高溫熟料輥式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)

李金柱王 飛孔 勇夏國(guó)棟

1.中材裝備集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 211100；2.中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100

高溫熟料輥式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)

李金柱1王 飛1孔 勇1夏國(guó)棟2

1.中材裝備集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 211100；2.中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100

熟料輥式破碎機(jī)與錘式破碎機(jī)相比有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，而高溫輥式破碎機(jī)在熟料冷卻與熱量回收方面又有進(jìn)一步的性能提高，但其所處的高溫環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)提出更高要求。在具體設(shè)計(jì)一臺(tái)高溫輥式破碎機(jī)時(shí)，不僅要結(jié)合工程確定高溫輥破的規(guī)格，還要重點(diǎn)考慮高溫輥破的冷卻方式，以及核心部件輥套等，也不能忽略自保護(hù)設(shè)計(jì)。

高溫 熟料 輥式破碎機(jī) 設(shè)計(jì) 參數(shù) 結(jié)構(gòu)

0 引言

熟料破碎機(jī)一般布置在篦冷機(jī)的尾部，依據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，分為錘式破碎機(jī)與輥式破碎機(jī)。國(guó)內(nèi)早期的篦冷機(jī)多配錘式破碎機(jī)，但錘破有運(yùn)行振動(dòng)大、電耗高、錘頭磨損嚴(yán)重、熟料粒度不均等問題，且對(duì)窯況波動(dòng)適應(yīng)性差，特別是窯內(nèi)出現(xiàn)大料球時(shí)容易卡死停機(jī)。輥式破碎機(jī)很好地克服了以上缺點(diǎn)，且有對(duì)窯況波動(dòng)適應(yīng)型強(qiáng)、抗故障能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、磨損超低和節(jié)能降耗的特點(diǎn)[1]。中國(guó)中材國(guó)際股份有限公司(南京)于2005年自主開發(fā)研制了NC型熟料輥式破碎機(jī)，并在2006年成就了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)成功投用的國(guó)產(chǎn)輥式破碎機(jī)業(yè)績(jī)。2009年滎陽(yáng)天瑞10 000 t/d生產(chǎn)線，選用了NC型輥式破碎機(jī)。到目前為止，NC型熟料輥式破碎機(jī)共80多臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，覆蓋2 500～12 000 t/d各種水泥生產(chǎn)線，其破碎效果好、運(yùn)轉(zhuǎn)率高、免維護(hù)和節(jié)能降耗等優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)認(rèn)可，業(yè)績(jī)居國(guó)內(nèi)首位。

隨著篦冷機(jī)與熟料輥式破碎機(jī)的發(fā)展，高溫輥破逐漸得到人們的認(rèn)可，即輥式破碎機(jī)放置在篦冷機(jī)中部，以便于將大塊的熟料提前破碎，從而盡早回收熱量，提高篦冷機(jī)熱效率，同時(shí)降低篦冷機(jī)最終出料溫度。該高溫輥破與原尾置輥破的最大區(qū)別，是需要在高溫環(huán)境下工作，從而需要其設(shè)備滿足相應(yīng)的高溫性能。

中材裝備集團(tuán)有限公司南京分公司第一臺(tái)高溫輥破已經(jīng)于2014年4月在河北1 000 t/d白水泥熟料生產(chǎn)線成功投運(yùn)。到目前為止已穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)1年。產(chǎn)量最高滿足1 500 t/d要求，輥破入料溫度為500～550 ℃，輥軸冷卻風(fēng)管出口溫度為70～90 ℃，出料粒度≤25 mm，電氣保護(hù)裝置運(yùn)作正常，經(jīng)檢查高溫輥套輥齒磨損小于1 mm。說明該高溫輥破設(shè)計(jì)取得成功，預(yù)計(jì)高溫輥套壽命大于3年。本文以該高溫輥式破碎機(jī)為例，介紹高溫輥破的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況。

1 高溫輥式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

高溫輥式破碎機(jī)主要由機(jī)體框架、輥軸部分、傳動(dòng)裝置、測(cè)速裝置、冷卻風(fēng)管系統(tǒng)等組成(見圖1)，另外還配有檢修專用工具。機(jī)體部分包括基礎(chǔ)座、殼體、密封裝置和耐磨襯板等；輥軸部分包括輥軸、輥套和軸承等。其中：輥軸部分的輥軸數(shù)量取決于其產(chǎn)量的大小，每個(gè)輥軸上都裝有若干個(gè)輥套，輥套表面采用了堆焊處理，使用中要注意定期的維護(hù)修理，及時(shí)補(bǔ)焊，可以實(shí)現(xiàn)不用更換輥套而保持長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)；傳動(dòng)裝置采用帶行星減速機(jī)的斜齒輪電機(jī)傳動(dòng)，且每個(gè)輥軸都由一個(gè)傳動(dòng)裝置來(lái)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；測(cè)速裝置帶有接近開關(guān)，可用來(lái)采集控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)功能；冷卻風(fēng)管系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)輥軸內(nèi)部及框架本體的冷卻，同時(shí)留有與風(fēng)機(jī)對(duì)接的法蘭接口；檢修專用工具可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)輥軸的方便抽出，使更換輥套變得極為簡(jiǎn)便。

