球磨机工作原理及球磨机研磨体运动分析.docx
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球磨机工作原理及球磨机研磨体运动分析
球磨机工作原理及球磨机研磨体运动分析
所以减小入磨粒度能提高磨机生产能力，降低电耗。
加料均匀，而且加料量合适，则磨机生产能力提高。
加料量太少或过多，都要降低生产能力。
因为加料量太少时，研磨体降落时，并不全部冲击在物料上，而是有一部分研磨体互相撞击，作了无用功；反之，加料量过多，研磨体的冲击能量不能充分发挥，磨机生产能力也不能提高。
（2） 球磨机结构方面
磨机的长径比与生产方式有关，对于开流生产系统的磨机，为保证产品的细度一次合格，长径比L/D=3.5~6；对于圈流生产系统的磨机，为加大物料的流通量，应选取L/D=2.5~3.5。
磨机内的仓数一般为2~4仓，长径比愈大，仓数愈多。
可根据生产实践经验来确定，一般干法圈流生产磨机：
双仓磨时，第一仓仓长为全长的30%~40%，第二仓仓长为全长的60%~70%；三仓磨时，第一仓仓长为全长的25%~30%，第二仓仓长为全长的25%~30%,第三仓仓长为全长的45%~50%。
对于开流生产的磨机，细磨仓应适当增加长度。
生产高强度等级的水泥时也是这样，这是为了增加物料的细磨时间，使产品达到细度要求。
磨机内隔仓板的形式，隔仓板的篦孔数量和大小要恰当，如果篦孔数量不多，尺寸太小，隔仓板的有效通风面积就小，这样增加了抽风阻力，而且物料流速也受到一定影响。
如果篦孔数量太多或太大，则隔仓板的强度不够，且易使较粗颗粒进入下一仓，负荷加重，各仓工作便失去平衡。
磨机衬板的表面形状对磨机产量的影响也不小，因它可以改变研磨体的提升高度，即影响研磨体对物料的冲击和研磨效率。
所以，应该正确选择衬板的形式。
物料在磨内粉磨效率也与研磨体的种类、规格、级配和填充率有关。
因此，必须正确合理地选择。
（3） 采用新技术方面
粉磨系统自动控制。
根据磨机噪声，采用电耳法控制电磁振动给料机或皮带喂料机，控制磨内物料适量和自动调节物料均匀加入，使磨内物料量始终保持最佳状态，这样可提高磨机产量。
加强磨内通风。
磨内具有一定的风速，使粉磨过程中产生的微粉能及时被气流带走，减少了微粉的缓冲作用，可以提高粉磨效率，产品质量不会受到影响。
当通风良好时，磨内水蒸气及时排出，隔仓板篦孔不致被堵塞，研磨体的粘附现象也减少，并能降低磨内温度，这样有利于磨机操作和提高产品质量。
磨内通风速度因粉磨不同物料而不同，一般为0.3~1.0m/s。
生产高强度等级水泥应选用低速；反之应选用大一点的速度。
磨内喷水。
粉磨水泥时要产生很多热量，这对水泥质量和粉磨效率都是不利的，并影响产量。
水以高压空气加以雾化喷入磨内，有效地带走了磨内的热量，实现磨内冷却。
水是表面活性物质，容易使微粒的聚结体实现解体，防止研磨体上包料。
磨内喷水是根据磨内温度而确定，一般在100℃以下不喷水。
另外，喷水量根据入磨熟料温度而定，约占水泥量的1%~2%，并使喷入磨内水分完全蒸发，不残留水分。
从磨头喷水或磨尾喷水都可以。
当入磨物料温度很高时，从磨头喷水比较有利，而在一般情况下是从磨尾喷水的。
磨内喷水可使生产能力提高5%~10%。
磨内加入助磨剂，可提高生产能力10%左右，一般用三乙醇胺，掺入量占入磨物料的0.04%~0.1%。
（4） 球磨机生产能力计算
上述各因素都会影响磨机的生产能力，至今还没有一个能将这些因素全部包括在内的计算公式，确切的数据必须通过生产实践才能确定。
现将一般常用的计算公式介绍如下
Q=0.2VDnGV0.8K （7.70）
式中:
Q——球磨机的生产能力，t/h；
V——球磨机筒体的有效容积，m3；
