分级式冲击磨制备玉米秸秆粉体工艺参数

王晓天，刘传慧，陈海焱，孙权，赖小林，宋金仓

（1 西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳621010；2 西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳621010）

随着科学技术的发展，对材料的超细化要求日益明显。我国的超细粉碎设备在20 世纪70年代末80年代初开始发展。90年代中后期，在引进、学习国外的一些超细粉碎设备后，我国的超细粉碎设备设计、制造技术有了较大的发展[1-4]。在超细粉碎方法中，冲击式粉碎是应用最广的方法[5-7]。

分级式冲击磨是利用高速旋转的锤头、叶片、棒体等与物料的猛烈冲击，颗粒之间的相互冲击、碰撞、摩擦、剪切，同时在冲击锤头与衬板之间的间隙处受到冲击、磨损，实现对物料的超细粉碎[8-9]。目前，分级式冲击磨在我国已得到较广的应用。但对分级式冲击磨的一些工艺参数并没有作具体的说明，也没能对实际生产提供科学合理的指导。本研究中利用分级式冲击磨将玉米秸秆粉碎至30μm±2μm，探讨了二次风开闭情况、锤头数量、锤头周向速度对玉米秸秆粉体单位产量的影响。

1 实验设备、材料与实验方法

1.1 实验材料

粗破后压实的玉米秸秆。

1.2 实验设备

实验设备由绵阳流能粉体设备有限公司提供，型号为LNI-330A 分级式冲击磨系统，包括锤片式破碎机（传动功率7.5kW，筛网孔径4mm）、锤头式冲击磨（传动功率55kW）、涡轮分级机（传动功率11kW）、袋式收尘器、高压引风机（传动功率22.5kW）、电控柜（内有变频器）等。

测试仪器包括SwemaAir 50 风速仪（瑞典斯威玛公司）、LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析仪（中国珠海欧美克仪器有限公司）。

1.3 实验方法

将粗破后压实的玉米秸秆分成小块，加入到锤片式破碎机中进行破碎。破碎的产品通过4mm 的筛网，在引风机的作用下进入到分级式冲击磨中进行粉碎。实验过程中，通过给料速度和给料量的控制，使冲击磨的电流逐步增加至极限值100A，保持在该值稳定运行10min 后开始统计产量，连续粉碎时间为1h。参考孙权等[10]的研究，本次实验采用上进料方式。在此过程中，定时记录传动电机的电流和系统风量等参数。

2 实验结果分析

2.1 二次风开闭对粉体产量的影响

本组实验考察二次风开启与关闭对玉米秸秆粉体产量的影响。锤头数量为16 个，锤头周向速度为120m/s。实验结果如表1 所示。

由表1 可以看出，二次风风门全开时产量比二次风风门全关时提高约26.4kg/h，能耗降低415.34kW·h/t。比较两个对比组，二次风风门全开时系统风量为82.53m3/min，其中二次风风量为14.30m3/min，此时由主风门进入到冲击磨中的风量则为68.23m3/min；而当二次风风门全关时，由主风门提供的风量为78.09m3/min。由此可见，二次风风门全开时，由主风门进入冲击磨的风量较小，气流的上升速度较小，更利于未被分级机筛分的粗粉下降到锤头的间隙中继续粉碎，提高了粉碎效率。

表1 二次风对玉米秸秆粉体产量的影响

2.2 锤头数量对粉体产量的影响

本组实验主要考察锤头数量对玉米秸秆粉体产量的影响，二次风全开，磨盘锤头周向速度为120m/s。安装16 个锤头时，锤头间夹角为22.5°，锤头间距S 为208.3mm；安装8 个锤头时，锤头间夹角为45°，锤头间距S 为416.6mm；安装4 个锤头时，锤头间夹角为90°，锤头间距S 为833.2mm。实验结果如表2 所示。

