連續式球磨機節能實用方案

1 概 述

建筑陶瓷行業中，濕法球磨機使用非常普遍，以現有在建或擬建的墻地磚生產線為例，一條生產線要配置40t球磨機8~10臺，或者60t球磨機6~8臺。按每條生產線6臺40t球磨機計算，裝機功率為6×160kW=960kW，約占整條生產線的20%~30%，所以生產線中球磨機的電耗非常大。

按2009年全國墻地磚總產量67億m2計算，每平方米磚約需原料20kg，平均球磨周期為14h（含裝料和卸料時間），平均每日工作22h，每年工作330日，過程損耗以15%計算，選用40t球磨機、裝機功率為160kw時所需的球磨機數量計算為式（1）：

（6，700，000，000÷330）×20÷（1-15%）÷[40×1000×22÷14）]=7600臺（1）

每年需消耗的電量計算為式（2）：

7600×160×22×330×80%（功率因數）

=7.062×109 kWh /年（2）

或按球磨機每噸原料消耗45kWh電量計算，年耗電量計算為式（3）：

(6，700，000，000×20÷1000÷（1-15%）×45

=7.094×109 kWh /年（3）

即2009年僅球磨機需消耗電量約70億kWh，而按最新統計，2010年全國墻地磚總產量已達80億m2，則2010年建陶行業球磨機總耗電量約需84億kWh，每節約1%即可節電8400萬kWh。所以球磨機節能具有非常重要的意義。

當前有不少球磨機節電器廠家一直堅持不懈地推動變頻節電，并聲稱可以節電15%以上，但不少用戶卻反映節能效果并不明顯。究其原因，可能是因為球磨機節能是一個綜合過程，涉及到多方面的因素，單從某一個方面來做，往往取不到理想的效果，而高昂的節能投資常常打消了投資者的意愿。本文對球磨機節能的相關因素進行分析，并提出了一些建議。

2 球磨機的輸入功率主要消耗分析

球磨機的輸入功率主要消耗在以下三個方面：

2.1傳動功率

傳動功率如減速機或皮帶傳動、軸承摩擦、球磨機筒體皮帶傳動等，約需消耗球磨機輸入功率的10%左右。

傳動功率也即傳動效率，良好的機械設計可以適當提高傳動效率，節約能耗。根據《機械設計手冊》：皮帶傳動的效率是95%~97%，齒輪傳動的傳動效率是99%以上，液力耦合器傳動效率是96%~97%，則減速機或皮帶傳動單元的輸出效率如下：

（1） 皮帶傳動單元：兩級傳動，輸出效率=96%×96%=92.2%；

（2） 齒輪箱傳動單元：兩級傳動，使用液力耦合器，輸出效率=99%×99%×96.5%=94.6%；

（3） 齒輪箱傳動：兩級傳動，不使用液力耦合器，輸出效率=99%×99%=98%。

所以齒輪箱傳動均比皮帶式傳動效率高，如果能將皮帶傳動單元和減速箱傳動單元改為齒輪傳動、同步帶傳動或其它更高效的傳動，將有利于球磨機的節能。

2.2電機損耗

電機的損耗約占5%左右。與負載大小有關的電機損耗，包括定子損耗（銅繞組損耗）、轉子損耗（滑差損耗）、擴散損耗（在電動機不同零部件中）等，是與電流強度的平方成比例的；其與負載無關的電動機損耗包括：幕布銜接渦流電流引起的損耗（鐵芯損耗）、機械損耗（摩擦）等。所以優良的電機，應該能夠有效減少其損耗。

表1摘自國標GB18613—2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，并做了相關計算。

可見，不同能效等級的電動機，效率相差較大。而根據有關第五屆“全球電機系統能效論壇”上的信息，目前中國電機節能狀況不容樂觀，八成以上的電機產品效率比國外先進水平低2%~3%。目前國內廣泛應用的Y系列電動機的效率平均值為87.3%；而美國高效電動機的效率平均值為90.3%，其超高效電動機的效率平均值則為91.7%。因此，相對現有的球磨機的電動機，改用高效電動機后其節能效果還有可能繼續擴大，對40t球磨機、132 kW、4級電機，最大可節能4%。

