一、研究的目的與意義

眾所周知，球磨機對物料的粉碎主要是依靠研磨體對物料的沖擊與研磨作用來(lái)實(shí)現的，這種沖擊及研磨作用是通過(guò)研磨體的表面傳遞給與之相接觸的物料的，屬于單顆粒粉碎。由于單顆粒粉碎的偶然性，使大量的能量消耗在研磨體之間及研磨體與磨機襯板之間的碰撞與磨損上，因而其效率很低。據Answlm的粉碎功理論測定：軸承、齒輪等純機械損失占12.3%；隨產(chǎn)品散熱占47.6%；從磨機筒體散發(fā)的輻射占6.4%；空氣帶走熱量占31.4%；用于粉碎物料的理論能量消耗僅占很小的一部分，約為2.3%。

目前，一般在以下兩個(gè)方面加以改進(jìn)，以提高球磨機的粉磨效率。一是改變內部裝置。節能襯板、可調隔倉板的研制成功，為粉磨系統降低了能耗。第二方面是改變粉磨系統，將原來(lái)的開(kāi)路粉磨系統改為閉路粉磨系統。與之相應的，選粉機也因技術(shù)發(fā)展的需要，為提高選粉效率，降低系統能耗，由傳統的 代離心式選粉機、第二代旋風(fēng)式選粉機發(fā)展到第三代高效選粉機。

開(kāi)路粉磨系統具有流程簡(jiǎn)單、設備少、投資省、操作方便等特點(diǎn)。但由于物料必需全部達到成品細度的部分物料才能出磨，因此，當細度要求較高時(shí)，已被磨細達到細度要求的部分物料不能及時(shí)卸出而出現過(guò)粉磨現象，導致粉磨系統的粉磨效率降低、能耗增加（當粉磨高標號水泥及易磨性差別大的混合粉時(shí)，過(guò)粉磨現象更為嚴重）。閉路粉磨系統由于配備了選粉機，能將粉磨后的合格物料及時(shí)分離出來(lái)，從而可有效地減少過(guò)粉磨現象，提高系統的粉磨效率及產(chǎn)量，降低能耗；同時(shí)產(chǎn)品細度均勻，并可通過(guò)調節選粉設備的操作參數來(lái)靈活控制，以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。缺點(diǎn)是系統流程較為復雜，投資較大。

對上述兩種粉磨系統的取舍，主要取決于對產(chǎn)品細度的要求。據文獻介紹，當粉磨系統的產(chǎn)品比表面積低于3100cm2/g時(shí)，兩種系統（包括輔機在內）的產(chǎn)品單位電耗相當；但當細度要求較高時(shí)，開(kāi)路系統的單位電耗明顯高于閉路系統。由于建筑業(yè)的發(fā)展，對水泥強度的要求越來(lái)越高，相應的也提高了對產(chǎn)品細度的要求；同時(shí)，閉路系統更易于控制產(chǎn)品細度，改變產(chǎn)品品種，對市場(chǎng)的適應性更強。因此，閉路系統得到了廣泛的應用。

作為閉路粉磨系統的一個(gè)重要的配套設備——選粉機，雖然本身并無(wú)粉碎物料的作用，但其性能好壞直接影響到系統的運行狀態(tài)，即影響到系統的粉磨效率、產(chǎn)量及能耗。因此，高效選粉機技術(shù)的研究具有重要意義，主要體現在以下幾個(gè)方面：

1、粉磨系統增產(chǎn)降耗的要求。與高效選粉機機配套的粉磨系統，具有更高的粉磨效率、產(chǎn)量及較低的能耗。配有傳統選粉機的閉路粉磨系統，在生產(chǎn)一般細度的水泥時(shí)，單位能耗并不比開(kāi)路系統低；生產(chǎn)高細度水泥時(shí)，盡管與開(kāi)路相比，電耗降低、產(chǎn)量提高，但與生產(chǎn)一般細度水泥時(shí)相比，產(chǎn)量有較大幅度的降低。而如果采用高效選粉機機，雖然也有類(lèi)似現象，但其降低幅度明顯減小。

