连续式球磨机节能实用方案
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1 概 述
建筑陶瓷行业中，湿法球磨机使用非常普遍，以现有在建或拟建的墙地砖生产线为例，一条生产线要配置40t球磨机8~10台，或者60t球磨机6~8台。按每条生产线6台40t球磨机计算，装机功率为6×160kW=960kW，约占整条生产线的20%~30%，所以生产线中球磨机的电耗非常大。
按2009年全国墙地砖总产量67亿m2计算，每平方米砖约需原料20kg，平均球磨周期为14h（含装料和卸料时间），平均每日工作22h，每年工作330日，过程损耗以15%计算，选用40t球磨机、装机功率为160kw时所需的球磨机数量计算为式（1）：
（6,700,000,000÷330）×20÷（1-15%）÷[40×1000×22÷14）]=7600台（1）
每年需消耗的电量计算为式（2）：
7600×160×22×330×80%（功率因数）
=7.062×109 kWh /年（2）
或按球磨机每吨原料消耗45kWh电量计算，年耗电量计算为式（3）：
(6,700,000,000×20÷1000÷（1-15%）×45
=7.094×109 kWh /年（3）
即2009年仅球磨机需消耗电量约70亿kWh，而按最新统计，2010年全国墙地砖总产量已达80亿m2，则2010年建陶行业球磨机总耗电量约需84亿kWh，每节约1%即可节电8400万kWh。所以球磨机节能具有非常重要的意义。
当前有不少球磨机节电器厂家一直坚持不懈地推动变频节电，并声称可以节电15%以上，但不少用户却反映节能效果并不明显。究其原因，可能是因为球磨机节能是一个综合过程，涉及到多方面的因素，单从某一个方面来做，往往取不到理想的效果，而高昂的节能投资常常打消了投资者的意愿。本文对球磨机节能的相关因素进行分析，并提出了一些建议。
2 球磨机的输入功率主要消耗分析
球磨机的输入功率主要消耗在以下三个方面：
2.1传动功率
传动功率如减速机或皮带传动、轴承摩擦、球磨机筒体皮带传动等，约需消耗球磨机输入功率的10%左右。
传动功率也即传动效率，良好的机械设计可以适当提高传动效率，节约能耗。根据《机械设计手册》：皮带传动的效率是95%~97%，齿轮传动的传动效率是99%以上，液力耦合器传动效率是96%~97%，则减速机或皮带传动单元的输出效率如下：
（1） 皮带传动单元：两级传动，输出效率=96%×96%=92.2%；
（2） 齿轮箱传动单元：两级传动，使用液力耦合器，输出效率=99%×99%×96.5%=94.6%；
（3） 齿轮箱传动：两级传动，不使用液力耦合器，输出效率=99%×99%=98%。
所以齿轮箱传动均比皮带式传动效率高，如果能将皮带传动单元和减速箱传动单元改为齿轮传动、同步带传动或其它更高效的传动，将有利于球磨机的节能。
2.2电机损耗
电机的损耗约占5%左右。与负载大小有关的电机损耗，包括定子损耗（铜绕组损耗）、转子损耗（滑差损耗）、扩散损耗（在电动机不同零部件中）等，是与电流强度的平方成比例的；其与负载无关的电动机损耗包括：幕布衔接涡流电流引起的损耗（铁芯损耗）、机械损耗（摩擦）等。所以优良的电机，应该能够有效减少其损耗。
表1摘自国标GB18613―2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》，并做了相关计算。