D——筒体的有效内径，m;
K——球磨机单位功率单位时间的产量,t/（kW·h）。
球磨机单位功率单位时间的产量见表1。
1.4 研磨体 1.4.1 研磨体的种类与材质
（1） 研磨体的种类
不同形状和大小的研磨体，在粉磨过程中具有不同的研磨作用。
水泥厂中球磨机使用的研磨体按其形状分类主要有以下几种:
① 钢球 钢球是球磨机广泛使用的一种研磨体。
根据粉磨工艺要求，通常选用20～120mm的各种规格的钢球；对于球磨机的粗磨仓一般选用50～100mm的各种钢球，细磨仓则选用20～50mm的各种钢球。
② 钢锻 钢锻的外形为短圆柱形，其规格以直径乘长度的毫米数表示。
钢锻一般用于开路球磨机的细粉磨仓，也用于闭路球磨机的细粉磨仓。
常用的钢锻的规格有15mm×20mm、18mm×22mm、20mm×25mm、25mm×30mm等。
小磨细磨仓的钢锻直径小至12mm以下。
③ 钢棒 钢棒是棒磨机使用的一种研磨体。
钢棒规格以直径乘长度的毫米数表示。
钢棒直径一般选用40～90mm，棒长应比磨机棒仓长度短50～100mm。
例如：
2.4m×13m湿法棒球磨，第一仓有效长度为2.75m，使用钢棒规格为60mm×2650mm、65mm×2650mm和70mm×2650mm。
（2） 研磨体的材质选择
研磨体应具有较高的耐磨性和耐冲击性。
要求其材质坚硬、耐磨又不易破裂。
研磨体表面不允许有毛刺和裂缝，钢球的不圆度不得超过其直径的2％。
在水泥工业中，磨机研磨体及衬板的消耗量相当大，研磨体材质的好坏，不仅影响到磨机的粉磨效率，而且关系到磨机的运转率。
世界各国在提高研磨体的耐磨性上作出了成果，从20世纪60年代至70年代就广泛应用高铬铸铁（钢）球。
日本主要有高铬钢球、低铬钢球和合金白口铸铁球；德国主要有高铬铸铁球和低合金钢球；美国、加拿大常用合金钢球。
近年来，在我国水泥工业中，球磨机用的研磨体材质有如下几种：
① 高铬铸铁 高铬铸铁是一种含铬量高的合金白口铸铁，其特性是耐磨、耐热、耐腐蚀，并具有相当的韧性。
马氏体基体的高铬铸铁球表面硬度HRC可达54～66。
高铬铸铁球的耐磨性为普通碳素钢球的8～12倍。
② 低铬铸铁 低铬铸铁含有少量的铬元素，可保持铸铁的白口获得马氏体金相。
低铬铸铁韧性较高铬铸铁差，但有良好的耐磨特性，用作小球、铁锻以及细磨仓中的衬板是适宜的。
③ 锻造轴承钢 锻造轴承钢可以制造各种直径的钢球，含碳量为1.0％左右，含铬量为1.5％左右，其余元素为常规含量。
球耗比高铬铸铁球高，但由于合金元素含量低，仍有较广阔的使用市场。
棒球磨的钢棒材质要求硬度高、耐磨、不断碎、不弯曲，常用40Mn钢或70号高碳钢轧制而成。
1.4.2 研磨体的合理装载量
（1） 填充率的计算公式
磨机内研磨体填充的容积与磨机有效容积之比的百分数，称为研磨体的填充率。
φ=VsVm×100% （7.71）
式中:
φ——磨内研磨体填充率，％；
Vs——磨内研磨体填充的容积，m3;
Vm——磨机（仓）有效容积，m3。
图11 磨
析，求出da和db。
图12 计算平均粒径用的坐标图
1—熟料粒度分布；2—矿渣粒度分布
一般可用孔径为30mm、20mm、13mm、10mm和5mm的套筛作熟料或石灰石筛析；用孔径为4mm、2mm、1mm和0.5mm的套筛作矿渣筛析。
每个编号的筛析结果用粒度特性坐标作出筛孔直径与被测物料通过量（％）的关系曲线（参见图12），再查取通过80％物料量的筛孔孔径定为入磨物料的平均粒径da；通过95％物料量的筛孔孔径定为入磨物料的平均最大级粒径db。
作各种入磨物料易磨系数试验，求出Km。
计算磨机待配球仓的单位容积物料通过量
KK=Avm （7.82）
式中:
A——磨内物料每小时的通过量，t／h；