1.2 輥套介紹

輥套是高溫輥破的特殊部件，特別是高溫輥破，由于惡劣的高溫工作環(huán)境，需要輥套既有高強(qiáng)度，耐磨損，同時(shí)還要有良好的耐高溫性能。針對(duì)此條件，中材裝備集團(tuán)特別開發(fā)了用于高溫輥破的輥套新型材料。該材料以硬鎳鑄鐵為基體，加入稀土元素，經(jīng)過高溫固融熱處理，不僅耐高溫，而且耐磨性極高，終態(tài)硬度≥50 HRC。特別是該材料具有獨(dú)特的紅硬性，隨著環(huán)境溫度的升高，其耐磨性不降反升[3]。

圖1 高溫輥式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)

高溫輥破的輥套由特殊材料采用真空V法鑄造成型，精度高，無(wú)需二次加工，直接可用于輥破安裝。

2 高溫輥式破碎機(jī)工作原理

高溫輥式破碎機(jī)一般放置在篦冷機(jī)中部，熟料經(jīng)過第一段篦床的初步冷卻，由高溫輥破將大塊熟料及窯皮等破碎成均勻的小顆粒，再由第二段篦床冷卻至正常溫度，見圖2。高溫輥破的核心結(jié)構(gòu)為若干對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的輥軸組成破碎單元，輥軸為雙層圓筒結(jié)構(gòu)，其外部為帶齒的輥套，通過擠壓、剪切等作用破碎物料，輥軸內(nèi)部為中空軸，引入冷卻風(fēng)或冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以保證高溫環(huán)境下的機(jī)械性能。

圖2 高溫輥式破碎機(jī)工作原理

河北1 000 t/d白水泥熟料生產(chǎn)線中，我們將高溫輥式破碎機(jī)設(shè)置于漂白機(jī)之后，冷卻機(jī)之前。熟料經(jīng)漂白之后，由高溫輥破對(duì)大塊及窯皮進(jìn)行破碎，然后再由冷卻機(jī)冷卻至常溫，同時(shí)回收部分熱風(fēng)用于輔助燃燒，流程見圖3。

圖3 白水泥線用高溫輥破流程圖

3 高溫輥式破碎機(jī)主要參數(shù)的確定

河北1 000 t/d白水泥熟料生產(chǎn)線，其高溫輥式破碎機(jī)工作條件如下：破碎物料為白水泥熟料；生產(chǎn)能力1 500 t/d；入料溫度約550 ℃；出料粒度≤25 mm；輥軸轉(zhuǎn)速約4 r/min。

3.1 規(guī)格的確定

輥式破碎機(jī)規(guī)格一般由輥軸數(shù)量與工作寬度表示，例如PGS4×4 200，表示4輥、工作寬度4 200 mm的輥式破碎機(jī)。其規(guī)格主要由產(chǎn)量決定，同時(shí)考慮與上下游設(shè)備的接口。

依據(jù)輥式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立如下物料運(yùn)動(dòng)模型：輥軸間的熟料為一條斷面面積為e×L的料帶，以等同輥軸表面圓周速度運(yùn)動(dòng)，排出機(jī)外。得出理論體積生產(chǎn)率為：

式中：Qv—體積流量，m3/h；

L—破碎機(jī)入口寬度，m；

e—輥軸間隙，m；

v—輥軸表面圓周速度，m/s；

m—輥軸數(shù)量。

可以看出，輥式破碎機(jī)的生產(chǎn)能力，與工作寬度、輥軸間隙、輥軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度、輥軸數(shù)量有關(guān)。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并考慮生產(chǎn)系數(shù)，得出實(shí)際產(chǎn)量計(jì)算公式為：

