球磨机的临界转速

    一、临界转速、转速率    前面讲的，当磨机以线速度υ带着钢球升到A点时，由于钢球重量G的法向分力N和离心力C相等，钢球即作抛物落一。如果磨机的速度增加，钢球开始抛落的点也就提高。到了磨机的转速增加到某一值υ_C,离心力大于钢球的重量,钢球升到磨机顶点Z不再落下，发生了离心运转。由此可见，离心运转的临界条件是 
图1 离心运转时钢球的受力状况C≥G    令m为球的质量，g为重力加速度，n为磨机每分钟的转数，R为球的中心到磨机中心的距离，a为球脱离圆轨迹时连心线OA与垂直轴的夹角。当磨机的线速度为υ，钢球升到A点时，       因G=mg，代入上式，得到                                                             因,代入上式，得到     取g=9.81米/秒²，则，于是                              R的单位为米。    这是研究钢球运动的最基本的公式，以后要经常用到它。    当转速为υ_c,相应的每分钟转数为n_C时,钢球上升到顶点Z,不再落下,.发生了离心化。此时,C=G,a=0°,cosa=1,从而                         此处，D=2R,单位皆为米。对贴着衬板的最外一层来说，因为球径比球磨机内径小得多，可略而不计,R可以算是磨机的内半径，D就是它的内直径。    由公式(3)可以看出，使钢球离心化所需的临界转数，决定于球心到磨帆中心的距离。最外层球距磨机中心最远,使它离心化所需的转数最少；最内层球距磨机中心最近，使它离心化所需的转数也最多。如果取磨机内半径用公式(3)算的结果作为磨机的转速，尽管最外层球已经离心化了，但其他层球仍然能够抛落,还是可以磨细矿石。只有转数比用最外层球按公式(3)求得的高出很多时，全部球层才会离心化，磨碎矿石的有用功才等于零。但是，装入的钢球希望全部能落下磨碎矿石，如果有一部分离心化，就会使有用功减少。因此，取磨机内半径用公式(3)算得的结果，说明要使最外层球也不会离心化时磨机转速的限度，就没有必要去计算使其他层球离心化的磨机转数了。山此可见,磨机的临界转数，是使最外层球也不会发生离心化的最高转速(转/分)。    尽管公式(3)是在没有考虑装球率及滑动等情况下导出的，但在采用不平滑衬板及装球率占40～50%时，它仍然符合实际情形。因此，生产中都采用公式(3)来计算磨机的临界转数，绝大多数磨机的转速都没有超过它。    设n为磨机的实际转速，它和n_C的比值用百分率来表示，叫做转速率(ф)，即      将公式（2）代入上式，得到   [next]                                               

    即角a标志钢球开始抛落时已升到的位置，叫做脱离角。公式（5）指出，转速率愈高，脱离角愈小，钢球上升到的位置愈高。当脱离角为0°时，转速率为1，即实际转速已等于临界转速，钢球到了磨机的顶点，要开始离心化了。    二、超临界转速运转    前面导出临界转数公式时，曾设摩擦力与钢球重量的切向分力相等，钢球没有滑动。在采用不平滑衬板和装球率占40～50%时，这种假设是符合实际的。倘若采用摩擦系数小的平滑衬板，又减少装球量使正压力降低，那么，摩擦力就小到不足以平衡球荷的切向分力，钢球于是有了滑动。在这种情况下，尽管磨机的转速超过用公式(3)算得的n_C好几倍，为钢球有剧烈的滑下运动，它还是不会离心化。这就是磨机超临界转速运转的实质和必要的条件。R.T.胡基在六十年代的研究指出，在适当的条件下，磨机的转速超过n_C值的20倍，钢球还不会离心化，仍然有磨矿效果。    超临界转速运转不仅在理论上突破了公式(5)的局限性，而且可以提高磨机的处理能力。生产实践指出，如果应用恰当，超临界转速运转可以提高磨机的生产力，虽然功率耗相应地增加，但比功率耗(即千瓦·时/吨)常常是降低的,如下表中的例子。    磨机的转速和装球量是影响磨机生产率的两个关键性的因素。超过n_C值运转固然可以提高磨机生产率，但要求减少装球量,而减少装球量又会使生产率降低。所以不能片面地采用大幅度提高转速及大幅度减少装球量的办法,这反而会使生产率下降，如下图2反映的情况。当装球率减少到25%以下，即使将转速率提高到145%,生产率也达不到装球率为35～40%转速率为110～120%的。并且转速太高，磨机振动很厉害,也会造成危险。
下表    南芬选矿厂提高磨机转速的工业试验结果

指标	第一段			第二段
球磨机实际转数(转/分)转速率(%)装球量(吨)球荷充填率(%)	248513.041.1	269311.536.4	30.510810.031.8	21.575.513.542.7	269310.533.2	30.510810.031.8
球磨机利用系数(吨/米3时)⑴按原矿计⑵按-200网目计	3.491.11	4.01.47	4.461.52	2.541.05	2.731.44	2.691.25
利用系数变化（%）⑴按原矿计⑵按-200网目计	100100	114.4124	127.5131.0	100100	107137	106119.0
比功耗（千瓦·时/吨）⑴按原矿计⑵按-200网目计	5.3316.19	4.9513.5	4.8314.0	5.5513.5	8.313.5	7.1715.4
比功耗变化（%）⑴按原矿计⑵按-200网目计	100100	93.083.5	91.086.5	——	——	——

    要把磨机的转速提高到超过临界值，必须考虑原用的电动机的功率是否充足，传动部件的强度是不是够。磨机转速提高后，生产率加大，和磨机构成闭路的分级机的负荷也增加，必须采取措施提高分级机的生产能力和效率,要不然由于分级机的限制，效果未必好。超临界转速后，钢球与衬板之间和钢球与钢球之间有强烈的相对运动,磨损很厉害。为了解决这个问题，有用合金钢制衬板和钢球的,也有采用矿石自衬自磨的。试验研究和生产实践都指出：用普通磨机在超临界转速下进行矿石自磨，它的生产率可以达到在n_C用钢球磨矿的。衬板为特殊形状，由矿石自己去填补成一层壳,以便节约钢材。 
图2 不同装球率时球磨机转速率与生产能力的关系     超临界转速运转的磨机毕竟少见，即使有，多属小型磨机。唯独在芬兰，R.T.胡基不仅作过系统试验和理论探讨,他们还曾用2700×3600月毫米球磨进行在超临界转速下矿石自磨的生产。