120 萬 t/a 立磨選粉機優化設計研究

孫潞潞，劉云峰，于偉濤，李 珂，符惜煒

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

立 磨是廣泛應用于建材行業的一種粉磨設備，它集粉碎、烘干、分級于一體，可用于水泥生料、熟料、煤粉和礦渣的粉磨[1]。選粉機作為立磨的重要組成部分，其性能直接關系到整個立磨設備的生產效率與穩定性[2]。目前，很多研究者采用數值模擬(CFD) 方法從不同角度對動態選粉機做了大量的研究工作。黃億輝等人[3]以計算流體動力學理論為依據，得出轉子轉速對選粉性能有很大影響，且轉速需控制在一定范圍內。李翔等人[4]利用 Fluent 軟件對選粉機進行 2D 數值模擬，得出立磨選粉機的分級環間距在適當范圍內時選粉性能最優。王朝霞等人[5]應用氣固耦合方法對選粉機出風口及定葉片和動葉片之間的間距進行了優化研究。童聰等人[6]分析了立磨選粉機的葉片參數，并通過改變葉片結構進行優化設計。由于市場上不同廠家設計的動態選粉機結構和工作原理存在差別，因此上述研究成果僅適用于某一特定結構的選粉機。本文立足于本公司的立磨產品，利用 CFD計算軟件 Fluent 對 120 萬 t/a 立磨用動態選粉機進行研究，通過分析不同葉片設計參數對選粉機分級性能的影響，提出了該動態選粉機優化設計方案。

1 研究思路及計算模型

1.1 研究思路

動態選粉是一個涉及到流場、多相流的復雜過程。物料經磨盤粉碎后，被立磨內高速氣流裹挾到位于立磨設備上部的選粉機內，通過定子葉片整流后，進入高速旋轉的轉籠內進行分級處理。符合粒度要求的物料顆粒通過選粉機跟隨氣流排出，在出料口被收集，不符合粒度要求的物料顆粒會通過料斗回落至磨盤繼續粉磨。整個選粉過程影響因素繁多，需要各個參數相互配合緊密，因此研究動態選粉機各種參數影響對立磨的優化十分重要。

使用 Fluent 軟件研究選粉機的分級效率，其基本模擬計算流程如圖 1 所示。

1.2 計算模型及條件

采用計算流體力學 (CFD) 方法研究動態選粉機，主要技術難點在于轉子運動區域與整體計算域之間運動關系的處理。根據轉子實際運動情況，使用 Sliding mesh 法處理轉子旋轉時，定子與轉子的相對位置時刻發生變化，計算量大，對網格要求高，計算結果不好收斂。為避免此問題，研究使用 RMF 法。計算時，在轉子運動區域上施加旋轉坐標系，定子與轉子的相對位置不發生改變，大大減少了計算量。研究計算前需對模型進行處理，通過區域切割將模型分為定子區、轉子區及立磨出料區，處理后的三維模型如圖2 所示。

選粉機模型中，定子葉片有 60 片；轉子原設計葉片有 200 片，沿圓周方向均勻分布，轉子設計轉速為 120 r/min。計算時，入口采用速度入口 (Velocityinlet) 邊界條件，出口為自由流出口 (outflow)，定子區、轉子區、出口區采用內部邊界條件 (interface) 連接，其余壁面設置為 wall；選粉機內為中等強度的湍流流動，計算模型選擇κ-ε模型[7]；物料粒子采用DPM 入射流，粒徑分布符合R-R分布；設計工況風量為 700 000 m3/h。

2 葉片設計對選粉效率的影響

2.1 定子葉片偏轉角度

定子葉片偏轉角度指的是定子葉片與中心連線夾角，如圖 3 所示。選粉機定子葉片偏轉角度發生變化，會導致通過的氣流經過整流后，進入選粉機轉子葉片時的入射角度發生改變，進而會影響到選粉機的整機流場。制定了不同定子葉片偏轉角度對選粉效率影響的研究方案，如表 1 所列。

表1 定子葉片偏轉角度的研究方案Tab.1 Research scheme for deflection angle of stator blade

分別對上述 5 種研究方案計算，得到了定子葉片不同偏轉角度下選粉機的選粉效率曲線，如圖 4 所示。

由圖 4 可知：5 種方案得到的選粉效率曲線趨勢基本一致；定子偏轉角度小范圍內變化對選粉機選粉效率影響不大，該影響因素在優化設計中可不予考慮。物料粒徑在 40 μm 以下，選粉機維持在高選粉效率區間；物料粒徑大于 40 μm，選粉效率急劇下降；這樣的效率分布符合對選粉機的要求。

