李 超，周 潔，夏 霜

1洛陽(yáng)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(yáng) 471039

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

3大冶特殊鋼股份有限公司 湖北黃石 435001

自 磨機(jī)利用被磨物料自身作為介質(zhì)，通過(guò)相互沖擊和磨削作用實(shí)現(xiàn)破碎和粉磨兩種功能。在處理合適的礦石時(shí)，使用自磨機(jī)非常經(jīng)濟(jì)，因?yàn)闊o(wú)金屬介質(zhì)消耗，可降低運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)襯板使用壽命高達(dá) 6～12 個(gè)月，大大提高了設(shè)備作業(yè)率。

1 物料板結(jié)問(wèn)題

如果自磨機(jī)運(yùn)行時(shí)因故障長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，容易導(dǎo)致磨機(jī)內(nèi)部物料板結(jié)。因?yàn)樽阅C(jī)筒體內(nèi)部細(xì)粒級(jí)物料較多，當(dāng)與適量的水調(diào)和時(shí)，可形成一種可塑性的膠體，隨著時(shí)間的推移，膠體逐漸失去可塑性，變成不能流動(dòng)的緊密狀態(tài)。此后膠體的強(qiáng)度逐漸增加，摻有不同粒級(jí)且密實(shí)的物料被它們膠合到一起，變成堅(jiān)硬的整體，這類(lèi)似于混凝土的凝固和硬化的過(guò)程[1]。

如果沒(méi)有專(zhuān)用工具，處理板結(jié)的物料將耗時(shí)約1～2 d；如果板結(jié)物料沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，磨機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中從頂部落下，將產(chǎn)生巨大的沖擊力，會(huì)造成法蘭面出現(xiàn)裂紋 (見(jiàn)圖 1)，筒體變形和法蘭裂開(kāi)[2]，不僅造成重大設(shè)備事故，還會(huì)因?yàn)楦甙旱木S修費(fèi)用和設(shè)備長(zhǎng)時(shí)

間停機(jī)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，判斷物料是否板結(jié)和如何處理板結(jié)物料意義重大。筆者介紹了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同工況下物料動(dòng)態(tài)安息角來(lái)判斷板結(jié)的理論，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了處理板結(jié)物料的方法。

圖1 板結(jié)物料掉落導(dǎo)致法蘭面裂紋Fig.1 Crack of f lange surface due to falling of hardened charge

2 物料動(dòng)態(tài)安息角

當(dāng)大量的物料顆粒在旋轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定的摩擦力下被帶到一定高度，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)安息角[3]后，在重力作用下沿料層表面滾落，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

為了進(jìn)一步了解現(xiàn)場(chǎng)自磨機(jī)內(nèi)物料在不同工況下啟機(jī)時(shí)的動(dòng)態(tài)安息角，匯總了近期 6 組磨機(jī)啟機(jī)時(shí)的數(shù)據(jù)，如表 1 所列。

表1 不同工況下物料的動(dòng)態(tài)安息角Tab.1 Dynamic dispose angle of charge in various operation modes

正常檢修情況下停機(jī)前磨機(jī)磨空時(shí)，動(dòng)態(tài)安息角較小；當(dāng)事故停機(jī)時(shí)，充填率高，物料內(nèi)部細(xì)顆粒多，礦漿濃度較高，動(dòng)態(tài)安息角相對(duì)較高。物料板結(jié)均發(fā)生在故障停機(jī)的情況下，發(fā)生板結(jié)的時(shí)間主要與停機(jī)時(shí)物料細(xì)粒級(jí)的情況有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)記錄了最短發(fā)生板結(jié)的時(shí)間約為 0.5 h，嚴(yán)重板結(jié)的發(fā)生時(shí)間是故障停機(jī)后 6 h。磨機(jī)內(nèi)部的物料情況如圖 2 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)后表層大顆粒礦石滑落，漏出了底部大面積的板結(jié)細(xì)料。

3 板結(jié)判斷的理論依據(jù)

圖2 自磨機(jī)內(nèi)部板結(jié)物料Fig.2 Hardened charge inside autogenous grinding mill

當(dāng)自磨機(jī)啟動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有發(fā)生板結(jié)，物料被提升一定高度，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)動(dòng)力學(xué)平衡方程如式(1) 所示，在此過(guò)程中物料狀態(tài)示意如圖 3 所示。

式中：Md為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Mf為中空軸處的摩擦阻力矩，為負(fù)荷阻力矩，N·m；Jε為啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩，N·m。

圖3 啟動(dòng)階段物料狀態(tài)Fig.3 Charge status during start-up stage

在自磨機(jī)啟動(dòng)階段，Mf為定值，當(dāng)自磨機(jī)由水平轉(zhuǎn)至約 37°時(shí)，磨機(jī)由靜止加速至后開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)磨機(jī)的角加速度為 0，則Jε為 0。之后當(dāng)物料到達(dá)動(dòng)態(tài)安息角時(shí)，的數(shù)值不隨轉(zhuǎn)角增大而增大，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩將下降或小范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)。如果發(fā)生物料板結(jié)，數(shù)值隨轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增加。

4 板結(jié)判斷的實(shí)際應(yīng)用

磨機(jī)正常啟動(dòng)過(guò)程是從靜止到一定角度后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值并開(kāi)始逐漸下降。然而當(dāng)物料板結(jié)時(shí)，磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)正常范圍的動(dòng)態(tài)安息角后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩依然隨角度的增加而持續(xù)變大，如圖 4 所示。