由電機運行特性可以知道，電動機在額定運行時效率最高，功率因數Cosφ最高；輕載運行時效率降低，電機的電能浪費較大；而且Cosφ也降低，空載時Cosφ甚至可降到0.3以下。

大多數風機、泵類設備在調節流量和壓力時，如果是用擋板或閥門調節，這時輸入功率變化不大，大量能量以壓差的形式損耗在擋板和閥門上了，不僅能耗大，而且擋板、閥門容易磨損損壞，噪聲也大。此時使用變頻控制，使電動機根據負載自動調速，可有效解決大馬拉小車的問題，節能非常明顯。但球磨機節能方式有別于此，根據筆者對球磨機運行過程的觀察，其電流基本是從大到小的曲線，但大小僅差約5%，基本屬于恒轉矩性質的機械。球磨機要達到較好的球磨效果，其速度應該是一個確定值，在這個確定值的范圍內，球磨機的輸入功率并沒有浪費在如同風機閘板類似的設施上，所以，在普通球磨機現有的狀況下，通過主動調整球磨機轉速而顯著節能是不可行的。

但是，由于球磨機屬于重載啟動，這一點決定了球磨機設計選型時，電機需要適當選大一些，比如，同樣是40t球磨機，各廠家選用的電機分別有110kw、132kw、160kw、200kw，既是要針對中鋁、高鋁等不同比重的研磨體的需要，也是確保球磨機在各種情況下均可以正常啟動的需要，所以，采用變頻調速具有重要意義。

（1） 球磨機啟動平穩，啟動時的電流限制在1.5倍額定電流左右，對不同類型的電動機可選在1．25～2倍額定電流之間，比直接啟動時的4～7倍額定電流小得多。此外，啟動轉矩也可調節在額定轉矩的0.7～1.2倍之間，使電動機可以全負載啟動，沒有對電網的電流沖擊，機械部件間的沖擊也緩和很多，有利于延長機器壽命、減小維護成本。

（2） 由于變頻器中有直流電容器的隔離作用，使輸入側的功率因數接近于1.0，電動機的勵磁無功電流由電容器提供，這樣可以節省很大的一塊電網容量，一般可節省30%左右。所以很多大容量設備進行變頻調速改造后，可以增加不少新設備而不需擴容。不過需要注意的是，這并不等于節能。

（3） 有一定的節能效果：一是啟動無需與負載特性相匹配，整個啟動過程轉速可控制在同步轉速附近，運行啟動的時間短、啟動時能耗低；二是解決大馬拉小車的問題。但總體來說，節能的幅度很有限，遠小于15%。

2.3帶動球磨介質和物料在球磨機筒體內運動的能耗

帶動球磨介質和物料在球磨機筒體內運動所消耗的功率約占85%左右。從濕法球磨理論，可總結出兩點：

（1） 大的物料，采用大的球石研磨效率更高；小的物料，采用小的球石研磨效率更高；

（2） 對于不同細度的物料，應采用不同的轉速，研磨效率更高。

表2是幾種不同的破碎/研磨方式的效率對比，可以看到，球磨方式其實是一種相對低效的破碎研磨方式，所以，只要工藝允許，就應該使用其它形式的破碎/研磨方式，將物料盡量破碎到足夠細，最后再使用球磨機研磨以滿足工藝的要求，這樣可以有效減少能耗。

3 主要的球磨機類型及其能耗

建陶企業現有的球磨機主要有以下幾種：

3.1間歇式球磨機

間歇式球磨機為單圓柱筒形，如圖1所示，這種球磨機最早開始使用，也是現在建陶行業普遍使用的球磨機。其結構簡單，操作維護容易，生產廠家眾多，價格便宜。但由于所有的物料、球石、水全部加到球磨機內一起混磨，整個研磨過程中以基本固定的轉速運行，效率很低，如表2所列。現在雖然采用了變頻控制，但實際節能的效果有限。需補充的是，從濕法球磨的理論來看，不同的球磨階段使用不同的轉速，可以在一定范圍內調節球石的運行軌跡（見圖2），從而影響球磨效率。

