立式磨工艺参数对产品粒度特征的影响.pdf

29中图分类号：TQ72.632.5 文献标识码：B 文章编号：008-0473(2024)0-0029-06 DOI编码：0.6008/ki.008-0473.2024.0.006立式磨工艺参数对产品粒度特征的影响*刘 畅 李 洋（合肥中亚建材装备有限责任公司，安徽 合肥 23060）摘 要 通过实验立式磨开展石灰石粉磨试验，结合RRB粒度分布函数揭示产品粒度分布特性，探究在不同工艺参数（压力、电机转速和含水率）下产品的分布特征，以及特征参数的变化规律。结果表明：转速越大和含水率越大，则产品粒度分布越不均匀且分布越宽；压力越大，则产品粒度分布越均匀且分布越窄。还发现，在低转速（450 r/min）、高压力（5 MPa）和高含水率（1%）下容易产生团聚现象，团聚体表面吸附着大量片状的小颗粒，且晶粒大小分布不均匀。此外，含水率越高，越容易出现团聚现象，这种团聚体是在压力下物料之间粘性吸附增强产生的，且团聚体尺寸规格较大。研究结果对提高立式磨合格粒级产率具有一定的指导意义。关键词 粒度分布 特征参数 团聚现象 团聚体0 引言矿物粉碎是生产过程中的主要能量消耗单元，根据统计数据，该消耗能量约占矿山总成本的35%50%，甚至更高，可能占全球电能消耗量的.8%2。相比于传统球磨机，立式磨具有能耗低、效率高、产品粒度细等众多优点，尤其在处理易磨性指数低的物料方面，更加体现立式磨的设备优势3。研究粒度分布的特性有助于了解立式磨的设备性能和粉碎效果。黄泽森4探究了入磨粒度对立式磨系统的影响，发现入磨粒度偏大不仅影响产量和质量，还影响立式磨的运行稳定性和关键零部件寿命。李国峰5分析了搅拌磨工艺参数对产品粒度特征的影响，得到一组最佳工艺参数，对提高粉磨合格粒级产率具有一定的指导意义。张梅6分析了辊压机的工作过程，通过能耗方程将最大压力和辊隙与产品粒度质量分数联系起来，分析了最大压力与辊隙两个主要参数对产品粒度变化的影响，为辊压机的压力与辊隙的选取提供参考。刘畅7基于分形理论研*项目来源：国家重点研发计划项目，项目编号：2020YFC90990，项目名称：废弃混凝土砂粉再生利用关键技术与装备，子课题名称：废弃混凝土砂粉高效剥离粉碎技术研究。作者简介：刘畅（989-），男，安徽亳州人，博士，矿物加工方向，电话：8755453673，邮箱：。究了不同工艺参数（压力、电机转速和含水率）对矿渣粒度分布和分形维数的影响，发现了一定的规律和现象，然而，分形维数只能从整体上评价粒度的细度，并不能展示各粒级细节的变化情况。如前所述，与其他设备相比，关于工艺参数对立式磨产品粒度特征的研究文献较少，尤其是从各粒级对比粉磨前后的粒度变化情况缺乏了解。因此，本文创新性地建立了RRB粒度模型，构建了相关的表征粒度分布均匀性、分布宽度和离散度的模型，研究不同工艺参数下立式磨的粒度特征变化规律。基于一种实验室规模的立式磨，对石灰石样品进行了粉磨试验，研究了工艺参数（压力、电机转速和含水率）对立式磨产品粒度特征的影响。试验原料试验原料为石灰石，是水泥生料的主要成分，来自于河北石家庄，化学成分及XRD分析2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 粉磨技术30见图所示。由图可知，主要矿物成分为方解石42.5%、伊利石20.2%和石英8.8%。采用标准试验筛对试样进行筛分统计，由图2可知，该试样的粒度整体区间为00 mm，主要集中在0.630 mm8。