一種U U型動葉片選粉機的研究及應用

豆海建，秦中華，王維莉，柴星騰，于濤，趙劍波

1 引言

選粉機是隨著圈流粉磨工藝的發展而發展起來的粉磨核心裝備之一，其性能好壞對水泥產品質量、系統產量及系統粉磨電耗影響很大。因此，為降低系統粉磨電耗，提高水泥成品質量，國內外均對選粉機開展了深入的理論研究[1～6]，在研究方法上均采用多重參照系MRF方法。MRF方法實質上是一種通過固定轉子，使氣流按設定的轉速繞轉子及動葉片流動的方法。該方法從理論上違背了選粉區內氣流由于轉子及動葉片的轉動而被動流動的實際物理過程?；贛RF方法的缺陷，天津院采用滑移動網格[7～9]方法，成功實現了轉子轉動過程的數值處理，并據此建立了國內外獨有的，基于轉子轉動過程的選粉機數值研究平臺[10～12]。該平臺包括選粉效率、循環負荷、Trump曲線等的CFD數值求解及數據處理技術。利用該平臺，天津院在對國內外選粉機常見的動葉片進行充分的理論研究的基礎上，提出了U型動葉片技術，結合天津院TRMK5.6試驗系統，開發了U型動葉片選粉機。自2015年10月，U型動葉片選粉機，先后于河北前進冶金科技、河北乾寶、徐州明潤、重慶萬州等數個現場的礦渣、生料、水泥中進行了工業應用，均取得了良好的效果。

2 實驗

2.1 U型動葉片技術的提出

為提高選粉機的技術性能，創建自有品牌，提高國產裝備在國際市場上的技術亮點，天津院以TRM56.4生料磨實物選粉機為研究對象，采用動力相似原則，設計選粉機的動葉片結構及配置數目。然后采用三維建模軟件，構建常見動葉片結構（見圖1）的選粉機三維實物模型。最后，利用天津院獨有的選粉機數值研究平臺，研究在相同的工況條件下不同動葉片結構的選粉機阻力性能。CFD計算結果見表1。流場計算結果見圖2、圖3。

圖1 選粉機常見動葉片結構

據表1，在相同的工況條件下，LV動葉片相對于其他常見動葉片，CFD計算選粉阻力最低，Leos?che動葉片、TRM動葉片的選粉機阻力最高，這同工業生產數據基本吻合。對比圖2、圖3，在相同的工況條件下，LV動葉片選粉區間的速度方向，相比于TRM動葉片選粉區的速度方向，更偏向徑向，這是LV動葉片選粉阻力低的動力學原因。從LV動葉片的結構上看，其內外風翅起關鍵作用。從圖2、圖3的速度矢量圖上，不難發現氣流流經動葉片后，由于徑向空間受壓縮，致使切向速度越來越大，由此產生的離心動壓也越來越大，繼而增大后續氣流的通行阻力。此時LV動葉片的內外風翅能平衡一部分離心動壓，降低后續氣流的通行阻力，從而降低選粉阻力。對比表1中L動葉片和LV動葉片的選粉阻力值，LV動葉片相對于L動葉片選粉阻力低，主要原因是LV動葉片多了外風翅。Leosche動葉片雖有外風翅，但其外風翅在跟隨轉子轉動過程中卻產生了外推氣流的作用，阻止了氣流進入轉子內部，因此其選粉阻力最高。

表1 常見動葉片結構的選粉機CFD計算結果

圖2 TRM動葉片選粉區速度矢量圖

圖3 LV動葉片選粉區速度矢量圖

通過上述分析，從降低選粉阻力的角度，不難得出動葉片的內外風翅起關鍵作用的結果，但LV動葉片的結構不一定是最優的，有必要對其進一步優化。據此，對LV動葉片進行優化改進，3種方案如圖4所示。在相同的工況條件下，CFD數值求解選粉阻力、選粉效率，計算結果見表2、表3。

