變頻器在球磨機(jī)上的應(yīng)用
摘要：本文介紹了球磨機(jī)工作原理，給出了采用變頻器控制球磨機(jī)提高工藝水平和節(jié)能的方案實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明改造的成功和節(jié)能效益。
關(guān)鍵詞：球磨機(jī)；變頻器；節(jié)能
1 前言
球磨機(jī)在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)里被大量使用,是物料粉碎的不可缺少的重要生產(chǎn)設(shè)備。球磨機(jī)一般功率都較大，工作效率又很低，占據(jù)了企業(yè)總用電量的80%以上，成為上述行業(yè)最大的耗電設(shè)備之一，因此降低球磨機(jī)的能耗是上述行業(yè)降低成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。球磨機(jī)一般采用簡(jiǎn)單的工頻控制，易造成物料的過(guò)度研磨，所需研磨周期較長(zhǎng)，研磨效率較低，單位產(chǎn)品功耗較大，啟動(dòng)電流大，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大，機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)維護(hù)量也大。直接工控球磨機(jī)的弊病并嚴(yán)重地阻礙了各工業(yè)企業(yè)快速發(fā)展。球磨機(jī)屬于低速重載設(shè)備，裝載量大，起動(dòng)力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來(lái)完成傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)和調(diào)速。如陶瓷工業(yè)球磨機(jī)通常采用附加啟動(dòng)電機(jī)沖擊啟動(dòng)或軟啟動(dòng)裝置來(lái)啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，而且啟動(dòng)完成后運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的轉(zhuǎn)距減小，所以在節(jié)約能源方面有很大的空間。
隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展及在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)的大量應(yīng)用，變頻器控制球磨機(jī)也成為可能。作為專業(yè)生產(chǎn)高性能變頻器的南京歐陸電氣傳動(dòng)有限公司根據(jù)球磨機(jī)工作原理和機(jī)械特點(diǎn)開發(fā)出大功率球磨機(jī)專用變頻控制器（系統(tǒng)）在現(xiàn)實(shí)中有很好的應(yīng)用。
2 球磨機(jī)工作原理
球磨機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、筒體裝置、加料裝置、卸料裝置及電氣控制裝置等組成，分給料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動(dòng)部（減速機(jī)、小傳動(dòng)齒輪、電機(jī)、電控）等主要部分。其主體是一個(gè)水平裝在兩個(gè)大型軸承上的低速回轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)體。球磨機(jī)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)及周邊大齒輪減速傳動(dòng)、或由低轉(zhuǎn)速同步電機(jī)直接通過(guò)周邊大齒輪減速傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)部回轉(zhuǎn)。筒體內(nèi)部裝有適當(dāng)?shù)哪サV介質(zhì)一鋼球。磨礦介質(zhì)在離心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的高度，呈拋落或泄落狀態(tài)落下。被磨制的物料由給料口連續(xù)地進(jìn)入簡(jiǎn)體內(nèi)部，被運(yùn)動(dòng)的磨礦介質(zhì)所粉碎，并通過(guò)溢流和連續(xù)給料的力量將產(chǎn)品排出機(jī)外，以進(jìn)行下一段工序處理。用于陶瓷工業(yè)的球磨機(jī)具有一個(gè)水平放置的筒體，筒體被隔板(鉆有許多小圓孔的圓板——篩板)分成2～4個(gè)研磨腔，每個(gè)研磨腔內(nèi)裝有一定形狀尺寸的研磨體，筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料和研磨體等在摩擦力和離心力的作用下被筒體提升到一定高度，然后在重力的作用下沿近似拋物線軌跡落下來(lái)沖擊和研磨筒體底部的另一部分物料，并產(chǎn)生一定的軸向運(yùn)動(dòng)促使物料研磨和混合均勻。 從工藝上來(lái)分類，有干磨和濕磨兩種。其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。
驅(qū)動(dòng)部分是球磨機(jī)的關(guān)鍵：球磨機(jī)屬于低速重載設(shè)備，裝載量大，起動(dòng)力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來(lái)完成傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)和調(diào)速。陶瓷工業(yè)球磨機(jī)通常采用附加啟動(dòng)電機(jī)沖擊啟動(dòng)或軟啟動(dòng)裝置來(lái)啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，而且啟動(dòng)完成后運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩減小，所以在節(jié)約能源方面有很大的空間。目前普遍采用的驅(qū)動(dòng)方式是三相交流電動(dòng)機(jī)- 液力耦合器- 齒輪減速器-皮帶輪減速器。由于球磨機(jī)屬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在用液力耦合器調(diào)速時(shí)，其調(diào)速效率等于調(diào)速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪費(fèi)掉。
3 球磨機(jī)的生產(chǎn)工藝
球磨機(jī)一般以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，筒體的轉(zhuǎn)速是由皮帶輪或齒輪減速機(jī)構(gòu)（也有用液力耦合器）決定的。球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況及物料的研磨過(guò)程，在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況如圖2所示。
