球磨机钢球紊乱和倒分级原因分析

工作过程中常常接到关于磨内钢球紊乱和倒分级的问询，因猝然而问，因而只能即兴而答，说不到位常有，不免有塞责之嫌。本文就此现象产生的原因和预防措施以及如何处理，进行了初步的分析，以期与海螺内部员工共享，由于作者水平有限，不到之处，请指正。

一、概况

当今水泥粉磨多采用球磨机作终粉磨。在物料从磨头到磨尾被粉磨的过程中，粒径逐步递减。根据物料粉碎特性，要求磨内钢球从磨头到磨尾也按粒径分布规律从大到小分布。

为实现上述要求，球磨机往往沿轴线采取分仓的形式满足对应关系，因受诸多因素限制，分仓不可能无限地多，往往只分成两到三个仓。因此，分仓后钢球仅粗略地满足了对应关系，在同一仓中由于物料填充和操作中的波动，大小直径的钢球往往处于均布甚至于逆向分布，难以满足球径和物料粒径的对应要求。

在分级衬板出现后，磨机除分仓外，还在较长的仓中往往安装分级衬板，通过分级衬板作用，使磨内钢球按理想要求分布，从而获得最佳的粉磨效果。

为了更好的说明钢球级配紊乱和倒分级这一问题，下面就从磨机分级衬板的分级原理开始，与大家共同探讨这一问题产生的原因和处理办法，避免今后此类现象的发生。

二、分级衬板的分级原理

1、钢球的回转和抛落运动

如图一，由于磨机的回转，处于磨机横截面下方的钢球（图一中的A点），随磨旋转产生垂直向下的离心力（图一中的P）加上自身的重力共同垂直作用于衬板（非表面层还有叠加在其上方的其他钢球重力，为分析方便，略），使衬板与钢球间具有一定的摩擦力（为分析方便，带有棱线的各种异型衬板的直接推力姑且不论）。当磨机转速较高时，摩擦力足够维系钢球与磨机衬板几乎同步运行，钢球在摩擦力的作用下，被逐步提升，随着提升高度上升（图一中的B点），钢球重力作用于衬板的垂直分力（图一中的G₁）逐步降低，且在磨机水平直径位置后发生转向而改为与离心力方向相反（图一中的C点、D点），当钢球达到磨筒体顶点时重力分力达到最大即等于其自身重量。如果钢球自重小于或等于离心力时，钢球就会随磨机筒体作同步圆周运动，如此，钢球则起不到较好的粉磨作用。因此设计上即通过降低磨筒体转速使重力分力在钢球到达最高点前即等于离心力，此点即为钢球的抛落点。钢球到达抛落点后如再向前行，重力分力即大于离心力而占主导，在惯性和重力主导作用下，钢球呈抛物线运行（图一中的E点、F点）。从而实现钢球在磨机横截面中呈抛落运动。堆积状态下的不同层钢球，其运行轨迹与上述分析类似，因非本文所要阐述的重点，故不赘述。另摩擦力阈值随垂直作用于衬板上的重力分力的消长而消长；摩擦力与平行于衬板的重力分力间的平衡关系亦非本文重点，也不再详述。

图一、离心力和重力关系图

P─钢球随磨旋转的离心力；     G─为钢球重力   

G₁─垂直于磨机筒壁的重力分力； G₂─平行于切线的重力分力

2、分级机理

在磨机轴向上，我们为了使钢球按磨头到磨尾从大到小分布，以便与物料被加工过程中的粒径相适应，我们普遍采用分级衬板。

图二、钢球在分级衬板上的轴向切面重力分解图

g─钢球的重力；g ₁─轴线切面上重力沿斜面分力（侧向力）；

g ₂─垂直于衬板上的重力分力；

如图二：分级衬板在磨机轴向切面呈一斜面，高端在磨尾，低端朝向磨头。处于分级衬板斜面上的钢球，它在轴向切面上的重力可分解为两个分力，其一垂直于斜面而被斜面支撑（图二中的g ₂），其二我们称之为侧向力（图二中的g ₁）平行于斜面而指向坡底。在侧向力的作用下，钢球即有向磨头运行的趋势，在钢球随磨机内壁作回转运行而没有到达抛落点前，侧向力被其左侧钢球硬性限制而无所作为，钢球只能随磨机筒体作标准的局部圆周运行。但是，当钢球进入抛落点时，侧向力的束缚被解除，它牵引钢球使其抛落方向向磨头偏转，即钢球随磨机旋转而做抛落运行每一周期中，其落点均在起始点横截面的靠磨头方向侧，即在没有其他限制条件时，在分级衬板的作用下，钢球将按螺旋线的形式向磨头方向运行。如此，所有被分级衬板接触的钢球纷纷涌向磨头方向，受磨内空间及钢球间的摩擦力的制约，从而使磨内钢球形成一个头高尾低略略倾斜的堆积面。由于大球惯性比小球大，因此堆积中大球更有利于占居想要占居的点，小球让位于大球，从而实现了钢球从大到小的排布。