图 试样XRD图谱 (a)试样分布实物图 (b)试样累积筛余曲线图图2 试样粒度分布2 试验方法将试样依次经过皮带输送机、喂料机精准喂入到HRM400立式磨中，进行不同工艺参数（电机转速、压力和含水率）的单因素条件试验8，采用标准试验筛对粉磨后产品各粒级区间含量进行筛分统计，其中低于0.08 mm的颗粒粒级含量是通过经过BT-200型号粒度分析仪测取的，对产品累计粒度、粒度分布特征、各粒级变化量等进行分析，结合罗辛-拉姆勒-贝内特（Rosin-Rammler-Bennett）RRB方程式，确定最优的工艺参数，粒度分布函数一般用于描述较细的颗粒分布，其方程为：R0=00e-(x/x0)m （）式中：R0粒度大于x粒级累计筛余重量百分数，%；x筛孔宽度或颗粒某一粒级的粒径，m；x0特性（或临介）粒径，即相当于筛余为00/e时的物料粒径，对于一种粉碎产品，是一个常数，um；m物料性质有关的指数，称为均匀性系数，对于某一种粉碎产品，m是常数；e自然对数的底，e=2.78 28。为了更全面地掌握立式磨开路粉磨产品粒度分布特性，选取特征粒径d0、d50和d90分别表征粉磨产品中的细粒级、中粒级和粗粒级。d0的含义为产品的含量累积达到0%时对应的粒径，它的物理意义是粒径小于（或大于）它的颗粒占0%，同样的定义也适用于d50和d90，d50也可以叫中位径，常用来表示粉体的平均粒径。分维数可以反映出整体颗粒的变化趋势，但局部的变化特性，还需要结合特征粒径来展示，可更精准地掌握粒度分布的变化特性。产品粒度分布的离散度对后期的使用性能有着后续的影响，离散度等于分布宽度与中位径大的比值，可用来表征粒度分布的相对宽度或不均匀的程度。d90与d0之差代表粒度分布宽度。w=d90-d0 （2）nw=(d90-d0)/d50 （3）式中：w粒度分布宽度，越大，说明粉体的粒度分布越宽；nw离散度，又可以称为分布宽度系数，nw越大，说明粉体的粒度分布越宽和数据分布越不均匀，需要说明的这一参数与RRB分布模型中的m表征的含义相反。3 结果和讨论3.电机转速对产品粒度特征的影响图3给出了不同转速下产品的粒度正累计分布曲线图，采用累计筛余百分比衡量，又称为筛上累计含量百分比。从图3中可以发现转速对产品粒度累计分布曲线影响显著，随着转速的增加，累计筛余逐渐增加，意味着产品中的粗颗粒含量变多。这是因为在磨盘转速增加的过程中，颗粒流动性增强，这会对料层分布进行重组，降低了物料被磨辊图3 不同转速下产品的粒度累计分布2024年第1期 No.1 2024 刘畅，等：立式磨工艺参数对产品粒度特征的影响 粉磨技术3捕捉和粉磨的概率。从工业生产中发现，在一定范围内，提高转速有利于提高生产率，但转速过高，容易导致产品出现跑粗现象。本次试验的粒度分布变化趋势与工业应用情况一致。虽然图3展示了整体产品粒度分布曲线随着转速变化的趋势，但对产品中每个粒级含量占比的变化趋势并不清楚。定义粒径大于0.63 mm的为粗粒级产品，粒径小于0.63 mm的为细粒级产品。本文将从粗粒级产品和细粒级产品两个方面探究不同的转速对每个产品粒级含量占比的影响。图4中给出了产品的粗粒级含量占比随转速的变化情况。n=0代表初始颗粒分布，即未被粉磨的物料粒径占比。为了清晰地反映产品粗粒级含量的变化规律，以二维和三维直方图相结合的形式呈现。由图4可知，转速对粗粒级含量的变化影响显著。随着转速的增加，产品的粗粒级含量逐渐增加，说明立式磨粉磨效果变差，产品质量降低，产生的根本原因与颗粒的流动性增强有很大关联。