动态选粉机转子参数对选粉效率的影响

刘云峰，白 洁，符惜炜，李 珂，黄 涛,3，阮 涛

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

4金堆城钼业汝阳有限责任公司 河南汝阳 471200

立 磨广泛应用于建材行业，集粉碎、烘干、分级于一体，可用于水泥生料、熟料、煤粉和矿渣的粉磨[1]。立磨配用的动态选粉机是立磨系统的一个重要组成部分，与立磨系统的整体性能相互关联。动态选粉机一方面可以使回料中细粉料大幅度减少，利于立磨粉磨系统的稳定工作；另一方面，动态选粉机处理能力增大，也有利于立磨系统产量的提高[2-3]。随着超细粉体的广泛应用，对动态选粉机分级性能提出了更高的要求，在保证获得超细粉的同时，也要保证动态选粉机分级精度、选粉效率等其他性能指标[4]。目前，许多研究者采取了各种方法对动态选粉机的原理、结构、运行参数等方面做了大量的研究工作，取得了很多重要的研究成果。但是由于各厂家设计的动态选粉机结构存在差别，由此得到的结论也只适用于特定结构的动态选粉机。因此，研究选粉机各种参数对立磨系统的影响，对未来立磨动态选粉机的开发、改造和调试具有重要的意义。

近年来，随着计算机技术的快速发展以及粉体分离理论的不断涌现，国内外进行了立磨腔内气固两相流体数值模拟研究，为立磨结构优化提供了数值依据[5-6]。孙树峰等人[7]利用流体力学计算软件对内部流场进行了数值模拟，得到涡流分级机随着转速的增加，流场的涡流现象会增强，当转速增加到一定程度时，会出现反流现象。高利苹等人[8-9]利用 Fluent 软件对分级机内部流场进行数值模拟，找出了在某一进口风速下与之相对应的较佳转笼转速。笔者利用 CFD计算软件对某型号立磨配用的动态选粉机进行仿真，主要研究了动态选粉机转子叶片相关参数变化对动态选粉机选粉效率影响的规律。

1 选粉效率

1.1 研究思路

动态选粉机是将立磨粉磨系统出料中符合粒度要求的物料选出来，而不符合粒度要求的物料则留在立磨内继续研磨。理想状态的动态选粉机，是可以将所有符合粒度要求的物料选出，而这种状态在实际应用中是不可能实现的。设计者能做的就是最大可能地提高动态选粉机的选粉效率。

选粉效率指的是选粉后成品中所含小于某一粒径细粉的质量与选粉前粉体中所含小于该粒径细粉的质量之比。选粉效率是评价选粉机性能的重要工艺参数之一，也是评价整个立磨系统性能的主要参数之一。

式中：η为选粉效率，%；m为选粉后粉体小于某一粒度的质量，kg；m0为选粉前粉体小于某一粒度的质量，kg。

为了表征动态选粉机实际分级结果与理想分级结果之间的偏离程度，提出了“分级精度指数”概念，这个指数用公式表示为

式中：d25为分级效率为 25% 的物料粒径，µm；d75为分级效率为 75% 的物料粒径，µm。

动态选粉机内物料颗粒的分级非常复杂，且物料粒径都是 µm 级，干扰因素众多。因此依靠理论公式推导研究或试验测定研究，都无法得到实际数据。笔者利用 CFD 计算软件 Fluent 对动态选粉机选粉过程进行模拟计算，以各工况下得到的选粉机效率曲线为依托，以分级精度指数为判定标准，对动态选粉机转子叶片相关的设计参数进行研究，得到转子叶片各参数对选粉机性能的影响，为选粉机开发优化提供了指导。

1.2 计算条件

利用 Fluent 软件对动态选粉机进行仿真计算，需要确定基本计算参数，这些参数主要包括动态选粉机的处理风量、转子转速、入射物料粒径分布及各粒径质量流等。根据现场实际情况，动态选粉机的处理风量设为 700 000 m3/h，转子转速设为 120 r/min，动态选粉机处理物料的粒径分布一般符合 R-R 规律，计算用物料粒径 R-R 分布的分散系数为 2，中位粒径为40 µm，物料粒径参数如表 1 所列。

表1 物料粒径参数Tab.1 Granularity parameters of material

1.3 计算模型

动态选粉机研究计算需要用到的模型分为三维模型和 CFD 计算湍流模型。动态选粉机三维模型如图 1所示。

图1 动态选粉机三维模型Fig. 1 3D model of dynamic classifier

动态选粉机工作时，转子区域发生高速旋转，在此类问题的 CFD 计算中，一般需要使用动网格技术实现转子旋转。但动网格技术在实际应用求解中存在明显不足，一是计算效率不高；二是收敛难度大。为了解决这个问题，处理三维模型时，将转子区域单独剖分出来，形成独立的一个计算域。在此计算域上应用RMF (旋转坐标系法) 加载转速，可以规避上述问题。这样计算模型就形成了定子及筒体部、转子部、立磨出料部 3 部分，其中转子部外缘半径为 2 880 mm，内缘半径为 2 750 mm，高为 3 620 mm，转子叶片数量为 200 片，圆周方向均布。计算时，模型之间采用内部边界条件 Interface 连结，入口采用速度入口Velocity，出口采用自由流出口 Outflow，湍流模型采用适用于复杂剪切流动、旋流和分离流预测的 RNGκ-ε模型，物料颗粒采用 DPM 入射流。

