楊炳勇

（泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362500）

陶瓷用球磨機(jī)節(jié)能改造技術(shù)研究

楊炳勇

（泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362500）

本文通過對(duì)陶瓷用球磨機(jī)其生產(chǎn)工藝、運(yùn)行規(guī)律及主要參數(shù)的研究，提出陶瓷用球磨機(jī)的最佳工作轉(zhuǎn)速，并采用變頻器-永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)小齒輪的模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，改造傳統(tǒng)的異步電機(jī)-減速機(jī)驅(qū)動(dòng)模式.改造后的球磨機(jī)，在傳動(dòng)效率、功率因數(shù)上明顯提高，維護(hù)頻率大大降低，節(jié)能效果明顯，具有很好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.

陶瓷；球磨機(jī)；變頻；永磁電機(jī)；節(jié)能

球磨機(jī)是陶瓷工廠原料制備中電機(jī)容量最大的設(shè)備，它主要用于各種礦石原材料的粉磨，在粉磨過程的過程中，電量消耗量巨大[1].由于企業(yè)對(duì)球磨機(jī)技術(shù)的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同樣規(guī)格及同樣粉磨工藝的系統(tǒng)，有些企業(yè)電耗高產(chǎn)量，有些企業(yè)磨機(jī)產(chǎn)量卻很低，且高產(chǎn)量與低產(chǎn)量比例幾乎接近一倍.傳統(tǒng)認(rèn)為，球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量低是由入磨物料的水分、入磨物料的粒度、物料的易磨性等因素引起的，但通過我們大量研究證明，這些因素對(duì)磨機(jī)的影響并不是主要的，甚至可以忽略，因這些因素在陶瓷生產(chǎn)過程往往是無法回避和選擇的[2].

1 陶瓷球磨機(jī)高能耗原因分析

陶瓷球磨機(jī)是利用轉(zhuǎn)動(dòng)的筒體，不斷地帶動(dòng)大量的研磨體在筒體內(nèi)對(duì)原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，使物料達(dá)到成品細(xì)度要求.

陶瓷球磨機(jī)一般采用異步電機(jī)—液力耦合器—減速機(jī)—小齒輪—大齒輪的模式驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)部如圖1所示.其效率不高，主要原因有：

（1）液力耦合器在球磨機(jī)啟動(dòng)時(shí)可以起到緩沖作用，讓電動(dòng)機(jī)可以輕載啟動(dòng)，以減小啟動(dòng)電流，但球磨機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在用液力耦合器調(diào)速時(shí)，其調(diào)速效率等于調(diào)速比，在低速時(shí)有近3/4的能量被浪費(fèi)[6].

（2）異步機(jī)和減速機(jī)的效率非常低（分別為86%和88%左右），并且存在著維護(hù)頻繁、漏油等一系列問題.

（3）我國陶瓷廠球磨機(jī)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速,一般取臨界轉(zhuǎn)速的70%～90%，如此寬的取值范圍,勢(shì)必給球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速選取帶來較大的不確定性[3].

圖1 改造前球磨機(jī)系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)改造方案

通過對(duì)陶瓷球磨機(jī)高能耗原因的分析，本次改造方案主要從兩方面入手：一是通過分析球磨機(jī)的生產(chǎn)工藝、運(yùn)行規(guī)律及主要參數(shù)，從而確定球磨機(jī)的最佳工作轉(zhuǎn)速；另一方面是采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)（效率90%，較傳統(tǒng)模式提高15%）配套變頻器直接驅(qū)動(dòng)小齒輪，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，改造傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式.具體的改造思路如圖2所示.

圖2

3 球磨機(jī)的最佳工作轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)大量的一線工作實(shí)際分析，球磨機(jī)要有粉碎效果，其轉(zhuǎn)速率的值在10%-90%之間，礦料才能受到研磨體的沖擊和研磨作用，因球磨機(jī)轉(zhuǎn)速率低于10%，球磨機(jī)內(nèi)的介質(zhì)處于瀉落狀態(tài)，研磨體對(duì)礦石只有研磨作用，沒有沖擊作用，磨礦的效率極其低下；而當(dāng)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速過高,會(huì)超過其臨界值，球磨機(jī)內(nèi)的介質(zhì)將處于離心狀態(tài)，將不會(huì)再有粉碎效果[4].

為驗(yàn)證球磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎效果的影響，本文把生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取具有代表性的三個(gè)轉(zhuǎn)速率，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，分別為50%、70%和90%.由于球磨機(jī)用變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，還需要計(jì)算變頻器的輸出頻率.

表1 轉(zhuǎn)速率和變頻器輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

球磨機(jī)的產(chǎn)量越高,并不能說明其粉碎效率就越高，而是要安單位產(chǎn)品的能耗，即產(chǎn)品的比能耗來衡量球磨機(jī)效率的高低[5].

