鼠籠破碎機(jī)在鋅精礦輸送生產(chǎn)中的應(yīng)用

彭福民

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410011)

鼠籠式破碎機(jī)是礦山、建材、化工、飼料、醫(yī)藥、塑料行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種破碎設(shè)備，它利用固定擊輥的高速運(yùn)轉(zhuǎn)與懸浮狀態(tài)的物料撞擊，使一些低硬度的原料粉碎，具有生產(chǎn)效率高、壽命長、回料量低、維修量小、運(yùn)轉(zhuǎn)安全的特點。南方某新建100 kt/a鋅冶煉廠曾選用一臺PS20N型鼠籠式破碎機(jī)，作為成團(tuán)(砣)鋅精礦的擊散、個別大塊石料粉碎的破碎設(shè)備。本文就該項目原料系統(tǒng)開車調(diào)試中鼠籠式破碎機(jī)輸送細(xì)顆粒物料的不順，對設(shè)備選型需要重點關(guān)注的問題進(jìn)行分析探討。

1 鼠籠式破碎機(jī)的破碎機(jī)理

鼠籠式破碎機(jī)是一種典型的沖擊式破碎設(shè)備，它通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的擊輪，將沖擊力瞬時作用在物料上，使物料急劇粉碎。

鼠籠式破碎機(jī)的構(gòu)造如圖1所示，它由機(jī)殼、外鼠籠、內(nèi)鼠籠、進(jìn)料斗、傳動皮帶、行輪、電動機(jī)、支架等主要部分組成。二臺驅(qū)動電機(jī)帶動傳動皮帶、內(nèi)外鼠籠反向高速旋轉(zhuǎn)。

PS20N鼠籠破碎機(jī)內(nèi)外鼠籠擊輥布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

鼠籠是破碎機(jī)破碎物料的關(guān)鍵部件，它通常由一大一小兩個相對回轉(zhuǎn)的籠子組成，每個籠子都有一個垂直固定在軸上的鋼盤，鋼盤上依同心圓垂直安裝直徑不同的兩圈擊輥。擊輥是鼠籠破碎機(jī)破碎物料的工作元件，目前基本都設(shè)計成圓棒型結(jié)構(gòu)。

圖1 鼠籠式破碎機(jī)構(gòu)造圖1－內(nèi)鼠籠;2－外鼠籠;3－進(jìn)料斗;4－機(jī)殼;5－傳動皮帶;6－行輪;7－電動機(jī);8－支架

圖2 PS20N鼠籠破碎機(jī)擊輥布置結(jié)構(gòu)圖

按照鼠籠式破碎機(jī)設(shè)計理念，鼠籠式破碎機(jī)的破碎原理如圖3所示。

物料在破碎機(jī)內(nèi)的破碎過程可分為三個階段:

第一階段，需破碎的物料從下料斗經(jīng)下料舌送抵至小鼠籠的內(nèi)圈，一部分物料被小鼠籠內(nèi)圈擊輥撞擊并加速，另一部分物料被大鼠籠內(nèi)圈擊輥撞擊并加速，這次撞擊對物料進(jìn)行了第一次破碎;在這一階段，物料主要是被鼠籠圈加速和均布。

圖3 鼠籠式破碎機(jī)破碎原理

第二階段，被加速的物料遇到反方向高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大鼠籠內(nèi)圈擊輥和小鼠籠外圈擊輥，瞬間被反向撞擊，進(jìn)行了第二次破碎;實際上大部分物料是在這個階段被粉碎的。

第三階段，被第一次反向的物料又被小鼠籠外圈和大鼠籠外圈再次瞬間反向撞擊，進(jìn)行了第三次破碎，并被外圈拋出鼠籠輪。

物料從進(jìn)入小籠內(nèi)圈到拋出大籠外圈的破碎過程似于老鼠在迷宮般的籠內(nèi)逃竄，故名鼠籠式破碎機(jī)。正是由于物料在通過設(shè)備腔內(nèi)短暫的時間內(nèi)經(jīng)歷了三次破碎過程，所以，鼠籠式破碎機(jī)與其它種類的破碎機(jī)相比較，具有破碎比大、破碎的粒度細(xì)、破碎效率高等優(yōu)點。