3.2 單圓柱筒形連續式球磨機

單圓柱筒形連續式球磨機的筒體內部被分隔成2~3個倉，每個倉使用不同大小的球石（見圖3），即入料端使用較大的球石，出料端使用較小的球石，需要定期停機，往各個倉分別補充大、小球石，所以不是完全意義的連續式球磨機。這種球磨方式符合“大的物料，采用大的球石研磨效率更高；小的物料，采用小的球石研磨效率更高”的原理。

但是，這種球磨機還是將所有的物料、球石、水全部加到球磨機內一起混磨，整個研磨過程中必需以固定的轉速運行，不符合“不同的細度，采用不同的轉速研磨效率更高”的原理。

另外，這種球磨機由于將所有的物料、球石、水全部加到球磨機內一起混磨，所以，要求配套自動連續稱量系統，而連續稱量就需要所有物料的理化性能必須是均勻一致，便于連續喂料。正是這一點，使其推廣應用非常困難。當然，這種連續球磨機系統成本也非常高：體積龐大，制造和運輸難度大，生產廠家少，運用不夠靈活，使其推廣應用受到很大的影響。

3.3 單錐筒形連續球磨機

整套系統與單圓柱筒形連續式球磨機基本相同（見圖4），區別是筒體形狀為錐形，內部不需設分隔倉，而是靠球石在錐形筒體中的自然運動，完成球石的排列，即：入料端是大端，用大的球石；出料端是小端，為小球石。這樣，在研磨過程中，只需與原料一起加入大的球石，大的球石磨損后自然往出料端（小段）運動，完成球石從大到小的排布。既簡化了加球石的方法，也不需要停機，所以是完全意義上的連續式球磨機。這種球磨機的研磨效率與單圓柱筒形連續式球磨機基本相同。

3.4多單元連續式球磨機

這種球磨機大約在2008年由意大利SACMI公司推出，一般制成2段或3段，可以理解成多個單圓柱筒形連續式球磨機的組合，但每個單元的體積小很多，與間歇式球磨機相似（圖5）。幾個單元結構相同，都有獨立的驅動（變頻）和球石加入裝置，每個單元有獨立的轉速和球石級配，將研磨到一定細度的泥漿送到下一個單元繼續球磨。這種球磨方式完全符合濕法球磨理論，所以效率無疑是最高的。根據SACMI公司的推介，該多單元連續式球磨機比間歇式球磨機節能15%左右。

這種多單元連續式球磨機的各個單元的外型尺寸與普通球磨機基本相同，所以其制造、運輸、安裝都更加容易操作。

3.5多單元錐筒形連續式球磨機

依理而推，多單元連續式球磨機是從多個單圓柱筒形連續式球磨機的組合而來，那么將多個單錐筒形連續球磨機組合，就形成了多錐筒形連續式球磨機。根據以上描述，這種球磨機的研磨效率不會低于多單元連續式球磨機。

4 多單元連續式球磨機的工藝優化

4.1多單元連續式球磨機的應用現狀

綜上所述，在眾多類型的球磨機當中，多單元連續式球磨機或多段錐筒形連續式球磨機具有較大的節能優勢，這從表3中可得到詳細體現。但多單元連續式球磨機一直沒能在國內甚至國際上推廣開來，筆者認為有如下4個方面的原因：

（1） 入球磨機前的原料均化處理困難；

（2） 當原料變化時，由于料漿是連續生產的，無法分開處理，生產不能靈活安排；

（3） 對制造廠家來講，技術含量高，生產難度大；

（4） 對用戶來講，投資大、使用復雜、工藝不成熟、風險大。

由于連續式球磨機是將各種原料按固定的比例一起恒定地送入球磨機研磨，所以原料必需保證理化性能均勻，易于稱量配比。現在國內新建或擬建的建陶生產線，主流產量是拋光磚15000~20000m2/天，墻磚是25000~30000 m2/天，即需原料約600t/天，如此大的用量，很少礦山能保證長時間穩定的供應。另外，為應對市場對新產品的需求，或者出于生產成本的考慮，建陶廠家有時需要調整配方，但連續式球磨機無法靈活應對。