Vm——磨（仓）内有效容积，m3。
根据K值查表7.4得出f值。
将以上求得的各数据代入式（7.80）和式（7.81），即可求得钢球的平均球径Da和最大级球径Db。
（2） 钢球级配选择
经过计算求得钢球的平均球径和最大级球径后，需要确定用几种直径不同的钢球进行配合。
钢球的级配数可参阅表7.6中的级数进行选择。
在生产过程中由于入磨物料粒度和易磨性等因素变动较大，因此，钢球级配的平均球径也应该有一个相应的变动范围。
在此范围内可采用优选法确定最优配球方案，同时进行一些必要的技术测定，然后加以分析比较，得出在一定生产条件下的最佳配球方案。
研磨体的装载量和级配是否合理，必须在生产过程中进行检验，如果设计的配球方案能得到优质、高产、低消耗和安全运转的效果，那么这个配球方案就是正确的，否则就需要具体分析原因，并对配球方案重新进行修正。
1） 根据磨机产、质量情况判断
① 磨机产量低、产品细度较粗：
有可能是由于研磨体已磨损过大或装载量不足所致。
此时，应检查确定添加各种研磨体或更换新的研磨体。
② 磨机产量较高，但产品细度较粗：
有可能是由于磨内物料流速太快，冲击力过大，而研磨能力不足所致。
此时，宜适当减少大球，增加小球或钢锻，以加强研磨作用，减少研磨体之间的空隙，降低磨内物料流速，使物料能得到充分的粉磨。
③ 磨机产量低、产品细度较细：
可能有两种原因：
第一，球径太小，冲击粉碎作用减弱，此时宜适当增大球径；第二，钢球太多，填充率过大，导致冲击力减弱，此时应适当调整钢球装载量。
2） 检查球料比
粉磨效率的高低，很大程度上取决于合理的球料比。
而合理的配球，又是保持合理球料比的重要保证。
如果各仓球料比数值不在适宜范围内，则可根据实际情况调整钢球级配。
3） 筛析曲线检查
如图13的筛析曲线所示：
研磨体级配适当及操作正常的磨机，其筛析曲线的趋向应当是在一仓入料端有倾斜度较大的下降趋势，而在末仓接近磨机出口时一般较平缓。
如果在一仓中筛析曲线下降不显著，说明一仓粉碎能力不足，应调整研磨体的级配。
各仓筛析曲线如果出现较长的水平线段，说明这一段物料细度变化不大，粉磨情况不良，应当设法改变研磨体级配或清仓剔除碎小的研磨体。
如果隔仓板前后物料的筛析百分数相差太大，也说明两仓能力不平衡，首先应检查隔仓板篦孔宽度是否符合要求，若篦孔宽度超过规定的数值较大，则应更换篦板或堵孔缩小篦孔。
若篦孔有堵塞现象，应及时剔除杂物，保持篦孔通畅。
为了平衡各仓粉磨能力，也应适当调整研磨体装载量或改变仓位长度。
图13 磨机筛析曲线
除以上三种判断方法以外，对闭路磨机还要通过技术测定，计算粉磨及选粉的各项参数值，以分析判断磨内钢球级配是否合理。
1.4.4补充研磨体的做法
（1） 根据单位时间消耗量补充研磨体
在正常生产情况下，统计得出磨机研磨体的单位时间平均消耗量，然后按此作出每月、每个加球周期的加球计划。
日常生产中按此计划补充钢球或钢锻。
（2） 根据磨机产量与单位产品研磨体消耗量补充研磨体
使用这一方法，首先要作好统计工作。
在每次重新更换研磨体时，把各仓的研磨体装载量以及后来补充的研磨体量分别记录下来，然后按下式计算
E=A+B-CM （7.83）
式中:
E——单位产品研磨体消耗量，kg／t；
A——第一次装入磨内的研磨体质量，kg；
B——运转周期内定期补充的研磨体累计质量,kg；
C——清仓时由磨内倒出的研磨体总质量,kg；
M——磨机在运转周期内粉磨的产品总质量,t。
注意：
球、棒、锻要分别统计。
通过多次统计测算，就可以得出一个比较准确的研磨体单位产品消耗量。
若以磨机的日产量乘这个数值，就可得出研磨体的日消耗量。
（3） 根据磨机电动机的电流值降低情况补充研磨体
在磨机正常运转时记录电动机的电流值作为额定研磨体量的相应电流值。
