新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的研究

閆玲娣，崔恒波，王文煜，王雅娟，楊 武，曾偉兵

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3南京凱盛國(guó)際工程有限公司 江蘇南京 210036

烘干型風(fēng)掃磨機(jī)是粉磨煤粉、石油焦等物料的機(jī)械裝置，通常增設(shè)烘干倉，對(duì)含有一定水分的物料進(jìn)行烘干，再以鋼球?yàn)榉勰ソ橘|(zhì)對(duì)烘干后的物料進(jìn)行篩分、研磨，從而制成工業(yè)所需粒度的成品。烘干型風(fēng)掃磨機(jī)是目前我國(guó)建材、電解鋁以及煤化工等行業(yè)制粉系統(tǒng)較為先進(jìn)的粉磨制備設(shè)備，近年來隨著水泥工藝生產(chǎn)線規(guī)模的擴(kuò)大，其規(guī)格也逐漸增大。因此，為滿足市場(chǎng)對(duì)烘干型風(fēng)掃磨機(jī)大型化、自動(dòng)化和高效化的需求，對(duì)烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的粉磨特性進(jìn)行分析，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，研制了新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)，對(duì)提高粉磨效率、提升產(chǎn)品品質(zhì)起到了一定的作用。

1 烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的工作原理

烘干型風(fēng)掃磨機(jī)主要由進(jìn)料裝置、滑履軸承、回轉(zhuǎn)部、主軸承、出料裝置、齒輪傳動(dòng)部和傳動(dòng)裝置等組成。如圖 1 所示。物料（同時(shí)伴隨著 280 ℃ 左右的熱風(fēng)）由喂料設(shè)備送入到磨機(jī)的進(jìn)料裝置中，通過溜槽快速導(dǎo)入磨機(jī)筒體內(nèi)部，落在回轉(zhuǎn)部的烘干倉內(nèi)，烘干倉內(nèi)設(shè)有特制的揚(yáng)料板，含有水分的原煤在此處進(jìn)行強(qiáng)烈熱交換而被烘干，烘干后的煤塊通過隔倉進(jìn)入粉磨倉，隨著磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與鋼球磨介一起在具有提升能力的襯板作用下被拋落或?yàn)a落，在不斷的沖擊下被粉碎，較細(xì)煤粒經(jīng)由雙層隔倉板進(jìn)入細(xì)磨倉研磨成煤粉，再由專用的引風(fēng)機(jī)經(jīng)出料裝置帶出磨機(jī)。

圖1 烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的工作原理Fig.1 Working principle of drying-wind sweep mill

根據(jù)烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從磨機(jī)進(jìn)料開始直至出料、傳動(dòng)及密封，對(duì)每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，分析烘干及研磨機(jī)理，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研制出新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)，并不斷優(yōu)化級(jí)配參數(shù)，以達(dá)到提高磨機(jī)產(chǎn)量、降低軸瓦溫度和煤粉水分、提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率的目的。

2 新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分別對(duì)烘干型風(fēng)掃磨機(jī)進(jìn)料口、烘干揚(yáng)料裝置、隔倉裝置、筒體襯板、出料端襯板、小齒輪與軸連接方式、滑履軸承密封結(jié)構(gòu)等 7 個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高磨機(jī)烘干及粉磨效率。

2.1 進(jìn)料口快速過料裝置

風(fēng)掃磨機(jī)進(jìn)料溜槽帶有一定斜度，物料連同 250℃左右的熱風(fēng)通過進(jìn)料溜槽急速拋落在筒體烘干倉內(nèi)，其拋落位置距離磨機(jī)烘干起始點(diǎn)有一定距離。將原磨機(jī)入磨口改為快速導(dǎo)料裝置（見圖 2），可控制物料拋落點(diǎn)。在磨機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，通過螺旋葉片將物料快速導(dǎo)入烘干倉起始位置，可有效延長(zhǎng)烘干長(zhǎng)度，促進(jìn)物料充分熱交換，達(dá)到提高烘干效率、降低煤粉水分、提高成品品質(zhì)的目的。

圖2 快速導(dǎo)料裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of quick material guiding device

2.2 烘干倉新型揚(yáng)料裝置

常規(guī)的烘干倉揚(yáng)料板為焊接式，數(shù)量多，沿圓周分布緊湊，導(dǎo)致?lián)P料板豎板高度受限，影響揚(yáng)料效果；豎板平行于風(fēng)掃磨機(jī)回轉(zhuǎn)軸線，揚(yáng)料板隨風(fēng)掃磨機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)不能沿軸線導(dǎo)料，增加了設(shè)備死角，易形成積料結(jié)塊[1]。針對(duì)上述問題，采用整體式揚(yáng)料板（見圖 3），并設(shè)置對(duì)稱角度的孔位，分散排布在筒體襯套上，可適用于不同旋向的風(fēng)掃磨機(jī)。改造前后揚(yáng)料板的參數(shù)對(duì)比如表 1 所列。由表 1 可以看出，新型揚(yáng)料板沿圓周分布數(shù)量減少一半，豎板高度增加，并與風(fēng)掃磨機(jī)回轉(zhuǎn)軸線有一定角度，呈螺旋排布。隨著風(fēng)掃磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料在揚(yáng)料板作用下沿軸線流動(dòng)，能形成更好的料幕，從而改善物料積料結(jié)塊現(xiàn)象，提高了烘干效率。