2 決定鼠籠式破碎機(jī)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力的參數(shù)及彼此關(guān)系

2.1 粉碎比系數(shù)

鼠籠式破碎機(jī)的生產(chǎn)效率指單位時間內(nèi)，破碎機(jī)產(chǎn)出合格粒度礦石與不合格礦石的比例;生產(chǎn)能力指單位時間內(nèi)產(chǎn)出合格粒度礦石數(shù)量的多少。鼠籠破碎機(jī)的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)能力與籠子的排礦(料)口大小和擊輥尺寸的大小相關(guān)。鼠籠的排礦(料)口即鼠籠兩個擊輥之間的間距與其寬度面積之總和。

當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，擊輥尺寸固定，間距越大，物料被擊輥撞擊的機(jī)會就相對減小;反之，間距越小，物料受到撞擊的機(jī)會就增多。

同樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，間距固定，擊輥斷面尺寸越大，物料被擊輥撞擊的機(jī)會也越大;反之，擊輥斷面尺寸越小，物料被撞擊的可能性相對減小。

鼠籠破碎機(jī)設(shè)計理念上將單個擊輥間隙面積Fjj與單根擊輥撞擊物料面積Fj之比稱為粉碎比例系數(shù)K;經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可知:

該式也可理解為整個擊輥間隙總面積與全部擊輥撞擊物料面積(擊輥半圓弧面積)之比。

K值越大，表明擊輥之間的間距越大，鼠籠周圈上均布的擊輥數(shù)量就越少。

2.2 排料粒度與粉碎比系數(shù)之間的關(guān)系

從一般推理可知，粉碎系數(shù)越大，在擊輥旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)，物料受到撞擊的機(jī)會就相對較少，間距越大，比間距尺寸較小的物料通過的可能性越大。因此可以說，破碎后物料的粒度是粉碎比系數(shù)的正比函數(shù)。

生產(chǎn)中要想得到合適粒度的破碎產(chǎn)品，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)所需物料粒度的大小適度設(shè)定粉碎比系數(shù)。

2.3 排料速度與粉碎比系數(shù)的關(guān)系

擊輥在機(jī)體內(nèi)做周而復(fù)始的圓周運(yùn)動，被擊輥撞擊到的物料，沿著擊輥的切線方向散射，并試圖通過反向旋轉(zhuǎn)外圈擊輥之間的間隙飛出。在轉(zhuǎn)速一定時，外圈的擊輥數(shù)量越多，物料散射過程中受到反向旋轉(zhuǎn)擊輥撞擊的可能性越大，物料排出的機(jī)會就越小，外圈撞擊的越少，物料排出去的越多，排料速度與粉碎比也是正比函數(shù)關(guān)系。

要想得到更大的排料速度，就應(yīng)當(dāng)設(shè)法提高內(nèi)圈的撞擊速度，增大外圈擊輥的間距，減低外圈的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

2.4 轉(zhuǎn)速與粉碎比的關(guān)系

一般而言，內(nèi)外籠的相對運(yùn)動速度越大，破碎后物料的粒度越細(xì);在同一粉碎比系數(shù)的條件下，轉(zhuǎn)速越高，物料受到外圈撞擊的可能性增多，排料量將會降低。反之，排料量將提高。

3 某工廠鼠籠破碎機(jī)的配置選型及運(yùn)行情況

南方某100 kt/a鋅冶煉廠是采用鋅氧壓浸出新濕法工藝的一座新建工廠。該廠原料輸送系統(tǒng)包含鋅精礦漿化給料輸送系統(tǒng)和沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)。在沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)中，鋅精礦由礦倉經(jīng)圓盤給料機(jī)、鼠籠破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)送往工廠原有20 kt/a焙燒爐。經(jīng)金屬平衡計算，沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)設(shè)計輸送能力為29 963.09 t/a。沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)采用間歇式工作制，每個班根據(jù)焙燒精礦礦倉物料的儲量不定期給料。輸送系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)條件如下:(1)輸送物料:鋅精礦，含水量8%～ 10%;(2)堆比重:1.6～1.8 t/m3;(3)安息角:45°。

