動態(tài)選粉機轉子參數(shù)對選粉效率的影響

劉云峰，白 潔，符惜煒，李 珂，黃 濤,3，阮 濤

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

4金堆城鉬業(yè)汝陽有限責任公司 河南汝陽 471200

立 磨廣泛應用于建材行業(yè)，集粉碎、烘干、分級于一體，可用于水泥生料、熟料、煤粉和礦渣的粉磨[1]。立磨配用的動態(tài)選粉機是立磨系統(tǒng)的一個重要組成部分，與立磨系統(tǒng)的整體性能相互關聯(lián)。動態(tài)選粉機一方面可以使回料中細粉料大幅度減少，利于立磨粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；另一方面，動態(tài)選粉機處理能力增大，也有利于立磨系統(tǒng)產量的提高[2-3]。隨著超細粉體的廣泛應用，對動態(tài)選粉機分級性能提出了更高的要求，在保證獲得超細粉的同時，也要保證動態(tài)選粉機分級精度、選粉效率等其他性能指標[4]。目前，許多研究者采取了各種方法對動態(tài)選粉機的原理、結構、運行參數(shù)等方面做了大量的研究工作，取得了很多重要的研究成果。但是由于各廠家設計的動態(tài)選粉機結構存在差別，由此得到的結論也只適用于特定結構的動態(tài)選粉機。因此，研究選粉機各種參數(shù)對立磨系統(tǒng)的影響，對未來立磨動態(tài)選粉機的開發(fā)、改造和調試具有重要的意義。

近年來，隨著計算機技術的快速發(fā)展以及粉體分離理論的不斷涌現(xiàn)，國內外進行了立磨腔內氣固兩相流體數(shù)值模擬研究，為立磨結構優(yōu)化提供了數(shù)值依據(jù)[5-6]。孫樹峰等人[7]利用流體力學計算軟件對內部流場進行了數(shù)值模擬，得到渦流分級機隨著轉速的增加，流場的渦流現(xiàn)象會增強，當轉速增加到一定程度時，會出現(xiàn)反流現(xiàn)象。高利蘋等人[8-9]利用 Fluent 軟件對分級機內部流場進行數(shù)值模擬，找出了在某一進口風速下與之相對應的較佳轉籠轉速。筆者利用 CFD計算軟件對某型號立磨配用的動態(tài)選粉機進行仿真，主要研究了動態(tài)選粉機轉子葉片相關參數(shù)變化對動態(tài)選粉機選粉效率影響的規(guī)律。

1 選粉效率

1.1 研究思路

動態(tài)選粉機是將立磨粉磨系統(tǒng)出料中符合粒度要求的物料選出來，而不符合粒度要求的物料則留在立磨內繼續(xù)研磨。理想狀態(tài)的動態(tài)選粉機，是可以將所有符合粒度要求的物料選出，而這種狀態(tài)在實際應用中是不可能實現(xiàn)的。設計者能做的就是最大可能地提高動態(tài)選粉機的選粉效率。

選粉效率指的是選粉后成品中所含小于某一粒徑細粉的質量與選粉前粉體中所含小于該粒徑細粉的質量之比。選粉效率是評價選粉機性能的重要工藝參數(shù)之一，也是評價整個立磨系統(tǒng)性能的主要參數(shù)之一。

式中：η為選粉效率，%；m為選粉后粉體小于某一粒度的質量，kg；m0為選粉前粉體小于某一粒度的質量，kg。

為了表征動態(tài)選粉機實際分級結果與理想分級結果之間的偏離程度，提出了“分級精度指數(shù)”概念，這個指數(shù)用公式表示為

式中：d25為分級效率為 25% 的物料粒徑，μm；d75為分級效率為 75% 的物料粒徑，μm。

動態(tài)選粉機內物料顆粒的分級非常復雜，且物料粒徑都是 μm 級，干擾因素眾多。因此依靠理論公式推導研究或試驗測定研究，都無法得到實際數(shù)據(jù)。筆者利用 CFD 計算軟件 Fluent 對動態(tài)選粉機選粉過程進行模擬計算，以各工況下得到的選粉機效率曲線為依托，以分級精度指數(shù)為判定標準，對動態(tài)選粉機轉子葉片相關的設計參數(shù)進行研究，得到轉子葉片各參數(shù)對選粉機性能的影響，為選粉機開發(fā)優(yōu)化提供了指導。