(a)2D分布图 (b)3D分布图图4 不同转速下产品的粗粒级粒度分布占比图5中给出了产品的细粒级含量占比随转速变化的二维和三维直方图，重点考察-0.63+0.35 mm、-0.35+0.6 mm、-0.6+0.08 mm和-0.08四个粒级含量的占比。由图5可知，转速对细粒级含量的变化影响显著，发现在-0.63+0.0 8mm粒径的含量随着转速的增加后减少，但0.08 mm以下粒级却随着转速的增加先增加而减少，在转速为450 r/min时，0.08 mm以下粒级细颗粒含量达到最大值，这是因为低转速下石灰石的过粉磨产生了团聚效应，在讨论压力因素时将会详细讨论团聚效应现象。对图3中的粒度累计分布曲线进行数据拟合，得到RRB模型的特征参数见表所示。从表中可以发现基于分段RRB模型拟合的相关性R2较好，说明分段RRB模型可以很好地预测立式磨的产品粒度累计分布，由特征参数和的响应规律可知，转速越大，产品粒度分布越不均匀。通过不同速度条件下的单因素粉磨试验，分析了特征粒径d0、d50和d90随转速的变化特点，此外，还探究了转速对产品粒度分布宽度及离散度的影响，具体结果如图6所示。从图6可知，细粒级d0的数值变化相对较小，随着转速的增加，先迅速降低而又略微增大，而d50和d90则随转速的增加而一致增大，说明随着速度的增加，产品中的中等以上粒级颗粒含量在增加。这可以揭示随着转速的提高，颗粒流动性越强，更容易逃逸出粉磨区，最终导致产品中粗颗粒含量增加。虽然随着转速的增加，会导致产品粒径变粗，在工业中，适当提高转速，可以有效地提高生产效率。从粒度分布宽度（用黑色曲线显示）和离散度（用红色曲线显示）曲线中发现，产品的粒度分布宽度和离散度随着转速的增加而增加。意味着随着转速的提高，产品的粒度分布越宽和粒度分布越不均匀，这一结论与 (a)2D分布图 (b)3D分布图图5 不同转速下产品的细粒级粒度分布占比表 不同转速下产品的RRB模型拟合参数 (a)特征粒径 (b)粒度分布宽度和离散度图6 不同转速下产品特征粒径、分布宽度和离散度2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 粉磨技术32RRB特征参数呈现的结论一致。3.2 压力对产品粒度特征的影响图7给出了不同压力下产品的粒度正累计分布曲线。从图7中可以发现压力对粉磨后的产品粒度累计分布曲线影响显著，随着压力的增加，累计筛余逐渐减少，意味着产品中的细颗粒含量变多。在工业生产中发现，在一定范围内，提高压力有利于提高产品质量，但压力过高，会造成辅助设备和关键零部件可靠性降低，容易出现零部件破坏现象。图7 不同压力下产品的粒度累计分布图8中给出了产品的粗粒级含量占比随压力变化的二维和三维直方图，重点考察-2.5+.25 mm和-.25+0.63 mm两个粒级含量的占比，P=0代表初始粒径，即未被粉磨的物料粒径。由图8可知，压力对粗粒级含量的变化影响显著。随着压力的增加，产品的粗粒级含量逐渐减少，意味着压力越大，粗颗粒越容易被破碎。但当压力到一定数值时，这种粉碎效果不再明显，这是因为粗颗粒被细颗粒群包裹着，阻止进一步破碎。(a)2D分布图 (b)3D分布图图8 不同压力下产品的粗粒级粒度分布占比图9中给出了产品的细粒级含量占比随压力变化的二维和三维直方图，重点考察-0.63+0.35 mm、-0.35+0.6 mm、-0.6+0.08 mm和-0.08四个粒级含量的占比。由图9可知，压力对细粒级含量的变化影响显著，发现在-0.63+0.08 mm粒径的含量随着压力的增加而增加，但0.08 mm以下粒级却随着压力的增加而减少。