2、水泥質(zhì)量要求的提高，也對選粉機提出了更高的要求。一方面是使用廠(chǎng)家對水泥質(zhì)量的要求提高，有向高細度、高標號水泥發(fā)展的趨勢，而對高細度水泥的生產(chǎn)，開(kāi)路粉磨或帶傳統選粉機的閉路粉磨系統又很難勝任。另一方面是人們對水泥質(zhì)量認識的進(jìn)一步深入，使得在評價(jià)水泥質(zhì)量方面的一些觀(guān)點(diǎn)發(fā)生了變化。 *初，作為水泥質(zhì)量主要指標之一的水泥細度是用篩余控制的，用篩余控制只能反映成品中粗顆粒的多少，不能反映全部顆粒的粗細情況；而后發(fā)展到比表面積控制，水泥越細，比表面積越大?，F在發(fā)現，即使是比表面相同的水泥產(chǎn)品，因采用的粉磨流程、選粉方式不同，其強度也有差別。閉路粉磨配高效選粉機可以低一些，其原因在于顆粒級配的不同。研究表明，水泥顆粒組成中不同粗細的顆粒對水泥水化性能的作用是不同的。大于60μm的顆粒對水泥強度作用甚微，只起填料作用；小于3μm的顆粒的水化過(guò)程在硬化初期就已完成，只對水泥早期強度有利；3-30μm的顆粒是水泥的主要活性部分、承擔強度增長(cháng)的主要粒徑。對此，一些水泥品種曾對3-30μm顆粒的含量提出了具體的要求：

普通硅酸鹽水泥：40-50%

高強快硬水泥：50-60%

超高強快硬水泥：＞70%

由此可見(jiàn)，水泥質(zhì)量與水泥成品中3-30μm顆粒的含量有很大關(guān)系。而在水泥粉磨作業(yè)中，要得到某一粒徑范圍含量較高，分布相對較窄的水泥產(chǎn)品，只有通過(guò)高效選粉機來(lái)調節、控制，否則難以實(shí)現。

3、高效選粉機技術(shù)的研究成果，既可拓展到非金屬礦、化工、食品等行業(yè)的分選技術(shù)中；也對超細粉分級技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值，而超細粉的分級又是機械法制備超細粉領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

二、選粉機的發(fā)展與現狀

水泥工業(yè)用選粉機是由英國人Munfond和Moadie于1885發(fā)明的，后由德國人取得制造權，1888年開(kāi)始出售。由于美國生產(chǎn)商斯特蒂文特（Sturtovant）公司生產(chǎn)的這種選粉機 *為有名，故習慣上稱(chēng)為Sturtevant型選粉機，亦即離心式選粉機，這就是所謂的 代選粉機。隨著(zhù) 工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，德國洪堡——維達格公司于60年代初研制開(kāi)發(fā)了洪堡——維達格型選粉機，即所謂的旋風(fēng)式選粉機，也就是第二代選粉機。 代選粉機由于結構與工作原理的限制，選粉效率不高，粉磨系統的效率與產(chǎn)量提高有限；第二代選粉機因其核心結構并沒(méi)有脫離 代選粉機的范疇，工作原理上無(wú)根本性的變化，所以性能提高有限。近十年來(lái)，選粉機的研究有了突破性的發(fā)展，國外各公司相繼開(kāi)發(fā)出了新型高效第三代選粉機，例如日本小野田公司率先推出的O-Sepa型選粉機，因采用新的分級結構與原理，顯著(zhù)提高了選粉機的選粉效率及產(chǎn)量，水泥質(zhì)量與系統能耗也得到改善。

三、各類(lèi)選粉機的性能特點(diǎn)及分級機理

3.1離心式選粉機

離心式選粉機由于本身結構的缺陷，存在選粉效率低，細度調節不方便等缺點(diǎn)，當要求生產(chǎn)產(chǎn)量高、細度高和多品種水泥時(shí)，表現得更為突出。通常認為，空氣選粉機的選粉過(guò)程主要分以下三個(gè)環(huán)節：物料的分散、分級及細粉的收集。而離心式選粉機正是在這三個(gè)環(huán)節上不同程度地存在著(zhù)問(wèn)題，現分析如下：

離心式選粉機內顆粒的受力情況如下：

重力Fg，方向向下，大小與顆粒質(zhì)量成正比；

離心力Fe，方向為水平徑向向外，大小隨顆粒所處位置不同而變化；

氣體阻力Fd，其方向與大小均隨所處位置不同而變化。

三者合力為R。由于在分級區內，截面形狀變化較大，致使各截面的氣流速度的大小與方向變化較大，分級氣流不能形成穩定、均齊的分級力場(chǎng)。因此，在分級區內同一粒徑大小的顆粒會(huì )因處在不同的位置而受到大小與方向都不同的合力。由上而下的分級氣流在分級區上部蓋風(fēng)板處，因突然變向形成一死角，在死角內形成局部渦流，干擾分級區的流場(chǎng)；同時(shí)，機壁效應的存在，也影響細粉的分離，使部分細粉與粗粉一起碰到內壁而沉降。這兩方面的因素導致選粉機無(wú)明確的分級界面和穩定的分級力場(chǎng)，分級精度低。