1.2 計算條件

利用 Fluent 軟件對動態(tài)選粉機進行仿真計算，需要確定基本計算參數(shù)，這些參數(shù)主要包括動態(tài)選粉機的處理風量、轉子轉速、入射物料粒徑分布及各粒徑質量流等。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，動態(tài)選粉機的處理風量設為 700 000 m3/h，轉子轉速設為 120 r/min，動態(tài)選粉機處理物料的粒徑分布一般符合 R-R 規(guī)律，計算用物料粒徑 R-R 分布的分散系數(shù)為 2，中位粒徑為40 μm，物料粒徑參數(shù)如表 1 所列。

表1 物料粒徑參數(shù)Tab.1 Granularity parameters of material

1.3 計算模型

動態(tài)選粉機研究計算需要用到的模型分為三維模型和 CFD 計算湍流模型。動態(tài)選粉機三維模型如圖 1所示。

圖1 動態(tài)選粉機三維模型Fig. 1 3D model of dynamic classifier

動態(tài)選粉機工作時，轉子區(qū)域發(fā)生高速旋轉，在此類問題的 CFD 計算中，一般需要使用動網格技術實現(xiàn)轉子旋轉。但動網格技術在實際應用求解中存在明顯不足，一是計算效率不高；二是收斂難度大。為了解決這個問題，處理三維模型時，將轉子區(qū)域單獨剖分出來，形成獨立的一個計算域。在此計算域上應用RMF (旋轉坐標系法) 加載轉速，可以規(guī)避上述問題。這樣計算模型就形成了定子及筒體部、轉子部、立磨出料部 3 部分，其中轉子部外緣半徑為 2 880 mm，內緣半徑為 2 750 mm，高為 3 620 mm，轉子葉片數(shù)量為 200 片，圓周方向均布。計算時，模型之間采用內部邊界條件 Interface 連結，入口采用速度入口Velocity，出口采用自由流出口 Outflow，湍流模型采用適用于復雜剪切流動、旋流和分離流預測的 RNGκ-ε模型，物料顆粒采用 DPM 入射流。

2 轉速對動態(tài)選粉效率的影響

2.1 不同轉速計算

轉子部件作為動態(tài)選粉機內細粉輸送的必經通道，轉子內部的流場特性是影響選粉效率的關鍵因素之一。物料顆粒輸送到選粉機內部時，顆粒會同時受到自身慣性離心力和空氣曳力的雙重作用。粒徑越大，離心初速度越大，顆粒受到的慣性離心力就越大。同樣，選粉機內部流場速度越高，顆粒受到的流體曳力也會越大，這 2 種力對物料顆粒的作用強度決定了粒子的出入方向。當慣性離心力相對較大時，物料顆粒更容易被甩出，進入粗粉；反之，將隨空氣通過轉子葉片間隙進入細粉。因此，研究動態(tài)選粉機轉子轉速對選粉效率的影響具有重要意義。

綜上所述，結合某型號立磨的實際使用情況，針對動態(tài)選粉機不同轉速進行分析研究。

2.2 計算分析

通過對不同粒徑的物料顆粒進行軌跡追蹤，可以得到該粒徑物料進入計算域和排出計算域的顆粒數(shù)量，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以得到該粒徑在此轉速下的分級效率。物料粒度對不同轉速下分級效率的影響如圖 2所示。

圖2 不同轉速下物料粒度對分級效率的影響Fig. 2 Influence of material granularity on classification efficiency at various rotary speed

從圖 2 可以看出：

(1) 立磨用動態(tài)選粉機轉子轉速在 90 r/min 以下時，對各粒徑物料沒有分級能力；

(2) 90 r/min 是動態(tài)選粉機工作的臨界轉速，各粒度物料的選粉效率處于震蕩狀態(tài)；

(3) 轉速在 90 r/min 以上時，動態(tài)選粉機選粉效率曲線具有相似性。即對 45 μm 以下粒徑物料，選粉效率處于高位區(qū)間；對 45 μm 以上粒徑顆粒，需要盡可能留在立磨內繼續(xù)研磨，此時隨著轉速的增加，大顆粒物料的選粉效率在快速下降。

為了更好判別動態(tài)選粉機在 100、110、120 r/min轉速下的性能，需要分別求出每個方案下的分級精度指數(shù)。由式 (2) 處理所得的數(shù)據(jù)如表 2 所列。

表2 不同轉速的分級精度指數(shù)Tab.2 Classification accuracy coefficient at various rotary speed