可见，不同能效等级的电动机，效率相差较大。而根据有关第五届“全球电机系统能效论坛”上的信息，目前中国电机节能状况不容乐观，八成以上的电机产品效率比国外先进水平低2%~3%。目前国内广泛应用的Y系列电动机的效率平均值为87.3%；而美国高效电动机的效率平均值为90.3%，其超高效电动机的效率平均值则为91.7%。因此，相对现有的球磨机的电动机，改用高效电动机后其节能效果还有可能继续扩大，对40t球磨机、132 kW、4级电机，最大可节能4%。
由电机运行特性可以知道，电动机在额定运行时效率最高,功率因数Cosφ最高；轻载运行时效率降低，电机的电能浪费较大；而且Cosφ也降低，空载时Cosφ甚至可降到0.3以下。
大多数风机、泵类设备在调节流量和压力时，如果是用挡板或阀门调节，这时输入功率变化不大，大量能量以压差的形式损耗在挡板和阀门上了，不仅能耗大，而且挡板、阀门容易磨损损坏，噪声也大。此时使用变频控制，使电动机根据负载自动调速，可有效解决大马拉小车的问题，节能非常明显。但球磨机节能方式有别于此，根据笔者对球磨机运行过程的观察，其电流基本是从大到小的曲线，但大小仅差约5%，基本属于恒转矩性质的机械。球磨机要达到较好的球磨效果，其速度应该是一个确定值，在这个确定值的范围内，球磨机的输入功率并没有浪费在如同风机闸板类似的设施上，所以，在普通球磨机现有的状况下，通过主动调整球磨机转速而显著节能是不可行的。
但是，由于球磨机属于重载启动，这一点决定了球磨机设计选型时，电机需要适当选大一些，比如，同样是40t球磨机，各厂家选用的电机分别有110kw、132kw、160kw、200kw，既是要针对中铝、高铝等不同比重的研磨体的需要，也是确保球磨机在各种情况下均可以正常启动的需要，所以，采用变频调速具有重要意义。
（1） 球磨机启动平稳，启动时的电流限制在1.5倍额定电流左右，对不同类型的电动机可选在1．25～2倍额定电流之间，比直接启动时的4～7倍额定电流小得多。此外，启动转矩也可调节在额定转矩的0.7～1.2倍之间，使电动机可以全负载启动，没有对电网的电流冲击，机械部件间的冲击也缓和很多，有利于延长机器寿命、减小维护成本。
（2） 由于变频器中有直流电容器的隔离作用，使输入侧的功率因数接近于1.0，电动机的励磁无功电流由电容器提供，这样可以节省很大的一块电网容量，一般可节省30%左右。所以很多大容量设备进行变频调速改造后，可以增加不少新设备而不需扩容。不过需要注意的是，这并不等于节能。
（3） 有一定的节能效果：一是启动无需与负载特性相匹配，整个启动过程转速可控制在同步转速附近，运行启动的时间短、启动时能耗低；二是解决大马拉小车的问题。但总体来说，节能的幅度很有限，远小于15%。
2.3带动球磨介质和物料在球磨机筒体内运动的能耗
带动球磨介质和物料在球磨机筒体内运动所消耗的功率约占85%左右。从湿法球磨理论，可总结出两点：
（1） 大的物料，采用大的球石研磨效率更高；小的物料，采用小的球石研磨效率更高；
（2） 对于不同细度的物料，应采用不同的转速，研磨效率更高。
表2是几种不同的破碎/研磨方式的效率对比，可以看到，球磨方式其实是一种相对低效的破碎研磨方式，所以，只要工艺允许，就应该使用其它形式的破碎/研磨方式，将物料尽量破碎到足够细，最后再使用球磨机研磨以满足工艺的要求，这样可以有效减少能耗。
3 主要的球磨机类型及其能耗
建陶企业现有的球磨机主要有以下几种：
3.1间歇式球磨机
间歇式球磨机为单圆柱筒形，如图1所示，这种球磨机最早开始使用，也是现在建陶行业普遍使用的球磨机。其结构简单，操作维护容易，生产厂家众多，价格便宜。但由于所有的物料、球石、水全部加到球磨机内一起混磨，整个研磨过程中以基本固定的转速运行，效率很低，如表2所列。现在虽然采用了变频控制，但实际节能的效果有限。需补充的是，从湿法球磨的理论来看，不同的球磨阶段使用不同的转速，可以在一定范围内调节球石的运行轨迹（见图2），从而影响球磨效率。