当磨机运转一段时间后，由于研磨体的磨损，其质量减少，电动机电流值降低，这时可适当补充研磨体，使电流值恢复到原来的额定球量时的电流值。
在每次补充研磨体时都应记录补充前后的电流值，待累积一定数据后就可得出每增加或减少1t研磨体，电动机相应升高或降低的电流值。
但同时必须注意因机械传动、电动机性能等变化而影响电动机电流读数变化的因素，以便对补充研磨体的数量加以修正。
（4） 实测磨内研磨体平面降低的高度来补充研磨体
测量磨内球面时，应先停止喂料，待磨机运转10min后再停止运转打开磨门，然后检查并测量球面高度H（如图14）。
磨内研磨体表面不平整时，应同时测量磨机进、出口两端的H值，然后求出平均值。
采用慢速辅助电机转动如停磨时
图14 磨内研磨体填充率测量
（a） 球面为水平;（b） 球面为斜面
研磨体表面一般呈斜面，则应采用T字形活动拉尺置于研磨体面的中心测量H值，然后计算H／Di值，再由表7.2查出研磨体的实际填充率，并算出磨内研磨体实际装载量。
以原设计的研磨体装载量减去磨内的实际研磨体装载量，即为应补充的研磨体数量。
研磨体的补充总量确定后，就要确定补充几种直径的研磨体问题。
一般从理论上分析，如果研磨体的材质耐磨性好、磨损量小、无破裂现象，则可通过理论计算或从磨内取出部分研磨体测量磨损后的级配比例，然后依此比例确定补充级别和比例，这就是合理的平衡补球法。
实际上往往由于研磨体的材质较差，磨损量大，而且常有形变球和破碎球发生，需要定期清除，这时一般只向磨内补充最大的一种或两种研磨体。
内研磨体填充面的中心高
（2） 实测磨内球面高度计算填充率
当磨机装入研磨体后需要验证它的填充率是否与配球方案中规定的数值相符，或者在磨机运转过程中因研磨体磨损后需要补充一些钢球和钢锻时，常用实测和查表法来核算研磨体的填充量。
其做法是在磨内没有物料或只有少量物料的情况下，先用尺测量磨机的有效内径Di；再通过磨机中心测量从研磨体面到顶部衬板的垂直距离H，然后计算H/Di值，其关系式如下（如图11）。
φ=β360-sinβ2π （7.72）
h=Di2cosβ2 （7.73）
H1=Di2-h=Di21-cosβ2 （7.74）
式中:
φ——磨机研磨体填充率；
β——研磨体填充表面对磨机中心的圆心角；
h——磨机中心至研磨体填充表面的距离，m；
Di——磨机有效内径，m；
H1——磨内研磨体填充面高度，m。
计算得出的H/Di值列于表7.2。
研磨体填充率大于32％的磨机，还可以采用以下经验公式直接计算填充率
φ0=113-126Hdi （7.75）
式中:
φ0——磨内研磨体填充率，％。
在测量磨内研磨体填充表面高度时，应该注意磨内物料的填充情况。
如果物料面高出研磨体15～20mm，则由计算得出的填充率应减去2%～4％的误差数。
研磨体的填充率对磨机的粉磨效率有很大的影响，研磨体填充率过高或过低都会导致磨机粉磨效率降低。
影响研磨体最佳填充率的因素较多，如磨机的形式、规格、内部结构特性以及被粉磨物料的性能等。
因此，应该在生产中通过试验来求出最佳填充率，并根据影响因素的变化程度进行适当调整。
表7.3为我国水泥工厂各种磨机一般的研磨体填充率数值。
表7.3水泥工厂各种磨机的研磨体填充率
磨机形式填充率φ（％）磨机形式填充率φ（％）中卸或尾卸烘干磨25～28一级闭路长磨30～36开路长磨25～30选粉烘干短球磨35~38棒球磨的棒仓20～25二级闭路短球磨40～45
对于二级闭路球磨机和多仓磨机的研磨体填充率，还应该根据各级或各仓粉磨作用的平衡状态适当进行调整。
例如：
一台三仓磨机在生产中如果显示出粗粉碎能力不足，而细粉磨能力较强，则应适当提高第一仓钢球的填充率而降低第三仓钢锻（球）的填充率，使各仓粉磨作用达到相对平衡。