2 转速对动态选粉效率的影响

2.1 不同转速计算

转子部件作为动态选粉机内细粉输送的必经通道，转子内部的流场特性是影响选粉效率的关键因素之一。物料颗粒输送到选粉机内部时，颗粒会同时受到自身惯性离心力和空气曳力的双重作用。粒径越大，离心初速度越大，颗粒受到的惯性离心力就越大。同样，选粉机内部流场速度越高，颗粒受到的流体曳力也会越大，这 2 种力对物料颗粒的作用强度决定了粒子的出入方向。当惯性离心力相对较大时，物料颗粒更容易被甩出，进入粗粉；反之，将随空气通过转子叶片间隙进入细粉。因此，研究动态选粉机转子转速对选粉效率的影响具有重要意义。

综上所述，结合某型号立磨的实际使用情况，针对动态选粉机不同转速进行分析研究。

2.2 计算分析

通过对不同粒径的物料颗粒进行轨迹追踪，可以得到该粒径物料进入计算域和排出计算域的颗粒数量，根据这些数据可以得到该粒径在此转速下的分级效率。物料粒度对不同转速下分级效率的影响如图 2所示。

图2 不同转速下物料粒度对分级效率的影响Fig. 2 Influence of material granularity on classification efficiency at various rotary speed

从图 2 可以看出：

(1) 立磨用动态选粉机转子转速在 90 r/min 以下时，对各粒径物料没有分级能力；

(2) 90 r/min 是动态选粉机工作的临界转速，各粒度物料的选粉效率处于震荡状态；

(3) 转速在 90 r/min 以上时，动态选粉机选粉效率曲线具有相似性。即对 45 µm 以下粒径物料，选粉效率处于高位区间；对 45 µm 以上粒径颗粒，需要尽可能留在立磨内继续研磨，此时随着转速的增加，大颗粒物料的选粉效率在快速下降。

为了更好判别动态选粉机在 100、110、120 r/min转速下的性能，需要分别求出每个方案下的分级精度指数。由式 (2) 处理所得的数据如表 2 所列。

表2 不同转速的分级精度指数Tab.2 Classification accuracy coefficient at various rotary speed

由表 2 可以看出：k值越接近 1，选粉机性能越接近理想分级状态；随着转子转速提高，动态选粉机分级性能也在提高，但在转速为 110、120 r/min 时，二者差别不大。

-45 µm 物料质量分数如图 3 所示。由图 3 可以看出，转速 ＜ 90 r/min 时，物料通过选粉机物料中细粉的质量分数变化不大，说明选粉机对大粒径物料没有分级效果；当转子在 90 r/min 以上转速时，随着转速的提高，选粉后细粉质量占比明显提高。

图3 -45 µm 物料质量分数Fig. 3 Mass fraction of material whose granularity less than 45 µm

3 叶片数量对选粉效率的影响

3.1 叶片数量计算

转子叶片数量也是动态选粉机设计时需要考虑的重要因素。转子叶片数量少，运行时消耗功率就小，相对选粉效率就要降低；转子叶片数量多，运行时消耗的功率就高，选粉效率有保证。因此如何在保证选粉效率的同时，使用转子叶片的数量最少，是选粉机设计者关心的问题。基于此，制定了不同叶片数量下选粉效率变化的研究方案，如表 3 所列。

表3 不同叶片数量计算方案Tab.3 Calculation schemes with various number of blade

3.2 计算数据分析

按照表 3 中所列的研究数据，对动态选粉机不同叶片数量的选粉效率进行仿真，得到的选粉效率对比曲线如图 4 所示。

图4 叶片数量对选粉效率的影响Fig. 4 Influence of number of blade on classification efficiency

由图 4 可以看出，上述 5 种叶片数量得到的选粉效率曲线基本吻合，这说明：

(1) 动态选粉机转子叶片达到一定数量后，选粉效率不会随着叶片数量的增加而增加；

(2) 动态选粉机转子叶片数量太多，设计冗余量太大，建议降低转子叶片数量。

4 叶片宽度对选粉效率的影响

4.1 叶片宽度计算

动态选粉机转子高速转动时，叶片之间形成了物料粒子通道，叶片的宽度决定了物料通道的长度。由于选粉过程是一个涉及到多相流、多变化因素的复杂过程，转子叶片间的流场对于选粉结果十分重要。在特定风量的条件下，叶片宽度对选粉效率存在影响，因此制定如下研究方案，研究转子叶片宽度变化对选粉效率的影响规律，如表 4 所列。

表4 叶片宽度研究方案Tab.4 Research scheme about blade width

4.2 计算数据分析

按照表 4 中所列的数据，对动态选粉机不同转子宽度的选粉效率进行仿真，得到的选粉效率对比曲线如图 5 所示。

图5 叶片宽度对选粉效率的影响Fig. 5 Influence of blade width on classification efficiency

由图 5 可以看出，随着转子叶片宽度的增大，选粉机的选粉效率先提高后降低。叶片 3 种宽度的分级精度指数如表 5 所列。

表5 不同宽度的叶片分级精度指数Tab.5 Classification accuracy coefficient at various blade width

由表 5 可以看出：转子叶片宽度增大 25 mm，分级精度指数更接近于理想状态指数 1，这也说明了对于每一种新设计的动态选粉机，在确定工况下，转子叶片宽度存在最优值。

5 结论

经过仿真计算动态选粉机转子叶片等相关参数对选粉效率的影响，可以得到如下结论。

(1) 动态选粉机正常工作是有临界转速的，低于临界转速时，动态选粉机达不到选粉效果；

(2) 动态选粉机转速不是越高越好，在正常工作转速范围内，选粉效率随转速提高而提高，当转速达到一定数值后，提高转速对于选粉效率没有影响；

(3) 转子叶片数量存在合理数值，叶片数量设计冗余会导致消耗功率增加，但对选粉效率没有影响；

(4) 随着转子叶片宽度的增大，动态选粉机选粉效率先提高后降低，这提醒了设计者在确定工况下，转子叶片宽度存在最优值。