杨炳勇

（泉州工艺美术职业学院，福建 泉州 362500）

陶瓷用球磨机节能改造技术研究

杨炳勇

（泉州工艺美术职业学院，福建 泉州 362500）

本文通过对陶瓷用球磨机其生产工艺、运行规律及主要参数的研究，提出陶瓷用球磨机的最佳工作转速，并采用变频器-永磁同步电机直接驱动球磨机小齿轮的模式进行驱动，改造传统的异步电机-减速机驱动模式.改造后的球磨机，在传动效率、功率因数上明显提高，维护频率大大降低，节能效果明显，具有很好社会经济效益.

陶瓷；球磨机；变频；永磁电机；节能

球磨机是陶瓷工厂原料制备中电机容量最大的设备，它主要用于各种矿石原材料的粉磨，在粉磨过程的过程中，电量消耗量巨大[1].由于企业对球磨机技术的认识还远远不够，同样规格及同样粉磨工艺的系统，有些企业电耗高产量，有些企业磨机产量却很低，且高产量与低产量比例几乎接近一倍.传统认为，球磨机粉磨系统产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，但通过我们大量研究证明，这些因素对磨机的影响并不是主要的，甚至可以忽略，因这些因素在陶瓷生产过程往往是无法回避和选择的[2].

1 陶瓷球磨机高能耗原因分析

陶瓷球磨机是利用转动的筒体，不断地带动大量的研磨体在筒体内对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，使物料达到成品细度要求.

陶瓷球磨机一般采用异步电机—液力耦合器—减速机—小齿轮—大齿轮的模式驱动回转部如图1所示.其效率不高，主要原因有：

（1）液力耦合器在球磨机启动时可以起到缓冲作用，让电动机可以轻载启动，以减小启动电流，但球磨机属于恒转矩负载，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调速比，在低速时有近3/4的能量被浪费[6].

（2）异步机和减速机的效率非常低（分别为86%和88%左右），并且存在着维护频繁、漏油等一系列问题.

（3）我国陶瓷厂球磨机的实际工作转速,一般取临界转速的70%～90%，如此宽的取值范围,势必给球磨机的转速选取带来较大的不确定性[3].

图1 改造前球磨机系统示意图

2 系统改造方案

通过对陶瓷球磨机高能耗原因的分析，本次改造方案主要从两方面入手：一是通过分析球磨机的生产工艺、运行规律及主要参数，从而确定球磨机的最佳工作转速；另一方面是采用低速大转矩永磁同步电动机（效率90%，较传统模式提高15%）配套变频器直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动，改造传统的驱动模式.具体的改造思路如图2所示.

图2

3 球磨机的最佳工作转速分析

根据大量的一线工作实际分析，球磨机要有粉碎效果，其转速率的值在10%-90%之间，矿料才能受到研磨体的冲击和研磨作用，因球磨机转速率低于10%，球磨机内的介质处于泻落状态，研磨体对矿石只有研磨作用，没有冲击作用，磨矿的效率极其低下；而当球磨机的转速过高,会超过其临界值，球磨机内的介质将处于离心状态，将不会再有粉碎效果[4].

为验证球磨机转速对粉碎效果的影响，本文把生产经验选取具有代表性的三个转速率，进行实验分析，分别为50%、70%和90%.由于球磨机用变频器进行转速控制，还需要计算变频器的输出频率.

表1 转速率和变频器输出频率的对应关系

球磨机的产量越高,并不能说明其粉碎效率就越高，而是要安单位产品的能耗，即产品的比能耗来衡量球磨机效率的高低[5].

表2 磨矿50分钟后-200目以下粒度产品的产量

表3 磨矿50分钟后球磨机消耗的电能

表4 磨矿50分钟的比能耗

从表4可以看出比能耗随着转速率和填充率的变化趋势,经过大量实践验证分析当转速率=

0.69，填充率=0.33时,比能耗从取得最小值为

0.97kW/hkg.

4 变频器—永磁同步电机直驱球磨机设计

4.1 变频器选型与参数设置

在球磨机行业，变频器选型时，考虑球磨机运行环境温度高和球磨机负载惯性大的特点，往往选择变频器功率比球磨电机的功率大一档或两档，以提高变频器的环境适应能力和带载能力,这种选型策略对变频器的使用寿命较好，但如参数设置不当，不利于球磨电机的保护[7].因此当选型变频器功率大于电机功率时，要合理设置电机过载保护系数及变频器电流限制等参数，以实现电机的合理保护[7].

本次应用的球磨机是一台立式球磨机，电机功率300kW，变频器选用WIN-V63-315T4，同功率匹配，WIN-V63变频器主要参数设定如表5、6所示.

表5 变频器中电机参数设置

表6 WIN-V63变频器主要参数设定表

4.2 球磨机驱动系统改造

为了提高传动环节的效率，本次改造采用低速大转矩永磁同步电动机直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动[9].为了不影响生产周期，本次改造方案采用即换即用的原则，保证选矿厂的生产效益不受影响，图3永磁同步电动机球磨机系统示意图.

图3 永磁同步电动机球磨机系统示意图

永磁电机起动后采用工频电源供电即可实现稳定运行，为了降低改造成本，本次改造采用一台变频器拖动多台（据实际情况确定数量）电机起动[9].电机起动后将电机的端子引到电网上，在电网供电情况下，电机也可高效运行，详见图4改造后供电系统采用一拖多的方式，即可根据场区情况，可由一台或两台变频器或驱动多台电机起动[8].

图4 供电系统示意图

5 系统性能调试分析

表7 永磁电机球磨机与常规球磨机主要性能比较[13]

效率、功率因数与负载率的关系的比较，如图5、6所示[12].

图5 异步机效率、功率因数与负载率关系

图6 永磁电机效率、功率因数与负载率关系

球磨机用永磁电机节能分析，如表8所示.

表8 节能分析表

6 总结

项目技术的开发应用，可解决目前球磨机工作效率低、能耗高的、维修频率高等缺点，为德化上百家陶瓷企业和我省甚至全国相关陶瓷企业提供技术支持.在提高球磨机生产效率、降低能耗的同时提高产品质量及档次，对陶瓷生产企业的技术水平有整体的提高，有利于提高我省陶瓷出口创汇能力和市场的竞争力，促进我省陶瓷产业向更高的方向发展，项目技术的开发应用有着显著的经济和社会效益.

〔1〕郑文秀，任世亮.对电机系统节能工程思考[J].山西能源与节能，2009.

〔2〕戴少生，廖中同，黄有丰．粉碎工程及设备[M]．北京：中国建材工业出版社，1990.

〔3〕黄鹏，迟毅林，董为民，等．影响球磨机临界转速因素的研究[J]．中国矿业，2007.

〔4〕哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学[M]．北京：高等教育出版社，2002.

〔5〕扬忠高．提高球磨机磨矿效率的研讨[J]．有色矿山,1991.

〔6〕刘应诚，杨乃乔．液力耦合器应用与节能技术[M]．北京:化学工业出版社，2006.

〔7〕张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社，2001.

〔8〕李鹏，窦鹏冲，李雨薇，等.微电网技术在主动配电网中的应用[J].电力自动化设备，2015，35(4)：8-16.

〔9〕郭新华，温旭辉，赵峰，庄兴明．基于电磁转矩反馈补偿的永磁同步电机新型IP速度控制器[J].中国电机工程学报，30(27）.

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1673-260X（2017）12-0040-03

2017-09-29

福建省中青年教师教育科研项目（A类）(JA14434)