摘   要：钢材、有色金属和水泥等行业，大量使用球磨机。球磨机是一个大惯性、纯滞后、态特性复杂的对象，随着电力电子器件的使用，交流变频调速技术越来越成熟，并成功地应用在矿山球磨机驱动系统。
关键词：Goodrive5000  选矿厂  球磨机  矢量变频器
1.引言
钢材、有色金属和水泥等是国民经济最重要的基础结构材料，也是使用量最多的功能性材料。随着我国国民经济的迅猛发展，钢材、有色金属和水泥等基础性结构材料的消耗大幅攀升，这几年中国的钢产量连续几年钢产量居世界第一位，急剧增长的消费刺激了钢材、有色金属等大宗材料的生产设备迅速发展，以稳产高效、节能降耗为基础，对现有选矿设备进行革新改造在各企业得到广泛重视，并得到迅猛发展。作为钢铁行业的基础产业的选矿业，随着钢铁产业的膨胀也得到迅速提升。在选矿生产中，球磨作业是整个选矿生产工艺流程的最关键环节，发挥着承上启下的作用。
在选矿生产中，球磨是整个选矿工艺流程的最关键环节，磨矿作业在选矿厂基建投资和生产费用（主要是电耗、钢耗）中占较大比重，也是整个选矿厂的“瓶颈”作业环节，直接关系到选矿生产的处理能力、磨矿产品质量，对后续作业指标乃至整个选矿厂的经济指标产生重大影响。钢铁的急剧发展，激发了作为钢铁产业基础的选矿业的大发展，进一步刺激了球磨机制造技术的发展创新。各种球磨机应用技术研究在生产实践中得到迅速深化，球磨机进一步向大型化、高自动化、低能耗方向发展。
2.运用环境分析
2.1球磨机构成与分类
铁矿球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传动齿轮，电机，电控）等主要部分组成。中空轴采用铸钢件，内衬可拆换，回转大齿轮采用铸件滚齿加工，筒体内镶有耐磨衬板，具有良好的耐磨性。本机运转平稳，工作可靠。球磨机主机包括筒体，筒体内镶有用耐磨材料制成的衬，有承载筒体并维系其旋转的轴承，还要有驱动部分，如电动机，和传动齿轮，皮带轮，三角带等。
球磨机是钢材、有色金属和水泥等部门不可缺少的重要设备。从矿山开采的各种矿石需要达到单体分离，才能满足工业生产要求。要实现单体分离，就需要将开采的矿石进行破碎、磨碎，然后进行分选。在选矿工业中，矿物颗粒成细粒、微粒嵌布，要分离他们，必须磨细至0.3-0.1毫米，有时甚至需要磨至0.05-0.074毫米以下才能实现单体分离，所以磨矿作业在选矿工业流程中占有重要位置。
磨矿机按照磨矿介质的不同可分为:球磨机(介质为钢球或铸铁球)；棒磨机(介质为钢棒)；砾磨机(介质多是磨圆的卵石子)；自磨机(被磨矿石作磨矿介质)。球磨机可以破碎各种硬度不同的矿石，其破碎比可以达到200以上。球磨机的给矿粒度一般不大于65毫米，最适宜的粒度为6毫米以下，产品粒度在15-0.075毫米之间。棒磨机用在矿石成粗粒嵌布的钨矿、锡矿的磨矿处理上，也可用在球磨机前作粗磨，其给矿粒度一般不超过20-25毫米，产品粒度多在3毫米以下。目前，国内选矿工业中，球磨机是使用最为广泛的磨矿设备。
按照筒体的形状，磨矿机又可分为圆锥形和圆筒形两种，而圆筒形磨矿机又可分为短筒型和管型。短筒型球磨机的筒体长度一般小于等于两倍的筒体直径，管型的磨矿机的长度则不小于筒体直径的3倍。管型磨矿机主要用于水泥工业，短筒圆锥形主要用于有色金属矿石与黑色金属矿石的粗磨、细磨作业。
2.2球磨机原理：
矿石的磨碎是在磨矿机机体中进行的，圆筒形磨矿机有一个空心圆筒，圆筒两端是带端盖的空心轴颈，轴颈支承在轴承上。圆筒内装有各种破碎介质，如钢球、铁球、钢棒或砾石等，当圆筒绕水平轴线按照规定的转速回转时，装在筒内的破碎介质和矿石在离心力和摩擦力的作用下，随着筒体运动到一定高度，当磨矿介质的自身重力大于离心力时，脱离筒体内壁抛射下落，产生冲击而击碎矿石。同时，磨矿机在运转过程中，筒内磨矿介质相互间有滑动，对矿石也有一定研磨作用，所以矿石的磨碎主要靠破碎介质落下时的冲击力和运动时产生的研磨作用。
矿石由圆筒一端的空心轴颈不断给入，而磨碎以后的产品经过圆筒另一端的空心轴不断排出，筒内矿石的移动是利用不断加入矿石的压力来实现的。湿磨时，矿石被水流带走，干磨时，矿石被抽出筒外的气流带走。
2.3球磨机的临界转速和最佳工作转速
球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的磨制过程。在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示。

若转速比较低时，钢球和物料随筒体内壁上升，当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角时，钢球沿斜面滑下，如图1（a），不能形成足够的落差，钢球对物料的磨碎作用很小，这种情况效率很低。如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，如图1（c）。产生这种状态的最低转速称为临界转速nLJ。临界转速下钢球没有撞击作用，物料只受到轻微的研磨，效率也很低。当筒体的转速处于上述两者之间时，钢球被带到一定的高度后沿抛物线落下，如图1（b）。此时钢球对筒底的物料产生强烈的撞击作用，效率最高。效率最高时的工作转速称为最佳工作转速nZJ。

