振动球磨机设计毕业论文

尹小冬 亓丰源 郭力 王长会 谭涌 马亮 杨战厚 王新江

（咸阳非金属矿研究设计院，咸阳 712021）

摘要 通过对CXF 系列冲击式超细粉磨机原理与应用情况的介绍，结合国内外相关技术的发展提出了冲击式超细粉磨机的发展目标与趋势。

关键词 超细粉体；冲击式磨；发展方向。

第一作者简介：尹小冬，男，1960年出生，咸阳非金属矿研究设计院院长，教授级高级工程师。电话：；E-mail：。

一、概述

迄今为止，超细粉碎方法主要是机械力方法，包括利用高速气流冲击的气流磨；利用高速机械回转冲击及剪切作用的冲击式超细粉碎机；利用摩擦研磨作用的搅拌球磨机、振动球磨机、旋转球磨机、行星磨；利用剪切力的胶体磨；利用压应力的高压辊磨机；以及利用高压射流冲击的射流粉碎机等。

咸阳非金属矿研究设计院作为国内开展超细粉碎技术研究最早的几家单位之一，开发出CXF系列冲击式超细粉碎分级成套设备，该设备凭借其较低的能耗，较高的粉碎效率以及产品质量稳定等特点，受到广大用户的认可。目前已经有300余台售出，遍及全国各地，并出口非洲，广泛应用于滑石、高岭土、碳酸钙、蛇纹石、氧化镁、重晶石等非金属矿物的超细粉碎［1～5］。

二、结构原理

CXF51 A型超细粉碎成套设备由CM51A型超细粉磨机、QF5A型涡轮式分级机、布袋收尘器、集料器以及高压风机等组成。

（一） CM51A型超细粉磨机

CM51A型超细粉磨机的构造如图1 所示。小于8～10mm的物料由给料斗经双螺旋给料器给入，给料速度的快慢根据粉碎机的实际负荷自动调节，并可控制给料粒度。两个粉碎室互相直列配置，二室直径比一室略大，中间由可调换的圆形挡料环隔开。在第二粉碎室的排出口，也装有形状相同的挡料环与风扇隔开。每一粉碎室均设有两列转子。在所有转子顶部，均装有高硬度耐磨合金钢制成的可替换锤头，与其平行相对的是镶在壳体内侧经特殊处理的高耐磨衬板，其间留有很小的间隙。物料在粉碎室随着旋转的气流移动，颗粒间相互冲击、碰撞、摩擦、剪切；同时受旋转体离心力的作用，颗粒受到粉碎室内壁的撞击、摩擦、剪切等作用被连续粉碎。粉碎室具有冲击兼气流颤振粉碎作用，最有效的粉碎区间发生在每个粉碎室的两排转子间。物料进入第一粉碎室后即被粉碎成数百微米大小的粉体，而第二粉碎室转子的线速度比一室要大，经过该区间的粉体受到冲击粉碎作用更强。由于第二粉碎室的直径增大，此时粉体的粉碎时间延长，而且该粉碎室的转子还具有分级功能，通过这里的粉体细度达到数微米。物料经两级粉碎后，由风扇送至空气分级机分级。未通过分级机的较粗颗粒，经回转卸料器返回粉碎机再粉碎。物料中的难磨砾子和残留杂质，可通过机内特设的排渣装置自动排出机外。通过分级机的微细颗粒，进入微粉收集系统而成为最终产品。

图1 CM型超细粉磨机构造图

1—机座；2—排渣装置；3—主轴；4—进风口；5—给料机；6—料斗；7—一室转子；8—一室挡料环；9—衬板；10—二室转子；11—二室挡料环；12—风扇

（二） QF5型涡轮分级机（图2-）

QF5型涡轮分级机是依靠转子产生的惯性离心力与气流对颗粒的作用力使粗细颗粒分开，达到分级的目的。其工作原理是：从粉碎机或物料分散设备中来的含固相工质气流通过进料管1 进到分级机，与从二次进风口6导入的气流混合到转子区，如图2所示。带有叶片的转子依某个转速旋转使该区的气流做回转运动，形成离心力场，从而使粗细物料分开。粗颗粒通过返料管7排出。而细颗粒通过转子叶片之间的间隙，被气流带出分级机而成为分级产品。分级机转子横断面如图3所示。该转子装有若干个叶片，径向有一定的前倾角，上下叶盘具有不同的直径。QF5型涡轮分级机的转速是可调节的，可根据不同物料及对产品细度的要求选择。

