Что такое вертикальная шлифовальная мельница: объясняется принцип работы и основные компоненты

В 2019 году каменоломня в Юго-Восточной Азии приобрела то, что, по их мнению, было подходящим оборудованием для измельчения на своей новой производственной линии. Поставщик обещал достаточную производительность по конкурентоспособной цене. Через шесть месяцев после установки мельница давала примерно на 30 процентов меньше выхода, чем требовалось, потребляла почти на 40 процентов больше электроэнергии, чем было спланировано, и изнашивала шлифующие ролики в два раза быстрее, чем ожидалось. Коренная причина не заключалась в неисправности машины — это была несоответствие между применением и типом мельницы.

Они купили традиционную маятниковую мельницу для работы, которая требовала архитектуры вертикальной мельницы для измельчения, способной обеспечивать устойчивую работу с большим объемом. Стоимость замены, включая простои, превысила $180 000.

Такое дорогостоящее несоответствие случается чаще, чем большинство менеджеров предприятий хотели бы признать. Начальной точкой для избежания этого является точное понимание того, что такое вертикальная мельница для измельчения, как она работает и чем ее компонентная архитектура принципиально отличается от других технологий измельчения. В этой статье разбираются принцип работы, ключевые компоненты, рабочие параметры и типичные применения вертикальной мельницы для измельчения — чтобы когда вы будете сидеть за столом с поставщиком, вы знали, какие вопросы важны.

1. Что такое вертикальная мельница для помола?

Вертикальная мельница для помола представляет собой промышленную машину, которая уменьшает размер частиц твердых материалов — обычно руд, минералов или промышленных побочных продуктов — путем сочетания сжимающих и сдвигающих усилий, приложенных между вращающимся жерновым столом и набором неподвижных или гидравлически нагруженных жерновых роликов. Определяющей особенностью является вертикальное расположение корпуса мельницы и пути движения материала: исходный материал поступает сверху или сбоку, подается на горизонтально вращающийся жерновой стол, измельчается под роликами и поднимается вверх потоком горячего газа к встроенному классификатору, который отделяет тонкий продукт от крупного материала для повторного помола.

Эта вертикальная конструкция отличает машину от горизонтальных шаровых мельниц, где вращающийся барабан разбрасывает шаровые тела по материалу, и от мельниц типа Реймонда, где центральный вал приводит в движение подвешенные ролики, которые отбрасываются наружу к неподвижному жерновому кольцу. Вертикальная форма позволяет разместить значительную площадь жерновой поверхности в относительно компактном пространстве — средняя по размеру вертикальная мельница для помола с диаметром стола примерно 1,8 метра часто может обеспечить такой же пропускной способности, как шаровая мельница, занимающая в три - четыре раза больше места на полу.

В компании Guilin Hongcheng Mining Equipment Manufacturing Co., Ltd. производятся вертикальные мельницы серии HLM. Модели этой серии варьируются от лабораторных установок, производящих несколько сотен килограммов в час, до крупных промышленных систем, способных обрабатывать более 50 тонн исходного материала в час. Эти машины эксплуатируются в примерно 50 странах и используются для различных целей, начиная от помола известняка и кальцита до измельчения угля и переработки шлака.

2. Физика процесса вертикального помола

Процесс помола в вертикальной мельнице основан на трех различных физических механизмах, которые работают последовательно. Во - первых, когда шаровая жернова вращается с контролируемой скоростью (обычно от 20 до 35 оборотов в минуту для средних по размеру установок), исходный материал равномерно распределяется по ее поверхности за счет центробежной силы и направляется под ролики посредством питающей воронки и фиксирующего кольца.