圖4 LV動葉片優化改進方案

根據表2、表3計算數據，LV內折120°，相對于LV標準動葉片，選粉阻力降低了701.3Pa，降幅高達23.7%，效果十分明顯。在選粉效率方面，LV內折120°，相對于LV標準及另外兩種優化方案，45μm選粉效率提高了3～8個百分點，80μm選粉效率最低。無論對于生料顆粒還是水泥顆粒，80μm已屬于粗顆粒，從成品細度控制和選粉角度而言，80μm顆粒的選粉效率不宜太高，否則就會出現成品跑粗的現象。因此，LV內折120°動葉片方案，展現了其選粉清晰度高的優良性能，非常適合于水泥、礦渣等細度、顆粒級配要求高的粉磨系統選粉，因其截面輪廓類似“U”形，天津院于2010年提出全新U型動葉片技術。

表2 LV動葉片改進方案CFD計算阻力

表3 LV動葉片改進方案選粉機CFD計算選粉效率（轉速57r/min）

圖5 SK520選粉機U型動葉片轉子

2.2 U型動葉片選粉機試驗研究

為驗證U型動葉片選粉機的理論研究結果和性能，天津院以TRMKS5.6試驗磨的SK520選粉機為研究對象，采用動力相似原則，設計了U型動葉片轉子（圖5）。同時為研究不同靜葉片結構對分選性能的影響，設計了L型直靜葉片-U型動葉片（L-U），N型靜葉片-U型動葉片（N-U）兩種方案的試驗磨選粉機，以礦渣為試驗原料，共計72種工況礦渣粉磨試驗。

基于上述U型動葉片的三種方案下的選粉機試驗數據統計分析，U型動葉片選粉機相對傳統O-Sepa選粉機：L-U型選粉機阻力降低26.7%；主機電耗降低12.4%；成品比表面積：L-U型提高27.6%，N-U型提高32.1%；R45μm（%）細度：L-U型增加0.7個百分點，N-U型降低2.8個百分點；成品顆粒分布n值：L-U型降低7.7%，N-U型降低8.2%。

3 結果與討論

在充分試驗的基礎上，天津院第一臺N-U型選粉機，于2015年10月在前進冶金科技有限公司（以下簡稱“前進公司”）TRMS43.3礦渣磨（1號磨）、NU4826選粉機進行了工業應用，取得了良好的效果。系統產量、電耗、成品質量的標定數據見表4。

為更直接對比U型動葉片的技術效果，天津院協同前進冶金科技有限公司，于2017年4月將1號磨選粉機U型動葉片更換為某公司L型動葉片，并于2017年6月進行了系統標定，標定數據見表5。

根據表4、表5的標定數據可知，前進公司TRMS43.3礦渣磨的同一臺選粉機，在更換為某公司L型動葉片后，雖然使用的是外購礦渣，T3000=78.9min，相對原U型動葉片時使用的自產礦渣，T3000=90.2min，易磨性變好，但磨機產量、系統電耗、成品比表面積等方面卻變差。更換L型動葉片后，系統臺時產量由U型動葉片時的干基123.8t/h下降至干基101.8t/h，降幅達17.8%；成品比表面積平均下降110cm2/g，系統電耗增加2.2kWh/t。理論上講，若物料易磨性變好，磨機系統臺時產量應提高，比表面積應增加，電耗應降低，但更換L型動葉片后結果卻相反。這證明U型動葉片相對某公司L型動葉片，在提高主機粉磨效率、降低系統電耗上具有明顯的優勢。

表4 前進公司TRM43.3礦渣磨N-U型選粉機標定數據

表5 前進公司TRMS43.3礦渣磨選粉機更換為L型動葉片后標定數據

在N-U型選粉機與該廠非同一規格磨機（2號、3號TRMS32.2）的傳統O-Sepa選粉機對比中，也表現出了同樣的技術優勢。在同一時間段粉磨相同的物料時，2號、3號磨的系統電耗最優時38kWh/t，而1號磨正常時為34kWh/t左右，磨輥磨損后期為38kWh/t左右；顆粒級配方面，2號、3號磨的O-Sepa選粉機的成品顆粒分布n值平均在1.17，而1號磨N-U型選粉機的n值平均1.08；在礦粉活性方面，在粉磨相同的礦渣原料時，N-U型選粉機相對于傳統O-Sepa選粉機活性有變好的趨勢。