图2 QF型涡轮分级机工作原理图

1—进料管；2—转子；3—壳体；4—传动件；5—出风管；6—二次风管；7—返料管

图3 转子断面图

（三）工艺流程

CXF型冲击式超细粉碎系统工艺流程，见图4。它由CM型超细粉磨机、QF型涡轮分级机、微粉收集器、尾部风机以及电控柜等组成。物料（≤10mm）由料斗经双螺旋给料机进入超细粉碎机1，进料速度依据粉碎机的实际负荷自动调节，并控制给料粒度。粉磨机内物料，经高速旋转锤头冲击、研磨、剪切及物料间相互碰撞达到粉碎。被粉碎物料随气流进入涡轮分级机2，按需要粒径调节分级机分级点，分级后超细粉进入收集机3 收集，粗粒级经出口5 返回粉磨机再磨（闭路系统），或作为产品2收集（开路系统），尾风进入除尘收集器净化后经风机排放。全套系统设备总重约14 t，总装机容量92 kW，总占地面积近90 m2（15 m×6 m），最大安装高度约 m，整个系统在负压下工作，无粉尘危害。

图4 CXF 型冲击式超细粉碎系统工艺流程

三、应用情况

CM51型冲击式超细粉磨机和QF5型涡轮分级机是咸阳非金属矿研究设计院在承担国家科技攻关项目的基础上，于1993年研制成功的，填补了国内多项空白。经过几年不断改进更新，其性能指标在某些方面已超过国外引进设备的水平，已定型为CM51A型超细粉碎机和QF5A型空气分级机，广泛应用于多种功能性非金属矿物材料及其他物料的超细粉碎生产中。下面介绍部分超细粉碎应用。

（一）煤系高岭土矿物的超细粉碎应用

我国的煤系高岭土超细产品按白度分为煅烧土和非煅烧土；按粒度分为填料级（-10μm）产品和涂料级（-2μm）产品。其中加工填料级的煤系煅烧高岭土产品国内许多资料公推的生产工艺及设备通常为：原矿—粗碎—超细粉碎、分级（咸阳磨）—煅烧—解聚、打散—产品包装。其中咸阳磨特指咸阳非金属矿研究设计院粉体中心生产的CM51A型超细粉磨机及QF5A型空气分级机，它是将小于10mm的原矿经CM51A型超细粉碎机超细粉碎和QF5A型空气分级机分级后，即得-10μm通过率≥90%的煅烧原料。该技术设备现已广泛应用在内蒙古乌海、宁夏石嘴山、山西大同等地的煤系、非煤系高岭土超细深加工产品中。其中部分地区的生产实践结果见表1。

表1 部分地区煤系高岭土超细粉碎实践

（二）方解石类矿物的超细粉碎应用

咸阳非金属矿研究设计院自行研制生产的CXF系列冲击式超细磨机，适于方解石类碳酸盐矿物的超细粉碎，主要用于生产800～1500目超细重质碳酸钙，其产品现已广泛用于塑料、橡胶、造纸的填料等领域。其中部分地区的生产实践，结果见表2。

表2 部分地区重质碳酸钙超细粉碎实践

注：产品粒度测试结果，均为厂家提供。

（三）硅灰石的超细粉碎应用

CXF51A型冲击式超细粉碎分级成套设备用于硅灰石加工，产量可以达到 kg/h，产品粒度（10μm通过率）达到100%，d50＝μm，而且可以保持硅灰石微粉具有较高的长径比。

（四）其他矿物材料的超细粉碎应用

CM5 lA型超细粉碎机和QF5A型空气分级机组成的超细粉碎工艺流程，对其他多种矿物进行超细粉碎研究，也均取得了良好的效果，涉及的物料有：滑石、晶质石墨、半软质高岭土、伊利石、碎云母、重晶石、水镁石、沸石、叶蜡石、透闪石、白云母、绢云母、氧化铁红、煤、天然沥青、对苯二胺等，其中对部分物料应用的生产实践结果见表3。

