關(guān)鍵詞：Goodrive5000 選礦廠 球磨機 矢量變頻器
1.引言
鋼材、有色金屬和水泥等是國民經(jīng)濟最重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料，也是使用量最多的功能性材料。隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鋼材、有色金屬和水泥等基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)材料的消耗大幅攀升，這幾年中國的鋼產(chǎn)量連續(xù)幾年鋼產(chǎn)量居世界第一位，急劇增長的消費刺激了鋼材、有色金屬等大宗材料的生產(chǎn)設(shè)備迅速發(fā)展，以穩(wěn)產(chǎn)高效、節(jié)能降耗為基礎(chǔ)，對現(xiàn)有選礦設(shè)備進行革新改造在各企業(yè)得到廣泛重視，并得到迅猛發(fā)展。作為鋼鐵行業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的選礦業(yè)，隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)的膨脹也得到迅速提升。在選礦生產(chǎn)中，球磨作業(yè)是整個選礦生產(chǎn)工藝流程的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著承上啟下的作用。
在選礦生產(chǎn)中，球磨是整個選礦工藝流程的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，磨礦作業(yè)在選礦廠基建投資和生產(chǎn)費用（主要是電耗、鋼耗）中占較大比重，也是整個選礦廠的“瓶頸”作業(yè)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到選礦生產(chǎn)的處理能力、磨礦產(chǎn)品質(zhì)量，對后續(xù)作業(yè)指標(biāo)乃至整個選礦廠的經(jīng)濟指標(biāo)產(chǎn)生重大影響。鋼鐵的急劇發(fā)展，激發(fā)了作為鋼鐵產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的選礦業(yè)的大發(fā)展，進一步刺激了球磨機制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。各種球磨機應(yīng)用技術(shù)研究在生產(chǎn)實踐中得到迅速深化，球磨機進一步向大型化、高自動化、低能耗方向發(fā)展。
2.運用環(huán)境分析
2.1球磨機構(gòu)成與分類
鐵礦球磨機由給料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動部（減速機，小傳動齒輪，電機，電控）等主要部分組成。中空軸采用鑄鋼件，內(nèi)襯可拆換，回轉(zhuǎn)大齒輪采用鑄件滾齒加工，筒體內(nèi)鑲有耐磨襯板，具有良好的耐磨性。本機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠。球磨機主機包括筒體，筒體內(nèi)鑲有用耐磨材料制成的襯，有承載筒體并維系其旋轉(zhuǎn)的軸承，還要有驅(qū)動部分，如電動機，和傳動齒輪，皮帶輪，三角帶等。
球磨機是鋼材、有色金屬和水泥等部門不可缺少的重要設(shè)備。從礦山開采的各種礦石需要達到單體分離，才能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。要實現(xiàn)單體分離，就需要將開采的礦石進行破碎、磨碎，然后進行分選。在選礦工業(yè)中，礦物顆粒成細粒、微粒嵌布，要分離他們，必須磨細至0.3-0.1毫米，有時甚至需要磨至0.05-0.074毫米以下才能實現(xiàn)單體分離，所以磨礦作業(yè)在選礦工業(yè)流程中占有重要位置。
磨礦機按照磨礦介質(zhì)的不同可分為:球磨機(介質(zhì)為鋼球或鑄鐵球)；棒磨機(介質(zhì)為鋼棒)；礫磨機(介質(zhì)多是磨圓的卵石子)；自磨機(被磨礦石作磨礦介質(zhì))。球磨機可以破碎各種硬度不同的礦石，其破碎比可以達到200以上。球磨機的給礦粒度一般不大于65毫米，最適宜的粒度為6毫米以下，產(chǎn)品粒度在15-0.075毫米之間。棒磨機用在礦石成粗粒嵌布的鎢礦、錫礦的磨礦處理上，也可用在球磨機前作粗磨，其給礦粒度一般不超過20-25毫米，產(chǎn)品粒度多在3毫米以下。目前，國內(nèi)選礦工業(yè)中，球磨機是使用最為廣泛的磨礦設(shè)備。
按照筒體的形狀，磨礦機又可分為圓錐形和圓筒形兩種，而圓筒形磨礦機又可分為短筒型和管型。短筒型球磨機的筒體長度一般小于等于兩倍的筒體直徑，管型的磨礦機的長度則不小于筒體直徑的3倍。管型磨礦機主要用于水泥工業(yè)，短筒圓錐形主要用于有色金屬礦石與黑色金屬礦石的粗磨、細磨作業(yè)。