圖3 新型揚(yáng)料裝置Fig.3 New-type material lifting device

表1 改造前后揚(yáng)料板參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of parameters of lifting plate before and after transformation

2.3 新型烘干隔倉裝置

常規(guī)的烘干隔倉裝置為焊接結(jié)構(gòu)，變形較大，不具有調(diào)整旋向功能，揚(yáng)料板的位置和數(shù)量固定不變，不能根據(jù)實(shí)際情況（物料量的變化）靈活調(diào)整，易形成積料，積料結(jié)塊后難以清理，直接影響了烘干效率。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種新型可調(diào)節(jié)互換性烘干隔倉裝置，如圖 4 所示。整體采用組合式螺栓聯(lián)接，便于拆卸和更換，防止因焊接變形造成裝配困難。揚(yáng)料板與支撐板、錐形卸料體的把合孔沿圓周均布，通過翻轉(zhuǎn)揚(yáng)料板 180°改變曲面方向，從而達(dá)到改變烘干隔倉裝置旋向的目的，降低了生產(chǎn)成本。錐形卸料體伸出多個(gè)定位支撐，可根據(jù)磨機(jī)喂入量的變化改變揚(yáng)料板的數(shù)量和安裝位置，有利于物料的揚(yáng)起和流動(dòng)，改善了積料情況。

圖4 新型烘干隔倉裝置裝配示意Fig.4 Assembly diagram of new-type drying compartment

2.4 新型粉磨倉結(jié)構(gòu)

常規(guī)粉磨倉分為 2 倉，中間用雙層隔倉板分隔開，粗磨倉使用中波紋襯板，細(xì)磨倉使用小波紋襯板+擋料圈。新型粉磨倉結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，采用單倉結(jié)構(gòu)，既可以增大磨內(nèi)的有效粉磨空間，減小磨內(nèi)的通風(fēng)阻力，解決蓖縫堵塞問題，又能節(jié)約雙隔倉的維護(hù)費(fèi)用。一倉采用波紋階梯襯板，主要起提升破碎作用；原雙隔倉和二倉位置采用大斜度分級(jí)襯板與小波紋襯板，大斜度分級(jí)襯板可使研磨體沿著筒體軸向從進(jìn)料端到出料端依次遞減，使研磨體球徑與被粉磨物料的粒徑相適應(yīng)，其工作面上的波紋可以增強(qiáng)研磨體的提升能力，防止竄球，控制物料流速。

圖5 新型粉磨倉結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of new-type grinding bin

2.5 新型端襯板結(jié)構(gòu)

磨機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，雖然端襯板整個(gè)表面都要磨損，但磨損程度不同，其中一段環(huán)形區(qū)域磨損最嚴(yán)重，該區(qū)域?qū)挾确Q為最大磨損區(qū)寬度[1]。針對(duì)端襯板磨損速度不同，采用相同厚度的端襯板易造成材料浪費(fèi)，增加了檢修和更換成本，因此該磨機(jī)端襯板設(shè)計(jì)采用最新的磨損理論[1]。

式中：Rmax為最大磨損半徑，mm；Kr為磨損系數(shù)（見圖 6）；Ri為筒體的有效半徑，mm；β為端襯板的半錐角，mm；Bmax為最大磨損區(qū)寬度，mm；K為最大磨損區(qū)寬度系數(shù)，與磨機(jī)填充率?、比轉(zhuǎn)速φ等因素有關(guān)，一般取 0.25～0.40；Bn為最大磨損區(qū)的內(nèi)側(cè)寬度，mm；Bw為最大磨損區(qū)的外側(cè)寬度，mm[2]。

圖6 磨損系數(shù) Kr 與比轉(zhuǎn)速 φ 和填充率 ? 的關(guān)系曲線Fig.6 Curve of relationship between wear coefficient Kr with specific speed φ and filling ratio ?

