胡泽武，胡其军
(莱歇研磨机械制造(上海)有限公司，上海 200941)
重钙粉(又名细磨碳酸钙GCC)广泛用于造纸、塑料、涂料、油漆、医药等日用化工行业，作为典型的功能性体质填料，是一种低碳环保型非金属矿物粉体工业原料。近些年由于产能扩充、市场定位、环保等因素影响，重钙粉生产逐渐向规模化、高端精细、节能方向发展，传统小型生产企业落后设备和工艺逐渐被淘汰，随着应用行业技术升级，对重钙粉产品功能性提出更多个性化需求[1-3]。大型立式辊磨(惯称为立磨)设备和生产工艺由于其高效节能、环保、操作维护等方面的优势逐渐被市场采纳和接受，以取代传统的低效率、高功耗、产能小等重钙粉生产设备和工艺，如球磨机、振动磨、雷蒙磨等[3-4]。
立磨粉磨系统相比传统重钙粉磨系统，系统设备的运行参数较多且相互又有关联性，生产实践中需要通过其合理调整和控制以达到粉磨系统高效节能生产，本文研究如何在这些运行参数间找出最佳的因素水平以实现重钙粉生产企业的经济高效生产。
1.1 粉磨系统工艺
重钙原料由于纯度高、白度高，一般不需要经过浮选或其他除杂工艺，仅需超细粉磨和分级即可[5]。工艺流程见图1，重钙原料由计量输送皮带经斗提喂入锁风喂料阀后落入立磨磨盘上，经立磨液压加载系统对磨辊加压被研磨粉碎，粉碎后的粗粒径物料在磨盘旋转离心力作用下排出磨外，经外循环输送皮带进入斗提和新鲜原料一同回磨，粉碎后的细粒径物料由具有一定温度的气流输送进入立磨上方的粒径分级机，这同时也是完成物料烘干过程，经分级机粒径分级后，不符合要求的半成品返回磨盘上和入磨原料一起继续被研磨，成品物料随气流输送进入收粉器收集后由成品输送泵输送至成品库。安装在收粉器后的系统风机提供足够风量和压力的气流对磨内、管道及收粉器内的物料提供输送动力，含粉气流经过收粉器将重钙粉成品收集后洁净气体大部分又通过系统风机循环回进入立磨完成一个闭路循环并保持平衡，原料烘干蒸发的水蒸气和系统各点漏入的外部环境空气等通过外排通道排入环境大气中。
图1 一次分级重钙粉立磨流程简图
重钙粉立磨粉磨系统为干法制粉系统，上述需要烘干的气流热量来自物料被粉磨过程中产生的热量以及气流运动摩擦产生的热量，根据热平衡计算一般具备烘干原料含水在2%以内的能力，非特殊要求一般不设置额外热风烘干系统。干法制粉的优势在于有利于实现产业规模化及一定程度的产品精细化，立磨干法制粉的规模化、精细化效益最为明显[6-8]。
1.2 运行参数描述
从工艺描述可知，重钙粉立磨粉磨系统是气固两相流场负压操作工艺系统，符合浓相气力输送工况[9]，系统内工作介质就是重钙颗粒或粉体物料和流动气体，它们受立磨、分级机及系统风机等主机设备直接控制，主机设备的运行参数直接关系到制粉系统的综合性能如产量、产品质量、能耗以及运行稳定性等，且主机运行参数间又非独立而存在相互关联性。辅机设备如原料输送设备、收粉器、螺旋泵及控制阀门等满足主机设备参数运行要求。
1.2.1 立磨
以LM 型立磨(行业统称莱歇磨)为例，其结构示意见图2，原料喂入磨盘后通过磨盘旋转产生的离心加速度将物料带入磨辊下，磨辊在液压加载系统和磨辊自重作用下对物料进行挤压粉碎，同时物料在磨盘上运动过程中，物料颗粒间受剪切力粉碎，磨辊对物料的挤压力大小影响物料的挤压和剪切粉碎效果，即为固体物料在立磨内因受到机械力的作用而被粉碎，符合机械粉碎法制备原理[10]。磨辊、磨盘及物料三者组成粉磨料床，磨盘转速快慢决定了物料在磨盘上的离心加速度大小且对颗粒间剪切力大小产生直接影响，磨辊挤压力变化也会影响到运动颗粒间的剪切力大小，同时磨盘转速也会对料床上料层厚度产生直接影响，同等条件下磨盘转速快料层厚度变薄，反之则变厚，合适的料层厚度是磨机能稳定运行的一个必要条件。这样就定义把决定物料受挤压力和剪切力大小的液压系统操作压力以及影响料层厚度和剪切力大小的磨盘转速作为立磨关键运行参数。