 一般最佳工作转速通常为nZJ=（0.74~0.88）nLJ

球磨机为恒转矩负载机械，电机输出的轴功率PZ为

由式（3）可见，球磨机消耗的电功率与电机的转速的一次方成正比，因此，用变频器在基频以下调节电机的转速可节能，但节能的幅度与调速的范围有关。

2.4球磨机负载特性

球磨机一般采用简单的工频控制，易造成物料的过度研磨，所需研磨周期较长，研磨效率较低，单位产品功耗较大。球磨机一般采用星三角或自耦降压启动，启动电流大，对设备和电网的冲击很大，机械设备的生产维护量也大，而且电的损耗量相当惊人，这必然会给生产厂家带来很多不必要的麻烦和严重的资源浪费。

球磨机属于低速重载设备，装载量大，起动力矩也很大，一般需要加装液力耦合器来完成传动系统的启动和调速。采用的驱动方式是：三相交流电动机—液力耦合器—齿轮减速器—皮带轮减速器。由于球磨机属恒转矩负载，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪费掉。

因此球磨机负载特性如下：

●启动转矩大；

●负载变化随料筒内的物料变化大；

●负载惯大，要考虑泵升电压的响应；

●球磨机需要根据应用在一定范围内进行调速和正反向。

2.5客户特点及其要求：

某矿山公司选矿厂位于浙江省，该厂于1959年成立，为浙江省黑色金属矿采选规模最大企业，属全国地方独立中型矿山。旗下的漓铁矿业有限公司主要产品为铁矿石，规模为采矿115万吨/年，主要工艺技术采用竖井平峒开拓，无底柱分段崩落法开采。

(1)某矿山公司选矿厂电动机参数：

(2)原电机起动为星三角起动；

(3)系统调速采用液力耦合器方式；

(4)对变频器的具体要求：

--变频器需完成快速启停控制，一路4-20mA模拟量输出；

--需要调速和正反向；

--正反向间隔时间低于1分种；

--输出电压稳定，输出电流波形为正弦波；

--电机启动转矩大于180%额定转矩；

--转矩响应小于20ms。

3.变频器配置方案

3.1 变频器配置原则

使用变频器驱动球磨机，能使球磨机系统启动平滑、研磨效率较高、产量提高、能耗降低。

一般来说，变频器配置原则是：

●改造后的设备要有足够的起动转距，使电机平稳运行；

●满足球磨机低速时的正常运行；

●满足工艺控制要求；

结合该选矿厂现场实际，我司选择了Goodrive5000系列矢量高性能矢量变频器，进行其铁矿球磨机的控制。

3.2 Goodrive5000系列变频器特性

●技术新颖

串联多重化叠加技术的应用实现了真正意义的高-高电力变换，无需降压升压变换，降低了装置的损耗，提高了可靠性，解决了高压电力变换的困难。串联多重化叠加技术的应用还为实现纯正弦波、消除电网谐波污染开辟了崭新的途径。

●科技含量高

--采用大规模门阵列CPLD电路，实现了PWM控制的高度实时性、快速性和准确性；

--特别设计的H桥逆变电路，已获得了国家专利，为系统运行的可靠性提供了保障；

--完善的功率单元旁通技术，已获得了国家专利，进一步提高了系统运行的可靠性；

--优秀的DSP+FPGA+ARM嵌入式三核控制技术；

--中性点偏移、支持两单元旁路；

--高性能的无PG矢量控制技术。1Hz满扭矩输出，可在2.5秒把变频器从0Hz拖到50Hz；

--优良的低频控制性能；可在10Hz以下输出完美波形；

--瞬停不停，重载累设备电网电晃1.1秒不停机，风机累能够做到电网电晃5秒不停机。

4.客户现场具体使用效果

该系统Goodrive5000变频器具有很高的电路抗干扰性能。±15%电压波动设计，能承受瞬间200%冲击电流，低频转距大,适应中国电网和工况；电流冲击抑制能力强，负载大范围波动时，能安全稳定运行；完善的电机拖动保护功能，具有过载、过流、过压、欠压、短路、缺相及断电保护。

4.1客户收益

英威腾Goodrive5000系列变频应用在客户铁矿球磨机传动系统上的优点：

●极强的过载能力，很好地满足了球磨调速过程中负载频繁变化的情况

●与液力耦合器调速方式相比，变频器方案能提高效率，达到很好的节能效果，

●系统维护更加简单

●可以通过变频器，提高自动化水平，便于通过PROFIBUS-DP或Modbus组网控制,基至可以组成三级网络控制系统；

●变频器的软启动功能，使球磨机的启动电流<2倍额定电流，可以降低对电网及用电设备的冲击。而使用工频启动，冲击电流高达6~8倍；

●可以自动按设定的多段PLC运行，并具有停机记忆功能及清除记忆功能；

●通过优化工艺参数可实现更多节能。

4.2客户评价

通过在客户铁矿球磨机长时间的运行观察和一线员工的反馈，由GD5000变频器驱动的铁矿球磨系统运行良好，与传统的液力耦合器的方式相比，节电率高达8%~15%以上，当铁矿原材料或工艺变更后，可以方便地通过电位器、触摸屏或上位机，改变设备置，达到调速控制。

5.结束语

球磨机通过变频器改造后，可以达到一定节能的目的；但主要还是可以达到工艺改造的目的，提供全厂的自动化水平，形成多级网络控制系统；改善电机运行性能和启动特性。提高系统的调速精度、转矩动态精度。英威腾GD5000系列变频器在某矿山公司选矿厂球磨机上的应用，必将带来更多的成熟应用和效率提高。

参考文献：

[1]《GD5000变频器产品说明书》深圳市英威腾电气股份有限公司