球磨机的原理及研究发展

球磨机的理论研究背景

球磨机的基本工作原理是通过筒体的转动带动简体内的研磨介质(砾石、钢球等)、物料和水(或空气等)运动使相互间产生冲击、研磨等作用从而使一定大小的物料被破碎并达到我们需要的粒度级别。

由于球磨机在磨矿过程中参变数众多，问题错综复杂，研究起来十分困难。首先是理论上研究无统一的定论，球磨机的工作对象是各种各样不同的矿石、陶瓷原料等等，他们的力学和物理性质不一，导致磨矿效果也不同，因此难以建立适合各种条件的理论。其次是实践上难以操作，一般球磨机是封闭的筒体，里面混合钢球、物料和水(或者空气等)，难以确定球磨介质的运动状态。尤其随着对磨矿的要求越来越高，球磨机变得越来越大型化，这更加增加了实测的难度。尽管如此。历时百多年来，仍有不少学者对球磨机进行了大量的研究。

国内一些学者认为不能把简体内所有的钢球看作一个整体。霍麟春，佟克己指出戴维斯理论关于钢球分离前始终不打滑的前提假设是错误的，对球磨机钢球的运动重新进行研究，并得出钢球的运动规律、分离条件和分离角计算方法。吴文广，张荣曾等则认为磨矿介质(钢球)具有散体性质，分析了磨矿介质处于各种运动状态时的条件并进行了试验验证，其主要目的是用于球磨机有用功率的合理计算，以便正确选择磨机的电机功率。

国内外的这些研究对本文具有重要的借鉴意义。本文正是基于它建立的球磨介质散体运动分析理论，从载荷的角度出发对大型陶瓷球磨机进行了载荷计算，为有限元分析提供了载荷边界条件。

球磨机介质工作理论及发展

球磨机过程是一个复杂多变的生产系统，影响因素众多，且各个因素相互影响制约，研究起来十分困难。长期以来，对球磨机运动进行准确的描叙是广大学者期待解决的问题。当然已经取得不少成就，但这些成果仍有一定的局限性和条件性。对于球磨介质而言，只能对磨球作抛落运动时这一特殊状态进行定量的数学描述，泻落运动状态也只能进行定性的描述。对于球磨机的工作理论研究得也不是很透彻，许多基本的问题也只能借助经验或公式来解决。

有关球磨机介质相关工作理论的研究，这方面的代表性学者有戴维斯(Davis)等人。他们具体的研究方法研究的方法是：在玻璃端盖的实验室球磨机中进行实验，并使用高速摄影照相机摄下球磨机内磨球的运动轨迹。最后并确定了磨球在作抛落运动时，其轨迹是由圆弧及抛物线组成的。并采用数学分析的方法建立磨球的圆周运动及抛物运动基本方程式，用此方程式求解磨球在运动轨迹上各特殊点的几何位置，进而从数学上定量地描述磨球运动的轨迹。按照他们得出的研究成果，只要知道了球磨机规格、转速率及装球率，便可以求解磨球运动的各种问题，如临界转速率、由泻落运动进入抛落运动的界限、磨球运动的动能、最大的抛落高度、合适的装球率、磨球能态的调节等，直至可以计算球磨机需用的功率等。

实验及生产实践表明，当球磨机内球荷充填率达到40％50％时，磨球基本无滑动，这与他们的推导假设的前提条件是相符的，而且在实际工业生产中的球衙的充填率也在40％---50％之间，J下好符合上述理论的要求。因此，Davis他们的蹬!论还是有一定的应用价值。当球磨机内的球衙充填率低于40％，磨球会出现严重的滑动现象，这与该理论推导时的假设前提条件不相符和，当然不能用此理论来解决问题。像近来出现的超临速球磨机，因为在超临速下的球荷充填率已减至40％~20％，球磨机工作时磨球存在着严重的滑动现象，并且磨球与磨球之间及磨球与衬板之间存在剧烈的相对滑动，像这种情况是不能用该理论分析的。

球磨机的研究手段

球磨机的研究是随着研究手段的发展而进步的，有时甚至研究成果极大程度地取决于所采取的研究手段。尤其足现在随着矿产的“贫化、细化、杂化”，磨机的设计变得越来越大型化，这对研究手段提出了更高的要求。目前采用的球磨机研究手段主要有以下几种：

1．  照相实测

照相实测是自球磨机出现以来就采用也一直到现在还在采用的重要手段之一。它通过把实验室的球磨机一端端盖做成透明，快速拍摄球磨机转动时的每一个瞬间来研究球磨介质运动的每一个状态。戴维斯、胡基等都采用了这一方法束研究钢球运动。并验证了钢球的层运动理论。

2．实践试验

之所以把实践试验作为一种手段，主要是考虑到它对于球磨机研究的重要性。可以说，白球磨机产生以来实际试验就一直存在，也可以称之为经验法。由于球磨机研究的复杂性，理论应用具有很大的局限性，很多情况经验往往比理论更能指导实践。于是，在长期的实践过程中，就积累了很多的经验，甚至有的已经上身为理论，如有关功率计算的经验公式，介质填充率的大小，甚至球磨机转速的选取等等．直到今天，很多企业、厂矿仍在不断总结实际经验，并用于指导生产实践。

3．仿真模拟

仿真模拟是最近几十年逐渐兴起的先进的方法。按目前的报导可以分为两类：一类是有限元仿真分析；一类是离散元仿真分析。二者的侧重点有所不同。

有限元仿真分析主要是通过商业化有限元软件建立球磨机的离散化有限元模型，将球磨机的载荷和约束作为边界条件输入，求解整个球磨机结构在承受载荷时的变形以及应力水平，并进行相关的校核，从而得出球磨机结构的安全系数等等。它足随着有限元理论的成熟以及商业化有限元软件的形成而发展起来的一种先进分析手段。生产厂家主要运用有限元仿真球磨机对球磨机进行结构设计。

球磨机制粉系统的控制难度

1．中间储仓式制粉系统是由磨煤机、粗粉分离器、细粉分离器、给粉机、排粉风机及其连接管道组成，是一个复杂的气固二相流系统，其风温、风压、煤流和气流存在着密切的耦合关系。中间储仓式制粉系统可看作是三输入．三输出的多变量、强耦合系统，对系统任意参数的调节都会对其他参数产生很大的影响。

2．现有的控制方案是以存煤量为基础的，不管是采用磨煤机进出口差压或磨煤机振动信号等方法来测量煤量都会存在较大的误差，因此，这些以存煤量为基础的控制方案是有局限性的。

3．磨煤机被控制量除受到给煤量、热风门和再循环风门开度的扰动外，还受包括钢球装载量、煤的成分和特性、冷风和热风温度高低的影响。

4．中间储仓式制粉系统具有严重的非线性特性，绝大部分执行机构都存在非线性。由于气固二相流的缘故，使得磨煤机进出口差压与磨煤机实际负荷存在强烈的稳态非线性和动态大迟延。当给煤量增大超过限值后，还将会出现煤粉泄漏和堵煤现象，严重影响系统安全经济运行和污染环境。

5．中间储仓式制粉系统具有模型时变特性，在我国火力发电厂燃用的煤种多变、煤质不一，原煤的粒度大小、温度、水分、煤的可磨性和挥煤的分析成分等指标经常会发生变化，另外钢球在磨煤机运行过程中会不断磨损。所有这些因素都会导致磨煤机表现出时交系统的特征。