)用效果，且在生料細(xì)度控制上，可實(shí)現(xiàn)放粗80μm細(xì)度的同時(shí)，200μm細(xì)度不超的優(yōu)良性能（R80μm=19%～20%，R200μm≤2%）。

4 結(jié)論

（1）U型動(dòng)葉片選粉機(jī)，是在對(duì)選粉機(jī)常見(jiàn)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的CFD理論分析的基礎(chǔ)上，提出的具有兼顧阻力、效率的優(yōu)良性能的選粉機(jī)。

（2）根據(jù)已投產(chǎn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，U型動(dòng)葉片選粉機(jī)，相比于傳統(tǒng)O-Sepa選粉機(jī)，系統(tǒng)產(chǎn)量提高15%～20%，成品比表面積增加8%～10%，成品顆粒分布n值降低6%～7%，系統(tǒng)電耗降低10%～12.5%（降幅≥2kWh/t）。

（3）U型動(dòng)葉片選粉機(jī)相比于傳統(tǒng)O-Sepa選粉機(jī)，在相同的選粉機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，成品更細(xì)、顆粒級(jí)配更寬，粒徑≥35μm的顆粒分選更清晰，非常適合于對(duì)成品顆粒級(jí)配要求高的水泥、礦渣等粉磨系統(tǒng)選粉。在水泥生料上具有放粗80μm細(xì)度的同時(shí)，200μm細(xì)度不超的優(yōu)良性能（R80μm=19%～20%，R200μm≤2%）。

TRM53.4生料磨原創(chuàng)技術(shù)在永登項(xiàng)目的成功實(shí)踐

近日，天津院有限公司承擔(dān)的永登祁連山TRM53.4生料磨原創(chuàng)技術(shù)改造項(xiàng)目取得圓滿成功。

永登祁連山水泥有限公司擁有3條新型干法回轉(zhuǎn)窯水泥熟料生產(chǎn)線，其中3號(hào)線設(shè)計(jì)5 000t/d，生料磨采用天津院TRM53.4生料磨，改造前產(chǎn)量500t/h，R200μm=2.0%～2.4%，系統(tǒng)電耗 17.05kWh/t。為降低3號(hào)線生料磨電耗，業(yè)主通過(guò)多方案對(duì)比最后決定采用天津院最新NU選粉機(jī)、中殼體風(fēng)量衡、楔形蓋板風(fēng)環(huán)等原創(chuàng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改造。

磨機(jī)技改后于2018年9月通過(guò)性能考核：磨機(jī)產(chǎn)量由改造前的500t/h增加至517t/h，R200μm細(xì)度由改造前的2.0%以上降至1.4%，系統(tǒng)電耗由改造前的 17.05kWh/t降至 15.14kWh/t，降低 1.91kWh/t，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合同保證值。10月22日，該項(xiàng)目由祁連山集團(tuán)驗(yàn)收通過(guò)。

該項(xiàng)目是繼安徽大江、浙江新明華項(xiàng)目后，NU選粉機(jī)、中殼體風(fēng)量平衡、楔形蓋板風(fēng)環(huán)三項(xiàng)原創(chuàng)技術(shù)又一次成功的系統(tǒng)集成工業(yè)應(yīng)用，展現(xiàn)了公司在技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新方面的進(jìn)步和技術(shù)實(shí)力。