圓盤造球機(jī)旋轉(zhuǎn)刮刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

邱杰敏

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 概述

圓盤造球機(jī)是將細(xì)粒度粉狀物制成粒度符合下一工序要求的球粒狀物料的盤形造球設(shè)備[1]。2004年以來中國(guó)恩菲設(shè)計(jì)的新型圓盤造球機(jī)陸續(xù)在銅冶煉、鉛冶煉及鋼鐵行業(yè)等二十多個(gè)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用[2]。

旋轉(zhuǎn)刮刀作為圓盤造球機(jī)的重要部件，國(guó)內(nèi)開展了一定的設(shè)計(jì)和研究。理論分析證明引起圓盤造球機(jī)成球質(zhì)量差的原因之一是刮刀轉(zhuǎn)速和圓盤轉(zhuǎn)速匹配不合理，使刮刀在盤底的刮到軌跡不是最佳。本文著重在刮刀軌跡分析方面闡述圓盤造球機(jī)旋轉(zhuǎn)刮刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 刮刀的工作原理

刮刀裝置的刀具安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的刮刀架上，一般刮刀旋轉(zhuǎn)方向與造球盤旋轉(zhuǎn)方向相反。工作時(shí)，刮刀刮削掉圓盤底面和側(cè)面上粘結(jié)的多余物料，使盤底保持必要的料層(底料)厚度，這種盤底既平坦又具有一定粗糙度，增加了球粒與底料之間的摩擦，以提高球粒的成長(zhǎng)速度[3]。

2 新型旋轉(zhuǎn)刮刀的設(shè)計(jì)

大型圓盤造球機(jī)的設(shè)計(jì)、研制已有二十多年的歷史。國(guó)內(nèi)綜合借鑒了德國(guó)、日本圓盤造球機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，集中了德國(guó)和日本圓盤造球機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并避免了早前德國(guó)魯奇公司圓盤造球機(jī)系列產(chǎn)品采用固定刮刀清料的缺點(diǎn)。目前圓盤造球機(jī)產(chǎn)品不斷改進(jìn)、完善，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。旋轉(zhuǎn)刮刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

2.1 放棄了老式刮刀的固定方式，采用旋轉(zhuǎn)刮刀

圓盤造球機(jī)在造球過程中，圓盤的底部和內(nèi)側(cè)面常會(huì)產(chǎn)生粘料現(xiàn)象，需要及時(shí)清理。老式圓盤造球機(jī)常采用固定刮刀清料，這種只有圓盤旋轉(zhuǎn)的方式刮刀軌跡固定單一，也易將盤內(nèi)物料壓成死料層，影響造球效果，造球盤功率消耗也增大。

采用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)刮刀清理圓盤底面和側(cè)面粘料的刮刀布置圖，如圖1所示。

1.刮刀支架 2.圓盤 3.側(cè)刮刀 4.底刮刀圖1 刮刀布置圖

由于刮刀本身的旋轉(zhuǎn)，單位時(shí)間內(nèi)刮刀在每個(gè)部位出現(xiàn)的次數(shù)比老式的多,有利于球粒產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。

對(duì)于圓盤直徑為5、6 m的造球機(jī)可以采用兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)刮刀清理圓盤底面，一臺(tái)旋轉(zhuǎn)刮刀清理側(cè)邊，整個(gè)圓盤底面和側(cè)邊的物料都可以得到及時(shí)清理，在底料結(jié)得不太厚時(shí)就被刮除，刮下的料塊不大于母球的合理粒度，料塊繼續(xù)造球容易獲得理想的生球尺寸。

2.2 刮刀的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，生產(chǎn)中2、3個(gè)月，普通碳鋼材質(zhì)的刮刀就要更換，因?yàn)槟p嚴(yán)重，刮刀刮削能力會(huì)下降，底盤的物料在滾動(dòng)成球的同時(shí)，變得致密，物料表面溫度也相應(yīng)提高，加速了物料的粘結(jié)，料層變厚，設(shè)備負(fù)荷、電耗相應(yīng)增加。底盤物料層變的光滑，母球在光滑表面無法滾動(dòng)成球，滾動(dòng)、滑動(dòng)都存在，軌跡不清晰，不標(biāo)準(zhǔn)。