表3 部分物料超细粉碎应用的生产实践

（五） CM51A型对超细粉碎设备可避免粉碎过程中对产品的污染

采用由CM51A型超细粉碎机组成的工艺，对山东某地产出的50 t二级滑石进行了超细粉碎试验生产，在原矿Fe含量为时，经超细粉碎后，-10μm通过率的产品中Fe含量为，排渣中Fe含量为，说明原矿部分铁质通过粉碎机特设的排渣装置排出，滑石经过超细粉碎后自身纯度得到了提高。而对于高纯度石墨的超细粉碎，如内蒙古某厂高碳石墨，规格为LG100—96。碳品位为，灰分，挥发分，水分。在不同分级机转速条件下的超细粉碎产品经检测可知：产品-500目通过率～，Fe 含量均≤100×10-6，碳品位～，灰分～，挥发分～，水分～。本试验研究结果完全满足了外商的要求，产品现已批量出口日本、韩国、瑞士等国家。由此可见，高碳石墨经过CM51A型超细粉碎机粉碎后，产品的纯度没有发生明显变化，仅仅是细度变得更细了。

（六） CM51A型超细粉碎设备可用于物料的打散

CM51A型超细粉磨机还具有解聚、打散的功能。对于轻质碳酸钙来说，由于轻质碳酸钙采用化学法生产，生产过程中往往有部分条件发生变化，造成产品诸如炭化不完全，部分颗粒过大，另有部分超细颗粒团聚，导致其最终产品不稳定的现象；而对于煅烧高岭土而言，产品经过煅烧后，形成团聚现象，影响其使用效果。通过改进CM51A型超细粉碎机的工况参数，完全解决了轻钙产品的不稳定性和煅烧高岭土超细粉的团聚现象。现已成功地应用于上海某轻质碳酸钙企业和国内煅烧高岭土的解聚打散。

四、发展趋势

（一）设备技术参数的优化

为满足非金属矿市场对粉碎设备日益增长的需求，充分挖掘CXF51 A型冲击式超细粉碎分级成套设备的潜力，在分析该设备技术性能的基础上，进行了技术改造，通过对粉碎作用力、转子线速度、进料粒度、CM51型超细粉碎机内部风扇的作用等进行综合分析与研究，并结合我们对于冲击式超细粉碎机内所应选用的耐磨材料的研究，确定了技术改造的方案，将CXF51 A型冲击式超细粉碎分级成套设备成功改造为CXF51 C型冲击式超细粉碎分级成套设备，并采用内蒙古中部煤系高岭土作为原料进行了工业试验，取得了较为满意的结果。

通过技术改造，CM51A型冲击式超细粉碎机转子的线速度在原有的基础上提高了8%～12%，给料粒度增大为0～15mm，并对系统风量做适当调整，产量最终提高了20%～30%，产品粒度d97减小至μm，产品颗粒形貌去除了棱角和平整解理面，形状比较均一，在后续应用中，使得表面改性效果良好，显著降低了改性剂用量，并且避免了这些部位在微观上都是复合材料内部的应力集中点，而对非金属矿填料的使用效果所产生的不良影响，改善了超细煤系高岭土粉体在使用中的应用效果。

改造后的CXF51 C型设备目前已销售20余台套，用户反映良好。

（二）产品的系列化

在充分发掘现有设备潜力的同时，我们也注重新产品的系列化开发，在51型设备成功经验的基础上，我们通过承担国家科研院所技术研究开发专项资金项目，成功开发出CXF61型冲击式超细粉碎分级成套设备，在产品主要性能指标不变的情况下单机产量比CXF51型提高了一倍，达到～ t/h，获得了中国中材集团公司科技进步二等奖，目前该设备已完成产品的定型工作，投入批量生产，并将马上进入市场。

