陶瓷用球磨機節(jié)能改造技術研究

楊炳勇

（泉州工藝美術職業(yè)學院，福建 泉州 362500）

陶瓷用球磨機節(jié)能改造技術研究

楊炳勇

（泉州工藝美術職業(yè)學院，福建 泉州 362500）

本文通過對陶瓷用球磨機其生產(chǎn)工藝、運行規(guī)律及主要參數(shù)的研究，提出陶瓷用球磨機的最佳工作轉(zhuǎn)速，并采用變頻器-永磁同步電機直接驅(qū)動球磨機小齒輪的模式進行驅(qū)動，改造傳統(tǒng)的異步電機-減速機驅(qū)動模式.改造后的球磨機，在傳動效率、功率因數(shù)上明顯提高，維護頻率大大降低，節(jié)能效果明顯，具有很好社會經(jīng)濟效益.

陶瓷；球磨機；變頻；永磁電機；節(jié)能

球磨機是陶瓷工廠原料制備中電機容量最大的設備，它主要用于各種礦石原材料的粉磨，在粉磨過程的過程中，電量消耗量巨大[1].由于企業(yè)對球磨機技術的認識還遠遠不夠，同樣規(guī)格及同樣粉磨工藝的系統(tǒng)，有些企業(yè)電耗高產(chǎn)量，有些企業(yè)磨機產(chǎn)量卻很低，且高產(chǎn)量與低產(chǎn)量比例幾乎接近一倍.傳統(tǒng)認為，球磨機粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量低是由入磨物料的水分、入磨物料的粒度、物料的易磨性等因素引起的，但通過我們大量研究證明，這些因素對磨機的影響并不是主要的，甚至可以忽略，因這些因素在陶瓷生產(chǎn)過程往往是無法回避和選擇的[2].

1 陶瓷球磨機高能耗原因分析

陶瓷球磨機是利用轉(zhuǎn)動的筒體，不斷地帶動大量的研磨體在筒體內(nèi)對原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，使物料達到成品細度要求.

陶瓷球磨機一般采用異步電機—液力耦合器—減速機—小齒輪—大齒輪的模式驅(qū)動回轉(zhuǎn)部如圖1所示.其效率不高，主要原因有：

（1）液力耦合器在球磨機啟動時可以起到緩沖作用，讓電動機可以輕載啟動，以減小啟動電流，但球磨機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，在用液力耦合器調(diào)速時，其調(diào)速效率等于調(diào)速比，在低速時有近3/4的能量被浪費[6].

（2）異步機和減速機的效率非常低（分別為86%和88%左右），并且存在著維護頻繁、漏油等一系列問題.

（3）我國陶瓷廠球磨機的實際工作轉(zhuǎn)速,一般取臨界轉(zhuǎn)速的70%～90%，如此寬的取值范圍,勢必給球磨機的轉(zhuǎn)速選取帶來較大的不確定性[3].

圖1 改造前球磨機系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)改造方案

通過對陶瓷球磨機高能耗原因的分析，本次改造方案主要從兩方面入手：一是通過分析球磨機的生產(chǎn)工藝、運行規(guī)律及主要參數(shù)，從而確定球磨機的最佳工作轉(zhuǎn)速；另一方面是采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機（效率90%，較傳統(tǒng)模式提高15%）配套變頻器直接驅(qū)動小齒輪，帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，改造傳統(tǒng)的驅(qū)動模式.具體的改造思路如圖2所示.

圖2

3 球磨機的最佳工作轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)大量的一線工作實際分析，球磨機要有粉碎效果，其轉(zhuǎn)速率的值在10%-90%之間，礦料才能受到研磨體的沖擊和研磨作用，因球磨機轉(zhuǎn)速率低于10%，球磨機內(nèi)的介質(zhì)處于瀉落狀態(tài)，研磨體對礦石只有研磨作用，沒有沖擊作用，磨礦的效率極其低下；而當球磨機的轉(zhuǎn)速過高,會超過其臨界值，球磨機內(nèi)的介質(zhì)將處于離心狀態(tài)，將不會再有粉碎效果[4].

為驗證球磨機轉(zhuǎn)速對粉碎效果的影響，本文把生產(chǎn)經(jīng)驗選取具有代表性的三個轉(zhuǎn)速率，進行實驗分析，分別為50%、70%和90%.由于球磨機用變頻器進行轉(zhuǎn)速控制，還需要計算變頻器的輸出頻率.

表1 轉(zhuǎn)速率和變頻器輸出頻率的對應關系

球磨機的產(chǎn)量越高,并不能說明其粉碎效率就越高，而是要安單位產(chǎn)品的能耗，即產(chǎn)品的比能耗來衡量球磨機效率的高低[5].