图2 LM 型立磨结构示意
1.2.2 分级机
分级机功能是将经研磨后的成品物料和半成品物料的混合物按照需要的粒径分离开来，成品物料进入后续收集工序而半成品返回料床继续被研磨，分级机转子来实现粒径分级功能，在原材料的超微细加工中，分级也是必不可少的过程[11]。转子带动气固两相流中的物料颗粒产生离心运动，颗粒受离心力和气流的带动力，两个力平衡下的分级粒径即为切割粒径，切割粒径受离心力和气流带动力的影响。颗粒离心力受转子转速控制，气流带动力受气流速度控制，这样定义把转子转速作为分级机的关键运行参数。
1.2.3 系统风机
系统风机为系统提供足够风量和压力，直接的功能就是对磨内、分级机、管道及收粉器内的物料进行输送并形成闭路平衡循环。具体来说，风机产生的气流进入磨内，先通过磨机风环完成大粒径的物料在风环和料床之间的初步分选，由风量大小决定气流经过风环的速度并对大粒径物料初步分选产生决定性效果，气流经风环完成大颗粒物料分选后带动经研磨后的中细粒径物料向上提升进入分级机，由1.2.2 描述，风量决定的气流速度和转子转速来确定颗粒切割粒径即分级粒径大小。同等原料(如易磨性、硬度、粒度、水分等)和产品细度、产量条件下，系统风路阻力直接受系统风机提供的风量大小影响，也有前述液压操作压力、分级机转子速度等间接影响。系统风机提供的风量满足风环初步分选大粒径物料、磨内物料输送、烘干及中细粒径分级等要求，粉磨同一原料和产品细度一致条件下，系统用风量和系统的成品量有直接关系，即存在一个合理的固气比值，文中可另称为粉尘浓度(g/m3),这样定义把系统成品量(台时产量t/h)和用风量(体积流量m3/h)比值作为系统风机的关键运行参数，这样更能体现出系统风机运行是要匹配系统产量在各种其他设备运行参数下的要求，比直接用风量作为运行参数更具有合理性。
1.2.4 其他因素
系统和设备的状态也对粉磨性能有直接影响，如设备和管道漏风问题、磨辊和磨盘衬板磨损状态、分级机转子叶片磨损、收粉器布袋堵塞等，这涉及到生产企业对系统日常管理和维护，也需要确保系统在一个较佳的状态下运行。
重钙粉立磨系统运行时如何调节和控制上述的运行参数在合理范围至关重要，会最终涉及系统产量、产品质量、电耗以及运转稳定性等。本文采用工业试验的方式，以实际生产重钙粉为依据，调整控制系统关键运行参数，根据结果分析并试图找出这些关键运行参数之间的联系和关键因素等。
试验采用莱歇LM15.2 工业试验磨(磨盘研磨区直径Φ1.5m)系统，试验粉磨细度为800 目粒径(定义D97=18 ～20μm)等级的重钙粉，采用一次分级工艺。将设备磨盘转速、操作压力、粉尘浓度及分级机转子转速作为调节控制运行参数，以系统主机电耗为评价目标分析总结试验数据。试验用重钙石灰石原料来自安徽池州矿山，原料粒径在30mm 以下，水分＜1%，各试验过程保持原料的同一性及系统设备结构的一致性。
2.1 试验设计
将磨盘转速、操作压力、粉尘浓度及转子转速作为调节控制运行参数，结合LM15.2 工业试验磨结构，制定运行参数设计见表1。
表1 重钙粉立磨正交试验运行参数
