重鈣粉立磨工藝系統運行參數研究

胡澤武，胡其軍

(萊歇研磨機械制造(上海)有限公司，上海 200941)

重鈣粉(又名細磨碳酸鈣GCC)廣泛用于造紙、塑料、涂料、油漆、醫藥等日用化工行業，作為典型的功能性體質填料，是一種低碳環保型非金屬礦物粉體工業原料。近些年由于產能擴充、市場定位、環保等因素影響，重鈣粉生產逐漸向規?；⒏叨司殹⒐澞芊较虬l展，傳統小型生產企業落后設備和工藝逐漸被淘汰，隨著應用行業技術升級，對重鈣粉產品功能性提出更多個性化需求[1-3]。大型立式輥磨(慣稱為立磨)設備和生產工藝由于其高效節能、環保、操作維護等方面的優勢逐漸被市場采納和接受，以取代傳統的低效率、高功耗、產能小等重鈣粉生產設備和工藝，如球磨機、振動磨、雷蒙磨等[3-4]。

立磨粉磨系統相比傳統重鈣粉磨系統，系統設備的運行參數較多且相互又有關聯性，生產實踐中需要通過其合理調整和控制以達到粉磨系統高效節能生產，本文研究如何在這些運行參數間找出最佳的因素水平以實現重鈣粉生產企業的經濟高效生產。

1 立磨工藝及運行參數

1.1 粉磨系統工藝

重鈣原料由于純度高、白度高，一般不需要經過浮選或其他除雜工藝，僅需超細粉磨和分級即可[5]。工藝流程見圖1，重鈣原料由計量輸送皮帶經斗提喂入鎖風喂料閥后落入立磨磨盤上，經立磨液壓加載系統對磨輥加壓被研磨粉碎，粉碎后的粗粒徑物料在磨盤旋轉離心力作用下排出磨外，經外循環輸送皮帶進入斗提和新鮮原料一同回磨，粉碎后的細粒徑物料由具有一定溫度的氣流輸送進入立磨上方的粒徑分級機，這同時也是完成物料烘干過程，經分級機粒徑分級后，不符合要求的半成品返回磨盤上和入磨原料一起繼續被研磨，成品物料隨氣流輸送進入收粉器收集后由成品輸送泵輸送至成品庫。安裝在收粉器后的系統風機提供足夠風量和壓力的氣流對磨內、管道及收粉器內的物料提供輸送動力，含粉氣流經過收粉器將重鈣粉成品收集后潔凈氣體大部分又通過系統風機循環回進入立磨完成一個閉路循環并保持平衡，原料烘干蒸發的水蒸氣和系統各點漏入的外部環境空氣等通過外排通道排入環境大氣中。

圖1 一次分級重鈣粉立磨流程簡圖

重鈣粉立磨粉磨系統為干法制粉系統，上述需要烘干的氣流熱量來自物料被粉磨過程中產生的熱量以及氣流運動摩擦產生的熱量，根據熱平衡計算一般具備烘干原料含水在2%以內的能力，非特殊要求一般不設置額外熱風烘干系統。干法制粉的優勢在于有利于實現產業規模化及一定程度的產品精細化，立磨干法制粉的規?；?、精細化效益最為明顯[6-8]。

1.2 運行參數描述

從工藝描述可知，重鈣粉立磨粉磨系統是氣固兩相流場負壓操作工藝系統，符合濃相氣力輸送工況[9]，系統內工作介質就是重鈣顆粒或粉體物料和流動氣體，它們受立磨、分級機及系統風機等主機設備直接控制，主機設備的運行參數直接關系到制粉系統的綜合性能如產量、產品質量、能耗以及運行穩定性等，且主機運行參數間又非獨立而存在相互關聯性。輔機設備如原料輸送設備、收粉器、螺旋泵及控制閥門等滿足主機設備參數運行要求。

