分級(jí)式?jīng)_擊磨制備玉米秸稈粉體工藝參數(shù)

王曉天，劉傳慧，陳海焱，孫權(quán)，賴小林，宋金倉(cāng)

（1 西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010；2 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料的超細(xì)化要求日益明顯。我國(guó)的超細(xì)粉碎設(shè)備在20 世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始發(fā)展。90年代中后期，在引進(jìn)、學(xué)習(xí)國(guó)外的一些超細(xì)粉碎設(shè)備后，我國(guó)的超細(xì)粉碎設(shè)備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)有了較大的發(fā)展[1-4]。在超細(xì)粉碎方法中，沖擊式粉碎是應(yīng)用最廣的方法[5-7]。

分級(jí)式?jīng)_擊磨是利用高速旋轉(zhuǎn)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(shí)在沖擊錘頭與襯板之間的間隙處受到?jīng)_擊、磨損，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的超細(xì)粉碎[8-9]。目前，分級(jí)式?jīng)_擊磨在我國(guó)已得到較廣的應(yīng)用。但對(duì)分級(jí)式?jīng)_擊磨的一些工藝參數(shù)并沒(méi)有作具體的說(shuō)明，也沒(méi)能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。本研究中利用分級(jí)式?jīng)_擊磨將玉米秸稈粉碎至30μm±2μm，探討了二次風(fēng)開(kāi)閉情況、錘頭數(shù)量、錘頭周向速度對(duì)玉米秸稈粉體單位產(chǎn)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

粗破后壓實(shí)的玉米秸稈。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由綿陽(yáng)流能粉體設(shè)備有限公司提供，型號(hào)為L(zhǎng)NI-330A 分級(jí)式?jīng)_擊磨系統(tǒng)，包括錘片式破碎機(jī)（傳動(dòng)功率7.5kW，篩網(wǎng)孔徑4mm）、錘頭式?jīng)_擊磨（傳動(dòng)功率55kW）、渦輪分級(jí)機(jī)（傳動(dòng)功率11kW）、袋式收塵器、高壓引風(fēng)機(jī)（傳動(dòng)功率22.5kW）、電控柜（內(nèi)有變頻器）等。

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

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將粗破后壓實(shí)的玉米秸稈分成小塊，加入到錘片式破碎機(jī)中進(jìn)行破碎。破碎的產(chǎn)品通過(guò)4mm 的篩網(wǎng)，在引風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入到分級(jí)式?jīng)_擊磨中進(jìn)行粉碎。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)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(wěn)定運(yùn)行10min 后開(kāi)始統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量，連續(xù)粉碎時(shí)間為1h。參考孫權(quán)等[10]的研究，本次實(shí)驗(yàn)采用上進(jìn)料方式。在此過(guò)程中，定時(shí)記錄傳動(dòng)電機(jī)的電流和系統(tǒng)風(fēng)量等參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 二次風(fēng)開(kāi)閉對(duì)粉體產(chǎn)量的影響

本組實(shí)驗(yàn)考察二次風(fēng)開(kāi)啟與關(guān)閉對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)量的影響。錘頭數(shù)量為16 個(gè)，錘頭周向速度為120m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出，二次風(fēng)風(fēng)門全開(kāi)時(shí)產(chǎn)量比二次風(fēng)風(fēng)門全關(guān)時(shí)提高約26.4kg/h，能耗降低415.34kW·h/t。比較兩個(gè)對(duì)比組，二次風(fēng)風(fēng)門全開(kāi)時(shí)系統(tǒng)風(fēng)量為82.53m3/min，其中二次風(fēng)風(fēng)量為14.30m3/min，此時(shí)由主風(fēng)門進(jìn)入到?jīng)_擊磨中的風(fēng)量則為68.23m3/min；而當(dāng)二次風(fēng)風(fēng)門全關(guān)時(shí)，由主風(fēng)門提供的風(fēng)量為78.09m3/min。由此可見(jiàn)，二次風(fēng)風(fēng)門全開(kāi)時(shí)，由主風(fēng)門進(jìn)入沖擊磨的風(fēng)量較小，氣流的上升速度較小，更利于未被分級(jí)機(jī)篩分的粗粉下降到錘頭的間隙中繼續(xù)粉碎，提高了粉碎效率。

表1 二次風(fēng)對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)量的影響

2.2 錘頭數(shù)量對(duì)粉體產(chǎn)量的影響

本組實(shí)驗(yàn)主要考察錘頭數(shù)量對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)量的影響，二次風(fēng)全開(kāi)，磨盤錘頭周向速度為120m/s。安裝16 個(gè)錘頭時(shí)，錘頭間夾角為22.5°，錘頭間距S 為208.3mm；安裝8 個(gè)錘頭時(shí)，錘頭間夾角為45°，錘頭間距S 為416.6mm；安裝4 個(gè)錘頭時(shí)，錘頭間夾角為90°，錘頭間距S 為833.2mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