由表 2 可以看出：k值越接近 1，選粉機性能越接近理想分級狀態(tài)；隨著轉子轉速提高，動態(tài)選粉機分級性能也在提高，但在轉速為 110、120 r/min 時，二者差別不大。

-45 μm 物料質量分數(shù)如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，轉速 ＜ 90 r/min 時，物料通過選粉機物料中細粉的質量分數(shù)變化不大，說明選粉機對大粒徑物料沒有分級效果；當轉子在 90 r/min 以上轉速時，隨著轉速的提高，選粉后細粉質量占比明顯提高。

圖3 -45 μm 物料質量分數(shù)Fig. 3 Mass fraction of material whose granularity less than 45 μm

3 葉片數(shù)量對選粉效率的影響

3.1 葉片數(shù)量計算

轉子葉片數(shù)量也是動態(tài)選粉機設計時需要考慮的重要因素。轉子葉片數(shù)量少，運行時消耗功率就小，相對選粉效率就要降低；轉子葉片數(shù)量多，運行時消耗的功率就高，選粉效率有保證。因此如何在保證選粉效率的同時，使用轉子葉片的數(shù)量最少，是選粉機設計者關心的問題?；诖?，制定了不同葉片數(shù)量下選粉效率變化的研究方案，如表 3 所列。

表3 不同葉片數(shù)量計算方案Tab.3 Calculation schemes with various number of blade

3.2 計算數(shù)據(jù)分析

按照表 3 中所列的研究數(shù)據(jù)，對動態(tài)選粉機不同葉片數(shù)量的選粉效率進行仿真，得到的選粉效率對比曲線如圖 4 所示。

圖4 葉片數(shù)量對選粉效率的影響Fig. 4 Influence of number of blade on classification efficiency

由圖 4 可以看出，上述 5 種葉片數(shù)量得到的選粉效率曲線基本吻合，這說明：

(1) 動態(tài)選粉機轉子葉片達到一定數(shù)量后，選粉效率不會隨著葉片數(shù)量的增加而增加；

(2) 動態(tài)選粉機轉子葉片數(shù)量太多，設計冗余量太大，建議降低轉子葉片數(shù)量。

4 葉片寬度對選粉效率的影響

4.1 葉片寬度計算

動態(tài)選粉機轉子高速轉動時，葉片之間形成了物料粒子通道，葉片的寬度決定了物料通道的長度。由于選粉過程是一個涉及到多相流、多變化因素的復雜過程，轉子葉片間的流場對于選粉結果十分重要。在特定風量的條件下，葉片寬度對選粉效率存在影響，因此制定如下研究方案，研究轉子葉片寬度變化對選粉效率的影響規(guī)律，如表 4 所列。

表4 葉片寬度研究方案Tab.4 Research scheme about blade width

4.2 計算數(shù)據(jù)分析

按照表 4 中所列的數(shù)據(jù)，對動態(tài)選粉機不同轉子寬度的選粉效率進行仿真，得到的選粉效率對比曲線如圖 5 所示。

圖5 葉片寬度對選粉效率的影響Fig. 5 Influence of blade width on classification efficiency

由圖 5 可以看出，隨著轉子葉片寬度的增大，選粉機的選粉效率先提高后降低。葉片 3 種寬度的分級精度指數(shù)如表 5 所列。

表5 不同寬度的葉片分級精度指數(shù)Tab.5 Classification accuracy coefficient at various blade width

由表 5 可以看出：轉子葉片寬度增大 25 mm，分級精度指數(shù)更接近于理想狀態(tài)指數(shù) 1，這也說明了對于每一種新設計的動態(tài)選粉機，在確定工況下，轉子葉片寬度存在最優(yōu)值。

5 結論

經過仿真計算動態(tài)選粉機轉子葉片等相關參數(shù)對選粉效率的影響，可以得到如下結論。

(1) 動態(tài)選粉機正常工作是有臨界轉速的，低于臨界轉速時，動態(tài)選粉機達不到選粉效果；

(2) 動態(tài)選粉機轉速不是越高越好，在正常工作轉速范圍內，選粉效率隨轉速提高而提高，當轉速達到一定數(shù)值后，提高轉速對于選粉效率沒有影響；

(3) 轉子葉片數(shù)量存在合理數(shù)值，葉片數(shù)量設計冗余會導致消耗功率增加，但對選粉效率沒有影響；

(4) 隨著轉子葉片寬度的增大，動態(tài)選粉機選粉效率先提高后降低，這提醒了設計者在確定工況下，轉子葉片寬度存在最優(yōu)值。