廣東、湖南陶瓷球磨機變頻節能改造

一、前 言
    在21世紀的今天，全球能源緊張，節能的呼聲越來越高，先進的節能技術逐漸成為社會的一道亮點。在然而在很多節能企業里，特別對陶瓷行業，普遍認為球磨機難以被控制的，因為用電設備消耗多少電，是同其機電特性所決定的，主觀的控制無能為力。很顯然，此觀念是錯誤的。在全國上下用電形勢嚴峻的情況下，深圳中科電氣科技有限公司采用最新的9000系列變頻器，利用先進變頻節能技術，在廣東陶瓷生產基地佛山市山水某知名陶瓷廠實行球磨機節能改造。實踐證明，通過一系列的技術和管理措施把球磨機能耗降到最低，即保護環境又為企業創造經濟效益，企業至少可以減少8～16%的經營成本。
二、球磨機的工作原理
     在陶瓷企業里，球磨機由于功率比較大，占據了企業總用電量的80％以上的 ，　各類球磨機的球磨機的基本結構大體上是相同的，只是它們的某些部件有所不同，磨機一般均由筒體，襯板，給料器，排料器，空中軸，軸承，傳動裝置，和潤滑系統組成。其外形結構如下圖所示

1.                               筒體：圓形筒體由若干塊兒厚度為十二到十五毫米的鋼板焊接而成。其兩端焊接有法蘭盤，以便與鑄鋼的給料端蓋排料端蓋鏈接，筒內裝有可以更換的襯板，為了使襯板與筒體內壁緊密接觸并緩沖鋼球對筒體的沖擊，在襯板與筒體內被之間敷有膠合板，為便于更換襯板和檢查筒體內部狀況，在筒體上開有入孔，入孔多為矩形，長度一般為三百五十到五百五十毫米。
    

2.                               給料部：由帶有中空軸頸的端蓋聯合給料器，扇形襯板，和軸頸內套，等部件組成，中空軸頸內套可防止給料磨損軸頸內表面，內套的內表面帶有螺旋，有助于給料，給料器用螺栓固定在內套的端部，一般使用聯合式給料器，其次是鼓式給料器和渦式給料器等等。
    

3.                               排料部：由帶有中空軸頸的端蓋，格子襯板，襯塊，中心襯板，和軸頸內套等零件組成，在端蓋內壁上鑄有八條放射性筋條，相當于隔板，每兩根筋條之間有格子襯板，用襯塊擠壓固定，襯塊則由螺釘穿過壁上的筋條固緊在端蓋上，自中心部分，利用中心襯板的止口拖住所有格子襯板，中空軸頸的內套在排料格子的一端制成喇叭形葉片，以引導隔板淘起的礦漿順著葉片流出，整個排料部位和給料部位度一樣緊固在筒體法蘭盤上。
    

4.                               驅動部分：球磨機屬于低速重載設備，裝載量大，起動力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來完成傳動系統的啟動和調速。陶瓷工業球磨機通常采用附加啟動電機沖擊啟動或軟啟動裝置來啟動，對電網沖擊大，而且啟動完成后運轉時所需的轉距減小，所以在節約能源方面有很大的空間。目前普遍采用的驅動方式是：三相交流電動機—液力耦合器—齒輪減速器—皮帶輪減速器。由于球磨機屬恒轉矩負載，在用液力耦合器調速時，其調速效率等于調速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪費掉

三、球磨機的生產工藝
    球磨機一般以固定轉速運行，筒體的轉速是由皮帶輪或齒輪減速機構（也有用液力耦合器）決定的。球磨機的轉速直接影響到鋼球和物料的運動狀況及物料的研磨過程，在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動狀況如下圖所示：

 

 

 

5.                               當轉速較低時，鋼球和物料隨筒體內壁上升，當鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角時，沿斜面滑下，不能形成足夠的落差，鋼球對物料的研磨作用很小，球磨機的效率很低。

6.                               當筒體的轉速處于上述二者之間的某一轉速時，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，對筒底物料的撞擊作用最大，研磨效率最高，此時的轉速稱為最佳工作轉速。

7.                               如果筒體的轉速很高，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，這時鋼球對物料已無撞擊作用，研磨效率則更低。這種狀態的最低轉速稱為臨界轉速

四、球磨機系統存在的問題

8.                               球磨機一般采用簡單的工頻控制，易造成物料的過度研磨，所需研磨周期較長，研磨效率較低，單位產品功耗較大.