普通碳鋼材質(zhì)的刮刀，不僅刀頭磨損，刀桿及其緊固聯(lián)結(jié)件也都沖刷磨損，粘料更加嚴(yán)重，加重設(shè)備負(fù)荷，降低成球率。

旋轉(zhuǎn)刮刀的刀桿端頭采用合金陶瓷的材料，使得耐磨損壽命大大高于碳鋼，更換周期是原來的3倍多。刀架和刀桿采用活性連接，刀頭的固定、調(diào)整、更換都十分可靠、方便。

2.3 刮刀軌跡的優(yōu)化

刮刀一般布置在母球區(qū)和過渡區(qū)[4]。成球區(qū)不能布置，否則會(huì)將已制成的球破壞掉。刮刀的配置應(yīng)最大限度地利用圓盤工作面積，不應(yīng)破壞母球的運(yùn)動(dòng)特性。刮刀數(shù)量應(yīng)盡量少些，刮刀所劃圓環(huán)應(yīng)不互相重疊，以減少刮刀對(duì)造球機(jī)運(yùn)動(dòng)的阻力，減少盤面磨損和減輕傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷。

以Φ5.5 m和Φ6 m造球機(jī)為例，每臺(tái)造球機(jī)配置2個(gè)底刮刀架，1個(gè)側(cè)刮刀架。每個(gè)底刮刀架沿圓周方向配置5把刀桿，應(yīng)有1把底部刮刀架的刮刀桿通過圓盤中心，避免圓盤中心積存底料，2個(gè)底刮刀架共同作用，完成圓盤底部物料的清理，側(cè)刮刀盡量靠近圓盤側(cè)面，完成清理靠近盤邊和盤壁的粘附物料。

通過刮刀位置、轉(zhuǎn)數(shù)、刀頭數(shù)量這些參數(shù)合理、優(yōu)化的配置與設(shè)計(jì)，刮刀的軌跡可以覆蓋盤面的絕大部分區(qū)域。

下面以Φ6 m圓盤造球機(jī)，靠近盤側(cè)的底刮刀為例(每臺(tái)造球機(jī)有2臺(tái)旋轉(zhuǎn)底刮刀，每臺(tái)底刮刀配有5把刀桿)，說明其在工作中的軌跡。

2.3.1 刮刀軌跡的計(jì)算

(1)

(2)

(3)

式中w1—圓盤角速度，rad/s；

w2—刮刀角速度，rad/s；

r—刮刀半徑，mm；

l—刮刀中心至圓盤中心距離，mm；

t—圓盤旋轉(zhuǎn)一周用時(shí)，s。

當(dāng)w1=0.666 rad/s，w2=0.801 rad/s，r=680 mm，l=2 284 mm，t=9.434 s。

將一把刮刀桿一周軌跡按22.5°均分為16份，從0°到360°一共是17個(gè)點(diǎn)。這樣就得到一把刮刀桿在圓盤行走一周的軌跡坐標(biāo)。

各點(diǎn)坐標(biāo)如下：

x1=2 964.43，y1=0；

x2=2 551.68，y2=874.97；

x3=1 507.71，y3=1 616.32；

x4=293.43，y4=2 111.05；

x5=-645.94，y5=2 284.11；

目前，已有大量學(xué)者對(duì)勵(lì)磁涌流開展研究，取得了豐富的成果。文獻(xiàn)[1]提出一種基于磁滯回線的消磁方法，但其有效性尚缺乏實(shí)際的量化佐證。文獻(xiàn)[2]提出基于Preisach模型的剩磁計(jì)算方法，但其實(shí)現(xiàn)需依托于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜運(yùn)算。文獻(xiàn)[3]給出一種基于電壓積分法的剩磁評(píng)估方法，而該方法高度依賴于電壓互感器的量測(cè)精度。文獻(xiàn)[4]提出一種基于延時(shí)合閘策略的選相合閘技術(shù)，但由于開關(guān)動(dòng)作離散性和預(yù)擊穿的影響，其有效性會(huì)受到極大影響。文獻(xiàn)[5]提出一種計(jì)及剩磁的勵(lì)磁涌流仿真方法，但其施加剩磁的方法和作用效果缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