生产中需要改变产品品种或质量要求时，也应该考虑适当调整研磨体的填充率。
（3）研磨体装载量计算
装入磨内（或仓内）的研磨体质量称为研磨体装载量，它取决于磨机填充率的大小。
G=Vφρ（7.76）
G=0.00785D2iLφρ（7.77）
式中:
G——磨内研磨体装载量，t；
V——磨机（仓）有效容积，m3；
Di——磨机（仓）有效直径，m；
L——磨机（仓）有效长度，m；
φ——磨内研磨体填充率，％；
ρ——研磨体容积密度，t/m3。
钢球的容积密度一般为4.56～4.85t/m3。
1.4.3钢球级配
大小直径的钢球及其质量的配合称为钢球级配。
钢球级配直接影响磨机的产量、产品质量和金属消耗。
钢球级配的合理选择，主要根据被粉磨物料的物理化学性能、磨机结构以及要求的产品细度等因素确定。
物料在粉磨过程中，需要钢球有足够的冲击作用，同时要有一定的研磨作用。
在研磨体装载量不变的情况下，小钢球比大钢球的总表面积大，与物料接触的机会多，故对需要研碎、细磨的细颗粒物料应选择小钢球。
但从另一方面看，要将大块的物料击碎，才能进行有效的细磨，因而必须使钢球具有较大的能量。
选用钢球的大小与被粉磨物料的粒度有一定关系，物料粒度越大，钢球直径也应该越大。
由此可见，磨机中完全使用大直径或完全使用小直径的钢球是不合适的，必须进行合理的配合。
根据生产经验，选择钢球级配一般按如下因素关系确定：
（1）依据入磨物料的粒度、硬度、易磨性以及对产品的细度要求确定钢球级配。
当入磨物料粒度小，易磨性好，产品细度要求较细时，就需要加强对物料的研磨作用，选用的钢球直径应小些。
反之，若入磨物料粒度较大，易磨性差时，就需要加强对物料的冲击粉碎作用，此时应选用大直径钢球。
（2）由大钢球配合的混合钢球群较由小钢球配合的混合钢球群空隙率大。
为了控制物料在磨内的流速，一般采用大小钢球配合使用。
适当减少钢球之间的空隙，能使物料在磨内的流速减慢，延长物料在磨内的停留时间，提高粉磨效率。
钢球的级配数也不宜过多，因为钢球在运动过程中，由于直径不同其线速度不一样，往往会产生钢球的自然分层，直径大的处在内层。
若级配过多，分层更严重，这会影响粉磨效率。
（3）选用钢球直径的大小，还与磨内单位容积物料通过量有一定的关系。
在闭路粉磨时，选粉机的回料使磨内单位容积物料通过量增加，在此情况下，钢球在冲击时，会受到一定的“缓冲”作用。
因此，循环回料量高，钢球的直径要稍为大些；反之则小。
（4）磨机衬板表面形状也是配球需要考虑的因素之一。
若衬板表面形状致使带球能力不足，则钢球提升高度降低，冲击力减小，此时钢球直径应选大些。
总之，由于影响钢球级配的因素较多，一个合理的钢球级配是相对的，暂时的，不是固定不变的。
最合理的钢球级配是在生产中通过测定分析磨机粉磨情况，以及统计钢球级配的历史资料而不断优选出来的。
（1） 钢球平均球径的计算
1） 配合后的混合钢球平均球径计算
Da=D1G1T1+D2G2T2+…+DnGnTnG1T1+G2T2+…+GnTn （7.78）
式中:
Da——混合钢球的平均直径，mm；
D1、D2、D3、…、Dn——各种钢球球径，mm；
G1、G2、G3、…、Gn——钢球直径分别为D1、D2、D3、…、Dn的钢球质量，t；
T1、T2、T3、…、Tn——钢球直径分别为D1、D2、D3、…、Dn的一吨钢球个数。
平均球径也可用如下的简便式计算，即
Da=D1G1+D2G2+…+DnGnG1+G2+…+Gn （7.79）
式中符号意义同上。
钢球的参数见表7.4。
2） 确定配球方案中平均球径的方法
在生产实践中，我国有很多水泥粉磨工作者提出了各种各样的配球方法，这些方法大部分是采用经验公式计算钢球级配，具有一定的实用性。