（三）新型设备的进一步开发

随着科技的进步，非金属矿物材料的应用范围越来越广，作为非金属矿物深加工重要手段之一的超细粉碎技术也有了长足的进步。目前超细粉碎设备的发展趋势是大型化、自动化、节能化。国外目前的大型干法超细粉碎设备近年来在大型化、节能化方面取得了很大的进步，单机的产量已经能够达到4～5 t/h，单位产品的能耗≤120（kW·h）/t，设备自动化水平较高，各参数的调整非常方便。

咸阳非金属矿研究设计院目前也在进行这一方面的研发工作，在原有的研究基础上结合对国外先进技术设备的研究，将冲击式超细粉碎机与气流磨的工作原理进行合理的集成与创新，从而形成新的对撞式超细粉碎机。与冲击式超细粉碎机相比，对撞式超细粉碎机吸收了气流磨的特点，物料在粉碎腔内的撞击更猛烈，频次增多，提高了粉碎效率；与单纯的气流磨相比，由于融入了冲击式粉碎机的特点，所以物料的入料粒度大大增加，一次粉碎比很大，粉碎能量的利用率显著提高。对撞式超细粉碎机的单机产量得以大幅度的提高，产品1250目，90%通过率，产能＞ t/h。目前该设备的设计工作正在进行。

五、前景展望

冲击式超细粉碎作为超细粉碎的一种重要组成形式，由于具有工艺简单，设备性能稳定，产品便于包装运输，环保性能良好等优势，有着良好的发展前景。

参考文献

［1］王新江，亓丰源，吴治林.冲击式超细磨对方解石类矿物的超细粉碎实践及工艺技术研究［J］.非金属矿，2000（3）

［2］王长会，谭涌，马亮.微细分级机转子结构参数对分级点的影响分析［J］.中国粉体技术，2006（3）

［3］朱瀛波，龚国华.一种具有粉碎和提纯双重功能的超细粉碎设备［J］.非金属矿，2003（4）

［4］王新江.冲击式超细粉碎机对功能性非金属矿物材料的加工利用［J］.中国非金属矿工业导刊，2003（4）

［5］马亮，亓丰源，谭涌.CXF51A 型冲击式超细粉磨机的技改与应用［J］.非金属矿，2005（4）

Application and Development of Impact Ultrafine Mill

Yin Xiaodong，Qi Fengyuan，Guo Li，Wang Zhanghui，Tan Yong，Ma Liang，Yang Zhanhou，Wang Xinjiang

（Xian Yang Research ＆ Design Institute Of Non-Metallic Minerals，Xian Yang 712021）

Abstract：Through analysing the working principle and application condition of CXF series impact ultrafine mill，integrating the development of relative technology at home and abroad，the article put forward the development objective and trend of the impact ultrafine mill.

Key words：ultrafine-powder，impact type mill，development direction.

一般球磨机的介质层至最高点距离约为4-6厘米，具体值要根据球磨机的型号来确定。

球磨机是目前硅酸盐工业上广泛使用的一种粉磨机械。它的主要特点是：适应性强，对于多数固体物料均能进行细磨；构造简单，操作管理容易，对物料在进行研磨时多项工艺参数，如物料细度等能准确控制，维护检修方便等，在非金属矿产加工中通常采用湿法作业的间歇式球磨机。

一、间歇式球磨机构造和工作原理

图3-12所示为间歇式球磨机构造示意图。筒身6用钢板卷制焊接而成，筒身的中部有加料口7供加料和卸料之用，有的筒身在其中部还开有人孔，供检修筒身内部时用。筒身内腔镶以衬板14，筒体两侧通常焊接有锻造而成的法兰圈，以供固接端盖8之用。主轴头11即与端盖固接，并由固定在机座13上的装置有滑动轴承或滚动轴承的轴承座12所支承，一侧的端盖上紧固着大齿圈5，齿圈可有内齿或外齿的形式。电动机1经减速器3通过摩擦离合器4和传动齿轮带动大齿圈而使筒体回转。

图3-12间歇式球磨机示意图

1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身；7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座；14-衬板；15-研磨体