1.2.1 立磨

以LM 型立磨(行業統稱萊歇磨)為例，其結構示意見圖2，原料喂入磨盤后通過磨盤旋轉產生的離心加速度將物料帶入磨輥下，磨輥在液壓加載系統和磨輥自重作用下對物料進行擠壓粉碎，同時物料在磨盤上運動過程中，物料顆粒間受剪切力粉碎，磨輥對物料的擠壓力大小影響物料的擠壓和剪切粉碎效果，即為固體物料在立磨內因受到機械力的作用而被粉碎，符合機械粉碎法制備原理[10]。磨輥、磨盤及物料三者組成粉磨料床，磨盤轉速快慢決定了物料在磨盤上的離心加速度大小且對顆粒間剪切力大小產生直接影響，磨輥擠壓力變化也會影響到運動顆粒間的剪切力大小，同時磨盤轉速也會對料床上料層厚度產生直接影響，同等條件下磨盤轉速快料層厚度變薄，反之則變厚，合適的料層厚度是磨機能穩定運行的一個必要條件。這樣就定義把決定物料受擠壓力和剪切力大小的液壓系統操作壓力以及影響料層厚度和剪切力大小的磨盤轉速作為立磨關鍵運行參數。

圖2 LM 型立磨結構示意

1.2.2 分級機

分級機功能是將經研磨后的成品物料和半成品物料的混合物按照需要的粒徑分離開來，成品物料進入后續收集工序而半成品返回料床繼續被研磨，分級機轉子來實現粒徑分級功能，在原材料的超微細加工中，分級也是必不可少的過程[11]。轉子帶動氣固兩相流中的物料顆粒產生離心運動，顆粒受離心力和氣流的帶動力，兩個力平衡下的分級粒徑即為切割粒徑，切割粒徑受離心力和氣流帶動力的影響。顆粒離心力受轉子轉速控制，氣流帶動力受氣流速度控制，這樣定義把轉子轉速作為分級機的關鍵運行參數。

1.2.3 系統風機

系統風機為系統提供足夠風量和壓力，直接的功能就是對磨內、分級機、管道及收粉器內的物料進行輸送并形成閉路平衡循環。具體來說，風機產生的氣流進入磨內，先通過磨機風環完成大粒徑的物料在風環和料床之間的初步分選，由風量大小決定氣流經過風環的速度并對大粒徑物料初步分選產生決定性效果，氣流經風環完成大顆粒物料分選后帶動經研磨后的中細粒徑物料向上提升進入分級機，由1.2.2 描述，風量決定的氣流速度和轉子轉速來確定顆粒切割粒徑即分級粒徑大小。同等原料(如易磨性、硬度、粒度、水分等)和產品細度、產量條件下，系統風路阻力直接受系統風機提供的風量大小影響，也有前述液壓操作壓力、分級機轉子速度等間接影響。系統風機提供的風量滿足風環初步分選大粒徑物料、磨內物料輸送、烘干及中細粒徑分級等要求，粉磨同一原料和產品細度一致條件下，系統用風量和系統的成品量有直接關系，即存在一個合理的固氣比值，文中可另稱為粉塵濃度(g/m3),這樣定義把系統成品量(臺時產量t/h)和用風量(體積流量m3/h)比值作為系統風機的關鍵運行參數，這樣更能體現出系統風機運行是要匹配系統產量在各種其他設備運行參數下的要求，比直接用風量作為運行參數更具有合理性。

1.2.4 其他因素

系統和設備的狀態也對粉磨性能有直接影響，如設備和管道漏風問題、磨輥和磨盤襯板磨損狀態、分級機轉子葉片磨損、收粉器布袋堵塞等，這涉及到生產企業對系統日常管理和維護，也需要確保系統在一個較佳的狀態下運行。

2 立磨工業試驗

重鈣粉立磨系統運行時如何調節和控制上述的運行參數在合理范圍至關重要，會最終涉及系統產量、產品質量、電耗以及運轉穩定性等。本文采用工業試驗的方式，以實際生產重鈣粉為依據，調整控制系統關鍵運行參數，根據結果分析并試圖找出這些關鍵運行參數之間的聯系和關鍵因素等。

試驗采用萊歇LM15.2 工業試驗磨(磨盤研磨區直徑Φ1.5m)系統，試驗粉磨細度為800 目粒徑(定義D97=18 ～20μm)等級的重鈣粉，采用一次分級工藝。將設備磨盤轉速、操作壓力、粉塵濃度及分級機轉子轉速作為調節控制運行參數，以系統主機電耗為評價目標分析總結試驗數據。試驗用重鈣石灰石原料來自安徽池州礦山，原料粒徑在30mm 以下，水分＜1%，各試驗過程保持原料的同一性及系統設備結構的一致性。