式中：Q—輥破產(chǎn)量，t/d；

k1—富裕系數(shù)，取值1.2～1.5；

k2—產(chǎn)量系數(shù)，k2＞1，可取值1.5；

D—輥軸外徑，m；

n—輥軸轉(zhuǎn)速，一般取4 r/min；

ρ—熟料容重，取1.3 t/m3；

依據(jù)上述產(chǎn)量公式，在輥軸尺寸確定的條件下，即可確定輥軸數(shù)量m，與破碎寬度L，從而確定輥破規(guī)格。富裕系數(shù)k1，大于1，用于適應(yīng)出現(xiàn)大料球、短時(shí)間無(wú)法完全破碎的情況；產(chǎn)量系數(shù)k2與燒成熟料粒度分布有關(guān)，大于1，是因?yàn)橛胁糠质炝狭剑?5 mm，無(wú)需破碎即可從輥破漏下。

對(duì)于該白水泥線用高溫輥式破碎機(jī)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量Q=1 500 t/d，輥軸間隙e取值25 mm，輥軸直徑參考尾置輥破選取。經(jīng)過計(jì)算，并結(jié)合上下游設(shè)備接口，確定輥破規(guī)格為PGM3×2 400（即3輥，工作寬度為2 400 mm）。

3.2 傳動(dòng)功率的確定

高溫輥破所需要的功率，主要包括兩個(gè)方面，一方面是破碎熟料所需要的功率；另一方面是輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)克服摩擦所需要的功率。其傳動(dòng)功率按下式計(jì)算：

式中：P—功率，kW；

K—系數(shù)，對(duì)熟料破碎，一般取值K=1.5。

對(duì)于該白水泥用高溫輥式破碎機(jī)，其輥軸外徑取值500 mm，并綜合考慮產(chǎn)量波動(dòng)情況，取單軸傳動(dòng)功率為7.5 kW，總功率為3×7.5 kW。

3.3 冷卻方式與參數(shù)的確定

為適應(yīng)惡劣的高溫工作環(huán)境，需要對(duì)高溫輥式破碎機(jī)的輥軸進(jìn)行冷卻。工業(yè)中常用的冷卻介質(zhì)包括水、空氣、氫氣等，傳熱系數(shù)水最大，氫氣次之，空氣最小。但氫氣需要特別的制備裝置，而且儲(chǔ)存具有易燃危險(xiǎn)性，此處不予考慮。這里主要比較風(fēng)冷與水冷兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。

表1 風(fēng)冷與水冷優(yōu)缺點(diǎn)比較

結(jié)合實(shí)際工況溫度，考慮輥破惡劣的工作環(huán)境，以及漏水結(jié)垢等可能帶來(lái)的危險(xiǎn)后果，決定輥軸采用內(nèi)部強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。

輥軸為中空軸結(jié)構(gòu)，外部輥套與高溫熟料直接接觸，中空輥軸內(nèi)部強(qiáng)制通風(fēng)，結(jié)合輥軸結(jié)構(gòu)建立冷卻模型，見圖4。忽略熱輻射的影響，認(rèn)為從輥軸外部傳導(dǎo)進(jìn)入輥式破碎機(jī)的熱量，等于冷卻空氣與輥軸進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱之后帶走的熱量。輥套外表面溫度為two，中空軸內(nèi)壁溫度為twi，冷卻空氣入口風(fēng)溫為tfi，出口風(fēng)溫為tfo，平均風(fēng)溫為tf。

圖4 輥軸冷卻結(jié)構(gòu)

（1）冷卻空氣換熱之后，溫度由tfi升為tfo，帶走的熱量為：

式中：m—冷卻空氣質(zhì)量；

cp—空氣比熱。

（2）冷卻空氣與輥軸內(nèi)壁強(qiáng)制對(duì)流換熱，交換熱量為：

h—對(duì)流換熱系數(shù)，

λf—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；

Nuf—努塞爾數(shù)，采用Gnielinski公式計(jì)算[2]。

（3）輥套與中空軸主要通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量，忽略輥齒形狀，簡(jiǎn)化為雙層圓筒傳熱，傳導(dǎo)熱量為：

其中：λ1、λ2分別為輥套和中空軸的導(dǎo)熱系數(shù)。

各過程換熱量相等，即Φ1=Φ2=Φ3，聯(lián)立上述方程（1）和（2），可得非線性方程組。已知輥軸外表面溫度、冷卻空氣入口溫度, 以及輥軸尺寸，用牛頓-拉斐森方法，借助計(jì)算機(jī)編程可求解該方程。