x6=-1 131.52，y6=2 109.61；

x7=-1 303.26，y7=1 614.44；

x8=-1 448.31，y8=873.98；

x9=-1 737.27，y9=0.59；

x10=-2 062.83，y10=-873.21；

x11=-2 100.60，y11=-1 614.63；

x12=-1 551.54，y12=-2 110.62；

x13=-393.56，y13=-2 285.24；

x14=1 040.90，y14=-2 111.50；

x15=2 225.17，y15=-1 615.77；

x16=2 735.10，y16=-873.82；

x17=2 484.95，y17=0.96；

最后將這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到一條軌跡曲線。

同理，將一把刮刀桿第二周軌跡按22.5°均分為16份，從360°到720°一共是17個(gè)點(diǎn)。這樣就得到一把刮刀桿在圓盤行走第二周的軌跡坐標(biāo)。再將這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到一條軌跡曲線，該曲線與前一條曲線首尾連接。

1把刮刀架上若分布5把刮刀桿，相鄰2把刮刀桿的軌跡曲線就在圓周方向上相差72°。

這樣，可以得到刮刀架上所有刮刀桿行走若干周的軌跡曲線，軌跡密度和物料清理情況，若不合理可以修改參數(shù)，直到滿意為止。

由軌跡坐標(biāo)公式可以看出，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，刮刀相對(duì)于圓盤的速度沿軌跡由圓盤中心向盤邊逐漸增大，刮刀到達(dá)盤邊時(shí)的速度最大。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，情況相反。刮刀接近盤邊速度大，利于刮平物料，因此取圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。

刮刀與圓盤物料接觸的斷面為直徑為30～40 mm的一個(gè)圓，因此刮刀在盤底劃出的軌跡并非是一條線，而是以刮刀頭部直徑為寬度的一條帶形的面。當(dāng)相鄰兩條帶之間距離比較小時(shí)，說明盤底物料幾乎全部刮到。當(dāng)軌跡帶面全部重疊，代表軌跡開始一個(gè)重復(fù)的周期。

2.3.2 刮刀軌跡的重復(fù)周期和清理周期

刮刀在圓盤內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從A點(diǎn)開始，又回到A點(diǎn)，造球機(jī)所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，稱為軌跡的重復(fù)周期，重復(fù)周期是旋轉(zhuǎn)刮刀刮到性能好壞的重要參數(shù)，完成一次重復(fù)周期，要求圓盤和刮刀盤都必須轉(zhuǎn)過整數(shù)的轉(zhuǎn)數(shù)，重復(fù)周期的大小由圓盤轉(zhuǎn)速和刮刀轉(zhuǎn)速的比值C決定。

重復(fù)周期的最大值：

A最大=2πr(sinα)/b

(4)

式中r—圓盤中心至刮刀盤旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm；

α—刮刀頭處于刮刀旋轉(zhuǎn)中心軌跡圓周上時(shí)，刀頭相對(duì)于圓盤底部的運(yùn)動(dòng)線速度與該點(diǎn)圓盤底部旋轉(zhuǎn)線速度的夾角，(°)；

b—刮刀頭部寬度，mm，可取為30～40 mm。

并不是重復(fù)周期越大越好，因?yàn)橹貜?fù)周期大時(shí)，在整條軌跡曲線上，絕大部分處于重疊狀態(tài)，實(shí)踐證明，相鄰兩根曲線之間的最大距離在60 mm左右為好，因此：

A實(shí)用=2πr(sinα)/(b+60)

(5)

一組軌跡重疊于相鄰的、形狀相同的上一組軌跡時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)速叫做清理周期。此時(shí)，圓盤完成一條軌跡帶的全面清理，清理周期是刮刀清理能力大小的參數(shù)。如果盤底物料清理周期過大(物料長(zhǎng)時(shí)間得不到清理)，盤底掛料變多，物料成球受到阻力大，清理周期過小，刮刀功率會(huì)增加，性價(jià)比不高。所以，綜合考慮要選擇合適的清理周期[5]。

清理周期與重復(fù)周期之間的關(guān)系是：

B=A×(n1/n2)

(6)