9.                               球磨機一般采用星三角或自耦降壓啟動，啟動電流特別大，對設備和電網的沖擊很大

10.                            機械設備的生產維護量也大，而且電的損耗量相當驚人，這必然會給生產廠家帶來很多不必要的麻煩和嚴重的資源浪費，所以隨著社會經濟的發展及企業生產規模的擴大，直接工控球磨機的弊病已暴露無遺，并嚴重地阻礙了各工業企業快速發展。這就促使人們去研制啟動平滑、研磨效率較高、產量大、能耗低的球磨機——變頻控制球磨機。

五、球磨機變頻調速節能控制系統的工作原理。

11.                            系統性能要求
根據原工況存在的問題并結合生產工藝要求，改造后的球磨機系統應滿足以下要求:

                                 i.                                    改造后的設備要有足夠的起動轉距，滿足球磨機裝載量大的要求，并保證設備在變頻運 行狀態下使電機平穩運行，保障電動機具有恒功率特性；

                                ii.                                    利用變頻調速控制系統改造原有球磨機拖動系統，滿足球磨機低速時的正常運行，確保正常的工藝控制要求，延長球磨機及電動機的使用壽命，減少維護。

12.                            變頻器選型
根據上述原則，選擇采用深圳中科電氣科技有限公司最新的9000系列變頻器,該系列變頻器有以下特點：

                                 i.                                    本系列是采用新一代SVPWM波形生成技術的變頻器，低速額定轉矩輸出，帶載能力強， 低速時可達到180%的額定轉距輸出

                                ii.                                    具有多種轉矩提升及V/F曲線可設定，多種加、減速模式可選擇，內置人性化的PID功能，諸多參數均可在線調整。

                              iii.                                    具有各種完善的保護功能及故障診斷系統，具有過電壓、過電流及失速保護等功能技術先進，功能齊全，使用方便，可滿足電氣節能及各種生產工藝要求的需要。

                               iv.                                    電壓等級多種功率規格齊全，性能可達到歐美日等國外同類產品水準。

                                v.                                    頻率精度高，可使運轉平穩,滿足設計要求；

 

 

4.                               應用效果
球磨機安裝變頻節能控制系統后，取得了以下效果：

                                 i.                                    改造后的設備能夠實現自動控制，以及市電/節電切換功能，并能克服球磨機大慣性引起的回升電壓，有效地保證設備正常運行。

                                ii.                                    利用變頻器自動電壓調節功能，可在與負載無關的條件下，保持電機效率最高。因消除了起動時的沖擊，延長了機軸、波箱齒輪，皮帶等機械件的使用壽命，減少了維修費用。

                              iii.                                    利用變頻調速技術改造了球磨機的拖動系統，滿足了球磨機低速運行、大起動轉距的特點，實現了球磨機的運行速度連續可調。電機起動時無沖擊電流，起動力距足夠，保護功能完善。保證了工藝控制質量、節約了維護成本。

                               iv.                                    球磨機使用變頻調速后，起動電流可比原先小5倍以上，（如132kW電機原先的起動電流在1000A以上，變頻節能控制系統起動電流為180A～200A之間），實現了真正的軟起動，也收到了節能的效果。由于起動電流大大減小，不會造成對電網的沖擊和電網電壓的下降，消除了因球磨機起動而引起的其它用電設備跳閘或故障，在同樣的電網容量下，并可增加裝機臺數。

                                v.                                    內置PLC多段速自動運行功能，可以通過變頻器方便地設定研磨時間，加磨時間和自動停機功能，使操作更加智能化，人性化。

                               vi.                                    球磨機變頻調速節能系統的節能效果一般可達12%～15%左右。

六、投資與回報
    以佛山市山水某知名陶瓷廠為例，如下圖所示，該廠已安裝了35臺中科電氣公司的大功率變頻器。以其中的一臺40噸球磨機為例，電動機功率為132 kW，實際使用功率為115KW,每天工作18小時，每月工作30天，這樣原球磨機每月用電量為：115 kW×18小時×30天＝62100 kW.h（度），在安裝了球磨機專用變頻節能控制系統后節電率可達14.6%，每月可節省電費為：62100×14.6%×0.65元/度＝5893元。若以每臺變頻器投資為5.5萬元計算，投資回收期為55000÷5893＝9.3個月。
     若以平均節電率12%計算，則月節電效益為62100×12%×0.65＝4843元，每臺變頻器投資為5.5萬元計算，投資回收期為55000÷4843＝11.3個月，即不到一年就可以收回全部的投資。而變頻器的使用壽命一般為10～15年，一年以后即為純回報期，也即年節電收益在6萬元左右。

 

七、結束語
    在我國陶瓷行業，球磨機被大量使用，是物料粉碎的不可缺少的重要生產設備。實踐證明，深圳微能科技有限公司生產的9G系列變頻器用于陶瓷行業球磨機的節能驅動是十分成功的，取得了良好的經濟效益。對于我國提出的建設節約型社會，減少環境污染具有重大的經濟和社會意義，中科電氣變頻器也必在陶瓷行業得到大力推廣應用！