物料在選粉機內主要靠撒料盤(pán)的離心力拋出分散，不可能在整個(gè)截面上均勻分布；同時(shí)，分級區內流場(chǎng)的不穩定更加劇了物料的分散不均，而物料充分、均勻的分散卻是實(shí)現高效率分級的前提條件。

離心式選粉機的細粉收集靠外筒體，由于外筒體的直徑較大，細粉收集效率較低，大量微細粉隨氣流循環(huán)，一方面增加了分級區的粉體濃度，加劇了顆粒間的相互干擾；另一方面，粉體濃度的增加，細粉更易團聚或與粗粉一起向機壁沉降，使粗粉中的細粉含量增加。

由于上述諸因素的影響，導致了選粉機選粉效率的降低。

3.2旋風(fēng)式選粉機

由于旋風(fēng)式選粉機外部設立了獨立的空氣循環(huán)風(fēng)機，取代離心式選粉機內的大風(fēng)葉；機體四周布置6-8個(gè)旋風(fēng)收塵器，用以收集細粉，將離心式選粉機的內循環(huán)方式改為外循環(huán)方式，把選粉機的物料分級與細粉收集兩過(guò)程分開(kāi)，使旋風(fēng)式選粉機相對于離心式選粉機具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

⑴轉子轉速與系統的循環(huán)風(fēng)量可分別調節，既易于調節產(chǎn)品細度，也擴大了細度的調節范圍。水泥產(chǎn)品的比表面積可調范圍為2500-7000cm2/g。

⑵采用小直徑的旋風(fēng)收塵器收集細粉，可提高細粉的收集效率（其收集效率可達90%，而離心式選粉機的收集效率僅為50%），減少細粉的循環(huán)量，有利于提高選粉效率。

⑶選粉效率提高，處理風(fēng)量增加。在相同的選粉能力下，旋風(fēng)式選粉機的機體直徑較離心式選粉機小，分級室單位截面積的處理物料量比離心式選粉機高2-2.5倍。

盡管如此，由于旋風(fēng)式選粉機的分級結構與離心式選粉機相似，對離心式選粉機所存在的主要缺陷（如分級力場(chǎng)的不穩定、機壁效應局部渦流的存在等）都未能消除。因此，其分級性能的改善是有限的。

3.3第三代高效選粉機（以0-Sepa選粉機為例）

加入選粉機的物料自上而下通過(guò)由選粉機轉子上垂直布置的渦流調節葉片與導向葉片組成的較高的分級機會(huì )。在分級區內，不存在機壁效應和死角引起的局部渦流，在同一半徑的任何高度上內外壓差始終一致，氣流速度相等，從而保證了顆粒所受各力的平衡關(guān)系穩定不變。緩沖板的撞擊及水平渦流的沖涮，使物料充分分散并均勻地分布于分級區內。這使得分級機具有如下性能特點(diǎn)：

1、選粉效率高，一般都在85%以上。

2、精度高，即特勞姆（Tromp）曲線(xiàn)比較陡。

3、細度調節簡(jiǎn)單、靈敏、準確。

據文獻介紹，離心式選粉機的選粉率一般在40-60%，分級精度小于0.3；旋風(fēng)式選粉機的選粉效率一般在60%左右，分級精度為0.3-0.45；以0-Sepa為代表的第三代高效選粉機的選粉效率一般在80%以上，分級精度可達0.5左右。

目前，國內對選粉機的研究也主要集中在高效選粉機研究開(kāi)發(fā)，或對現有設備的改造上，在消化吸收國外同類(lèi)產(chǎn)品 技術(shù)的同時(shí)，力求有所突破，研制出高性能的選粉機。

四、高效雙轉子式選粉機的研制與性能

高效選粉機性能的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，但由于選粉機主體不帶細粉收集裝置，需配備與其處理風(fēng)量相匹配的大規格的袋式收塵或電除塵器用以收集成品，這無(wú)疑較大幅度地增加了系統投資，也使工藝布置復雜，操作控制困難，在一定程度上限制了高效選粉機的推廣應用。