在压力为9 MPa时，0.08 mm以下粒级细颗粒含量最小，这是因为高压力下石灰石粉体出现了团聚现象，如图9d所示。这种团聚是软团聚，由机械啮合在范德华力和静电引力作用下产生的，在机械能作用下可以消除这种团聚现象。图9e和图9f分别给出了 K和5 K放大倍数下的颗粒形貌，从图9中发现，晶粒大小分布不均匀，800 m的团聚体表面吸附着片状的小颗粒。(a)2D分布图 (b)3D分布图 (c)5MPa压力下产品 (d)9MPa压力下产品 (e)K倍下颗粒形貌 (f)5K倍下颗粒形貌图9 不同压力下产品的细粒级特征对图7中的粒度累计分布曲线进行数据拟合，得到RRB模型的特征参数见表2。从表2中可以发现基于分段RRB模型拟合的相关性R2较好，说明分段RRB模型可以很好地预测立式磨的产品粒度累计表2 不同压力下产品的RRB模型拟合参数2024年第1期 No.1 2024 刘畅，等：立式磨工艺参数对产品粒度特征的影响 粉磨技术33分布，由特征参数和的响应规律可知，压力越大，产品粒度分布越均匀。通过不同压力条件下的单因素立式磨粉磨试验，分析了特征粒径d0、d50和d90随压力的变化特点，此外，还探究了压力对产品粒度分布宽度及离散度的影响，具体结果如图0所示。对图0分析可知，细粒级d0的数值变化相对较小，随着压力的增加而略微增大，而d50和d90则随压力的增加而一致变小，说明随着压力的增加，产品中的中等以上粒级颗粒含量在减少。这可以揭示出随着压力的提高，粗颗粒容易被粉磨成较细颗粒。从粒度分布宽度（用黑色曲线显示）和离散度（用红色曲线显示）曲线中发现，产品的粒度分布宽度和离散度随着压力的增加而减少。说明随着压力的提高，产品的粒度分布越窄和数据分布越均匀，这一结论与RRB特征参数呈现的结论一致。(a)特征粒径 (b)粒度分布宽度和离散度图0 不同压力下产品特征粒径、分布宽度和离散度3.3 含水率对产品粒度特征的影响图给出了不同含水率下石灰石产品的粒度正累计分布曲线。从图中可以发现含水率对产品粒度累计分布曲线影响显著，随着含水率的增加，累计筛余逐渐增加，意味着产品中的粗颗粒含量变多。图 不同含水率下的粒度累计分布图2中给出了产品的粗粒级含量占比随含水率变化的二维和三维直方图，重点考察-2.5+.25 mm和-.25+0.63 mm两个粒级含量的占比。由图2可知，含水率对粗粒级含量的变化影响显著。随着含水率的增加，产品粗粒级含量逐渐增加。这是因为含水率增加了粉体之间的粘性，导致出现团聚现象，阻碍了磨辊磨盘与粗颗粒物料的直接接触，降低了粉磨能力，而且含水率越高，这种现象越明显。(a)2D分布图 (b)3D分布图图2 不同含水率下产品的粗粒级粒度分布占比图 3 中 给 出 了 产 品 的 细 粒 级 含 量 占 比随含水率变化的二维和三维直方图，重点考察-0.63+0.35 mm、-0.35+0.6 mm、-0.6+0.08 mm和-0.08 mm五个粒级含量的占比。由图2可知，含水率对细粒级含量的变化影响显著，发现-0.63 mm粒级以下的含量随着含水率的增加均减小。这是因为含有水分的粉体物料之间粘性增大，在压力下容易出现团聚现象，阻碍了物料被进一步粉碎，最终导致产品粒径变粗。如图3（c）和3（d）所示，分别给出了含水率在2%和4%时的石灰石产品实物图，发现含水率越高，团聚现象越严重，引起这种团聚的机制与压力产生的团聚机制略有不同。(a)2D分布图 (b)3D分布图 (c)含水率为2%时 (d)含水率为4%时图3 不同含水率下产品的细粒级特征对图中的粒度累计分布曲线进行数据拟合，得到RRB模型的特征参数见表3。