常亮

1 前言

輥壓機(jī)作為粉磨的主機(jī)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的對(duì)輥破碎機(jī)相似，具有能耗低、噪聲低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前輥壓機(jī)已被廣泛應(yīng)用于粉磨水泥熟料、石灰石、鉆石礦和鐵礦石等。輥壓機(jī)的能耗與輥壓機(jī)的壓力、輥速及輥隙等工藝參數(shù)有著緊密的聯(lián)系，本文旨在對(duì)水泥工業(yè)用輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)壓力和使用壓力進(jìn)行分析，合理選擇液壓系統(tǒng)操作壓力，以利于經(jīng)濟(jì)合理地使用輥壓機(jī)。

2 輥壓機(jī)工作原理和工作過程分析

輥壓機(jī)根據(jù)料床粉碎原理設(shè)計(jì)，圖1為輥壓機(jī)工作過程簡(jiǎn)圖，兩個(gè)輥?zhàn)幼雎俚南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)輥?zhàn)铀椒较蚬潭?，另一個(gè)輥?zhàn)幼魉椒较虻幕瑒?dòng)。物料由輥壓機(jī)上部連續(xù)喂入并通過兩輥之間的間隙，給浮動(dòng)輥一定的力，物料受壓而粉碎。物料不是在破碎機(jī)工作面上或其他粉磨介質(zhì)間作單個(gè)顆粒的破碎或粉磨，而是作為一層或一個(gè)料床得到粉碎。料床在高壓下形成，壓力導(dǎo)致顆粒壓迫其他臨近顆粒，直至其主要部分破壞、斷裂、產(chǎn)生裂縫或劈開。

整個(gè)粉碎過程可分為三個(gè)區(qū)域：滑移區(qū)、壓力區(qū)和反彈區(qū)。壓力區(qū)分為兩個(gè)階段：料層粉碎階段和結(jié)團(tuán)階段。

（1）滑移區(qū)

如圖1所示的A1A2B2B1區(qū)域，此階段壓力一般是0～30MPa。由于受到外力的作用，各種粒徑的物料顆粒隨著壓力的增大不斷改變自身的狀態(tài)和位置，物料體積被大幅壓縮，物料層的接觸區(qū)增加，密實(shí)度提高，這一階段物料與輥?zhàn)娱g的壓力相對(duì)較小，可以忽略。

（2）壓力區(qū)

圖1 輥壓機(jī)工作過程簡(jiǎn)圖

a料層粉碎階段：如圖1所示的B1B2E2E1區(qū)域，物料層密實(shí)，物料顆粒變小，密度上升，物料顆粒之間相互作用，物料與輥面之間開始出現(xiàn)線接觸。此階段的壓力大致在30～50MPa，而且載荷上升速度加快，這一階段為料層“破碎階段”。

b結(jié)團(tuán)階段：如圖1所示的E1E2C2C1區(qū)域，隨著壓應(yīng)力的繼續(xù)增加，物料變形量很小，最后趨于零，壓力開始傳遞到料床的內(nèi)部，顆粒粉碎并產(chǎn)生微裂紋，料層在高壓應(yīng)力下被緊密壓實(shí)形成料餅。該階段真正實(shí)現(xiàn)了“料間粉碎”，此階段的壓力大致在50～200MPa。物料的最大密度和壓力發(fā)生在兩個(gè)輥?zhàn)拥闹行倪B線處，這一階段稱之為“結(jié)團(tuán)階段”。

（3）反彈區(qū)

如圖1所示的C1C2D2D1區(qū)域，作用力迅速變小，物料開始恢復(fù)膨脹。這個(gè)區(qū)域的大小取決于在擠壓過程中存儲(chǔ)的彈性應(yīng)力的大小。反彈區(qū)結(jié)束標(biāo)志著整個(gè)粉碎過程的結(jié)束，物料以接近輥面圓周線速度、呈密實(shí)且充滿裂縫的扁平料片形狀排出輥壓機(jī)外。

粉碎的效果主要取決于粒間的壓力，而不取決于兩輥之間的間隙。作用在物料上的壓力取決于作用力F和受力面A，其中平均壓力分布是一條曲線，在中間達(dá)到最大值。粉碎效應(yīng)是壓力的函數(shù)，在一定范圍內(nèi)效率最高，超過此壓力后效率變化不大，如圖2所示。

從圖2可知，平均壓力在80～120MPa時(shí)，細(xì)顆粒表面積增速最快，粉磨效率最高，壓力超過150MPa后，顆粒表面積不再增加。真正起作用的是最大壓力區(qū)，也就是“結(jié)團(tuán)階段”，一般最大壓力角為1.5°～2°，而平均壓力角為8°～9°，最大壓力區(qū)壓力將是平均壓力的2倍左右。

圖2 粉碎效果和壓力關(guān)系

3 輥壓機(jī)壓力設(shè)定分析

以TRP180-140輥壓機(jī)為例，該型號(hào)輥壓機(jī)的輥徑為1.8m，輥寬為1.4m，配有4個(gè)相同型號(hào)柱塞式液壓缸的液壓系統(tǒng)，為輥壓機(jī)提供擠壓力。該液壓系統(tǒng)配有最大工作壓力為16MPa的安全保護(hù)溢流閥，流量輸出可達(dá)14L/min，使用46號(hào)抗磨液壓油，同時(shí)配有4個(gè)31.5MPa的蓄能器，為輥壓機(jī)提供穩(wěn)定壓力。輥壓機(jī)在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)液壓系統(tǒng)工作壓力設(shè)置為一定的初始?jí)毫χ?，以保證物料能夠形成一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的料床。正常工作時(shí)，可以按照操作說明在0.0～16.0MPa之間設(shè)定液壓系統(tǒng)工作壓力（16MPa為液壓系統(tǒng)工作壓力的極限設(shè)定值，而不是正常工作壓力值）。