2.2 轉子葉片數量

選粉機轉子葉片數量對通過轉子區域的流場產生影響。在風量一定的情況下，轉子葉片越稀疏，物料顆粒通過旋轉葉片的難度越低，選出的物料粒徑越大；轉子葉片越密集，物料顆粒通過旋轉葉片的難度越高，選出的粉就會越細。轉子數量也會對選粉機的功率產生影響，因此如何設計出既能滿足選粉粒度要求，消耗功率又低的選粉機，是設計者追求的目標。基于上述設想，制定了 120 萬 t/a 立磨動態選粉機轉子葉片數量的研究方案，如表 2 所列。對 5 種方案進行計算，得到了不同轉子葉片數量下選粉機選粉效率曲線，如圖 5 所示。

表2 轉子葉片數量的研究方案Tab.2 Research scheme for number of rotor blade

由圖 5 可知：5 種不同轉子葉片數量下，選粉效率曲線差別不大，這說明轉子葉片達到一定數量后，選粉效率不會隨著葉片數量增加而產生變化；轉子葉片數量降到 180 片，對選粉效率結果影響不大，這說明轉子數量應作為選粉機后續優化的方向，深入研究，繼續降低設計冗余量。

2.3 轉子葉片寬度

立磨內流場裹挾的物料顆粒經過定子葉片整流后，進入轉子葉片高速旋轉形成的物料通道。此通道的形成又與轉子葉片寬度相關，葉片寬度小，形成的通道短，進入轉子葉片間的大粒徑物料容易進入成品粉中，分級效果差；葉片寬度大，形成的通道長，物料顆粒通過時間變長，部分符合要求的物料粒子會隨著轉子葉片的高速旋轉甩向葉片壁面，失去動能而不能被選出，影響選粉效率。針對選粉機轉子葉片寬度設計了 3 種研究方案，如表 3 所列。葉片寬度變化如圖 6 所示。對 3 種方案進行計算，得到了不同轉子葉片寬度下選粉機選粉效率曲線，如圖 7 所示。

表3 轉子葉片寬度的研究方案Tab.3 Research scheme for width of rotor blade

由圖 7 可知：葉片寬度增加，選粉效果提升；但葉片寬度過大時，選粉效果降低；轉子葉片寬度增大25 mm 和增大 50 mm 后，選粉效果都優于現有設計，說明現有轉子寬度的設計存在優化空間。此轉子葉片參數也可作為選粉機后續優化的方向，深入研究，最大限度地提高選粉效率。

3 120 萬 t/a 立磨選粉機優化方案及結果分析

3.1 優化方案

綜合上述研究結果，結合其他選粉機廠家選粉機使用調研情況及我公司設計選粉機現狀，初步提出了選粉機設計優化的兩種可能方案，具體如表 4 所列。本文將對比分析優化方案與現有設計在相關指標上的差異。

表4 優化設計方案Tab.4 Optimization design scheme

3.2 選粉效率對比分析

按照表 4 中方案進行計算，得到不同方案的選粉效率曲線，結果如圖 8 所示。

由圖 8 可知：優化方案 1 的轉子數量比現有設計少了 40 片，但葉片寬度增加了 25 mm，從選粉效率曲線上看，得到的選粉效果更好；優化方案 2 的選粉效果不如現有選粉機。

3.3 功率對比分析

降低能耗是任何一臺設備在設計時都要考慮的事，在保證使用效果的同時，追求更低的能耗，直接反映了設備的設計水平。因此在上述計算選粉機效率的同時，也應當關注新設計選粉機的功率能耗。這里的計算僅僅對比選粉機的轉子功率，沒有考慮其他機械部件由于摩擦等原因造成的機械消耗功率。完成上述方案計算后，輸出特定部件的轉矩。選粉機轉子的功率與轉矩存在如下關系：

式中：P為轉子功率，kW；T為轉子轉矩，N·M；ω為轉子轉速，r/s。

計算軟件輸出的選粉機轉子轉矩如表 5 所列。

表5 不同設計方案時的轉子轉矩Tab.5 Rotor torque in various design schemes

按照式 (1) 分別得到各方案選粉機轉子的功率。現有選粉機轉子功率

優化方案 1 轉子功率

優化方案 2 轉子功率

對比分析各方案的轉子功率可以看到：

(1) 優化方案 1 的轉子功率低于現有設計方案10.6%；優化方案 2 的轉子功率低于現有設計方案7.2%；

(2) 從選粉機轉子功率的計算上可以看到，選粉機轉子葉片寬度比轉子數量對功率的影響更大。

4 結論

(1) 目前 120 萬 t/a 立磨選粉機轉子數量設計冗余量大，存在優化空間；

(2) 選粉機選粉效果隨著轉子葉片寬度的增大，先提高后降低，每一種型號選粉機對應有最佳轉子葉片寬度；

(3) 120 萬 t/a 立磨選粉機轉子葉片數量降低至160 片，葉片寬度增加 25 mm 后，其選粉效果略優于現有設計，功率降低約 10.6%。