从表3中可以2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 粉磨技术34发现基于分段RRB模型拟合的相关性R2较好，说明分段RRB模型可以很好地预测立式磨的产品粒度累计分布，由特征参数和的响应规律可知，含水率越大，产品粒度分布越不均匀。表3 不同含水率下产品的RRB模型拟合参数通过不同含水率条件下的单因素立式磨粉磨试验，分析了特征粒径d0、d50和d90和随含水率的变化特点，此外，还探究了含水率对产品粒度分布宽度及离散度的影响，具体结果如图4所示。从图4可知，细粒级d0的数值变化相对较小，随着含水率的增加而略微增加，而d50和d90则随含水率的增加而一致变大，说明随着含水率的增加，产品中的中等以上粒级颗粒含量在增多。这揭示了随着含水率的提高，粗颗粒容不易被粉碎成较细颗粒。从粒度分布宽度（用黑色曲线显示）和离散度（用红色曲线显示）曲线中发现，产品的粒度分布宽度和离散度随着含水率的增加而递增。说明随着含水率的提高，产品的粒度分布越宽和数据分布越不均匀。(a)特征粒径 (b)粒度分布宽度和离散度图4 不同含水率下特征粒径、分布宽度和离散度4 结束语通过室内立式磨粉碎实验，结合RRB粒度分布函数揭示产品粒度分布特性。探究在不同工艺参数下产品的分布特征，以及特征参数的变化规律，试图揭示特征参数与工艺参数之间的内在联系，得到的具体结论如下：（）建立了RRB函数模型，以及构建了相关的表征粒度分布均匀性、分布宽度和离散度的模型，结果表明：RRB函数模型能很好地预测产品粒度分布。（2）转速越大和含水率越大，则产品粒度分布越不均匀和分布越宽；压力越大，则产品粒度分布越均匀和分布越窄。（3）在低转速（450 r/min）、高压力（5 MPa）和高含水率（%）下容易产生团聚现象，这种团聚是在范德华力和静电引力作用下产生的软团聚，团聚体表面吸附着大量片状的小颗粒，且晶粒大小分布不均匀。含水率越高，越容易出现团聚现象，这种团聚体是在压力下物料之间粘性吸附增强产生的，且团聚体尺寸规格大于其他因素产生的团聚体规格。参考文献 Curry J A,ISMAY M J L,JAMESON G J.Mine operating costs and the potential impacts of energy and crushingJ.Miner.Eng.204,56:70-80.2 Napier-munn T.Is progress in energy-efficient comminution doomedJ.Miner.Eng.205,73:-6.3 周进龙,舒超,祁晓勇,等.水泥生料立磨系统节能降碳技改 途径J.中国水泥.2023(6):77-79.4 黄泽森.入磨粒度对立式磨系统的影响J.四川水泥.2005(2):9-20.5 李国峰,李椿楠,栗艳峰,等.搅拌磨机磨矿工艺参数对产品 粒度特征的影响J.金属矿山.2022(7):22-28.6 张梅,程相文.辊压机的工艺参数对产品粒度的影响J.中 国重型装备.2009(3):24-29.7 刘畅,陈作炳,张伟丽,等.操作参数对立式磨粒度分布特性 的影响J.矿冶工程.2022,42:73-77.8 刘畅.基于分形理论的立式磨出料粒度分布特性研究J.新世纪水泥导报.2023(6):27-33.（收稿日期：2023-0-20）2024年第1期 No.1 2024 刘畅，等：立式磨工艺参数对产品粒度特征的影响 粉磨技术