Во - вторых, шлифующие ролики, которые гидравлически прижимаются к жернове с силой, которая может колебаться от примерно 40 до 200 килоньютонов, в зависимости от размеров машины, сжимают слой материала. Давление достаточно велико, чтобы разрушить отдельные частицы за счет комбинации междучастичного давления и прямого контакта ролика с частицей. В отличие от шаровой мельницы, где преобладает удар, вертикальная мельница основана в основном на сжимающем напряжении — примерно 70 - 80 процентов уменьшения размера частиц происходит за счет сжатия, а остальное — за счет сдвига, когда ролики немного скользят относительно поверхности жернова.

В-третьих, частично измельченный материал переливает задерживательное кольцо на краю стола и улавливается восходящим потоком газа — обычно горячим воздухом при температурах от 200 до 350 градусов Цельсия. Этот газ служит двум целям: он поднимает частицы в раздел классификатора над зоной измельчения, и одновременно он высушивает материал, если влажность является проблемой. Интегрированная способность к высушиванию означает, что в многих случаях вертикальная мельница может принимать исходный материал с уровнем влажности до примерно 15 процентов без необходимости отдельной предварительной сушки.

3. Основные компоненты вертикальной мельницы

Вертикальная мельница не является единым цельным устройством, а представляет собой интегрированную систему компонентов, каждый из которых имеет свою конкретную функцию. В таблице ниже приведены основные компоненты, их функции и типичные технические характеристики материалов.

Приводная система заслуживает особого внимания, так как за прошлое десятилетие она значительно претерпела изменения. Старые вертикальные мельницы обычно использовали коническую передачу, приводимую в движение горизонтальным двигателем, что приводило к механическим потерям примерно от 5 до 8 процентов через зубчатую передачу. Современные конструкции все чаще используют конические планетарные коробки передач или, в некоторых конфигурациях, системы прямого привода с использованием низкоскоростных постоянных магнитовых двигателей, которые снижают потери на передачу до менее 3 процентов.

4. Путь потока материала через мельницу

Понимание пути прохождения материала через вертикальную мельницу поможет понять, почему эта машина обеспечивает высокую эффективность. Поток можно проследить на пяти различных этапах.

Сырье поступает через роторный аэрозамок или загрузочный желоб в верхней части мельницы и падает на центр вращающегося дробильного стола. Центробежная сила сразу же начинает его распылять наружу. По мере перемещения материала к периметру стола он проходит под первым дробильным роликом, затем под вторым и так далее - каждый ролик прикладывает приблизительно одинаковое давление и удаляет все более мелкие фракции.

На краю стола материал встречает кольцо сопел - круглое зазор, через который горячий газ поступает со скоростью от примерно 40 до 80 метров в секунду. Этот газовый поток выполняет то, что инженеры называют "внутренней воздушной классификацией": он поднимает вверх в классификатор частицы, которые достигли достаточно малого размера, в то время как более крупные частицы - обычно более 2 - 5 миллиметров - падают через кольцо сопел в отходной желоб и возвращаются на вход стола внешним ковшовым элеватором или внутренней рециркуляционной системой.

Внутри динамического классификатора ротор вращается с регулируемой скоростью - приблизительно от 50 до 300 об/мин, в зависимости от требуемой тонкости продукта - подвергает газоносимые частицы центробежному классификации. Частицы, меньшие заданного размера, проходят через классификатор и выходят с газовым потоком в систему сбора продукта, в то время как крупные частицы выбрасываются наружу и осыпаются на мельницу для дальнейшего измельчения. Эта замкнутая схема означает, что время пребывания частицы в мельнице может быть коротким, приблизительно от 2 до 4 минут, однако материал может пройти через зону измельчения несколько раз, прежде чем достичь требуемой тонкости.

5. Типы вертикальных мельниц

Не все вертикальные мельницы предназначены для одной и той же цели. В индустрии принято различать несколько типов мельниц в зависимости от требуемой тонкости продукта и области применения.