設(shè)計手冊明確，鋅精礦的粒度絕大部分小于0.1 mm，最大粒度不超過0.35 mm。

輸送系統(tǒng)選用的鼠籠破碎機(jī)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 PS20N鼠籠式破碎機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場測繪，PS20N型鼠籠破碎機(jī)鼠籠輪主要參數(shù)見表2。

表2 PS20N鼠籠式破碎機(jī)鼠籠輪主要技術(shù)參數(shù)

沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)投料運(yùn)行初期，由于物料雜物過多、前端設(shè)備來料猛、排料不暢、操作不熟練、揚(yáng)塵過大等多種原因，整個生產(chǎn)線經(jīng)常出現(xiàn)不能正常連續(xù)運(yùn)行的狀況。經(jīng)過數(shù)次調(diào)整、優(yōu)化，輸送系統(tǒng)大部分問題都得以解決，PS20N鼠籠破碎機(jī)排料不暢的問題則成為了整個系統(tǒng)的瓶頸所在。為此，在現(xiàn)場先后采取了電機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半、拆除三分之一擊輥等措施，但設(shè)備排料不暢的問題并沒有從根本上解決。為保證沸騰焙燒爐正常生產(chǎn)，在改進(jìn)原料清潔程度的基礎(chǔ)上，最后采取了短接鼠籠破碎機(jī)的措施。

4 實際生產(chǎn)排料不暢因素探討

基于沸騰焙燒給料輸送系統(tǒng)的原料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、鼠籠破碎機(jī)設(shè)備選型和實際生產(chǎn)運(yùn)行情況，分析PS20N鼠籠破碎機(jī)排料不暢的因素可能為以下原因。

4.1 設(shè)備選型不適當(dāng)

鼠籠式破碎機(jī)是一種通過沖擊能量擊碎物料的破碎設(shè)備，要使物料能夠擊碎，首先物料必須具備可擊碎性。

鋅精礦是一種經(jīng)過了球磨機(jī)細(xì)磨后得到的產(chǎn)品，其本身粒度只有0.1～0.35 mm。從工藝的角度來看，磨礦是比碎礦更高級、更精細(xì)化的生產(chǎn)工藝，低級別的工藝要處理經(jīng)過高級別工藝獲得的產(chǎn)品，不僅在效率上不合算，并且在工藝上幾乎不可能實現(xiàn)。

該項目中，選用鼠籠破碎機(jī)有兩個目的:(1)希望通過破碎機(jī)打散由于儲存、包裝、運(yùn)輸、抓卸過程形成的成團(tuán)(砣)鋅精礦;(2)通過破碎機(jī)破碎鋅精礦中可能存在的個別塊礦和磚石。破碎機(jī)在該生產(chǎn)線上的主要作用是分散通過，即讓打散后的粉礦盡快順利流入到下一設(shè)備，破碎功能偶有體現(xiàn);用一種典型的粉碎設(shè)備來承擔(dān)打散成團(tuán)(砣)粉礦的工作，設(shè)備選型不太適當(dāng)。

4.2 設(shè)備配置上不夠合理

由于分散通過是案例中破碎設(shè)備需達(dá)到的主要功能，因此，通道的無阻礙、開闊性是選用該設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點考慮的問題，也就是粉碎比系數(shù)的選定要盡可能大，以讓打散后的粉料能夠順利排出。

但由于設(shè)計選型上對該設(shè)備功能的認(rèn)識不足，也沒有在采購技術(shù)條件上加以詳細(xì)地敘述，采購的產(chǎn)品完全按照供應(yīng)商同型號的標(biāo)準(zhǔn)配置供貨，從表2和圖2中可明顯看出，鼠籠盤上內(nèi)外四圈上布置著85根擊輥，從內(nèi)圈至外圈的粉碎比系數(shù)分別為1.22、1.12、1.06、1.21。如此密布的擊輥雖然具有較高的動能，但伴隨著高速運(yùn)行，某具體位置上單位時間內(nèi)通過的擊輥數(shù)量也多，粉料還沒有來得及穿過擊輥間的間隙又被擋回，它們對粉礦的通過實際起到了阻礙作用，這是該鼠籠破碎機(jī)排料不暢的一個重要原因。