對(duì)于料床粉磨設(shè)備，單純以設(shè)備擠壓力的大小來考量并不全面，在輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，應(yīng)引入平均壓力和投影壓力值作為輥壓機(jī)系統(tǒng)的工藝參數(shù)，這里平均壓力是指擠壓力直接作用到物料區(qū)域的壓力，其壓力角在一定范圍內(nèi)隨輥面和物料屬性而發(fā)生變化；而投影壓力為擠壓力作用到整體工作輥面區(qū)域的壓力，是一個(gè)穩(wěn)定的定義值。選擇合理的工藝參數(shù)才能保證輥壓機(jī)的可靠機(jī)械使用性能。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，生料粉磨系統(tǒng)輥壓機(jī)投影壓力一般為4 000～4 500kN/m2，水泥粉磨系統(tǒng)輥壓機(jī)的投影壓力一般為5 000～5 500kN/m2，即可滿足正常水泥企業(yè)對(duì)物料的一般處理要求，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠工作。

圖3為輥壓機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力設(shè)定值對(duì)應(yīng)的實(shí)際對(duì)物料施加的擠壓力、投影壓力和平均壓力曲線。從圖3可以看出，當(dāng)投影壓力為4 000kN/m2時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力的設(shè)定值為10MPa，此時(shí)輥壓機(jī)對(duì)物料提供近9 900kN的擠壓力，平均壓力可達(dá)56MPa；當(dāng)投影壓力為4 500kN/m2時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定值為11.5MPa，輥壓機(jī)對(duì)物料提供近11 400kN的擠壓力，平均壓力可達(dá)65MPa；當(dāng)投影壓力為5 000kN/m2時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定值為13MPa，輥壓機(jī)對(duì)物料提供近13 000kN的擠壓力，平均壓力可達(dá)74MPa；而當(dāng)投影壓力為5 500kN/m2時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定值為14MPa，輥壓機(jī)對(duì)物料提供近14 000kN的擠壓力，平均壓力可達(dá)79MPa。

在實(shí)際生產(chǎn)中，并非輥壓機(jī)的液壓系統(tǒng)壓力值設(shè)定越大輥壓機(jī)的能效就越高，壓力過高往往會(huì)導(dǎo)致輥面磨損過快、物料過粉磨、輥壓機(jī)電耗指標(biāo)不經(jīng)濟(jì)等。從圖2可以看出，當(dāng)平均壓力在80～120MPa之間時(shí)，細(xì)顆粒增速最快。石灰石等原料的壓潰強(qiáng)度也在60～120MPa之間，當(dāng)壓力設(shè)定值14MPa時(shí)，輥壓機(jī)擠壓的平均壓力為79MPa，足以提供一個(gè)可靠的粉磨壓力，可見14MPa的壓力設(shè)定值可以作為設(shè)備運(yùn)行的操作壓力最大值，其擠壓力足以滿足粉磨系統(tǒng)的要求。而且，目前無論是生料終粉磨系統(tǒng)，還是水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，輥壓機(jī)的循環(huán)負(fù)荷都在2～4左右，對(duì)于不能一次性完成粉碎的物料，可以進(jìn)入輥壓機(jī)循環(huán)粉磨，直到達(dá)到預(yù)期的粉磨效果，當(dāng)輥壓機(jī)壓力設(shè)定值在10～14MPa時(shí)，就可以滿足粉磨要求。

圖3 液壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值與輥壓機(jī)擠壓力、投影壓力和平均壓力的關(guān)系

不同物料的摩擦系數(shù)、易磨性、磨蝕性、抗壓強(qiáng)度、易碎性等不同，在選用粉磨壓力時(shí)，應(yīng)根據(jù)物料擠壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及操作經(jīng)驗(yàn)合理選擇粉磨壓力，找到最佳運(yùn)行參數(shù)，獲得最佳的擠壓效果。國(guó)外多家知名粉磨設(shè)備供應(yīng)商都曾做過相關(guān)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)擠壓力超過一定值時(shí)，被粉碎過的物料在高壓作用下有重新結(jié)塊的趨勢(shì)，因此液壓系統(tǒng)的壓力并非越高越好，而是由物料的物理特性決定。結(jié)合主電機(jī)額定電流的限制，輥壓機(jī)應(yīng)在滿足擠壓物料工藝性能的前提下，盡可能降低液壓系統(tǒng)操作壓力。操作壓力選擇的合適與否，可以從取出的料餅中找出外形完整的物料顆粒，用手能否碾碎來判斷，若絕大多數(shù)顆?？梢阅胨椋瑒t可以認(rèn)為壓力選取的基本合適。

4 結(jié)語

輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)在水泥工業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，如何經(jīng)濟(jì)合理地使用輥壓機(jī)值得水泥工作者進(jìn)一步研究和探討。液壓系統(tǒng)的操作壓力僅是輥壓機(jī)使用和維護(hù)過程中值得注意的一個(gè)方面，還有許多方面值得水泥企業(yè)關(guān)注。單就輥壓機(jī)的操作壓力而言，不能一味地追求過高的操作壓力，應(yīng)在生產(chǎn)成本、產(chǎn)能、設(shè)備使用壽命之間尋求一個(gè)合理的平衡點(diǎn)，更好地發(fā)揮輥壓機(jī)節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的特點(diǎn)，發(fā)揮系統(tǒng)的最佳效率。