其中球径主要是依据入磨物料粒度大小、易磨性等来确定的。
下面介绍一种闭路磨机配球方法。
① 在确定配球方案中，首先要求出钢球的平均球径和最大级球径Da=283dafKm （7.80）
Db=283dbfKm （7.81）
式中:
Da、Db——钢球的平均球径、最大级球径，mm；
da——入磨物料以通过80％计的筛孔孔径表示的粒度，mm；
db——入磨物料以通过95％计的筛孔孔径表示的最大级粒度，mm；
Km——入磨物料的相对易磨系数；
f——单位容积物料通过量系数（见表7.5）。
常用钢球规格换算及重量表
Conversionchart＆weightlistofsteelballssize
钢球直径
Diameter
kg/1000个
kg/1000pcs
个/kg
pcs/kg
钢球直径
Diameter
kg/1000个
kg/1000pcs
个/kg
pcs/kg
mmin
kg
粒（近似）
about
mmin
kg
粒（近似）
about
0.5000
0.00051
1960780
13.493817/32
10.0
100
0.6800
0.00128
781250
14.0000
11.18
89
0.8000
0.00209
478470
14.28759/16
11.9
84.
1.0000
0.00408
245100
15.081219/32
14.0
71.4
1.2000
0.00705
141840
15.87505/8
16.3
61.3
1.3000
0.00893
111980
16.0000
16.69
59.9
1.4500
0.0124
80645
16.668821/32
18.9
52.9
1.58801/16
0.016
62350
17.0000
20.02
50
1.7500
0.0218
45871
17.462511/16
21.7
46.1
2.0000
0.0326
30700
18.256223/32
24.8
40.3
2.38123/32
0.055
18182
19.0000
27.96
35.77
2.5000
0.0637
15698
19.05003/4
28.2
35.5
2.7780
0.088
11349
19.843825/32
31.9
31.4
3.0000
0.11
9091
20.637013/16
35.8
27.9
3.17501/8
0.131
7634
21.0000
37.75
26.49
3.5000
0.175
5717
21.431327/32
40.1
24.9
3.96885/32
0.255
3922
22.22507/8
44.8
22.3
4.0000
0.261
3831
23.0000
49.59
20.17
4.76253/16
0.441
2268
23.018829/32
49.8
20.1
5.0000
0.51
1961
23.812515/16
55.1
18.2
5.55627/32
0.699
1431
24.0000
56.34
17.75
5.953115/64
0.86
1163
24.606331/32
60.8
16.5
6.0000
0.881
1136
25.0000
63.68
15.7
6.35001/4
1.04
962
25.40001
66.8
15
6.5000
1.119
894
26.19381-1/32
73.3
13.64
6.746917/64
1.25
800
26.98751-1/16
80.2
12.47
7.14389/32
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