2.1 試驗設計

將磨盤轉速、操作壓力、粉塵濃度及轉子轉速作為調節控制運行參數，結合LM15.2 工業試驗磨結構，制定運行參數設計見表1。

表1 重鈣粉立磨正交試驗運行參數

將上述四個運行參數作為因素，在參數范圍內每個因素分為三個水平，采用正交試驗法找出因素的水平最佳趨勢，正交試驗四因素三水平參數見表2[12]。

表2 重鈣粉立磨正交試驗四因素三水平參數選擇

以系統主機設備電耗作為評價指標，各水平值和試驗組合的編號分別列入表中，形成正交試驗方案 (L9(34)) ，如表3 所示。

表3 重鈣粉立磨正交試驗四因素三水平試驗方案(L9(34))

2.2 試驗執行及結果

根據試驗編號，將各因素對應的水平組合進行試驗，試驗過程中保持磨機穩定運行，重鈣粉產品細度滿足既定要求，每個試驗編號對應的試驗在取樣分析確定系統運行平穩后，開始計時連續工作6小時且保持每間隔30 分鐘取樣分析，主機電耗以立磨、分級機及系統風機為統計對象，計算6 小時內的平均電耗，最終統計及計算的試驗結果見表4。

表4 重鈣粉立磨正交試驗結果數據

2.3 試驗結果數據分析

以主機電耗為對比指標，并根據正交試驗極差分析法得出極差分析結果( 表5)， 同時生成因子各水平均值圖(圖3)。

圖3 重鈣粉立磨正交試驗因子各水平均值圖

表5 重鈣粉立磨正交試驗極差分析表

根據極差分析表和因子各水平均值圖，可以看出影響電耗的因素依次為：操作壓力＞粉塵濃度＞磨盤轉速＞轉子轉速，對應因素最佳水平為1、1、2、3，即高操作壓力、高粉塵濃度、中等磨盤轉速和低轉子轉速，其中操作壓力和粉塵濃度影響尤為重要。

為進一步分析各因素對結果影響程度，根據正交試驗結果數據建立數據回歸模型利用微軟EXCEL軟件進行多元回歸分析，并對回歸系數進行估算，結果見表6、表7。

表6 重鈣粉立磨正交試驗回歸統計

表7 重鈣粉立磨正交試驗方差分析

根據表6 回歸分析結果看，相關系數R=0.977，也說明了工業試驗定義的四個因素和制定的目標結果具有高度正相關，并根據表7 方差分析結果得知顯著性統計量F為0.0059，遠小于顯著水平0.05，說明該回歸方程回歸效果顯著[13]。從回歸統計結果分析，工業試驗設計的重鈣粉立磨系統運行參數(因素)的控制范圍(水平)能準確影響到系統運行的經濟性如電耗指標，是一個非常有代表性的工業試驗。

3 試驗結果理論分析

立磨系統在初始設計時，確立了系統在運行時各設備正常運行的參數范圍，但在生產實際中，需要進行一些調整或嘗試等以達到較佳的運行狀態，實現較高的經濟性生產。從工業試驗結果分析，明確重鈣粉運行參數對系統性能的影響及重要程度，特別是居多運行參數間的主次關系，具體結果是：液壓系統操作的粉磨壓力尤為重要且是高操作壓力顯著有利于降低電耗，高粉塵濃度操作明顯利于節能，中等磨盤轉速對磨機運行穩定性有益對節能也有貢獻，較低的分級機轉子轉速同樣有利于節能。結合立磨結構及工藝系統自身特性，從工業試驗結果可以分析其理論依據，也可以為重鈣粉立磨粉磨企業提供必要的生產運行借鑒。

3.1 運行參數理論分析

立磨是以料床粉磨原理的典型代表設備[14]，在磨輥、磨盤、風環等內部機械結構固定不變的情況下，決定料床粉磨狀態的關鍵因素就是料床上物料的擠壓和剪切受力大小、粒徑組成、料層厚度、離心加速度等，而這些關鍵因素直接關系到立磨的產量、電耗、運行穩定性等重要性能。

液壓系統操作壓力直接影響物料所受擠壓和剪切受力大小，立磨料床粉磨原理就是較高的粉磨壓力會有更好的物料被擠壓和剪切粉碎效果即有更高效的料床粉磨效率，立磨產量提高且電耗降低。同樣高的料床粉磨效率，物料在風環和料床間、在料床和分級機間的無效循環就會減少，立磨和分級機等系統風路阻力就會降低，直接帶來分級機電耗和系統風機電耗的降低。正交試驗中操作壓力因素極差R為10.00，遠高于其他三個因素的影響，足以驗證其在立磨運行中是最為重要的參數。