4.3 技術(shù)參數(shù)選擇上不合適

該鼠籠破碎機(jī)大擊輪轉(zhuǎn)速840 r/min、小擊輪轉(zhuǎn)速950 r/min。無論是細(xì)粒粉礦質(zhì)量還是其粒徑相對于鼠籠擊輥的回轉(zhuǎn)尺寸而言，都可以視為一個質(zhì)點。

在擊輥撞擊下，臨近擊輥中心部位的細(xì)粒粉礦以擊輥中心至軸心為半徑作勻速圓周運(yùn)動;其旋轉(zhuǎn)而不下落時的臨界轉(zhuǎn)速為:n。由此，可分別計算出從內(nèi)至外各圈粉料臨界轉(zhuǎn)速值。顯然，設(shè)備選型中確定的擊輪轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速，這表明，在該鼠籠破碎機(jī)內(nèi)，有相當(dāng)部分的粉料在擊輥相對圓周運(yùn)動中形成的四道圓柵欄，也成為了其它粉礦穿過相鄰?fù)馊糨侀g隙區(qū)域的障礙，如圖4所示。

圖4 擊輥高速運(yùn)行所形成的粉礦圈

實際生產(chǎn)情況也表明，只要沒有出現(xiàn)完全堵塞的情形，PS20N輸送破碎機(jī)停機(jī)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)的時間段內(nèi)，伴隨著大小擊輪轉(zhuǎn)速降低到一定數(shù)值后，殘存在破碎機(jī)內(nèi)的粉礦會很快下落到輸送機(jī)上。這說明，轉(zhuǎn)速降低，粉礦脫離圓周慣性運(yùn)動而向外飛濺;同時，轉(zhuǎn)速降低，單位時間內(nèi)通過的擊輥數(shù)量在減少，粉礦穿過擊輥間距的可能性增多。

5 從鼠籠破碎機(jī)運(yùn)行情況所引申的幾點思考

通過PS20N鼠籠破碎機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用案例的分析，就設(shè)備的選型如何滿足工藝生產(chǎn)的條件，筆者有如下認(rèn)識:

5.1 設(shè)備選型要注重物料性質(zhì)的匹配性

每種生產(chǎn)工藝針對物料的不同都有自己的特殊性，即便是名稱相同的物料也會由于產(chǎn)出地或來源不同，物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)存在一定差異。因此每個項目的高階段設(shè)計文件首先都會要明確設(shè)計依據(jù)的物料性質(zhì)。

工藝根據(jù)物料性質(zhì)來確定，設(shè)備同樣要與物料性質(zhì)相匹配。哪一類設(shè)備適宜于哪些物料，設(shè)計手冊上都會有相對明確表述。設(shè)計者在參考設(shè)計手冊的基礎(chǔ)上，還需要借助以往工程的經(jīng)驗，選定最適合工藝物料性質(zhì)的設(shè)備;但若是僅注重主工藝流程及設(shè)備，而忽視輔助流程或后續(xù)流程物料性質(zhì)的變化，簡單地將主流程或前段流程選定的設(shè)備直接用于輔助流程或后端流程之上，就可能導(dǎo)致輔助流程或后端流程工藝的癥結(jié)。設(shè)計中曾有采用同一種型號的振動給礦機(jī)先后處理顆粒大小差異幾十倍礦石而產(chǎn)生泄礦的先例。本案例中PS20N鼠籠破碎機(jī)排料不暢的故障，最重要原因是沒有根據(jù)實際物料性質(zhì)來選擇輔助流程上的最合適設(shè)備。

設(shè)備選型時，工藝工程師一定要時刻關(guān)注工藝流程中物料性質(zhì)的變化，這種變化包括化學(xué)性質(zhì)的變化、物理參數(shù)變化以及工作條件的改變。只有密切關(guān)注工藝線路上物料性質(zhì)的變化，才能正確選定所需要的設(shè)備。