Стандартные вертикальные мельницы - такие как серия HLM Hongcheng - предназначены для производства порошков в диапазоне 200 - 400 меш (приблизительно 75 - 38 микрон D90). Это самые распространенные мельницы в минеральной промышленности, которые обрабатывают такие материалы, как известняк, кальцит, доломит, барит и уголь с производительностью от нескольких тонн до более 50 тонн в час. Они обеспечивают баланс между производительностью, энергоэффективностью и стабильностью качества продукта для средней тонкости.

Ультратонкие вертикальные мельницы, такие как серия HLMX, обеспечивают тонкость помола в диапазоне от 600 до 2500 меш (примерно от 20 до 5 микрон D97). Эти машины оснащены вторичной классификацией, много роторными динамическими сепараторами и иногда имеют ступенчатый процесс помола с использованием меньших роликов, предназначенных для работы при высоком контактном давлении. Они применяются в отраслях, где критически важный контроль размеров частиц на микроуровне: в производстве высококачественных покрытий, современных керамических изделий, фармацевтического карбоната кальция и специальных наполнителей.

Существуют также специализированные вертикальные мельницы для очень конкретных исходных материалов. Например, вертикальные мельницы для помола шлака оснащены особенно прочной антиизносной защитой — угловатые, стекловидные частицы шлака известны своей абразивностью — и обычно работают при более высоких давлениях помола и более низких скоростях вращения стола, чем аналогичные мельницы для помола минералов. Вертикальные мельницы для измельчения угля имеют антивзрывную конструкцию, включая панели сброса давления и системы инертного газа для нейтрализации, чтобы справиться с опасностью взрыва горючих пыли.

6. Критические параметры эксплуатации

Операторы завода и отделы закупок, оценивающие вертикальную мельницу, должны сосредоточиться на нескольких параметрах, которые напрямую определяют, сможет ли машина достичь производственных целей. В таблице ниже представлены ключевые параметры и их типичные диапазоны для среднего по размеру минеральной мельницы.

Один из параметров, который закупочные отделы часто упускают из виду, - это коэффициент регулирования - диапазон, в котором мельница может работать ниже номинальной мощности при сохранении стабильных условий измельчения. Хорошо спроектированная вертикальная мельница обычно может работать в диапазоне от примерно 50 до 100% от номинального пропускного способа без потери качества продукта, что дает операторам завода гибкость в периоды снижения спроса или изменчивости сырья.

7. Применение в минерально-обрабатывающей промышленности

Универсальность архитектуры вертикальной мельницы делает ее пригодной для широкого спектра операций в минерально-обрабатывающей промышленности. Наиболее распространенные применения включают промышленные минералы, где основными требованиями являются постоянное распределение частиц по размеру и средний или высокий пропускной способ.

Размол известняка для десульфуризации дымовых газов в угольных электростанциях представляет собой один из крупнейших сегментов применения. Одна электростанция может потреблять от 20 до 50 тонн в час известняковой пыли, помолотой до примерно 325 меш (44 микрометра), и сочетание в одной машине функций помола, сушки и классификации делает вертикальную мельницу предпочтительным выбором по сравнению с отдельными системами помола и сушки.

В секторе строительных материалов вертикальные мельницы измельчают цементный сырой материал, клинкер и шлак — материалы, которые особенно абразивны и требуют надежной защиты от износа. Вертикальная мельница для помола шлака, работающая на гранулированном доменном шлаке, обычно может достичь тонкости продукта от 4200 до 4800 см²/г по Блейну при производительности от 30 до 90 тонн в час, в зависимости от размера мельницы. Для производства карбоната кальция, используемого в бумажной, красковой и пластиковой промышленности, вертикальные мельницы с встроенными классификаторами производят порошки с значениями D97 от примерно 10 до 45 микрометров, достигая уровней белости, подходящих для высококачественных наполнителей.