式中A—重復(fù)周期；

n1—圓盤轉(zhuǎn)速，r/min；

n2—刮刀轉(zhuǎn)速，r/min。

由公式分析可得，當(dāng)n1/n2=1，刮刀桿是5時(shí)，第一個(gè)刮刀桿頭部的軌跡曲線組移動(dòng)1/5周，與后一個(gè)刮刀桿頭部的軌跡曲線組重疊。所以在n1/n2=1時(shí)，具有a個(gè)刮刀桿的刮刀架，刮刀移動(dòng)1/a圓周，前后之間刮刀軌跡曲線開始重疊，所以，幾個(gè)刮刀桿與一個(gè)刮刀桿的清理周期之間的關(guān)系是：

Ba=A×(n1/n2)/a

(7)

式中a—1把刮刀架配有的刮刀桿數(shù)量。

將A實(shí)用=2πr(sinα)/(b+60)(8)代入(7)，可得：

B實(shí)用=2πrn1(sinα)/[a(b+60)n2]

(9)

2.3.3 刮刀軌跡的分析

經(jīng)過做圖法分析，刮刀軌跡分布情況、物料刮完的時(shí)間等與刮刀轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速、刮刀數(shù)量、圓盤傾角、下料位置等許多參數(shù)有關(guān)，但其中最關(guān)鍵的參數(shù)是刮刀轉(zhuǎn)速與圓盤轉(zhuǎn)速，兩者應(yīng)該匹配。如果刮刀轉(zhuǎn)速相對(duì)圓盤轉(zhuǎn)速過大，軌跡密度越大，物料成球后很快被刮刀破壞，成球質(zhì)量差，造球機(jī)產(chǎn)量降低。如果刮刀轉(zhuǎn)速相對(duì)圓盤轉(zhuǎn)速過小物料就不能很好的被刮到，甚至出現(xiàn)刮不到的區(qū)域。

下文以靠近盤側(cè)的底刮刀架為例，分別表示1把刮刀桿在圓盤上行走1周，1把刮刀桿在圓盤上行走5周，5把刮刀桿在圓盤上行走10周的軌跡，如圖2所示。

圖2 刮刀軌跡圖

實(shí)踐中，可采用皮帶輪傳動(dòng)放在圓盤主電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)之間，皮帶輪可以做成幾個(gè)規(guī)格，可以調(diào)整圓盤的轉(zhuǎn)速w1。刮刀可以采用變頻調(diào)速，做到時(shí)刻調(diào)整轉(zhuǎn)速w2。這樣就能達(dá)到調(diào)整刮刀角速度與圓盤角速度的比值C值的目的。

3 結(jié)論

(1)旋轉(zhuǎn)刮刀的工作性能，取決于刮刀軌跡曲線的重復(fù)周期和清理周期。

(2)C值小于并接近于1時(shí)，刮刀的軌跡分布比較密集，刮刀的刮到性能相對(duì)較好。

(3)通過理論計(jì)算和實(shí)踐應(yīng)用可以得出，對(duì)于直徑為Φ5.5 m和Φ6 m的圓盤造球機(jī)，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速在6～8 r/min時(shí)，C值接近于1時(shí)，圓盤底部刮刀刀頭數(shù)量為5時(shí)，成球時(shí)間大約8～10 min，成球粒度在5 mm和30 mm之間，成球質(zhì)量較好，滿足工藝生產(chǎn)要求。

4 應(yīng)用與展望

對(duì)刮刀結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、參數(shù)等多方面優(yōu)化設(shè)計(jì)后，經(jīng)過多個(gè)冶煉廠的實(shí)踐證明，旋轉(zhuǎn)刮刀耐磨損、運(yùn)行平穩(wěn)和易于維護(hù)，造球效果好，主要技術(shù)數(shù)據(jù)(如表1所示)滿足了工藝要求，在全國(guó)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

表1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

隨著我國(guó)鋼鐵、有色工業(yè)的發(fā)展和鎳鐵技術(shù)的快速發(fā)展，球團(tuán)設(shè)備應(yīng)用在銅、鉛、鋅、鎳等各種冶煉廠中。刮刀參數(shù)的合理配置和優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到球團(tuán)質(zhì)量、圓盤生產(chǎn)率、圓盤壽命和整個(gè)的設(shè)備功率消耗，因此對(duì)它的研究有一定的深遠(yuǎn)意義。