新型水煤浆磨机的研究与试验

　　摘　要　论述新型水煤浆磨机的工作机理，技术关键的研究及试验方法。
　　关键词　水煤浆　磨机　耐磨材料　粒度分析

1　概　　述

　　水煤浆具有易燃烧，效率高，易储存，低污染等优点已作为一种新型煤代油燃料受到世界各国的普遍重视。经过长期的研究和实验，水煤浆技术已进入工业应用阶段。我国的水煤浆技术虽然起步迟，但发展快，目前水煤浆的工业生产已初具规模。
　　水煤浆的生产过程中，煤的磨制是其中重要的一环，它不仅要求产品达到一定的细度，而且还要能满足水煤浆的粒度级配要求。随着水煤浆技术的不断发展，对磨机的需求量不断增加，同时要求磨机在高效节能上更具特色以降低水煤浆的制作成本，新型水煤浆磨机的研究为水煤浆制备提供了重量轻、噪声低、节能高效的新一代磨机。

2　总体方案设计

　　采用立式筒体固定在机架上，筒体内装有若干个浮动式磨辊，磨辊由主轴带动，并紧贴筒体内壁既作公转又作自转，安装在机架上的2台电机，通过胶带传动使主轴高速旋转，被磨物料由筒体上部的进料口进入，浮动的磨辊根据不同的进料量与筒体内壁形成不同的滞留层厚度。经磨辊的高速旋转产生的碾磨力和剪切力把物料磨碎后，由筒体下部旋转的刮板强迫出料。新型水煤浆磨机的结构见图1。

图1　新型水煤浆磨机结构
1—筒体；2—机架；3—磨辊；4—主轴；
5—电机；6—进料口；7—出料口

3　主参数的确定

　　该磨机与球磨机不同，它是在高转速高破碎力条件下，使物料受到强大应力而碾压粉碎成所需产品的，而磨碎效果与下列因素有关，即离心力F、物料的最大破碎压应力σ、粉磨滞留层厚度S、驱动功率N、磨辊线速度V、下料速度Q、筒体内径D、磨辊直径d等。因其工作过程的函数关系式极其复杂，难以用简单的物理方程式或微分方程表示。这样磨机的工作参数就无法直接计算确定。为此运用相似模拟法来确定工作参数，即用在南京化工大学试验证明性能良好的小磨机作为模型机，运用相似理论中量纲(因次分析法)经数学运算导出相似准则如下式：

　　(1)

亦可变换为如下形式：

　　(2)

设带有下标m的各参数为模型机参数，带有下标p各参数为模拟放大磨机的工作参数，则有

　　(3)

设各参数的相似系数为C；并代入式(2)得到磨机相似条件为：

　　(4)

由此可以看出：

　　(1)磨机工作参数的相似系数必须满足式(4)的条件；
　　(2)达到同一粉磨效果的离心力与磨机几何尺寸的平方成正比；
　　(3)磨机驱动功率与离心力和磨辊速度有关；
　　(4)磨机生产能力同磨辊速度、磨机几何尺寸及物料性质有关。
　　对一种磨机而言，如果磨粉同种物料达到同一粉磨效果时可得到下式：

　　(5)

　　由(5)式，在已知模型机各类基本参数后，就可确定放大的工作磨机的各项工作参数。

　　经计算得到生产能力为Q＝3.5t/h放大磨机的工作参数如下：
　　筒体内径　D＝465mm
　　磨辊直径　d＝169mm
　　磨辊长度　L＝507mm
　　磨机功率　N＝54kW
　　在对水煤浆磨机作技术设计时再将以上计算值圆整为实际的技术参数。

4　磨机耐磨材料的选择

　　耐磨材料的选择，除了分析各类耐磨材料的特性外，还必须分析新研制磨机的磨损机理及工况特点，最后选择最佳的耐磨材料。
　　该磨机的工作过程中，进入磨辊与筒体内壁间的物料在高剪切力、高挤压力作用下被磨碎，这种由硬颗粒在摩擦过程中引起的材料脱落现象属磨料磨损。美国矿业局按力的作用特点又将磨料磨损分为三类，凿削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式。经分析该磨机应属高应力碾碎式磨料磨损。
　　对耐磨材料的要求是具有高的抗磨粒磨损性能，一般来说金属材料随含碳量的增加硬度亦增加，耐磨性也相应提高，同时随含碳量的增加材料的韧性降低，机加工和焊接性能都恶化。实际上耐磨材料存在着硬度与韧性最佳匹配的问题，如高铬铸铁，由于含铬量高(13%～15%)使普通白口铸铁中呈网状分布的碳化物变为呈块状分布，其耐磨性明显提高，但其脆性大韧性差，且机加工非常困难，可焊性极差。这对高应力碾碎式塑变为主要磨损形式的水煤浆磨机就不适用。
　　该磨机以磨煤为主，虽然煤的硬度较低，在高应力碾碎时以塑变为主，但煤中矿物杂质(如方解石、高岭土、石英和铁矿石)硬度很高，这些硬杂质则以微观切削为主，形成犁沟，为此要求所选材料具有足够硬度，同时还应有一定的韧性。
　　根据磨损机理，由实验证明磨粒硬度H_a与所选耐磨材料硬度H_m之比在0.64处为一转折点，当H_a／H_m＞0.64时属硬磨粒磨损，随所选材料硬度的提高，相对磨损1／ε急剧下降，相对耐磨性g提高。对煤而言，其硬度H_a＝250～350kg/mm²，由H_a／H_m＝0.64可知：材料硬度H_m＝390～550kg/mm²即HV390～550kg/mm²、相当于HRC41～52；但考虑到煤中石英和黄铁矿这样的硬杂质不可能完全洗选干净，同时考虑该磨机除了能磨煤外，对其他比煤更硬的一些物料也能适应，因此所选材料硬度取HRC＞55。再考虑机加工性能、价格等因素，新型水煤浆磨机选用ZG40SiMnCrMo低合金铸钢作为磨辊和筒体内衬套的耐磨材料。

5　磨机的磨碎性能试验

　　试验装置如图2，由料斗和GZ-5型电磁振动给料机对磨机加入粒度小于6mm的干煤，通过调节给料机电位器电流大小，改变给料机振幅，以达到调节进料量的目的，对不同进料量的磨碎进行试验，并对出料进行随机取样，样品的粒度分析采用筛分法(标准套筛)与沉积分析法(如NSKC-光透射沉降粒度测定仪)，二者相结合的方法进行测定，即粗颗粒(＞75μm)的粒度分布由筛分的方法测定，细颗粒(＜75μm)由沉积法测定。表1对3种不同进料量的干煤磨碎后的粒度级配测试。试验证明各部件运转灵活可靠，磨碎效果良好，并由表1数据分析可知磨机的进料量对粉磨产品粒度影响较明显，即产品细度随进料量的变大而变粗，工作电流与功耗也相应变大。

图2　磨碎性能试验装置
1—料斗；2—振动给料机；3—磨机；4—出料仓

表1　粒度级配测试记录