HCM развернул свои вертикальные шаровые мельницы серии HLM в более чем 50 странах, причем установки обрабатывают такие разнообразные материалы, как уголь для промышленных котлов в Вьетнаме, известняк для десульфуризации в Турции и доломит для производства стекла в Бразилии. В рамках этих применений явно проявляется инерентное энергетическое преимущество вертикальной архитектуры: типичное удельное энергопотребление вертикальной мельницы при помоле известняка до 325 меш составляет от 18 до 28 кВт·ч на тонну, в то время как шаровая мельница при выполнении той же задачи потребляет от 30 до 45 кВт·ч на тонну.

8. В чем разница между вертикальной мельницей и мельницей Рэймонда

Поскольку как вертикальные мельницы, так и мельницы Рэймонда (петлевые мельницы) входят в один и тот же продуктовый ассортимент и часто рассматриваются для сходных применений, различие между ними требует уточнения. Основная разница заключается в механизме помола и архитектуре обработки материалов.

Мельница Рэймонда использует набор шлифовальных роликов, подвешенных к центральному вращающемуся валу. Центробежная сила выбрасывает ролики наружу, прижимая их к неподвижному шлифовальному кольцу, и материал измельчается между роликом и кольцом. Измельченный материал поднимается воздушным потоком к классификатору, но воздушный путь обычно менее интегрирован с зоной помола, чем в вертикальной мельнице. Напротив, вертикальная шаровая мельница использует вращающийся стол, к которому гидравлически прижимаются относительно неподвижные ролики, и восходящий газовый поток является неотъемлемой частью как классификации, так и циркуляции материала.

На практике это приводит к различиям в пропускной способности. При одинаковой установленной мощности двигателя вертикальная мельница для помола обычно может обеспечить примерно на 20 - 30 процентов большую пропускную способность, чем сравнимая мельница Рэймонда при обработке среднетвердых материалов, таких как известняк. Вертикальная конструкция также позволяет обрабатывать более крупный исходный материал — вертикальная мельница обычно может принимать размер исходного материала до примерно 50 - 80 миллиметров, тогда как мельница Рэймонда работает лучше с исходным материалом размером менее примерно 30 - 40 миллиметров. Однако мельница Рэймонда зачастую стоит дешевле изначально и может быть правильным выбором для предприятий, где требования к пропускной способности умеренные — например, ниже 10 тонн в час — и тонкость продукта не должна быть менее 200 меш.

9. Распространенные ошибочные представления о вертикальных мельницах для помола

Несколько стойких заблуждений о вертикальных мельницах для помола приводят к неоптимальным решениям при закупках. Одно из них — это мнение, что вертикальные мельницы по своей природе дороже в обслуживании, чем горизонтальные. Хотя замена отдельных деталей износа — в частности, шлифующих роликов и футеровок стола — имеет определенную цену за единицу, более длительные интервалы между ремонтами и более простая общая механическая схема вертикальной мельницы зачастую приводят к более низким общим затратам на обслуживание в расчете на тонну обработанного материала. Опыт Hongcheng с установками HLM постоянно показывает, что при расчете за пятилетний период эксплуатации затраты на обслуживание вертикальной мельницы в расчете на тонну обычно ниже, чем у горизонтальных аналогов.

Еще одно недоразумение касается качества продукта. Некоторые инженеры предполагают, что механизм компрессионного измельчения в вертикальной мельнице обеспечивает более узкое распределение частиц по размеру, чем механизм ударного и абразивного измельчения в шаровой мельнице. На самом деле интегрированный динамический классификатор в вертикальной мельнице позволяет оператору напрямую контролировать точку отсева, и при правильной настройке классификатора вертикальные мельницы регулярно достигают крутых кривых распределения частиц по размеру с соотношением D90/D10 ниже 3,0 — сравнимых с выходом шаровой мельницы или даже лучше его.

10. Часто задаваемые вопросы

10.1 Какова типичная продолжительность службы шлифовальных роликов в вертикальной мельнице?