将上述四个运行参数作为因素，在参数范围内每个因素分为三个水平，采用正交试验法找出因素的水平最佳趋势，正交试验四因素三水平参数见表2[12]。
表2 重钙粉立磨正交试验四因素三水平参数选择
以系统主机设备电耗作为评价指标，各水平值和试验组合的编号分别列入表中，形成正交试验方案 (L9(34)) ，如表3 所示。
表3 重钙粉立磨正交试验四因素三水平试验方案(L9(34))
2.2 试验执行及结果
根据试验编号，将各因素对应的水平组合进行试验，试验过程中保持磨机稳定运行，重钙粉产品细度满足既定要求，每个试验编号对应的试验在取样分析确定系统运行平稳后，开始计时连续工作6小时且保持每间隔30 分钟取样分析，主机电耗以立磨、分级机及系统风机为统计对象，计算6 小时内的平均电耗，最终统计及计算的试验结果见表4。
表4 重钙粉立磨正交试验结果数据
2.3 试验结果数据分析
以主机电耗为对比指标，并根据正交试验极差分析法得出极差分析结果( 表5)， 同时生成因子各水平均值图(图3)。
图3 重钙粉立磨正交试验因子各水平均值图
表5 重钙粉立磨正交试验极差分析表
根据极差分析表和因子各水平均值图，可以看出影响电耗的因素依次为：操作压力＞粉尘浓度＞磨盘转速＞转子转速，对应因素最佳水平为1、1、2、3，即高操作压力、高粉尘浓度、中等磨盘转速和低转子转速，其中操作压力和粉尘浓度影响尤为重要。
为进一步分析各因素对结果影响程度，根据正交试验结果数据建立数据回归模型利用微软EXCEL软件进行多元回归分析，并对回归系数进行估算，结果见表6、表7。
表6 重钙粉立磨正交试验回归统计
表7 重钙粉立磨正交试验方差分析
根据表6 回归分析结果看，相关系数R=0.977，也说明了工业试验定义的四个因素和制定的目标结果具有高度正相关，并根据表7 方差分析结果得知显著性统计量F为0.0059，远小于显著水平0.05，说明该回归方程回归效果显著[13]。从回归统计结果分析，工业试验设计的重钙粉立磨系统运行参数(因素)的控制范围(水平)能准确影响到系统运行的经济性如电耗指标，是一个非常有代表性的工业试验。
立磨系统在初始设计时，确立了系统在运行时各设备正常运行的参数范围，但在生产实际中，需要进行一些调整或尝试等以达到较佳的运行状态，实现较高的经济性生产。从工业试验结果分析，明确重钙粉运行参数对系统性能的影响及重要程度，特别是居多运行参数间的主次关系，具体结果是：液压系统操作的粉磨压力尤为重要且是高操作压力显著有利于降低电耗，高粉尘浓度操作明显利于节能，中等磨盘转速对磨机运行稳定性有益对节能也有贡献，较低的分级机转子转速同样有利于节能。结合立磨结构及工艺系统自身特性，从工业试验结果可以分析其理论依据，也可以为重钙粉立磨粉磨企业提供必要的生产运行借鉴。
3.1 运行参数理论分析
立磨是以料床粉磨原理的典型代表设备[14]，在磨辊、磨盘、风环等内部机械结构固定不变的情况下，决定料床粉磨状态的关键因素就是料床上物料的挤压和剪切受力大小、粒径组成、料层厚度、离心加速度等，而这些关键因素直接关系到立磨的产量、电耗、运行稳定性等重要性能。
液压系统操作压力直接影响物料所受挤压和剪切受力大小，立磨料床粉磨原理就是较高的粉磨压力会有更好的物料被挤压和剪切粉碎效果即有更高效的料床粉磨效率，立磨产量提高且电耗降低。同样高的料床粉磨效率，物料在风环和料床间、在料床和分级机间的无效循环就会减少，立磨和分级机等系统风路阻力就会降低，直接带来分级机电耗和系统风机电耗的降低。正交试验中操作压力因素极差R为10.00，远高于其他三个因素的影响，足以验证其在立磨运行中是最为重要的参数。