间歇式球磨机工作原理是：筒体内装载了一定数量的瓷球或砾石的研磨体15，被磨物料及适量的水从加料口加入，按工艺要求对物料、水和研磨体应进行适当的配比。当筒体回转时，研磨体在离心力的作用下，贴在筒体内壁与筒体一起回转上升，当研磨体被带到一定高度时，由于重力作用而被抛出，以一定的速度降落，在研磨体降落过程中，筒体内的物料受到研磨体的冲击和研磨作用而被粉碎。如图3-13所示。当物料磨到要求的细度后，则停机卸料。卸料时，先使球磨机加料口朝上，打开盖子，装上带孔的卸料管10，再转动筒体使加料口朝下，此时打开卸料管的旋塞阀9，筒体内的料浆就可自动流出，研磨体则被阻留在筒体内。为了加快料浆流出的速度和使料浆卸得更完全，亦可在卸料的同时，通入压缩空气，以使料浆在压缩空气的压力作用下流出。

图3-13球磨机研磨物料的作用

球磨机的规格，以筒体直径×筒体长度来表示，如QM2100×2100等，一般筒身长度与筒身直径的比例 。

二、主要参数的确定

（一）转速

球磨机的转速对其操作有很大影响，如果转速适当，则能使细磨操作在较高的效率下进行。转速太快，由于离心力太大，研磨体将紧贴在筒体内壁，不会沿抛物线轨迹降落，这样就不能给物料以有效的粉碎作用，球磨速度和球磨效率将大大降低；反之，转速太慢，则研磨体升举高度不足，在单位时间内，研磨体对物料作用的次数少了，粉碎功也小了，球磨效率也会降低。所以适当的转速，即是指球磨机筒体转速不太快也不太慢情况下的合理的转速。

在确定磨机转速时，一般以筒体内研磨体升举情况，或脱离点位置对物料能作最大粉碎功作为依据。

当球磨机筒体的转速达到某一数值时，最外层研磨体的脱离角等于0，即研磨体升到筒体顶点，不再沿抛物线轨迹落下，这个转速称为球磨机的临界转速，以n0表示。

由研磨体外层半径R1和研磨体所在位置与重线夹角α，可以写出研磨体自重与离心力平衡方程式，消去研磨体自重

非金属矿产加工机械设备

当cosα＝1，得临界转速

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式中D——筒体内径（m）；

d——研磨体的直径（m）。

因为d≤D，故上式近似成为

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通过理论分析计算，当研磨体的脱离角为54°44′时，可获得最大的降落高度。

以α＝54°44′，R＝R1代入（3-21），即可求得磨机的工作转速

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式中n——球磨机的工作转速（r/min）；

D——筒体的内径（m）。

工作转速与临界转速之比称为球磨机的转速比

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即

应当指出，上述计算的磨机转速，均是忽略了研磨体滑动及物料对研磨体运动的影响，并以最外层研磨体层为基础而推导出的。实际上磨机的工作转速与很多因素有关，至今尚无定论。上述理论公式仅可作为参考。所以转速比q往往波动范围较大，多数球磨机的转速比q在～之间。

（二）功率

球磨机运转时所需要的功率，其中大部分消耗在有益的工作上，即升举研磨体至一定的高度，并使之具有一定速度抛射出去，按抛物线轨迹下落，进行冲击粉碎物料；另一小部分则消耗在克服机械的摩擦阻力。

根据理论分析计算，消耗在升举研磨体和物料的功率为N

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式中N——功率（kW）；

ρ——研磨体的容积密度（t/m3）；

D——筒体内径（m）；

L——筒体长度（m）。

上式中的系数c由转速比q及比例系数K值决定，而K的大小除与转速有关外，还与研磨体的装填量有关。

在实际工作中，通常以填充系数φ来表示球磨机中研磨体的装填量。填充系数

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式中M为球磨机的研磨体的总质量。

在不同的q、φ值下，K的大小可从表3-9查出。

表3-9在不同的q、φ条件下的K值

在合理的工作制度下，一般K≤，这样K4和K6都远小于1，系数

非金属矿产加工机械设备

从表3-10可查出不同转速比时系数c的值。

表3-10在不同q值条件下的c值

按式（3-24）计算的球磨机需要的功率是偏高的，因为实际上研磨体落下时有一部分能量要“给回”筒体，但是这部分能量在总能量中究竟占多少，目前尚无法确定。因此，式（3-24）仅供选择球磨机配套用电动机时参考，在最后确定电动机功率时，还必须以实际操作数据作为依据。至于克服机械摩擦阻力需要的功率和功率储备，就不必再计算了。