2.2球磨機原理：
礦石的磨碎是在磨礦機機體中進行的，圓筒形磨礦機有一個空心圓筒，圓筒兩端是帶端蓋的空心軸頸，軸頸支承在軸承上。圓筒內(nèi)裝有各種破碎介質(zhì)，如鋼球、鐵球、鋼棒或礫石等，當(dāng)圓筒繞水平軸線按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時，裝在筒內(nèi)的破碎介質(zhì)和礦石在離心力和摩擦力的作用下，隨著筒體運動到一定高度，當(dāng)磨礦介質(zhì)的自身重力大于離心力時，脫離筒體內(nèi)壁拋射下落，產(chǎn)生沖擊而擊碎礦石。同時，磨礦機在運轉(zhuǎn)過程中，筒內(nèi)磨礦介質(zhì)相互間有滑動，對礦石也有一定研磨作用，所以礦石的磨碎主要靠破碎介質(zhì)落下時的沖擊力和運動時產(chǎn)生的研磨作用。
礦石由圓筒一端的空心軸頸不斷給入，而磨碎以后的產(chǎn)品經(jīng)過圓筒另一端的空心軸不斷排出，筒內(nèi)礦石的移動是利用不斷加入礦石的壓力來實現(xiàn)的。濕磨時，礦石被水流帶走，干磨時，礦石被抽出筒外的氣流帶走。
2.3球磨機的臨界轉(zhuǎn)速和最佳工作轉(zhuǎn)速
球磨機的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運動狀況及物料的磨制過程。在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運動狀況如圖1所示。
若轉(zhuǎn)速比較低時，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，鋼球沿斜面滑下，如圖1（a），不能形成足夠的落差，鋼球?qū)ξ锪系哪ニ樽饔煤苄?，這種情況效率很低。如果筒體的轉(zhuǎn)速很高，由于離心力的作用，以致物料和鋼球不再脫離筒壁，而隨其一同旋轉(zhuǎn)，如圖1（c）。產(chǎn)生這種狀態(tài)的最低轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速nLJ。臨界轉(zhuǎn)速下鋼球沒有撞擊作用，物料只受到輕微的研磨，效率也很低。當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述兩者之間時，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，如圖1（b）。此時鋼球?qū)ν驳椎奈锪袭a(chǎn)生強烈的撞擊作用，效率最高。效率最高時的工作轉(zhuǎn)速稱為最佳工作轉(zhuǎn)速nZJ。
一般最佳工作轉(zhuǎn)速通常為nZJ=（0.74~0.88）nLJ
球磨機為恒轉(zhuǎn)矩負載機械，電機輸出的軸功率PZ為
由式（3）可見，球磨機消耗的電功率與電機的轉(zhuǎn)速的一次方成正比，因此，用變頻器在基頻以下調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速可節(jié)能，但節(jié)能的幅度與調(diào)速的范圍有關(guān)。
2.4球磨機負載特性
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(chǎn)品功耗較大。球磨機一般采用星三角或自耦降壓啟動，啟動電流大，對設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大，機械設(shè)備的生產(chǎn)維護量也大，而且電的損耗量相當(dāng)驚人，這必然會給生產(chǎn)廠家?guī)砗芏嗖槐匾穆闊┖蛧?yán)重的資源浪費。
球磨機屬于低速重載設(shè)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(tǒng)的啟動和調(diào)速。采用的驅(qū)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(zhuǎn)矩負載，在用液力耦合器調(diào)速時，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掉。
因此球磨機負載特性如下：
●啟動轉(zhuǎn)矩大；
●負載變化隨料筒內(nèi)的物料變化大；
●負載慣大，要考慮泵升電壓的響應(yīng)；
●球磨機需要根據(jù)應(yīng)用在一定范圍內(nèi)進行調(diào)速和正反向。
2.5客戶特點及其要求：
某礦山公司選礦廠位于浙江省，該廠于1959年成立，為浙江省黑色金屬礦采選規(guī)模最大企業(yè)，屬全國地方獨立中型礦山。旗下的漓鐵礦業(yè)有限公司主要產(chǎn)品為鐵礦石，規(guī)模為采礦115萬噸/年，主要工藝技術(shù)采用豎井平峒開拓，無底柱分段崩落法開采。
(1)某礦山公司選礦廠電動機參數(shù)：
|
額定功率 |
額定電壓 |
轉(zhuǎn)速r/min |
效率% |
功率因數(shù)cosф |