表2 磨礦50分鐘后-200目以下粒度產(chǎn)品的產(chǎn)量

表3 磨礦50分鐘后球磨機(jī)消耗的電能

表4 磨礦50分鐘的比能耗

從表4可以看出比能耗隨著轉(zhuǎn)速率和填充率的變化趨勢(shì),經(jīng)過大量實(shí)踐驗(yàn)證分析當(dāng)轉(zhuǎn)速率=

0.69，填充率=0.33時(shí),比能耗從取得最小值為

0.97kW/hkg.

4 變頻器—永磁同步電機(jī)直驅(qū)球磨機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 變頻器選型與參數(shù)設(shè)置

在球磨機(jī)行業(yè)，變頻器選型時(shí)，考慮球磨機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度高和球磨機(jī)負(fù)載慣性大的特點(diǎn)，往往選擇變頻器功率比球磨電機(jī)的功率大一檔或兩檔，以提高變頻器的環(huán)境適應(yīng)能力和帶載能力,這種選型策略對(duì)變頻器的使用壽命較好，但如參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，不利于球磨電機(jī)的保護(hù)[7].因此當(dāng)選型變頻器功率大于電機(jī)功率時(shí)，要合理設(shè)置電機(jī)過載保護(hù)系數(shù)及變頻器電流限制等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的合理保護(hù)[7].

本次應(yīng)用的球磨機(jī)是一臺(tái)立式球磨機(jī)，電機(jī)功率300kW，變頻器選用WIN-V63-315T4，同功率匹配，WIN-V63變頻器主要參數(shù)設(shè)定如表5、6所示.

表5 變頻器中電機(jī)參數(shù)設(shè)置

表6 WIN-V63變頻器主要參數(shù)設(shè)定表

4.2 球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造

為了提高傳動(dòng)環(huán)節(jié)的效率，本次改造采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)小齒輪，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)[9].為了不影響生產(chǎn)周期，本次改造方案采用即換即用的原則，保證選礦廠的生產(chǎn)效益不受影響，圖3永磁同步電動(dòng)機(jī)球磨機(jī)系統(tǒng)示意圖.

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)球磨機(jī)系統(tǒng)示意圖

永磁電機(jī)起動(dòng)后采用工頻電源供電即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，為了降低改造成本，本次改造采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)（據(jù)實(shí)際情況確定數(shù)量）電機(jī)起動(dòng)[9].電機(jī)起動(dòng)后將電機(jī)的端子引到電網(wǎng)上，在電網(wǎng)供電情況下，電機(jī)也可高效運(yùn)行，詳見圖4改造后供電系統(tǒng)采用一拖多的方式，即可根據(jù)場(chǎng)區(qū)情況，可由一臺(tái)或兩臺(tái)變頻器或驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)起動(dòng)[8].

圖4 供電系統(tǒng)示意圖

5 系統(tǒng)性能調(diào)試分析

表7 永磁電機(jī)球磨機(jī)與常規(guī)球磨機(jī)主要性能比較[13]

效率、功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系的比較，如圖5、6所示[12].

圖5 異步機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系

圖6 永磁電機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系

球磨機(jī)用永磁電機(jī)節(jié)能分析，如表8所示.

表8 節(jié)能分析表

6 總結(jié)

項(xiàng)目技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，可解決目前球磨機(jī)工作效率低、能耗高的、維修頻率高等缺點(diǎn)，為德化上百家陶瓷企業(yè)和我省甚至全國相關(guān)陶瓷企業(yè)提供技術(shù)支持.在提高球磨機(jī)生產(chǎn)效率、降低能耗的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量及檔次，對(duì)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平有整體的提高，有利于提高我省陶瓷出口創(chuàng)匯能力和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我省陶瓷產(chǎn)業(yè)向更高的方向發(fā)展，項(xiàng)目技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用有著顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

〔1〕鄭文秀，任世亮.對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程思考[J].山西能源與節(jié)能，2009.

〔2〕戴少生，廖中同，黃有豐．粉碎工程及設(shè)備[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，1990.

〔3〕黃鵬，遲毅林，董為民，等．影響球磨機(jī)臨界轉(zhuǎn)速因素的研究[J]．中國礦業(yè)，2007.

〔4〕哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室．理論力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002.

〔5〕揚(yáng)忠高．提高球磨機(jī)磨礦效率的研討[J]．有色礦山,1991.

〔6〕劉應(yīng)誠，楊乃喬．液力耦合器應(yīng)用與節(jié)能技術(shù)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

〔7〕張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

〔8〕李鵬，竇鵬沖，李雨薇，等.微電網(wǎng)技術(shù)在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2015，35(4)：8-16.

〔9〕郭新華，溫旭輝，趙峰，莊興明．基于電磁轉(zhuǎn)矩反饋補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)新型IP速度控制器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，30(27）.

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1673-260X（2017）12-0040-03

2017-09-29

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（A類）(JA14434)