立磨粉磨系统内工作介质是各粒径的重钙粉原料、半成品、成品和一定温度的由系统风机提供的运动气体，风量需满足物料在系统各点的输送和物料烘干要求，提高风利用效率会降低系统风机能耗，满足系统稳定运行情况下，提高粉尘浓度即成品量和用风量的比值能提高用风效率。立磨运行中根据各工况变化，产量和用风量会有调整，两个量存在单个调整或同时调整，但两个量比值的变化即粉尘浓度在操作中力求偏大。粉尘浓度因素极差R为5.63，相比也是其作为立磨运行参数重要性的体现。
磨盘转速决定了料床上物料离心加速度且对物料颗粒间剪切力大小产生直接影响，同时也会对磨盘上料层厚度产生直接影响，磨盘转速高物料剪切受力效果好且料层相对变薄，粉磨效率提高。但磨盘转速过高会给料床稳定性带来负面影响，如引起磨机振动过大，反而会影响挤压受力粉碎效果而影响粉磨效率，维持磨盘转速在一个合适的水平对料床稳定性至关重要，不能一味追求过高磨盘转速。
分级机是靠动态旋转转子的转速来控制切割粒径即分级粒径的，同比条件下，转子转速高切割粒径小，反之切割粒径会变大。如保持切割粒径不变，提高转子转速时必定要增加风量，相反减低粉尘浓度，系统电耗必定成增加趋势，满足生产要求和产品细度情况下保持偏低的转子转速是有利的。
3.2 运行参数合理控制
前述工业试验验证的四个关键运行参数和对应的理论分析，也需要对试验结果有准确的认识，如操作压力高尤为重要，粉尘浓度高明显利于节能等，但这些运行参数也应有其合理的上限或下限值，各运行参数下的操作需要能保证系统长期稳定运行，立磨能平稳运转，如合适的产能水平、磨机振动在合理范围、立磨外排循环量可控、立磨及分级机内耐磨件磨损程度均匀等。
工业试验验证利用LM 型立磨粉磨800 目细度等级重钙粉的系统关键运行参数，试验及分析结果来自于LM 型立磨及分级机结构特点、重钙粉原料固有理化特性以及粉磨的产品细度等前提条件。对新建的重钙粉生产线设计配置以及现有的重钙粉生产线运行管理，如何做好这些运行参数的调试值得探讨。
重钙粉原料一般为方解石、大理石、石灰石等天然碳酸盐矿物粉碎而成[15]，其自身的硬度、易磨性、水分等均存在差别，运行参数也有不同，同一种原料粉磨至不同细度时运行参数也不同。粉磨相同原料和细度产品时，也存在不同的立磨结构和工艺，其运行参数也不尽相同。
重钙粉新建项目前期阶段，可以利用文中的工业试验思路，针对指定的原料和需要的产品细度等级等进行工业粉磨试验，更准确地找到系统运行参数控制范围，为生产线的设备选型做参考且能更好地制定出实际生产运行参数范围，匹配设备规格型号和系统配置可更好地把握项目投资，带来更高的生产效益和运行经济性。如存在原料来源不变、产品细度固定单一等情况，进行工业试验能准确确定磨盘转速，立磨特别是大型立磨磨盘转速可以不用配置调整功能，其电气设计上也不用配置调速装置，可节省硬件投资费用和生产维护费用等。
利用工业试验，采用正交试验法得到重钙粉立磨工艺系统运行参数的四个最佳因素水平依次为高操作压力、高粉尘浓度、低转子转速和中等磨盘转速，其中操作压力和粉尘浓度水平影响尤为重要。立磨工艺系统生产管理和操作人员也需要详细了解系统及设备的特性，明确各运行参数的控制要求，并能分析总结不同运行参数对产品质量、电耗等相关性能的影响，用于指导生产实践，以实现重钙粉立磨粉磨系统的高效节能经济性生产。
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