原料均化和自動稱量是連續式球磨機雖節能但一直不能大量使用的主要原因，尤其是原料均化，因為即便原料能穩定供給，對原料的均化處理也需要很大的投入，如場地、設備、能源、環保、人員等等，這無疑需要增加很多成本，甚至抵消節能的成果，所以建陶廠家無法積極采用。因此，如何簡化甚至省略原料均化處理工序，提高連續球磨機生產的靈活性，是推廣連續球磨工藝的關鍵。

4.2連續式球磨機工藝流程的改進

現有的連續式球磨機生產流程如圖6。

其工藝流程為：原料（均化）→稱量配比→入臨時倉→入連續球磨機→泥漿成品。本文提出一個新的連續式球磨機生產流程：

原料（未均化）→入臨時倉→入連續球磨機（多套）→半成品泥漿儲存→半成品泥漿配比→泥漿成品。

本流程的核心是取消了原料均化，簡化了復雜的自動稱量配料系統（對單一原料，則可以取消自動稱量配料系統），將不同的原料（未均化）分別研磨，制得半成品泥漿，然后將各個半成品泥漿混合制成所需要的成品泥漿。相對原來的連續球磨流程，該流程的設備投入也將大大減少。

由于各原料（未均化）分別研磨或分組研磨，對一個批次的原料來說，其理化性能是基本均勻的，只需稍加選別，保證顆粒、水分合適，便于連續喂料即可。即便存在不均勻性，在連續球磨的過程中，這種不均勻性不會被放大，反而會被減小。

球磨后的泥漿存放在不同的泥漿池中，經過一定時間的存放，各個泥漿池中的泥漿性能是一定的，通過多個泥漿池的配比混合即可獲得均勻的泥漿，這是很容易實現的，現有的普通球磨工藝也常常需要這樣配漿。只要泥漿池的數量適當，就可以制得足夠量的同批次的泥漿。

該工藝流程取消了原料均化工序，也可說是后移了原料均化工序，只需增加連續球磨機，不需要增加其它新的設備，如果增加計量泵，就可以很容易實現自動配漿。這里，連續球磨機產能可以適當小一些，但實際上，由于建陶原料的種類繁多，若每種原料配置一套連續球磨機，生產上是不可行的，筆者建議可分為兩種模式進行：

（1） 生產系統中僅對一種或幾種用量大、理化性能穩定的原料進行單一原料的連續球磨制備泥漿，其它的原料采用常規的間歇式球磨機制備泥漿。黑泥等塑性原料可以通過高速攪拌機化漿制備泥漿，最后通過混合的方式制得最終的成品泥漿。這樣需配置一到多套連續式球磨機、多套間歇式球磨機和高速攪拌機。

（2） 對全部原料進行分組，將理化性能（如水分、顆粒尺寸等等）相近的原料分成一組，可以保證一組中的幾種原料不經嚴格的混合也可以獲得較穩定的成分，然后配比混合入連續球磨機制備泥漿。用量少的原料仍使用常規的間歇式球磨機制備泥漿，最后通過混合的方式制得最終的成品泥漿。這樣需配置多套連續式球磨機、間歇式球磨機和高速攪拌機，具體設備的數量要按原料的配方仔細研究。

其實，兩種模式的配置基本相同，具有一定的可轉換性。也就是說，可以先少量配置連續球磨機，當生產中積累了一定的經驗后，再增加連續球磨機的數量，逐漸推廣連續球磨機的使用。

5 結 論

（1） 條件允許的情況下，應先將物料盡量破碎到足夠的細度，再使用球磨機研磨，可以有效減少能耗；

（2） 齒輪箱傳動均比皮帶式傳動效率高，分別是2.4%和5.8%，節能效果明顯；

（3） 相對現有球磨機的Y系列電動機，應盡量改用高效電動機，可提高節能效果，對40t球磨機、132 kW、4級電機，最大可節能4%。

（4） 多段連續式球磨機是相對比較節能的球磨生產方式，通過改變球磨的工藝流程，取消原料均化過程，可以使之更容易推廣。

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