5.2 設(shè)備選型要注重設(shè)備構(gòu)造結(jié)構(gòu)的合理性

目前設(shè)備選型主要由工藝工程師來承擔(dān)，基于專業(yè)特點，工藝工程師比較注重生產(chǎn)流程、工藝參數(shù)、物料平衡等的設(shè)計計算，而設(shè)備選型主要參照設(shè)計手冊和同類工程的經(jīng)驗來選定，他們所提交的采購技術(shù)條件也特別注重工藝條件的完整性，而對設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的關(guān)注度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。但每類設(shè)備都有自己結(jié)構(gòu)上的特殊性，為適應(yīng)不同的物料，每類設(shè)備還會有自身零部件構(gòu)造上的差異性，同類設(shè)備不同廠家的設(shè)計也會有自己的獨特性。輸送不同物料的渣漿泵，葉輪流道設(shè)計有明顯的不同;針對不同的物料，刮板輸送機(jī)也會有不同的刮板型式;看似相同型號、相同參數(shù)的設(shè)備，若內(nèi)部零部件的設(shè)計或選型不當(dāng)，其生產(chǎn)效率將相差甚遠(yuǎn)。筆者經(jīng)歷的項目中，曾有埋刮板機(jī)刮板型式選型不對而導(dǎo)致整體更換設(shè)備的慘痛教訓(xùn)。

因此，無論是工藝工程師或是采購工程師，在設(shè)備選型或采購時，不僅要關(guān)注工藝條件的復(fù)雜性，也要關(guān)注設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的特殊性，還要關(guān)注設(shè)備構(gòu)造與物料匹配的合適性;一定要詳細(xì)查閱相關(guān)資料，包括要求供應(yīng)商提供同類設(shè)備的完整技術(shù)資料，以努力提高所選設(shè)備(含內(nèi)部構(gòu)造)的正確性，避免由于設(shè)備構(gòu)造上的差異帶來經(jīng)濟(jì)損失。

5.3 設(shè)備選型要注重技術(shù)參數(shù)的正確性

設(shè)備技術(shù)參數(shù)的正確性和合理性，決定了設(shè)備的生產(chǎn)效率;不當(dāng)?shù)募夹g(shù)參數(shù)會降低設(shè)備的使用效果。實際選型和采購中，供應(yīng)商往往是通過工藝工程師提供的基礎(chǔ)條件，計算并推薦設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。但最終這些參數(shù)是否合理，工程師一定要認(rèn)真復(fù)核;在許可范圍內(nèi)，并非能力越大越好，也并非速度越快越好。本案例中鼠籠破碎機(jī)轉(zhuǎn)速過大，形成了無法正常排料的結(jié)果;在其它項目也曾出現(xiàn)為降低能力人為切削尾礦排泥泵葉輪直徑的情況。

每個工藝設(shè)備都需要有自己最合適的生產(chǎn)能力，無論哪臺流程設(shè)備的能力偏高或偏低，都會影響到后續(xù)設(shè)備的生產(chǎn)，合理生產(chǎn)能力需要正確的設(shè)備技術(shù)參數(shù)保證;不正確的技術(shù)參數(shù)，一定難以保證設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;只有所有設(shè)備都能穩(wěn)定運(yùn)行，才能保證整個生產(chǎn)流程的暢通。因此可以說，設(shè)備技術(shù)參數(shù)的正確性是選型、供貨時必須認(rèn)真考慮的因素。

6 結(jié)語

設(shè)備選型是工藝配置過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，也是保證工藝實現(xiàn)的最重要環(huán)節(jié)。正確選購設(shè)備，與物料性質(zhì)有關(guān)，也與設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)，還與設(shè)備所采用的技術(shù)參數(shù)有關(guān)，三者之間相互關(guān)聯(lián)、相互支持、缺一不可;三方面因素都需要兼顧考慮，否則，就有可能出現(xiàn)差池并帶來經(jīng)濟(jì)損失。

［1］ 楊志紅.鼠籠式破碎機(jī)工作原理與設(shè)計［J］.磚瓦世界，2009，(2):47－51.

［2］ 李振亮，郭湘君，李亞.鼠籠式破碎機(jī)破碎機(jī)理淺析［J］.鹽業(yè)與化工，2007，36(1):36－38.