（三）生产能力

影响磨机生产能力因素很多，例如物料性质、入料粒径大小、欲磨细程度、加料均匀程度和磨机的装填程度及研磨体种类等，至今还没有一个能将这些因素全部包括在内的计算公式，确切的数据必须通过生产实践才能确定，现将一般常用的计算公式介绍如下：

非金属矿产加工机械设备

式中Q——球磨机的生产能力（t/h）；

D——球磨机筒体的有效内径（m）；

V——球磨机筒体的有效容积（m3）；

n——球磨机筒体的转速（r/min）；

M——研磨体载装量（t）；

K——球磨机单位功率产量（t/kW·h）。

三、使用

在非金属矿产加工中，球磨机是原料粉磨工序的设备，其操作好坏将直接影响后道工艺的正常生产，所以应尽可能使之在最佳的条件下操作。

（一）球磨机型号规格的选择

应根据工厂的规模，技术力量和维修能力等具体情况来决定。一般大型磨机操作强度大，单位功耗低，但设备笨重，安装维修比较困难，在使用上不够机动灵活。中、小型磨机体积较小，重量较轻，机动灵活，适应性强，安装和维修方便，但操作强度较小，单位功耗偏高。磨机的数量根据所需要处理的物料量和每台磨机的生产能力，由计算确定，并应注意留有适当的备用数。

由于球磨机本身重量大，运转时会产生振动，故应安装在坚固的基础上，基础重量一般可按机器重量的3～5倍考虑。

（二）研磨体的装载和选择

研磨体的材料，除考虑物料的污染问题外，还要从价格、来源、硬度、重度、是否有害成分和着色元素等考虑，以硬度高、重度大的为好。常用的有瓷球、刚玉、天然燧石等。我国许多工厂用旅顺口鹅卵石（含氧化硅98%，重度×10N/m3）。

研磨体的大小推荐d≤（1/18～1/24）D,d为研磨体尺寸（mm）,D为磨机净空直径（mm）。研磨体表面要光滑，不要有凹坑。

研磨体总装量一定时，体小则数量多，表面积大，对研磨有利；体大则数量小，碰击力大。故研磨体级配要有大有小，不能一律。一般认为大中小各占50%、10%、40%为好这时空隙最小（占22%左右）。

研磨体的形状，有球形、扁平、短柱形等。以研磨为主的粉磨，短柱形为好；以撞击为主的粉磨，球形为好。

研磨体的装填量，太少了球磨效率低，太多了相互干扰碰撞。以填充系数（φ）表示研磨体的装填程度：

非金属矿产加工机械设备

式中A——研磨体在筒体有效截面上的填充面积（m2）；

W-研磨体装填重量（N）；

R——磨膛半径（m）；

L——磨膛长度（m）；

r——研磨体重度（N/m2）。

球磨机应尽量在满载下运转，因为研磨体所占的重量比例最大，空载与满载运转的功率消耗相差无几。对于湿法间歇式球磨机，实际采用的填充系数一般为φ＝～。

（三）球磨机的使用要点

（1）开机前应检查各部件的灵活性、离合器位置，上紧紧固件；

（2）润滑油应充足，特别是主轴承、减速箱的润滑必须可靠；

（3）出现不正常噪声，应停车检查；

（4）啮合齿轮的间隙和接触面积要调整适当，调节时，筒体不装载，松开主轴承的紧固螺栓，然后调整筒体位置；

（5）内衬崩塌或磨损过度，要及时填补或更换；

（6）要特别注意两端轴头的同心对中，不然的话，易损坏端盖和主轴承。

间隙式湿式球磨机的型号、规格和主要技术性能见表3-11。

表3-11间歇式湿磨球磨机的型号规格和主要技术性能

球磨机常见故障及排除方法见表3-12。

表3-12球磨机常见故障产生原因及其排除方法