為了提高端襯板的使用壽命，降低廢鋼率，將端襯板磨損最嚴(yán)重處加厚，并合理分圈，如圖 7 所示。中間圈端襯板磨損量最大，其厚度最厚，可實(shí)現(xiàn)不同圈端襯板同一時(shí)間段報(bào)廢，同一時(shí)間整體更換，提高了端襯板更換拆卸的通用性，在一定程度上提高了端襯板的整體壽命。

圖7 端襯板結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural sketch of end liner

2.6 小齒輪軸轂復(fù)合連接結(jié)構(gòu)

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，小于 1 250 kW 的小型磨機(jī)，軸轂連接采用脹套連接方式即可滿足設(shè)備需求；而大于等于 1 250 kW 的大中型磨機(jī)，僅采用脹套連接容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，存在安全隱患[3]。因此針對(duì)大中型磨機(jī)，其傳動(dòng)部分小齒輪與軸之間采用新型復(fù)合連接結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示。將平鍵裝配在小齒輪輪轂與軸之間，并擰緊裝配在小齒輪與軸之間彈性環(huán)的拉緊螺栓，通過摩擦壓力實(shí)現(xiàn)小齒輪輪轂與軸的可靠連接。此結(jié)構(gòu)可提高軸轂連接同心度精度，減小齒輪傳動(dòng)擺動(dòng)誤差，防止磨損加劇，消除軸轂之間打滑的安全隱患，節(jié)省維修更換成本。

圖8 新型復(fù)合連接結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of new-type composite connection

2.7 新型可調(diào)整的密封結(jié)構(gòu)

原唇型密封圈采用氟橡膠，其徑向調(diào)整范圍較小，僅靠端面螺栓頂住防止其下落（見圖 9），但由于該材料密封圈硬度大、密度大，端面螺栓無法托住密封圈，使密封圈與筒體滑環(huán)之間摩擦增大，造成瓦溫升高而引起設(shè)備跳停。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，密封圈材質(zhì)采用硬度和密度均較低的耐油橡膠，密封圈截面呈Y 型，徑向與軸向頂絲均可調(diào)整，并在圓周方向增加8 個(gè)油杯，通過向油杯注入潤(rùn)滑脂解決摩擦生熱的問題，在密封處增加甩油環(huán)，及時(shí)阻止多余的潤(rùn)滑油向外溢出，解決了滑履軸承潤(rùn)滑油泄漏難題，延長(zhǎng)了滑履軸承的使用壽命，杜絕了油品污染。

圖9 新型可調(diào)整的密封結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Structural sketch of new-type adjustable sealing

2.8 磨機(jī)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)粉磨特性，對(duì)筒體、隔倉裝置、大齒圈等關(guān)鍵件進(jìn)行有限元分析，以提高其工況適應(yīng)性。對(duì)已運(yùn)行的烘干型風(fēng)掃磨機(jī)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，分析優(yōu)化磨機(jī)總體結(jié)構(gòu)，具體對(duì)烘干倉揚(yáng)料裝置、烘干隔倉裝置、筒體襯板、端襯板等零部件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使磨機(jī)回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量減輕了 8%～10%，在一定程度上降低了風(fēng)掃磨機(jī)的能耗。

3 應(yīng)用實(shí)例

某公司水泥生產(chǎn)線配備?4.2 m×9 m+3.5 m 風(fēng)掃磨機(jī)，主要用于制備煤粉，主電動(dòng)機(jī)功率為 2 200 kW，轉(zhuǎn)速為 15.8 r/min，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 50 t/h，入磨物料細(xì)度為 -25 mm 占 95%，入磨物料綜合含水率為 9%～14%。

該風(fēng)掃磨采用鋼球作為研磨介質(zhì)，填充率為24%，裝載量為 124 t，產(chǎn)量為 60～62 t/h，成品細(xì)度為 80 μm 篩余≤3%。實(shí)際運(yùn)行時(shí)主軸承溫度為 46～52 ℃，滑履軸承溫度為 52～58 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。目前該磨機(jī)運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

（1）該新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)進(jìn)料口采用螺旋進(jìn)料方式，揚(yáng)料裝置與磨機(jī)回轉(zhuǎn)軸線成一定角度，并呈螺旋排布，可延長(zhǎng)烘干長(zhǎng)度，改善物料流動(dòng)及積料結(jié)塊現(xiàn)象，提高了烘干效率；

（2）采用單倉粉磨結(jié)構(gòu)，可增大磨內(nèi)有效粉磨空間，減小磨內(nèi)通風(fēng)阻力，提高粉磨效率，減少維修量，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率；

（3）采用硬度低、密度小、可調(diào)整的密封結(jié)構(gòu)，可解決托瓦溫度高的問題，避免油品泄漏；

（4）合理設(shè)計(jì)端襯板結(jié)構(gòu)及小齒輪軸轂連接方式，可減少維修工作量，提高設(shè)備可靠性。

該新型烘干型風(fēng)掃磨機(jī)，不僅能有效提高烘干及粉磨效率，降低滑履軸承溫度，節(jié)約成本，而且為干法球磨機(jī)的設(shè)計(jì)提供了新的思路，積累了設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)烘干型磨機(jī)在建材、電解鋁、煤化工等領(lǐng)域的推廣具有借鑒意義。