由表2 数据可知，随着锤头数量的减少，能耗略有降低。锤头数量增多，并不能保证有高的产量。当磨盘上安装8 个锤头时，比安装16 个锤头时能耗降低64.57kW·h/t。3 个对比组中，使用8 个锤头时产量较高，能耗较低，但与其余两个对比组并没有太大的差距。这一方面是由于随着磨盘上锤头数量的增多导致磨盘负载增大，磨盘和锤头自身的旋转消耗一部分电能，从而导致能耗增加；另一方面，根据Roland Nied[11]的研究，如图1 所示，锤头数量减少，则锤头间距S 增大，在磨盘转速不变的情况下，锤头周向速度v 不变，锤头2 运行到锤头1 时所需的时间增加，从而导致粉体渗透到锤头间的渗透深度h 增加，因此锤头间累积的粉体增加。本组实验中，采用的锤头周向速度为120m/s，此时主机提供的粉碎能量是足够的[12]。因此，锤头间处理的粉体增多，粉体的粉碎效率提高。并且渗透深度大于1mm 时，则粉体在理论上不会发生边缘碰撞，从而使粉体得到充分的研磨。当锤头数量减少到4个时，锤头间距增大，根据相关资料，锤头间距过大时并不能很好地提高粉碎效率，锤头间距在入料粒度的100 倍左右比较合适[13]。通过本组实验验证，对于入料粒度小于4mm 的玉米秸秆粉体，当锤头数量为8 个时，锤头间距在416.6mm 较为合适。因此，磨盘上的锤头安装数量不宜过多。这在适当降低能耗的同时也减少了研磨过程中对锤头的磨损，降低了设备成本。

表2 锤头数量对玉米秸秆粉体产量的影响

图1 锤头之间的渗透深度h 示意

2.3 锤头周向速度对粉体产量的影响

本组实验考察锤头周向速度对玉米秸秆粉体产量的影响。二次风全开，锤头数量为16 个。实验数据如表3 所示。

表3 锤头周向速度对玉米秸秆粉体产量的影响

根据表3 可以看出，在控制产品的粒度在30μm±2μm 的前提下，随着锤头周向速度的增加，粉体产量逐步增加，这也符合相关研究[14]的变化趋势。当锤头周向速度在130m/s 时，比100m/s 时产量增加29.9kg/h，能耗降低481.39kW·h/t。根据朱美玲等[15]的研究参考，分析得出锤头周向速度越大，则提供的粉碎能量越大。物料粉碎粒径与锤头的周向速度存在如式（1）、式（2）关系。

式中，d 为颗粒直径；γ为材料的表面能；k 为与气体流动特性有关的系数；ρ为物料的密度；r 为颗粒位置所处半径；v 为锤头的周向速度。

本组实验统一采用玉米秸秆进行实验，则c 不变。对于4 个对比组来讲，r 保持不变，唯有v 是本组实验考察的变量。随着锤头周向速度的增大，粉碎后的颗粒直径应减小。但本组实验通过调节分级机转速，将产品粒度控制在30μm±2μm 以内，即保证粉碎颗粒的直径不变。由表3 可以看出，随着周向速度的增大，分级机转速出现下降的趋势，使得通过分级轮筛分叶片的粉体增多，从而增加了粉体产量。

3 结 论

（1）本实验利用分级式冲击磨粉碎玉米秸秆的过程中，当二次风风门全开时，粉碎效率明显比二次风风门关闭时高。

（2）磨盘上锤头的安装数量对粉体产量有着一定的影响。根据实验结果，当磨盘上安装8 个锤头时，粉体产量较高，但与安装4 个锤头和16 个锤头时相比差距不是很大。由于锤头为分级式冲击磨中的易损件，减少了锤头数量，也就减少了对易损件的损耗，从而降低了设备的运行成本。因此，在实际生产中可适当减少磨盘上的锤头数量。

（3）锤头的周向速度提供了粉碎所需的能量，在本次实验中，锤头周向速度为130m/s 时产量最大，能耗最低，比100m/s 时产量增加29.9kg/h，能耗降低481.39kW·h/t。

（4）本实验得出的分级式冲击磨的结构、工艺参数对分级式冲击磨的结构设计提供了依据，对冲击式粉碎领域有一定的参考价值，但对于不同的物料，工艺参数应略有差异。

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