表2 磨礦50分鐘后-200目以下粒度產(chǎn)品的產(chǎn)量

表3 磨礦50分鐘后球磨機消耗的電能

表4 磨礦50分鐘的比能耗

從表4可以看出比能耗隨著轉(zhuǎn)速率和填充率的變化趨勢,經(jīng)過大量實踐驗證分析當轉(zhuǎn)速率=

0.69，填充率=0.33時,比能耗從取得最小值為

0.97kW/hkg.

4 變頻器—永磁同步電機直驅(qū)球磨機設計

4.1 變頻器選型與參數(shù)設置

在球磨機行業(yè)，變頻器選型時，考慮球磨機運行環(huán)境溫度高和球磨機負載慣性大的特點，往往選擇變頻器功率比球磨電機的功率大一檔或兩檔，以提高變頻器的環(huán)境適應能力和帶載能力,這種選型策略對變頻器的使用壽命較好，但如參數(shù)設置不當，不利于球磨電機的保護[7].因此當選型變頻器功率大于電機功率時，要合理設置電機過載保護系數(shù)及變頻器電流限制等參數(shù)，以實現(xiàn)電機的合理保護[7].

本次應用的球磨機是一臺立式球磨機，電機功率300kW，變頻器選用WIN-V63-315T4，同功率匹配，WIN-V63變頻器主要參數(shù)設定如表5、6所示.

表5 變頻器中電機參數(shù)設置

表6 WIN-V63變頻器主要參數(shù)設定表

4.2 球磨機驅(qū)動系統(tǒng)改造

為了提高傳動環(huán)節(jié)的效率，本次改造采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機直接驅(qū)動小齒輪，帶動大齒輪轉(zhuǎn)動[9].為了不影響生產(chǎn)周期，本次改造方案采用即換即用的原則，保證選礦廠的生產(chǎn)效益不受影響，圖3永磁同步電動機球磨機系統(tǒng)示意圖.

圖3 永磁同步電動機球磨機系統(tǒng)示意圖

永磁電機起動后采用工頻電源供電即可實現(xiàn)穩(wěn)定運行，為了降低改造成本，本次改造采用一臺變頻器拖動多臺（據(jù)實際情況確定數(shù)量）電機起動[9].電機起動后將電機的端子引到電網(wǎng)上，在電網(wǎng)供電情況下，電機也可高效運行，詳見圖4改造后供電系統(tǒng)采用一拖多的方式，即可根據(jù)場區(qū)情況，可由一臺或兩臺變頻器或驅(qū)動多臺電機起動[8].

圖4 供電系統(tǒng)示意圖

5 系統(tǒng)性能調(diào)試分析

表7 永磁電機球磨機與常規(guī)球磨機主要性能比較[13]

效率、功率因數(shù)與負載率的關系的比較，如圖5、6所示[12].

圖5 異步機效率、功率因數(shù)與負載率關系

圖6 永磁電機效率、功率因數(shù)與負載率關系

球磨機用永磁電機節(jié)能分析，如表8所示.

表8 節(jié)能分析表

6 總結(jié)

項目技術的開發(fā)應用，可解決目前球磨機工作效率低、能耗高的、維修頻率高等缺點，為德化上百家陶瓷企業(yè)和我省甚至全國相關陶瓷企業(yè)提供技術支持.在提高球磨機生產(chǎn)效率、降低能耗的同時提高產(chǎn)品質(zhì)量及檔次，對陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的技術水平有整體的提高，有利于提高我省陶瓷出口創(chuàng)匯能力和市場的競爭力，促進我省陶瓷產(chǎn)業(yè)向更高的方向發(fā)展，項目技術的開發(fā)應用有著顯著的經(jīng)濟和社會效益.

〔1〕鄭文秀，任世亮.對電機系統(tǒng)節(jié)能工程思考[J].山西能源與節(jié)能，2009.

〔2〕戴少生，廖中同，黃有豐．粉碎工程及設備[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，1990.

〔3〕黃鵬，遲毅林，董為民，等．影響球磨機臨界轉(zhuǎn)速因素的研究[J]．中國礦業(yè)，2007.

〔4〕哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室．理論力學[M]．北京：高等教育出版社，2002.

〔5〕揚忠高．提高球磨機磨礦效率的研討[J]．有色礦山,1991.

〔6〕劉應誠，楊乃喬．液力耦合器應用與節(jié)能技術[M]．北京:化學工業(yè)出版社，2006.

〔7〕張燕賓.變頻調(diào)速應用實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001.

〔8〕李鵬，竇鵬沖，李雨薇，等.微電網(wǎng)技術在主動配電網(wǎng)中的應用[J].電力自動化設備，2015，35(4)：8-16.

〔9〕郭新華，溫旭輝，趙峰，莊興明．基于電磁轉(zhuǎn)矩反饋補償?shù)挠来磐诫姍C新型IP速度控制器[J].中國電機工程學報，30(27）.

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福建省中青年教師教育科研項目（A類）(JA14434)