為從理論上進一步了解前進公司TRMS43.3礦渣磨N-U4826選粉機的性能，天津院利用自己獨有的選粉機數值研究平臺，CFD數值求解了該選粉機在相同的轉速、喂料量等工況條件下，U型、L型兩種動葉片配置方案的Trump曲線，計算結果見圖6。從圖6的選粉機Trump曲線可知：（1）相同的工況條件下，U型動葉片旁路值β≈5%，L型動葉片的β≈10%；（2）相同轉速條件下，U型動葉片分選的成品顆粒更細；（3）對于粒徑≥35μm的顆粒，U型動葉片分選更清晰。因此，從CFD理論計算結果上看，U型動葉片相對于L型動葉片選粉效率更高、分選更清晰。這就是前進公司TRMS43.3礦渣磨更換為某公司L型動葉片后，產量下降、電耗升高的內在原因。

圖6 前進公司TRMS43.3礦渣磨SS4500選粉機U/L動葉片方案CFD計算Trump曲線

在U型動葉片選粉機繼前進冶金科技有限公司TRMS43.3礦渣磨首臺工業應用后，又先后應用于河北乾寶MLS4250生料磨、徐州明潤TRM?WF36.3礦渣磨、西南萬州MLS4531生料磨，均取得了良好的應用效果，且在生料細度控制上，可實現放粗80μm細度的同時，200μm細度不超的優良性能（R80μm=19%～20%，R200μm≤2%）。

4 結論

（1）U型動葉片選粉機，是在對選粉機常見動葉片結構進行了充分的CFD理論分析的基礎上，提出的具有兼顧阻力、效率的優良性能的選粉機。

（2）根據已投產的生產數據統計分析，U型動葉片選粉機，相比于傳統O-Sepa選粉機，系統產量提高15%～20%，成品比表面積增加8%～10%，成品顆粒分布n值降低6%～7%，系統電耗降低10%～12.5%（降幅≥2kWh/t）。

（3）U型動葉片選粉機相比于傳統O-Sepa選粉機，在相同的選粉機轉速條件下，成品更細、顆粒級配更寬，粒徑≥35μm的顆粒分選更清晰，非常適合于對成品顆粒級配要求高的水泥、礦渣等粉磨系統選粉。在水泥生料上具有放粗80μm細度的同時，200μm細度不超的優良性能（R80μm=19%～20%，R200μm≤2%）。

TRM53.4生料磨原創技術在永登項目的成功實踐

近日，天津院有限公司承擔的永登祁連山TRM53.4生料磨原創技術改造項目取得圓滿成功。

永登祁連山水泥有限公司擁有3條新型干法回轉窯水泥熟料生產線，其中3號線設計5 000t/d，生料磨采用天津院TRM53.4生料磨，改造前產量500t/h，R200μm=2.0%～2.4%，系統電耗 17.05kWh/t。為降低3號線生料磨電耗，業主通過多方案對比最后決定采用天津院最新NU選粉機、中殼體風量衡、楔形蓋板風環等原創技術進行系統改造。

磨機技改后于2018年9月通過性能考核：磨機產量由改造前的500t/h增加至517t/h，R200μm細度由改造前的2.0%以上降至1.4%，系統電耗由改造前的 17.05kWh/t降至 15.14kWh/t，降低 1.91kWh/t，各項指標均達到合同保證值。10月22日，該項目由祁連山集團驗收通過。

該項目是繼安徽大江、浙江新明華項目后，NU選粉機、中殼體風量平衡、楔形蓋板風環三項原創技術又一次成功的系統集成工業應用，展現了公司在技術創新和系統集成創新方面的進步和技術實力。