单圆柱筒形连续式球磨机的筒体内部被分隔成2~3个仓，每个仓使用不同大小的球石（见图3），即入料端使用较大的球石，出料端使用较小的球石，需要定期停机，往各个仓分别补充大、小球石，所以不是完全意义的连续式球磨机。这种球磨方式符合“大的物料，采用大的球石研磨效率更高；小的物料，采用小的球石研磨效率更高”的原理。
但是，这种球磨机还是将所有的物料、球石、水全部加到球磨机内一起混磨，整个研磨过程中必需以固定的转速运行，不符合“不同的细度，采用不同的转速研磨效率更高”的原理。
另外，这种球磨机由于将所有的物料、球石、水全部加到球磨机内一起混磨，所以，要求配套自动连续称量系统，而连续称量就需要所有物料的理化性能必须是均匀一致，便于连续喂料。正是这一点，使其推广应用非常困难。当然，这种连续球磨机系统成本也非常高：体积庞大，制造和运输难度大，生产厂家少，运用不够灵活，使其推广应用受到很大的影响。
3.3 单锥筒形连续球磨机
整套系统与单圆柱筒形连续式球磨机基本相同（见图4），区别是筒体形状为锥形，内部不需设分隔仓，而是靠球石在锥形筒体中的自然运动，完成球石的排列，即：入料端是大端，用大的球石；出料端是小端，为小球石。这样，在研磨过程中，只需与原料一起加入大的球石，大的球石磨损后自然往出料端（小段）运动，完成球石从大到小的排布。既简化了加球石的方法，也不需要停机，所以是完全意义上的连续式球磨机。这种球磨机的研磨效率与单圆柱筒形连续式球磨机基本相同。
3.4多单元连续式球磨机
这种球磨机大约在2008年由意大利SACMI公司推出，一般制成2段或3段，可以理解成多个单圆柱筒形连续式球磨机的组合，但每个单元的体积小很多，与间歇式球磨机相似（图5）。几个单元结构相同，都有独立的驱动（变频）和球石加入装置，每个单元有独立的转速和球石级配，将研磨到一定细度的泥浆送到下一个单元继续球磨。这种球磨方式完全符合湿法球磨理论，所以效率无疑是最高的。根据SACMI公司的推介，该多单元连续式球磨机比间歇式球磨机节能15%左右。
这种多单元连续式球磨机的各个单元的外型尺寸与普通球磨机基本相同，所以其制造、运输、安装都更加容易操作。
3.5多单元锥筒形连续式球磨机
依理而推，多单元连续式球磨机是从多个单圆柱筒形连续式球磨机的组合而来，那么将多个单锥筒形连续球磨机组合，就形成了多锥筒形连续式球磨机。根据以上描述，这种球磨机的研磨效率不会低于多单元连续式球磨机。
4 多单元连续式球磨机的工艺优化
4.1多单元连续式球磨机的应用现状
综上所述，在众多类型的球磨机当中，多单元连续式球磨机或多段锥筒形连续式球磨机具有较大的节能优势，这从表3中可得到详细体现。但多单元连续式球磨机一直没能在国内甚至国际上推广开来，笔者认为有如下4个方面的原因：
（1） 入球磨机前的原料均化处理困难；
（2） 当原料变化时，由于料浆是连续生产的，无法分开处理，生产不能灵活安排；
（3） 对制造厂家来讲，技术含量高，生产难度大；
（4） 对用户来讲，投资大、使用复杂、工艺不成熟、风险大。
由于连续式球磨机是将各种原料按固定的比例一起恒定地送入球磨机研磨，所以原料必需保证理化性能均匀，易于称量配比。现在国内新建或拟建的建陶生产线，主流产量是抛光砖15000~20000m2/天，墙砖是25000~30000 m2/天，即需原料约600t/天，如此大的用量，很少矿山能保证长时间稳定的供应。另外，为应对市场对新产品的需求，或者出于生产成本的考虑，建陶厂家有时需要调整配方，但连续式球磨机无法灵活应对。