Срок службы шлифовальных роликов сильно зависит от обрабатываемого материала. Для относительно мягких материалов, таких как известняк и кальцит, ролики из высокохромистого чугунного литья обычно служат от 8000 до 15000 часов работы — примерно от 1,5 до 3 лет при одностменной работе — до момента замены или восстановления поверхности. Для абразивных материалов, таких как кварцевый песок или шлак, этот срок может сократиться до примерно 4000 - 8000 часов. Guilin Hongcheng Mining Equipment Manufacturing поставляет ролики с сегментной конструкцией ободов, которые позволяют частично заменять их — когда изнашиваются внешние сегменты, нужно заменять только эти участки, а не весь узел ролика, что снижает как стоимость деталей, так и время простоя.

10.2 Может ли вертикальная шлифовальная мельница обрабатывать влажные исходные материалы?

Да, это один из ее ключевых преимуществ. Система горячего газа, интегрированная в мельницу, может одновременно помолоть и обсохнуть материалы с влажностью до примерно 15 процентов — а в некоторых конфигурациях с расширенными камерами сушки до 20 процентов. Горячий газ, обычно получаемый из горелки или системы утилизации отходящего тепла при температуре от 200 до 350 градусов Цельсия, испаряет влагу, поднимая помолотые частицы через классификатор. Это устраняет необходимость в отдельной стадии предварительного сушки, экономя как капитальные затраты, так и сложность эксплуатации.

10.3 Как вертикальная мельница сравнивается с шаровой мельницей с точки зрения энергопотребления?

Вертикальная шлифовальная мельница обычно потребляет на 30 - 40 процентов меньше электрической энергии на тонну продукта по сравнению с шаровой мельницей при одинаковом применении. Прирост эффективности обусловлен несколькими факторами: механизм сжатия при помоле по своей природе более энергоэффективен, чем ударный помол, интегрированная классификация минимизирует перемол, а отсутствие большого вращающегося барабана снижает потери на механическое трение. Для завода, обрабатывающего 200 000 тонн известняка в год до 325 меш, переход от шаровой мельницы к вертикальной мельнице может сократить годовые затраты на электроэнергию примерно на $60 000 - $120 000 в зависимости от местных тарифов на электричество.

10.4 Какие виды технического обслуживания требует вертикальная шлифовальная мельница?

Регулярное техническое обслуживание включает ежедневную проверку давления в гидравлической системе и уровня масла, еженедельный осмотр износа роликов и футеровки стола, а также ежемесячную проверку состояния лопаток классификатора и целостности газовых трубопроводов. Основные мероприятия технического обслуживания — замена роликов, замена футеровки стола, капитальный ремонт ротора классификатора — проводятся с интервалами, определяемыми часами работы и абразивностью материала. Обычно это каждые 8000 - 15000 часов для мягких материалов, а для абразивных материалов чаще. Компания рекомендует иметь на месте запас важных запасных частей: один комплект роликов, комплект сегментов футеровки стола, лопатки классификатора и гидравлические уплотнения, которые покрывают примерно 90 процентов случаев непланируемого простоя.

10.5 Какого размера вертикальную шлифовальную мельницу мне нужна для моего завода?

Подбор мельницы в первую очередь зависит от требуемой производительности (тонн в час), желаемой тонкости готового продукта и характеристик исходного материала — в частности, его индекса работы по Бонду и абразивности. В качестве приблизительного ориентира можно сказать, что мельница с диаметром стола 1,5 метра (например, HLM 17) обычно обеспечивает производительность 5 - 15 тонн в час при помоле известняка до 325 меш, а мельница с диаметром стола 2,4 метра (примерно HLM 24) может дать 20 - 40 тонн в час при том же типе помола. Guilin Hongcheng Mining Equipment Manufacturing Co., Ltd. предоставляет услуги пробного помола, при этом потенциальные покупатели могут отправить образец материала и получить как анализ измельчаемости, так и конкретную рекомендацию по выбору мельницы на основе фактических тестовых данных, а не предположений.