1.水泥粉磨工艺的研究背景和意义

我国的水泥生产总量占世界之首，但是水泥的粉磨的效率不高，水泥的生产消耗着大量的资源和能源。水泥工业能源消耗约占全国能耗总量的5%，是中国乃至世界节能减排的重点攻关任务之一。水泥粉磨工艺是水泥生产中的关键环节，能耗约占总能耗的70%以上^[1]。据国家统计局统计，我国2009年的水泥总产量已经达到16.3亿吨，平均生产每吨水泥综合电耗80Kw.h以上，水泥企业每生产1t水泥需要粉磨的各种物料有3-4t之多，粉磨电耗约占水泥生产总电耗的65%～70%，粉磨成本占水泥生产总成本的35%左右。因此，提高水泥企业粉磨系统工艺装备技术水平可以较大幅度节能，经济利益与社会利益十分显著。在水泥生产中，粉磨能耗的高低已成为粉磨技术进步的重要标志^[2]。行星磨克服了球磨机受临界转速限制的缺点，将粉磨筒体置于偏离旋转中心，从而提高了粉磨效率，降低了能耗。有许多国内外学者对行星磨的粉磨性能和放大方法进行研究，并建立了包含粉碎工艺参数的动力学方程^[3,5]。离心力场作用下粉磨系统( 行星磨系统) 是水泥粉磨系统中电耗最低的，具有显著的节能效果和推广应用前景。因此，离心力场中高效粉磨节能技术( 行星磨粉磨技术)，是一个有可能替代水泥球磨机的新技术，具有十分广阔的应用前景和重要的环保意义^[6,7]。

影响水泥粉磨效率的因素很多，其中研磨体的级配是否合理，对粉磨效率影响很大^[8]。磨机的粉磨作用包括破碎与研磨两个部分，粉磨工况的最优化就是使破碎与研磨能力达到综合平衡，从而提高粉磨效率。对于正常运转、入磨物料相对稳定的磨机来说，能否达到破碎与研磨能力的综合平衡，关键在于磨机是否有合理的研磨体级配方案^[9]。因此，确定合理的研磨体级配，优化行星磨的破碎参数，通过粉磨动力学方程的研究提高行星磨的粉磨效率，从而降低能耗、减少生产成本。本实验通过研究研磨体尺寸形状、级配、填充率等对水泥熟料粉磨功耗的影响，为行星磨的工业放大提供理论指导。

2.行星磨的发展及原理

2.1 立式行星磨的发展

立式行星磨是由北京科技大学资源工程学院与加拿大多伦多大学化工系联合研制的一种新型行星式磨机。该设备最初是为磨碎油菜籽以提高菜籽油的浸出率而设计的。其后,由于这种磨表现出的优越性能,而在其它领域推广应用起来。立式行星磨机设计独特,结构紧凑,使被磨物料能够最大限度的利用输入的能量进行粉碎,避免了普通磨机和振动磨机工作中介质之间的无效空磨,使得立式行星磨的单位容积处理量比具有同样磨矿效果的球磨机的单位容积处理量高约40倍。立式行星磨机既可进行干磨,也可进行湿磨。而且,由于结构的特殊性,立式行星磨特别适于处理固体浓度近乎糊状的物料,而不是浆状物料,这时的磨矿效果最佳。

2.2 行星磨的组成和工作原理

行星磨是一种独特的高速行星式辊轮磨机。该机由固定的立式磨桶(称定子) 和与其配套的转子两大部分组成。转子是由分别安装在主轴上的三组(或多组) 螺旋辊轮构成,转子可由磨机的上部驱动,也可由下部驱动。螺旋辊轮可绕其中心轴自由转动,在磨矿过程中,转子部分的螺旋辊轮始终和磨机的桶壁接触,以达到粉碎目的。当电机驱动主轴按逆时针方向转动时,螺旋辊轮也将随转子作逆时针方向的圆周运动。同时,由于螺旋辊轮紧贴磨矿桶内壁,在桶体内壁和待磨物料的磨擦力作用下,螺旋辊轮将绕自身的固定轴作顺时针的自转。这样,每个螺旋辊轮不仅作公转运动,还要作自转运动,因此螺旋辊轮工作面的运动轨迹是一种行星式的运动曲线。立式行星磨机的辊轮上刻有”螺纹”。这种设计,一方面使被磨物料在受到挤压的同时,还能受到辊轮螺纹以及速度梯度造成的剪切作用;另一方面,由于螺旋辊轮的自转和”螺纹”的导向作用,能及时把磨好的细物料及时排出,防止物料的过磨,同时提高磨机的处理能力。由于辊轮的及时卸料作用,物料在磨机中的停留时间很短,一般只有5～20s。当物料从磨机顶部给入后,被高速旋转的转子甩向磨机桶壁的四周。在重力作用下,物料将从上至下运动,在进入粉碎腔后,高速旋转的螺旋辊轮将对物料产生挤压、剪切和研磨作用,并将物料磨细。

当物料从磨机顶部给入后,被高速旋转的转子甩向磨机桶壁的四周。在重力作用下,物料将从上至下运动,在进入粉碎腔后,高速旋转的螺旋辊轮将对物料产生挤压、剪切和研磨作用,并将物料磨细。

2.3 立式行星磨系统力学模型