立磨粉磨系統內工作介質是各粒徑的重鈣粉原料、半成品、成品和一定溫度的由系統風機提供的運動氣體，風量需滿足物料在系統各點的輸送和物料烘干要求，提高風利用效率會降低系統風機能耗，滿足系統穩定運行情況下，提高粉塵濃度即成品量和用風量的比值能提高用風效率。立磨運行中根據各工況變化，產量和用風量會有調整，兩個量存在單個調整或同時調整，但兩個量比值的變化即粉塵濃度在操作中力求偏大。粉塵濃度因素極差R為5.63，相比也是其作為立磨運行參數重要性的體現。

磨盤轉速決定了料床上物料離心加速度且對物料顆粒間剪切力大小產生直接影響，同時也會對磨盤上料層厚度產生直接影響，磨盤轉速高物料剪切受力效果好且料層相對變薄，粉磨效率提高。但磨盤轉速過高會給料床穩定性帶來負面影響，如引起磨機振動過大，反而會影響擠壓受力粉碎效果而影響粉磨效率，維持磨盤轉速在一個合適的水平對料床穩定性至關重要，不能一味追求過高磨盤轉速。

分級機是靠動態旋轉轉子的轉速來控制切割粒徑即分級粒徑的，同比條件下，轉子轉速高切割粒徑小，反之切割粒徑會變大。如保持切割粒徑不變，提高轉子轉速時必定要增加風量，相反減低粉塵濃度，系統電耗必定成增加趨勢，滿足生產要求和產品細度情況下保持偏低的轉子轉速是有利的。

3.2 運行參數合理控制

前述工業試驗驗證的四個關鍵運行參數和對應的理論分析，也需要對試驗結果有準確的認識，如操作壓力高尤為重要，粉塵濃度高明顯利于節能等，但這些運行參數也應有其合理的上限或下限值，各運行參數下的操作需要能保證系統長期穩定運行，立磨能平穩運轉，如合適的產能水平、磨機振動在合理范圍、立磨外排循環量可控、立磨及分級機內耐磨件磨損程度均勻等。

4 討論

工業試驗驗證利用LM 型立磨粉磨800 目細度等級重鈣粉的系統關鍵運行參數，試驗及分析結果來自于LM 型立磨及分級機結構特點、重鈣粉原料固有理化特性以及粉磨的產品細度等前提條件。對新建的重鈣粉生產線設計配置以及現有的重鈣粉生產線運行管理，如何做好這些運行參數的調試值得探討。

重鈣粉原料一般為方解石、大理石、石灰石等天然碳酸鹽礦物粉碎而成[15]，其自身的硬度、易磨性、水分等均存在差別，運行參數也有不同，同一種原料粉磨至不同細度時運行參數也不同。粉磨相同原料和細度產品時，也存在不同的立磨結構和工藝，其運行參數也不盡相同。

重鈣粉新建項目前期階段，可以利用文中的工業試驗思路，針對指定的原料和需要的產品細度等級等進行工業粉磨試驗，更準確地找到系統運行參數控制范圍，為生產線的設備選型做參考且能更好地制定出實際生產運行參數范圍，匹配設備規格型號和系統配置可更好地把握項目投資，帶來更高的生產效益和運行經濟性。如存在原料來源不變、產品細度固定單一等情況，進行工業試驗能準確確定磨盤轉速，立磨特別是大型立磨磨盤轉速可以不用配置調整功能，其電氣設計上也不用配置調速裝置，可節省硬件投資費用和生產維護費用等。

5 結語

利用工業試驗，采用正交試驗法得到重鈣粉立磨工藝系統運行參數的四個最佳因素水平依次為高操作壓力、高粉塵濃度、低轉子轉速和中等磨盤轉速，其中操作壓力和粉塵濃度水平影響尤為重要。立磨工藝系統生產管理和操作人員也需要詳細了解系統及設備的特性，明確各運行參數的控制要求，并能分析總結不同運行參數對產品質量、電耗等相關性能的影響，用于指導生產實踐，以實現重鈣粉立磨粉磨系統的高效節能經濟性生產。