對(duì)該白水泥線用高溫輥式破碎機(jī)，經(jīng)計(jì)算，冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇11 000 m3/h；工作溫度為550 ℃時(shí)，使用供風(fēng)強(qiáng)制冷卻后，輥軸中空軸溫度可降至400 ℃以下，采用常用低合金鋼軸材料可滿足工作條件；對(duì)應(yīng)冷卻風(fēng)風(fēng)溫由25 ℃升高至82 ℃。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了提高中空軸內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的效果，可以在中空軸內(nèi)部加擾流件，通過破壞邊界層，來(lái)減小對(duì)流傳熱熱阻，提高熱交換效果。

4 自保護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 過載自保護(hù)設(shè)計(jì)

輥式破碎機(jī)生產(chǎn)時(shí)，要求具有故障自保護(hù)功能，即有鐵塊等特硬物體進(jìn)入輥破時(shí)，輥式破碎機(jī)要能夠及時(shí)識(shí)別，而不是強(qiáng)行破碎，以致破壞設(shè)備。其實(shí)現(xiàn)方式為輥軸在檢測(cè)到電機(jī)電流超過上限后的自動(dòng)反轉(zhuǎn)。其故障判斷及控制方式如下：正常工作時(shí)，3輥破碎機(jī)輥軸工作狀態(tài)如圖5。

圖5 正常工作狀態(tài)

其中2號(hào)輥與3號(hào)輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)輥套，1號(hào)輥沿著料流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，起輸送、篩分物料的作用。當(dāng)2 s內(nèi)破碎單元有一個(gè)輥軸的電機(jī)電流超過設(shè)定值，輥破將自動(dòng)切換到反轉(zhuǎn)模式。見圖6。具體換向操作如下：

（1）3號(hào)輥停轉(zhuǎn)（T1+T2+T1）時(shí)間；

（2）2號(hào)輥停轉(zhuǎn)T1時(shí)間，換向旋轉(zhuǎn)T2時(shí)間，再停轉(zhuǎn)T1時(shí)間；

（3）破碎單元中兩個(gè)輥軸重新啟動(dòng)至正常狀態(tài)。

為保護(hù)電機(jī)與減速機(jī)，當(dāng)換向操作在5 min內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)5次時(shí)，認(rèn)為有鐵塊等無(wú)法破碎的物體進(jìn)入輥破，則輥破停機(jī)報(bào)警。待查出故障原因并確認(rèn)故障清除后，方可重新啟動(dòng)。

圖6 2#輥與3#輥組成的破碎單元切換到換向工作狀態(tài)

4.2 高溫自保護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于高溫輥式破碎機(jī)，有嚴(yán)格的工作溫度要求。由于金屬?gòu)?qiáng)度在高溫條件下會(huì)有明顯下降，所以必須對(duì)輥破的工作溫度加以控制。具體控制方式為：在輥軸冷風(fēng)風(fēng)管出風(fēng)口處安裝熱電偶，當(dāng)出口風(fēng)溫大于120 ℃時(shí)，判定入輥式破碎機(jī)物料溫度已超過600 ℃，輥軸無(wú)法長(zhǎng)期在此工況下運(yùn)行，需要提高上游設(shè)備冷卻效果來(lái)降低入輥破物料溫度，如加大一段篦冷機(jī)冷卻風(fēng)量，對(duì)白水泥生產(chǎn)則要增加漂白機(jī)噴水量。如果冷卻風(fēng)管出口風(fēng)溫高，持續(xù)超過30 min，則系統(tǒng)需要止料，停機(jī)檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

高溫輥破由于其工藝性能的優(yōu)越性，在未來(lái)的水泥生產(chǎn)中有逐漸成為主流的趨勢(shì)，但其所處的高溫工況，也對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、材料的壽命等提出了更高的要求。后續(xù)的高溫輥式破碎機(jī)設(shè)計(jì)工作，將專注于進(jìn)一步提高輥套的耐高溫性能，以及改進(jìn)冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)，強(qiáng)化對(duì)流換熱的效果，以使高溫輥破的工作溫度進(jìn)一步提高；將其在篦冷機(jī)中的位置前提，從而提高篦冷機(jī)熱回收效率，并提高窯頭系統(tǒng)的余熱發(fā)電量，并降低篦冷機(jī)系統(tǒng)冷卻風(fēng)量，有力支持燒成系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

[1] 胡步高,宮絢,張巖. NC型熟料輥式破碎機(jī)及其應(yīng)用介紹[J].水泥工程,2009(6):45-46.

[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社,2006.

[3] 潘新慶,劉旭,劉智濤,等.高溫耐磨破碎輥圈的研究[J].水泥技術(shù),2011(5):38-41.

2015-05-18）

TQ 72.6

B

008-0473(20 5)04-0030-04

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.008