轉子式選粉機就是針對上述情況而研制的一種新型高效選粉機，以期在性能上達到目前高效選粉機的效果，在系統的布置、投資及工藝的復雜性等方面又優(yōu)于高效選粉機，這無(wú)疑對水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展、粉磨系統的節能增產(chǎn)很有意義的。在此基礎上，針對目前水泥廠(chǎng)水泥細度的新要求，我們又與清華紫光吉利達公司共同研制了新型的雙轉子選粉機。

高效雙轉子式選粉機的結構特點(diǎn)如下：

1、采用離心力場(chǎng)作為分級力場(chǎng)，結構上采用雙籠式轉子?？紤]到選粉機內氣流運動(dòng)及分布的特點(diǎn)，轉子采用倒錐形結構，以保證選粉機分級室內分級力場(chǎng)的穩定。

2、籠式轉子與撒料盤(pán)一起安裝在主軸上，主軸由調速電機傳動(dòng)，從而保證了分級力場(chǎng)的強度可通過(guò)改變電機轉速靈活調節，以改變分級力場(chǎng)中顆粒的受力情況，控制分級的切割粒徑，調節產(chǎn)品的細度與粒度組成。

3、采用高拋撒力的螺槳式撒料盤(pán)，使物料能比較均勻地分散于分級區內，采用約束內錐，以穩定選粉室內的氣體流場(chǎng)，并與環(huán)狀進(jìn)風(fēng)的滴流裝置一起形成二次分選結構，以增強二次分選的效果，減少粗粉中混入的細粉量。

4、細粉的收集采用多個(gè)小規格高效旋風(fēng)筒并聯(lián)，布置于選粉機主體的四周形成一整體，一方面提高了細粉的分離效率，另一方面與其它高效選粉機相比，簡(jiǎn)化了系統流程，節約了系統投資，調節、控制更為方便。

5、選粉機的處理風(fēng)量采用外部循環(huán)風(fēng)機供給，由選粉機下部切向導入選粉機，并經(jīng)滴流管的分流作用形成一旋轉上升的流場(chǎng)進(jìn)入選粉室，與經(jīng)撒料盤(pán)分散于該區域的物料充分混合，形成一較為穩定的分級流場(chǎng)使物料分級，分級后的細粉由氣流攜帶流出選粉機，導入旋風(fēng)筒實(shí)現氣固分離。這樣，選粉機內的處理風(fēng)量可通過(guò)風(fēng)機管道中的調節閥門(mén)控制，與可調轉速的籠式轉子一起，調節分級室內的分級力場(chǎng)，進(jìn)而控制產(chǎn)品的細度與粒度組成。

另外，考慮到目前水泥行業(yè) 代，第二代選粉機的應用較為普遍，特別是第二代選粉機的應用更為普遍，在生產(chǎn)應用中，如能采取有效措施加以改造，改善選粉機的性能，也是提高粉磨系統的效率、產(chǎn)量，降低能耗的有效途徑。因此，高效雙轉子式選粉機在結構設計中，充分考慮到將該技術(shù)應用于原有選粉機改造的可能性，以達到該技術(shù)既可作為一種新型高效選粉機的研制，也可用以對現有選粉機的改造。

由上述的結構特點(diǎn)決定、并經(jīng)實(shí)驗研究及生產(chǎn)應用表明，高效雙轉子式選粉機具有如下的性能特點(diǎn)：

1、物料在分級室內，在較強的旋流及徑向剪切力的作用下，物料分散性好且強度高，分級效率高。

2、分選物料都經(jīng)過(guò)分級界面分明的選粉區，各部分的選粉條件穩定，故選粉機的分級精度高。

3、細度調節方便可靠，且調節范圍較寬，可通過(guò)調節主軸轉速及風(fēng)量靈活控制。

4、可使開(kāi)流磨增產(chǎn)40-60%，選粉效率可達85%以上。如對現有旋風(fēng)式選粉機或離心式選粉機進(jìn)行改造，可在不改變主體結構及電機負荷的情況下，確保效率在85%以上，增產(chǎn)20-30%。

5、在相同產(chǎn)量的情況下，與高效渦流式選粉機相比其效率相當，但可降低系統投資20-30%，與旋風(fēng)式及高效離心式選粉機相比，不但可減少設備規格，并可提高效率20-40%。