分級式沖擊磨制備玉米秸稈粉體工藝參數

王曉天，劉傳慧，陳海焱，孫權，賴小林，宋金倉

（1 西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽621010；2 西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽621010）

隨著科學技術的發展，對材料的超細化要求日益明顯。我國的超細粉碎設備在20 世紀70年代末80年代初開始發展。90年代中后期，在引進、學習國外的一些超細粉碎設備后，我國的超細粉碎設備設計、制造技術有了較大的發展[1-4]。在超細粉碎方法中，沖擊式粉碎是應用最廣的方法[5-7]。

分級式沖擊磨是利用高速旋轉的錘頭、葉片、棒體等與物料的猛烈沖擊，顆粒之間的相互沖擊、碰撞、摩擦、剪切，同時在沖擊錘頭與襯板之間的間隙處受到沖擊、磨損，實現對物料的超細粉碎[8-9]。目前，分級式沖擊磨在我國已得到較廣的應用。但對分級式沖擊磨的一些工藝參數并沒有作具體的說明，也沒能對實際生產提供科學合理的指導。本研究中利用分級式沖擊磨將玉米秸稈粉碎至30μm±2μm，探討了二次風開閉情況、錘頭數量、錘頭周向速度對玉米秸稈粉體單位產量的影響。

1 實驗設備、材料與實驗方法

1.1 實驗材料

粗破后壓實的玉米秸稈。

1.2 實驗設備

實驗設備由綿陽流能粉體設備有限公司提供，型號為LNI-330A 分級式沖擊磨系統，包括錘片式破碎機（傳動功率7.5kW，篩網孔徑4mm）、錘頭式沖擊磨（傳動功率55kW）、渦輪分級機（傳動功率11kW）、袋式收塵器、高壓引風機（傳動功率22.5kW）、電控柜（內有變頻器）等。

測試儀器包括SwemaAir 50 風速儀（瑞典斯威瑪公司）、LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析儀（中國珠海歐美克儀器有限公司）。

1.3 實驗方法

將粗破后壓實的玉米秸稈分成小塊，加入到錘片式破碎機中進行破碎。破碎的產品通過4mm 的篩網，在引風機的作用下進入到分級式沖擊磨中進行粉碎。實驗過程中，通過給料速度和給料量的控制，使沖擊磨的電流逐步增加至極限值100A，保持在該值穩定運行10min 后開始統計產量，連續粉碎時間為1h。參考孫權等[10]的研究，本次實驗采用上進料方式。在此過程中，定時記錄傳動電機的電流和系統風量等參數。

2 實驗結果分析

2.1 二次風開閉對粉體產量的影響

本組實驗考察二次風開啟與關閉對玉米秸稈粉體產量的影響。錘頭數量為16 個，錘頭周向速度為120m/s。實驗結果如表1 所示。

由表1 可以看出，二次風風門全開時產量比二次風風門全關時提高約26.4kg/h，能耗降低415.34kW·h/t。比較兩個對比組，二次風風門全開時系統風量為82.53m3/min，其中二次風風量為14.30m3/min，此時由主風門進入到沖擊磨中的風量則為68.23m3/min；而當二次風風門全關時，由主風門提供的風量為78.09m3/min。由此可見，二次風風門全開時，由主風門進入沖擊磨的風量較小，氣流的上升速度較小，更利于未被分級機篩分的粗粉下降到錘頭的間隙中繼續粉碎，提高了粉碎效率。

表1 二次風對玉米秸稈粉體產量的影響

2.2 錘頭數量對粉體產量的影響

本組實驗主要考察錘頭數量對玉米秸稈粉體產量的影響，二次風全開，磨盤錘頭周向速度為120m/s。安裝16 個錘頭時，錘頭間夾角為22.5°，錘頭間距S 為208.3mm；安裝8 個錘頭時，錘頭間夾角為45°，錘頭間距S 為416.6mm；安裝4 個錘頭時，錘頭間夾角為90°，錘頭間距S 為833.2mm。實驗結果如表2 所示。