圖2 球磨機(jī)工作時(shí)狀態(tài)圖
1）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，鋼球和物料隨筒體內(nèi)壁上升，當(dāng)鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角時(shí)，沿斜面滑下，不能形成足夠的落差，鋼球?qū)ξ锪系难心プ饔煤苄。蚰C(jī)的效率很低。
2）如果筒體的轉(zhuǎn)速很高，由于離心力的作用，以致使物料和鋼球不再脫離筒壁，而隨其一同旋轉(zhuǎn)，這時(shí)鋼球?qū)ξ锪弦褵o(wú)撞擊作用，研磨效率則更低。這種狀態(tài)的最低轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。
3）當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述二者之間的某一轉(zhuǎn)速時(shí)，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，對(duì)筒底物料的撞擊作用最大，研磨效率最高，此時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為最佳工作轉(zhuǎn)速。
4 球磨機(jī)系統(tǒng)存在的問(wèn)題
1）球磨機(jī)一般采用簡(jiǎn)單的工頻控制，易造成物料的過(guò)渡研磨，所需研磨周期較長(zhǎng)，研磨效率較低，單位產(chǎn)品功耗較大；
2）球磨機(jī)一般采用星三角或自耦降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流特別大，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大；
3）機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)維護(hù)量也大，而且耗電量相當(dāng)驚人，這必然會(huì)給生產(chǎn)廠家?guī)?lái)很多不必要的麻煩和嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。
5 改造方案
根據(jù)原工況存在的問(wèn)題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，改造后的球磨機(jī)系統(tǒng)滿足以下要求。
1）改造后的設(shè)備要有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，滿足還球磨機(jī)裝載量大的要求，并且保證設(shè)備在變頻運(yùn)行狀態(tài)下使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，保障電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。
2）利用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造原有球磨機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，滿足球磨機(jī)低速時(shí)的正常運(yùn)行，確保正常的工藝控制，使球磨機(jī)及電動(dòng)機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)，減少維護(hù)。
3）改造后的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，及手動(dòng)/工頻和故障自切換等功能，并能克服球磨機(jī)大慣性引起回升電壓，有效地保證設(shè)備的正常運(yùn)行。
6 應(yīng)用效果
利用變頻調(diào)速技術(shù)改造后的球磨機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，滿足了球磨機(jī)低速運(yùn)行、大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了球磨機(jī)的運(yùn)行速度連續(xù)可調(diào)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊電流，保護(hù)功能完善，保證了工藝控制質(zhì)量，節(jié)約了維護(hù)成本，取得了以下效果：
1）軟啟動(dòng)：球磨機(jī)使用變頻調(diào)速后，起動(dòng)電流可比原先小3-5倍，（如110kW電機(jī)原先的起動(dòng)電流在600A以上，變頻節(jié)能控制系統(tǒng)起動(dòng)電流為120A～160A之間），實(shí)現(xiàn)了真正的軟起動(dòng)，也收到了節(jié)能的效果。由于起動(dòng)電流大大減小，不會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)電壓的下降，消除了因球磨機(jī)起動(dòng)而引起的其它用電設(shè)備跳閘或故障，在同樣的電網(wǎng)容量下，并可增加裝機(jī)臺(tái)數(shù)；
2）自動(dòng)控制：改造后的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，以及市電/節(jié)電切換功能，并能克服球磨機(jī)大慣性引起的回升電壓，能有效地保證設(shè)備正常運(yùn)行；
3）延長(zhǎng)壽命：利用變頻器自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)功能，可在與負(fù)載無(wú)關(guān)的條件下，保持電機(jī)效率最高，因消除了起動(dòng)時(shí)的沖擊，所以延長(zhǎng)了機(jī)軸、齒輪、皮帶等機(jī)械件的使用壽命，減少了維修費(fèi)用；
4）多段速度控制：歐陸變頻控制柜內(nèi)置多段速自動(dòng)運(yùn)行功能，可以通過(guò)變頻器方便地設(shè)定研磨時(shí)間，加磨時(shí)間和自動(dòng)停機(jī)功能，使操作更加智能化，人性化；
5）動(dòng)態(tài)節(jié)能功能：球磨機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果一般可達(dá)12%～15%左右。
6) 高回報(bào)率：所有投資約6～12個(gè)月可通過(guò)電費(fèi)節(jié)省回收。
7 結(jié)論
大量應(yīng)用實(shí)踐證明，歐陸EV100系列大功率變頻器用于水泥、鋼鐵、陶瓷行業(yè)球磨機(jī)的節(jié)能改造十分成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著用戶對(duì)變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和接受程度的提高，POWTRAN大功率變頻器在上述行業(yè)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。