由表2 數(shù)據(jù)可知，隨著錘頭數(shù)量的減少，能耗略有降低。錘頭數(shù)量增多，并不能保證有高的產(chǎn)量。當(dāng)磨盤上安裝8 個(gè)錘頭時(shí)，比安裝16 個(gè)錘頭時(shí)能耗降低64.57kW·h/t。3 個(gè)對(duì)比組中，使用8 個(gè)錘頭時(shí)產(chǎn)量較高，能耗較低，但與其余兩個(gè)對(duì)比組并沒(méi)有太大的差距。這一方面是由于隨著磨盤上錘頭數(shù)量的增多導(dǎo)致磨盤負(fù)載增大，磨盤和錘頭自身的旋轉(zhuǎn)消耗一部分電能，從而導(dǎo)致能耗增加；另一方面，根據(jù)Roland Nied[11]的研究，如圖1 所示，錘頭數(shù)量減少，則錘頭間距S 增大，在磨盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，錘頭周向速度v 不變，錘頭2 運(yùn)行到錘頭1 時(shí)所需的時(shí)間增加，從而導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中，采用的錘頭周向速度為120m/s，此時(shí)主機(jī)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(shí)，則粉體在理論上不會(huì)發(fā)生邊緣碰撞，從而使粉體得到充分的研磨。當(dāng)錘頭數(shù)量減少到4個(gè)時(shí)，錘頭間距增大，根據(jù)相關(guān)資料，錘頭間距過(guò)大時(shí)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(guò)本組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于入料粒度小于4mm 的玉米秸稈粉體，當(dāng)錘頭數(shù)量為8 個(gè)時(shí)，錘頭間距在416.6mm 較為合適。因此，磨盤上的錘頭安裝數(shù)量不宜過(guò)多。這在適當(dāng)降低能耗的同時(shí)也減少了研磨過(guò)程中對(duì)錘頭的磨損，降低了設(shè)備成本。

表2 錘頭數(shù)量對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)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(duì)粉體產(chǎn)量的影響

本組實(shí)驗(yàn)考察錘頭周向速度對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)量的影響。二次風(fēng)全開(kāi)，錘頭數(shù)量為16 個(gè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 錘頭周向速度對(duì)玉米秸稈粉體產(chǎn)量的影響

根據(jù)表3 可以看出，在控制產(chǎn)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(chǎn)量逐步增加，這也符合相關(guān)研究[14]的變化趨勢(shì)。當(dāng)錘頭周向速度在130m/s 時(shí)，比100m/s 時(shí)產(chǎn)量增加29.9kg/h，能耗降低481.39kW·h/t。根據(jù)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(guān)系。

式中，d 為顆粒直徑；γ為材料的表面能；k 為與氣體流動(dòng)特性有關(guān)的系數(shù)；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(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用玉米秸稈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則c 不變。對(duì)于4 個(gè)對(duì)比組來(lái)講，r 保持不變，唯有v 是本組實(shí)驗(yàn)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(yīng)減小。但本組實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)品粒度控制在30μm±2μm 以內(nèi)，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(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，使得通過(guò)分級(jí)輪篩分葉片的粉體增多，從而增加了粉體產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

（1）本實(shí)驗(yàn)利用分級(jí)式?jīng)_擊磨粉碎玉米秸稈的過(guò)程中，當(dāng)二次風(fēng)風(fēng)門全開(kāi)時(shí)，粉碎效率明顯比二次風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉時(shí)高。

（2）磨盤上錘頭的安裝數(shù)量對(duì)粉體產(chǎn)量有著一定的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)磨盤上安裝8 個(gè)錘頭時(shí)，粉體產(chǎn)量較高，但與安裝4 個(gè)錘頭和16 個(gè)錘頭時(shí)相比差距不是很大。由于錘頭為分級(jí)式?jīng)_擊磨中的易損件，減少了錘頭數(shù)量，也就減少了對(duì)易損件的損耗，從而降低了設(shè)備的運(yùn)行成本。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)減少磨盤上的錘頭數(shù)量。

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

（4）本實(shí)驗(yàn)得出的分級(jí)式?jīng)_擊磨的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對(duì)分級(jí)式?jīng)_擊磨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，對(duì)沖擊式粉碎領(lǐng)域有一定的參考價(jià)值，但對(duì)于不同的物料，工藝參數(shù)應(yīng)略有差異。

[1] 孫成林，孫長(zhǎng)泉. 超細(xì)粉碎機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展問(wèn)題[C]//2012 中國(guó)非金屬礦科技與市場(chǎng)交流大會(huì)，蘇州，2012.

[2] 馬大鈞. 國(guó)內(nèi)非金屬礦超細(xì)粉碎工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2012，39（5）：36-37，54.

[3] 缐海. 超細(xì)粉體及超細(xì)粉碎技術(shù)簡(jiǎn)述[J]. 新疆有色金屬，2013（s1）：103-104.

[4] 包土雷，王建，孫永升. 國(guó)內(nèi)粉體工程行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國(guó)粉體工業(yè)，2010（4）：10-12.

[5] 孫成林. 沖擊式粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)與使用[J]. 化工礦物與加工，2005（7）：5-9.

[6] 于光輝. 機(jī)械沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2008.

[7] 鄭水林. 超細(xì)粉體加工技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：45-46.

[8] 林龍沅，陳海焱，顏翠平，等. 分級(jí)式?jīng)_擊磨制備超細(xì)云母微粉的工藝研究[J]. 非金屬礦，2010，33（2）：24-26.

[9] 王新江. 沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)對(duì)功能性非金屬礦物材料的加工利用[J]. 中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2003（4）：75-77.

[10] 孫權(quán)，張明星，陳俊冬，等. 分機(jī)式?jīng)_擊磨制備玉米秸稈粉體[J]. 中國(guó)粉體技術(shù)，2013，19（6）：20-23.

[11] Roland Nied. Rotor impact mills[J]. Handbook of Powder Technology，2007，12：229-249.

[12] 趙敏，盧亞平，潘英民. 粉碎理論與粉碎設(shè)備發(fā)展評(píng)述[J]. 礦冶，2001，10（2）：30，36-41.

[13] 李鳳生. 超細(xì)粉體技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000：43-46.

[14] 吳仲偉. 熱固性塑料機(jī)械物理法再生及再資源化研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 朱美玲，顏景平. 離心沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)粉碎機(jī)理研究[J]. 中國(guó)建材裝備，1994（5）：11-13，25.