由表2 數據可知，隨著錘頭數量的減少，能耗略有降低。錘頭數量增多，并不能保證有高的產量。當磨盤上安裝8 個錘頭時，比安裝16 個錘頭時能耗降低64.57kW·h/t。3 個對比組中，使用8 個錘頭時產量較高，能耗較低，但與其余兩個對比組并沒有太大的差距。這一方面是由于隨著磨盤上錘頭數量的增多導致磨盤負載增大，磨盤和錘頭自身的旋轉消耗一部分電能，從而導致能耗增加；另一方面，根據Roland Nied[11]的研究，如圖1 所示，錘頭數量減少，則錘頭間距S 增大，在磨盤轉速不變的情況下，錘頭周向速度v 不變，錘頭2 運行到錘頭1 時所需的時間增加，從而導致粉體滲透到錘頭間的滲透深度h 增加，因此錘頭間累積的粉體增加。本組實驗中，采用的錘頭周向速度為120m/s，此時主機提供的粉碎能量是足夠的[12]。因此，錘頭間處理的粉體增多，粉體的粉碎效率提高。并且滲透深度大于1mm 時，則粉體在理論上不會發生邊緣碰撞，從而使粉體得到充分的研磨。當錘頭數量減少到4個時，錘頭間距增大，根據相關資料，錘頭間距過大時并不能很好地提高粉碎效率，錘頭間距在入料粒度的100 倍左右比較合適[13]。通過本組實驗驗證，對于入料粒度小于4mm 的玉米秸稈粉體，當錘頭數量為8 個時，錘頭間距在416.6mm 較為合適。因此，磨盤上的錘頭安裝數量不宜過多。這在適當降低能耗的同時也減少了研磨過程中對錘頭的磨損，降低了設備成本。

表2 錘頭數量對玉米秸稈粉體產量的影響

圖1 錘頭之間的滲透深度h 示意

2.3 錘頭周向速度對粉體產量的影響

本組實驗考察錘頭周向速度對玉米秸稈粉體產量的影響。二次風全開，錘頭數量為16 個。實驗數據如表3 所示。

表3 錘頭周向速度對玉米秸稈粉體產量的影響

根據表3 可以看出，在控制產品的粒度在30μm±2μm 的前提下，隨著錘頭周向速度的增加，粉體產量逐步增加，這也符合相關研究[14]的變化趨勢。當錘頭周向速度在130m/s 時，比100m/s 時產量增加29.9kg/h，能耗降低481.39kW·h/t。根據朱美玲等[15]的研究參考，分析得出錘頭周向速度越大，則提供的粉碎能量越大。物料粉碎粒徑與錘頭的周向速度存在如式（1）、式（2）關系。

式中，d 為顆粒直徑；γ為材料的表面能；k 為與氣體流動特性有關的系數；ρ為物料的密度；r 為顆粒位置所處半徑；v 為錘頭的周向速度。

本組實驗統一采用玉米秸稈進行實驗，則c 不變。對于4 個對比組來講，r 保持不變，唯有v 是本組實驗考察的變量。隨著錘頭周向速度的增大，粉碎后的顆粒直徑應減小。但本組實驗通過調節分級機轉速，將產品粒度控制在30μm±2μm 以內，即保證粉碎顆粒的直徑不變。由表3 可以看出，隨著周向速度的增大，分級機轉速出現下降的趨勢，使得通過分級輪篩分葉片的粉體增多，從而增加了粉體產量。

3 結 論

（1）本實驗利用分級式沖擊磨粉碎玉米秸稈的過程中，當二次風風門全開時，粉碎效率明顯比二次風風門關閉時高。

（2）磨盤上錘頭的安裝數量對粉體產量有著一定的影響。根據實驗結果，當磨盤上安裝8 個錘頭時，粉體產量較高，但與安裝4 個錘頭和16 個錘頭時相比差距不是很大。由于錘頭為分級式沖擊磨中的易損件，減少了錘頭數量，也就減少了對易損件的損耗，從而降低了設備的運行成本。因此，在實際生產中可適當減少磨盤上的錘頭數量。

（3）錘頭的周向速度提供了粉碎所需的能量，在本次實驗中，錘頭周向速度為130m/s 時產量最大，能耗最低，比100m/s 時產量增加29.9kg/h，能耗降低481.39kW·h/t。

（4）本實驗得出的分級式沖擊磨的結構、工藝參數對分級式沖擊磨的結構設計提供了依據，對沖擊式粉碎領域有一定的參考價值，但對于不同的物料，工藝參數應略有差異。

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