陶瓷用球磨機節能改造技術研究

楊炳勇

（泉州工藝美術職業學院，福建 泉州 362500）

陶瓷用球磨機節能改造技術研究

楊炳勇

（泉州工藝美術職業學院，福建 泉州 362500）

本文通過對陶瓷用球磨機其生產工藝、運行規律及主要參數的研究，提出陶瓷用球磨機的最佳工作轉速，并采用變頻器-永磁同步電機直接驅動球磨機小齒輪的模式進行驅動，改造傳統的異步電機-減速機驅動模式.改造后的球磨機，在傳動效率、功率因數上明顯提高，維護頻率大大降低，節能效果明顯，具有很好社會經濟效益.

陶瓷；球磨機；變頻；永磁電機；節能

球磨機是陶瓷工廠原料制備中電機容量最大的設備，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].由于企業對球磨機技術的認識還遠遠不夠，同樣規格及同樣粉磨工藝的系統，有些企業電耗高產量，有些企業磨機產量卻很低，且高產量與低產量比例幾乎接近一倍.傳統認為，球磨機粉磨系統產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，這些因素對磨機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過程往往是無法回避和選擇的[2].

1 陶瓷球磨機高能耗原因分析

陶瓷球磨機是利用轉動的筒體，不斷地帶動大量的研磨體在筒體內對原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，使物料達到成品細度要求.

陶瓷球磨機一般采用異步電機—液力耦合器—減速機—小齒輪—大齒輪的模式驅動回轉部如圖1所示.其效率不高，主要原因有：

（1）液力耦合器在球磨機啟動時可以起到緩沖作用，讓電動機可以輕載啟動，以減小啟動電流，但球磨機屬于恒轉矩負載，在用液力耦合器調速時，其調速效率等于調速比，在低速時有近3/4的能量被浪費[6].

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

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

圖1 改造前球磨機系統示意圖

2 系統改造方案

通過對陶瓷球磨機高能耗原因的分析，本次改造方案主要從兩方面入手：一是通過分析球磨機的生產工藝、運行規律及主要參數，從而確定球磨機的最佳工作轉速；另一方面是采用低速大轉矩永磁同步電動機（效率90%，較傳統模式提高15%）配套變頻器直接驅動小齒輪，帶動大齒輪轉動，改造傳統的驅動模式.具體的改造思路如圖2所示.

圖2

3 球磨機的最佳工作轉速分析

根據大量的一線工作實際分析，球磨機要有粉碎效果，其轉速率的值在10%-90%之間，礦料才能受到研磨體的沖擊和研磨作用，因球磨機轉速率低于10%，球磨機內的介質處于瀉落狀態，研磨體對礦石只有研磨作用，沒有沖擊作用，磨礦的效率極其低下；而當球磨機的轉速過高,會超過其臨界值，球磨機內的介質將處于離心狀態，將不會再有粉碎效果[4].

為驗證球磨機轉速對粉碎效果的影響，本文把生產經驗選取具有代表性的三個轉速率，進行實驗分析，分別為50%、70%和90%.由于球磨機用變頻器進行轉速控制，還需要計算變頻器的輸出頻率.

表1 轉速率和變頻器輸出頻率的對應關系

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

表2 磨礦50分鐘后-200目以下粒度產品的產量

表3 磨礦50分鐘后球磨機消耗的電能

表4 磨礦50分鐘的比能耗

從表4可以看出比能耗隨著轉速率和填充率的變化趨勢,經過大量實踐驗證分析當轉速率=

0.69，填充率=0.33時,比能耗從取得最小值為

0.97kW/hkg.

4 變頻器—永磁同步電機直驅球磨機設計

4.1 變頻器選型與參數設置

在球磨機行業，變頻器選型時，考慮球磨機運行環境溫度高和球磨機負載慣性大的特點，往往選擇變頻器功率比球磨電機的功率大一檔或兩檔，以提高變頻器的環境適應能力和帶載能力,這種選型策略對變頻器的使用壽命較好，但如參數設置不當，不利于球磨電機的保護[7].因此當選型變頻器功率大于電機功率時，要合理設置電機過載保護系數及變頻器電流限制等參數，以實現電機的合理保護[7].

本次應用的球磨機是一臺立式球磨機，電機功率300kW，變頻器選用WIN-V63-315T4，同功率匹配，WIN-V63變頻器主要參數設定如表5、6所示.

表5 變頻器中電機參數設置

表6 WIN-V63變頻器主要參數設定表

4.2 球磨機驅動系統改造

為了提高傳動環節的效率，本次改造采用低速大轉矩永磁同步電動機直接驅動小齒輪，帶動大齒輪轉動[9].為了不影響生產周期，本次改造方案采用即換即用的原則，保證選礦廠的生產效益不受影響，圖3永磁同步電動機球磨機系統示意圖.

圖3 永磁同步電動機球磨機系統示意圖

永磁電機起動后采用工頻電源供電即可實現穩定運行，為了降低改造成本，本次改造采用一臺變頻器拖動多臺（據實際情況確定數量）電機起動[9].電機起動后將電機的端子引到電網上，在電網供電情況下，電機也可高效運行，詳見圖4改造后供電系統采用一拖多的方式，即可根據場區情況，可由一臺或兩臺變頻器或驅動多臺電機起動[8].

圖4 供電系統示意圖

5 系統性能調試分析

表7 永磁電機球磨機與常規球磨機主要性能比較[13]

效率、功率因數與負載率的關系的比較，如圖5、6所示[12].

圖5 異步機效率、功率因數與負載率關系

圖6 永磁電機效率、功率因數與負載率關系

球磨機用永磁電機節能分析，如表8所示.

表8 節能分析表

6 總結

項目技術的開發應用，可解決目前球磨機工作效率低、能耗高的、維修頻率高等缺點，為德化上百家陶瓷企業和我省甚至全國相關陶瓷企業提供技術支持.在提高球磨機生產效率、降低能耗的同時提高產品質量及檔次，對陶瓷生產企業的技術水平有整體的提高，有利于提高我省陶瓷出口創匯能力和市場的競爭力，促進我省陶瓷產業向更高的方向發展，項目技術的開發應用有著顯著的經濟和社會效益.

〔1〕鄭文秀，任世亮.對電機系統節能工程思考[J].山西能源與節能，2009.

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

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

〔4〕哈爾濱工業大學理論力學教研室．理論力學[M]．北京：高等教育出版社，2002.

〔5〕揚忠高．提高球磨機磨礦效率的研討[J]．有色礦山,1991.

〔6〕劉應誠，楊乃喬．液力耦合器應用與節能技術[M]．北京:化學工業出版社，2006.

〔7〕張燕賓.變頻調速應用實踐[M].北京:機械工業出版社，2001.

〔8〕李鵬，竇鵬沖，李雨薇，等.微電網技術在主動配電網中的應用[J].電力自動化設備，2015，35(4)：8-16.

〔9〕郭新華，溫旭輝，趙峰，莊興明．基于電磁轉矩反饋補償的永磁同步電機新型IP速度控制器[J].中國電機工程學報，30(27）.

TP276

A

1673-260X（2017）12-0040-03

2017-09-29

福建省中青年教師教育科研項目（A類）(JA14434)