另一次要因素，即风选作用。风力作用使得小球主动于大球向磨尾运行。因为钢球在抛落过程中，风力作用与球的截面积成正比，与惯性力成反比。而截面积与球径平方成正比；惯性力与钢球质量成正比，即与球径的立方成正比。因此，风力影响与球径成反比，也就是说球径越小向磨尾运行的受力程度越大。

风力∝ 截面积          风力∝ 球径²   风力∝       1

   惯性力              球径³                      球径

三、级配紊乱和倒分级机理

磨机正常操作和运行时，虽有物料等干扰因素存在，但磨内钢球运行轨迹和大趋势基本保持不变化。

当发生以下情形时，情况将发生趋势性变化。为便于说明，下文中笔者将发展趋势划成四个阶段。

第一阶段：临时性级配紊乱

操作中一次性加料过快（开机或运行中），由于物料的填充作用，磨内球料面局部短时间内形成磨头高磨尾低的斜面，与分级衬板的分级原理相似，磨内钢球在此区域将产生反向分级，从而产生轻微的级配紊乱。

如果磨机处理物料能力还足够，则随着磨内物料填充程度在轴向上逐步趋同，斜面将消除或趋于平坦，磨机将在一个新的球料面的水平上建立平衡点从而稳定下来。且随磨机运行时间的拉长，反蹿的钢球在分级衬板的作用下会逐步理顺。如果我们在理顺前开仓检查，即能发现乱级配现象。

第二阶段：中度级配紊乱

上述操作错误，如果超出磨机平衡点自恢复的极限时，则磨机将向饱磨方向发展，此时，随着磨内物料填充面的提升，钢球提升高度差下降，抛落运动向倾落或翻滚运动过渡，分级衬板的分级作用几乎丧失（前面叙述过，分级衬板在钢球抛落运行中起作用）；因此料面斜坡促成级配紊乱发展趋势加速。开仓检查，大小球杂处或无规则分布。

第三阶段：重度级配紊乱

如果第二阶段发生后仍没有从操作上作相应干预，磨机将在饱磨下运行，钢球和物料将由抛落运动发展成为翻滚和滑行运动，在物料堆积斜面作用下，离析作用占主导地位，磨内钢球由紊乱迅速向倒分级方向发展。开仓检查，大小球分区堆积，但没有恒定规则。

第四阶段：倒分级

第三阶段现象反复出现，即反复急加料饱磨，则积累成倒分级。开仓检查，大小相近的钢球分段集群，状如斑马纹或倒分级。

四、常见的钢球紊乱操作原因和对策

倒分级是钢球紊乱的极端现象，在生产实践中更多的是级配紊乱现象。归结其原因：

1、开磨时喂料过快；操作过程中加喂料过快，如此操作易发生饱磨型级配紊乱。建议加料时尽可能做到少量多次，逐步推进到目标喂料量。笔者建议制定加喂料曲线并严格执行。同时操作中磨尾通风与喂料比例同步。

2、因故断料后加料过快，此一情形在生产实践中更不被重视。因此，断料后的加料仍需按加喂料曲线执行。

3、喂料不稳定，忽高忽低，产生料涌现象，严重时发生增幅震荡。建议稳定当班操作，统一三班操作思想。

4、操作中反复冲击台产极限值，使磨机工况在半饱磨和正常运行间徘徊；生产运行中，此一现象发生最常见。由于每冲击一次，钢球级配紊乱就严重一次，粉磨能力就降低一次，且因倒分级或钢球紊乱，大颗粒物料很容易大规模地达到隔仓板，磨内通风和物料通过能力就降低一个幅度，助涨了磨工况的恶化趋势。而我们在每次冲锋失败时，往往只是简单地退回到过去的正常点，殊不知“昨日”正常点已非今日的“正常点”了。如此勉强支撑，工况进一步恶化，最终还不免节节败退而不知所踪。大胆冲锋和探索在生产过程中必不可少，如此才能追求更高。但一旦冲击不成，要用矫枉过正的办法恢复元气，即台产退回到冲击前低一点的且能保持稳定运行的平台，调顺级配后再返回到以前的次高点阵地，分析思考后，制定再次冲击的目标和方案。

5、分级衬板磨损失效和安装错误，毋须赘述。

以上浅论中，为了分析方便而将每种因素割裂开了说明过程，但在生产中影响因素往往不是独立作祟，而通常是协同发难，有叠加、有主从，有随时间递延而迁移、也有随程度发展而变换，但只要抓住主要症结，万变不离其宗，就能及时缓和或化解之。

结论：

1、一次性加料过快是发生钢球级配紊乱的主要症结；

2、磨机饱磨造成分级衬板作用削弱是级配紊乱的另一条常见因素；

3、反复出现加料过急造成的饱磨是磨机倒分级的根源。

（台州海螺 俞越供稿）