最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 |
|
315KW |
6KV |
736 |
94.2 |
0.88 |
2.01 |
(2)原電機起動為星三角起動；
(3)系統(tǒng)調(diào)速采用液力耦合器方式；
(4)對變頻器的具體要求：
--變頻器需完成快速啟?？刂?，一路4-20mA模擬量輸出；
--需要調(diào)速和正反向；
--正反向間隔時間低于1分種；
--輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流波形為正弦波；
--電機啟動轉(zhuǎn)矩大于180%額定轉(zhuǎn)矩；
--轉(zhuǎn)矩響應(yīng)小于20ms。
3.變頻器配置方案
3.1 變頻器配置原則
使用變頻器驅(qū)動球磨機，能使球磨機系統(tǒng)啟動平滑、研磨效率較高、產(chǎn)量提高、能耗降低。
一般來說，變頻器配置原則是：
●改造后的設(shè)備要有足夠的起動轉(zhuǎn)距，使電機平穩(wěn)運行；
●滿足球磨機低速時的正常運行；
●滿足工藝控制要求；
結(jié)合該選礦廠現(xiàn)場實際，我司選擇了Goodrive5000系列矢量高性能矢量變頻器，進行其鐵礦球磨機的控制。
3.2 Goodrive5000系列變頻器特性
●技術(shù)新穎
串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用還為實現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開辟了嶄新的途徑。
●科技含量高
--采用大規(guī)模門陣列CPLD電路，實現(xiàn)了PWM控制的高度實時性、快速性和準(zhǔn)確性；
--特別設(shè)計的H橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統(tǒng)運行的可靠性提供了保障；
--完善的功率單元旁通技術(shù)，已獲得了國家專利，進一步提高了系統(tǒng)運行的可靠性；
--優(yōu)秀的DSP+FPGA+ARM嵌入式三核控制技術(shù)；
--中性點偏移、支持兩單元旁路；
--高性能的無PG矢量控制技術(shù)。1Hz滿扭矩輸出，可在2.5秒把變頻器從0Hz拖到50Hz；
--優(yōu)良的低頻控制性能；可在10Hz以下輸出完美波形；
--瞬停不停，重載累設(shè)備電網(wǎng)電晃1.1秒不停機，風(fēng)機累能夠做到電網(wǎng)電晃5秒不停機。
4.客戶現(xiàn)場具體使用效果
該系統(tǒng)Goodrive5000變頻器具有很高的電路抗干擾性能。±15%電壓波動設(shè)計，能承受瞬間200%沖擊電流，低頻轉(zhuǎn)距大,適應(yīng)中國電網(wǎng)和工況；電流沖擊抑制能力強，負載大范圍波動時，能安全穩(wěn)定運行；完善的電機拖動保護功能，具有過載、過流、過壓、欠壓、短路、缺相及斷電保護。
4.1客戶收益
英威騰Goodrive5000系列變頻應(yīng)用在客戶鐵礦球磨機傳動系統(tǒng)上的優(yōu)點：
●極強的過載能力，很好地滿足了球磨調(diào)速過程中負載頻繁變化的情況
●與液力耦合器調(diào)速方式相比，變頻器方案能提高效率，達到很好的節(jié)能效果，
●系統(tǒng)維護更加簡單
●可以通過變頻器，提高自動化水平，便于通過PROFIBUS-DP或Modbus組網(wǎng)控制,基至可以組成三級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；
●變頻器的軟啟動功能，使球磨機的啟動電流<2倍額定電流，可以降低對電網(wǎng)及用電設(shè)備的沖擊。而使用工頻啟動，沖擊電流高達6~8倍；
●可以自動按設(shè)定的多段PLC運行，并具有停機記憶功能及清除記憶功能；
●通過優(yōu)化工藝參數(shù)可實現(xiàn)更多節(jié)能。
4.2客戶評價
通過在客戶鐵礦球磨機長時間的運行觀察和一線員工的反饋，由GD5000變頻器驅(qū)動的鐵礦球磨系統(tǒng)運行良好，與傳統(tǒng)的液力耦合器的方式相比，節(jié)電率高達8%~15%以上，當(dāng)鐵礦原材料或工藝變更后，可以方便地通過電位器、觸摸屏或上位機，改變設(shè)備置，達到調(diào)速控制。
5.結(jié)束語
球磨機通過變頻器改造后，可以達到一定節(jié)能的目的；但主要還是可以達到工藝改造的目的，提供全廠的自動化水平，形成多級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；改善電機運行性能和啟動特性。提高系統(tǒng)的調(diào)速精度、轉(zhuǎn)矩動態(tài)精度。英威騰GD5000系列變頻器在某礦山公司選礦廠球磨機上的應(yīng)用，必將帶來更多的成熟應(yīng)用和效率提高。
參考文獻：
[1]《GD5000變頻器產(chǎn)品說明書》深圳市英威騰電氣股份有限公司