現(xiàn)場(chǎng)自磨機(jī)使用環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)配有板結(jié)物料監(jiān)控程序模塊，其控制邏輯示意如圖 5 所示。當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩M與啟動(dòng)過(guò)程中不斷變化的最大轉(zhuǎn)矩Mmax進(jìn)行比較：如果M＜Mmax，說(shuō)明物料已滑落，磨機(jī)將繼續(xù)正常啟動(dòng)；如果M＞Mmax，系統(tǒng)認(rèn)為存在板結(jié)，電動(dòng)機(jī)將調(diào)停。同時(shí)，設(shè)定的角度應(yīng)大于正常范圍的動(dòng)態(tài)安息角，即使在物料很少的情況下，這種保護(hù)程序控制邏輯也能有效判斷是否存在板結(jié)。

圖4 正常情況和物料板結(jié)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性對(duì)比Fig.4 Comparison of normal operation mode and charge hardening mode in start-up characteristics of motor

圖5 板結(jié)物料監(jiān)控程序控制邏輯Fig.5 Control logic of program of monitoring charge hardening

圖6 顯示了系統(tǒng)檢測(cè)出板結(jié)后調(diào)停的過(guò)程。在磨機(jī)從水平位置轉(zhuǎn)至 85°之前，轉(zhuǎn)矩值一直增加；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的 85°時(shí)，該轉(zhuǎn)矩值等于或大于先前記錄的最大轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)認(rèn)為物料發(fā)生板結(jié)，電動(dòng)機(jī)調(diào)停。

該系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)物料板結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而避免因板結(jié)物料掉落沖擊對(duì)磨機(jī)造成損壞，但無(wú)法消除板結(jié)的物料。

5 板結(jié)物料處理方法

當(dāng)自磨機(jī)內(nèi)部物料出現(xiàn)板結(jié)后，現(xiàn)場(chǎng)一般有 3 種方法來(lái)處理不同程度的板結(jié)。

5.1 多次正常啟動(dòng)

5.2 板結(jié)物料松動(dòng)功能

當(dāng)物料從平衡位置被提到 85°位置后磨機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，在降至 35°時(shí)，電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)反向的強(qiáng)力轉(zhuǎn)矩，使磨機(jī)立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)，物料在慣性力作用下在筒體內(nèi)部滑落。如果第一次物料沒(méi)有滑落，磨機(jī)將物料轉(zhuǎn)到反方向后重復(fù)以上過(guò)程，最后磨機(jī)將自動(dòng)停在平衡位置。處理板結(jié)物料的整個(gè)過(guò)程約需 2 min。同時(shí)需注意，當(dāng)板結(jié)物料過(guò)多時(shí)，可導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載而無(wú)法正常啟動(dòng)板結(jié)物料松動(dòng)功能。

圖6 實(shí)際板結(jié)物料調(diào)停發(fā)生過(guò)程Fig.6 Actual halting process at charge hardening

圖7 啟用板結(jié)物料松動(dòng)功能Fig.7 Process of enabling hardened charge loosening function

圖7 顯示了 2 次正常啟動(dòng)后均由于觸發(fā)物料板結(jié)報(bào)警而調(diào)停，隨后使用了板結(jié)物料松動(dòng)功能，并一次完成板結(jié)物料的松動(dòng)，然后順利正常啟動(dòng)。

5.3 高壓水炮沖洗方式

當(dāng)以上方式均無(wú)效后，需要用高壓水炮將板結(jié)物料沖散。高壓水炮需要特殊設(shè)計(jì)，使噴頭盡量靠近進(jìn)料口 (見(jiàn)圖 8)，并可以在自磨機(jī)筒體圓周方向和軸向移動(dòng)，噴頭沖洗可覆蓋內(nèi)部大部分區(qū)域。

圖8 沖洗板結(jié)物料高壓水炮系統(tǒng)Fig.8 High-pressure water cannon system for f lushing hardened charge

將磨機(jī)慢驅(qū)一側(cè)約 80°位置，高壓水炮對(duì)準(zhǔn)暴露的板結(jié)物料進(jìn)行沖洗，如圖 9 所示。根據(jù)情況將磨機(jī)慢驅(qū)另一側(cè)約 80°位置，重復(fù)以上操作。在此過(guò)程中越來(lái)越多的板結(jié)物料被沖散，反復(fù)慢驅(qū)也使一部分物料松動(dòng)。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，此種方式耗時(shí)約 5 h 即可消除板結(jié)，磨機(jī)具備正常啟動(dòng)條件。

圖9 工作中的高壓水炮系統(tǒng)Fig.9 High-pressure water cannon system in operation

6 結(jié)論

根據(jù)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)自磨機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，不同工況下動(dòng)態(tài)安息角通常在 35°～65°范圍內(nèi)。通過(guò)理論分析和實(shí)踐證明，利用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和自磨機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系來(lái)判斷磨機(jī)內(nèi)部是否出現(xiàn)板結(jié)的方法非常有效。

對(duì)于輕微板結(jié)一般 2 次以內(nèi)正常啟動(dòng)均能消除；較為嚴(yán)重的板結(jié)可使用電動(dòng)機(jī)的板結(jié)松動(dòng)功能；當(dāng)松動(dòng)功能失效后，使用高壓水炮沖散板結(jié)物料也是一種比較高效的方式。