原料均化和自动称量是连续式球磨机虽节能但一直不能大量使用的主要原因，尤其是原料均化，因为即便原料能稳定供给，对原料的均化处理也需要很大的投入，如场地、设备、能源、环保、人员等等，这无疑需要增加很多成本，甚至抵消节能的成果，所以建陶厂家无法积极采用。因此，如何简化甚至省略原料均化处理工序，提高连续球磨机生产的灵活性，是推广连续球磨工艺的关键。
4.2连续式球磨机工艺流程的改进
现有的连续式球磨机生产流程如图6。
其工艺流程为：原料（均化）称量配比入临时仓入连续球磨机泥浆成品。本文提出一个新的连续式球磨机生产流程：
原料（未均化）入临时仓入连续球磨机（多套）半成品泥浆储存半成品泥浆配比泥浆成品。
本流程的核心是取消了原料均化，简化了复杂的自动称量配料系统（对单一原料，则可以取消自动称量配料系统），将不同的原料（未均化）分别研磨，制得半成品泥浆，然后将各个半成品泥浆混合制成所需要的成品泥浆。相对原来的连续球磨流程，该流程的设备投入也将大大减少。
由于各原料（未均化）分别研磨或分组研磨，对一个批次的原料来说，其理化性能是基本均匀的，只需稍加选别，保证颗粒、水分合适，便于连续喂料即可。即便存在不均匀性，在连续球磨的过程中，这种不均匀性不会被放大，反而会被减小。
球磨后的泥浆存放在不同的泥浆池中，经过一定时间的存放，各个泥浆池中的泥浆性能是一定的，通过多个泥浆池的配比混合即可获得均匀的泥浆，这是很容易实现的，现有的普通球磨工艺也常常需要这样配浆。只要泥浆池的数量适当，就可以制得足够量的同批次的泥浆。
该工艺流程取消了原料均化工序，也可说是后移了原料均化工序，只需增加连续球磨机，不需要增加其它新的设备，如果增加计量泵，就可以很容易实现自动配浆。这里，连续球磨机产能可以适当小一些，但实际上，由于建陶原料的种类繁多，若每种原料配置一套连续球磨机，生产上是不可行的，笔者建议可分为两种模式进行：
（1） 生产系统中仅对一种或几种用量大、理化性能稳定的原料进行单一原料的连续球磨制备泥浆，其它的原料采用常规的间歇式球磨机制备泥浆。黑泥等塑性原料可以通过高速搅拌机化浆制备泥浆，最后通过混合的方式制得最终的成品泥浆。这样需配置一到多套连续式球磨机、多套间歇式球磨机和高速搅拌机。
（2） 对全部原料进行分组，将理化性能（如水分、颗粒尺寸等等）相近的原料分成一组，可以保证一组中的几种原料不经严格的混合也可以获得较稳定的成分，然后配比混合入连续球磨机制备泥浆。用量少的原料仍使用常规的间歇式球磨机制备泥浆，最后通过混合的方式制得最终的成品泥浆。这样需配置多套连续式球磨机、间歇式球磨机和高速搅拌机，具体设备的数量要按原料的配方仔细研究。
其实，两种模式的配置基本相同，具有一定的可转换性。也就是说，可以先少量配置连续球磨机，当生产中积累了一定的经验后，再增加连续球磨机的数量，逐渐推广连续球磨机的使用。
5 结 论
（1） 条件允许的情况下，应先将物料尽量破碎到足够的细度，再使用球磨机研磨，可以有效减少能耗；
（2） 齿轮箱传动均比皮带式传动效率高，分别是2.4%和5.8%，节能效果明显；
（3） 相对现有球磨机的Y系列电动机，应尽量改用高效电动机，可提高节能效果，对40t球磨机、132 kW、4级电机，最大可节能4%。
（4） 多段连续式球磨机是相对比较节能的球磨生产方式，通过改变球磨的工艺流程，取消原料均化过程，可以使之更容易推广。
参考文献
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