劉建斌，吳 剛

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

搗固煉焦技術(shù)是近年來煉焦行業(yè)新興的煉焦技術(shù)之一，搗固煉焦是將裝爐煤在入爐前采用搗固機(jī)械搗實(shí)成略小于炭化室的煤餅，然后推入炭化室內(nèi)煉焦。煤餅搗實(shí)后的堆密度可由原來散裝煤的700kg／m3～750kg／m3提高到950kg／m3～1 150kg／m3。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用搗固煉焦同常規(guī)頂裝煉焦相比，裝爐煤配比相同時(shí)焦炭強(qiáng)度提升明顯；焦炭強(qiáng)度相同時(shí)，采用搗固煉焦可在裝爐煤中減少主焦煤、肥煤的配入量，增加氣煤的配入量。所以，采用搗固煉焦技術(shù)既能合理利用煤炭資源，又能明顯降低煉焦配煤成本，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文通過對(duì)搗固機(jī)的研究，總結(jié)影響搗固機(jī)搗固煤餅的各種因素，以提高搗固機(jī)使用效率。

1 影響搗固機(jī)使用效率的因素

搗固機(jī)使用效率包括搗固機(jī)的工作可靠性和工作效率（單位時(shí)間所做的搗固功）。在搗固焦?fàn)t配套設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，每一個(gè)循環(huán)周期中搗固煤餅所消耗的時(shí)間接近設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)總耗時(shí)的40%。如果搗固機(jī)再經(jīng)常發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響焦?fàn)t產(chǎn)能。所以，搗固煉焦技術(shù)對(duì)搗固機(jī)的要求是高可靠性和高效率，要盡可能地優(yōu)化并固定煤餅的搗固時(shí)間，同時(shí)提高煤餅密度。

2 提高搗固機(jī)工作可靠性的方法

前幾年國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的搗固機(jī)由于材料、設(shè)計(jì)、加工、配件等多方面原因，其工作可靠性和工作效率不太理想，導(dǎo)致一些鋼廠在建設(shè)新焦?fàn)t時(shí)為了提高焦?fàn)t可靠性，要么高價(jià)采購進(jìn)口搗固機(jī)，要么忍受高原料成本而采用頂裝煉焦技術(shù)。

目前正在生產(chǎn)和使用的主流搗固機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)從工作原理上來講大致相同，只是凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)布置方式和一些具體結(jié)構(gòu)略有區(qū)別。具體到彈性凸輪機(jī)構(gòu)和搗固錘錘桿結(jié)構(gòu)來說，主要是依靠橡膠彈性體來實(shí)現(xiàn)凸輪本身的彈性要求，而凸輪其他部分都是剛性結(jié)構(gòu)。彈性凸輪機(jī)構(gòu)和搗固錘錘桿結(jié)構(gòu)如圖1 所示，搗固錘錘桿一般以工字鋼或H型鋼作為本體，兩側(cè)粘接復(fù)合摩擦片。

搗固機(jī)工作過程中出現(xiàn)的主要問題是：搗固錘復(fù)合摩擦片的磨損不均勻、使用壽命短和彈性凸輪內(nèi)部的橡膠彈性體使用壽命短。分析其原因是材料不過關(guān)，目前國內(nèi)各搗固機(jī)生產(chǎn)企業(yè)均已對(duì)此做了大量的研究改進(jìn)工作。針對(duì)搗固錘復(fù)合摩擦片磨損不均勻、使用壽命短的問題，一些企業(yè)在搗固機(jī)上安裝了單錘夾緊力可調(diào)機(jī)構(gòu)，使搗固機(jī)可以適應(yīng)復(fù)合摩擦片的磨損不均勻，以延長(zhǎng)其使用壽命。針對(duì)彈性凸輪內(nèi)部橡膠彈性體使用壽命短的問題，一些企業(yè)設(shè)法改變橡膠彈性體的受力方式，使橡膠彈性體在本身性能不變的情況下的使用壽命得到提高。通過這些改進(jìn)，使國產(chǎn)搗固機(jī)整體的工作可靠性有了較大提高，目前已經(jīng)接近進(jìn)口搗固機(jī)的工作可靠性。當(dāng)然，如果再配合材料性能的提升，效果會(huì)更加明顯。

3 提高搗固機(jī)工作效率的方法

如圖1 所示，搗固機(jī)的彈性凸輪和搗固錘的具體工作過程如下：彈性凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，兩個(gè)彈性凸輪分別按箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩側(cè)彈性凸輪的大半徑區(qū)域與搗固錘桿接觸時(shí)，彈性凸輪產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)錘桿的夾緊力，依靠彈性凸輪與搗固錘桿間的摩擦力將搗固錘提起一定高度。當(dāng)兩側(cè)彈性凸輪的小半徑區(qū)域旋轉(zhuǎn)至搗固錘桿處時(shí)，彈性凸輪與搗固錘桿不接觸，搗固錘桿經(jīng)過慣性上升一定距離后開始自由下落直至落到煤料的表面，對(duì)煤料進(jìn)行一次搗固。由此循環(huán)動(dòng)作，彈性凸輪不斷提升搗固錘桿，一次次對(duì)煤料進(jìn)行搗固。

在忽略系統(tǒng)阻力的情況下，搗固錘的每一次搗固均可以認(rèn)為是自由落體運(yùn)動(dòng)，搗固錘的重力勢(shì)能可以當(dāng)作搗固錘對(duì)煤餅所做的搗固功，所以我們可以得出搗固錘每一次的搗固功為：

其中：m為單個(gè)搗固錘質(zhì)量；g為重力加速度，9.8m／s2；h為搗固錘的提升高度。

圖1 彈性凸輪機(jī)構(gòu)和搗固錘錘桿結(jié)構(gòu)

由于搗固錘每分鐘內(nèi)的搗固次數(shù)（搗固頻率）與彈性凸輪的每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)（轉(zhuǎn)速）n1相同，故單個(gè)搗固錘每分鐘所做的搗固功又可以表示為：

根據(jù)式（2）可以得出搗固錘每分鐘所做的搗固功與彈性凸輪的轉(zhuǎn)速、搗固錘的質(zhì)量、搗固錘的提升高度以及重力加速度均成正比，故提高每個(gè)參數(shù)都可以提高搗固錘每分鐘所做的搗固功。但實(shí)際上，g為重力加速度，是個(gè)常數(shù)，不可能改變。n1和h之間是有限制關(guān)系的，提高一個(gè)勢(shì)必會(huì)減少另一個(gè)，這也是國內(nèi)的搗固機(jī)的單錘搗固頻率都在69次左右，而沒有再向上提升的原因，這個(gè)關(guān)系我們下面會(huì)單獨(dú)討論。因此，只有搗固錘質(zhì)量是可以單獨(dú)增加的，可是在增加搗固錘質(zhì)量后，搗固機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)功率也會(huì)增加，而且更嚴(yán)重的是會(huì)增加彈性凸輪內(nèi)橡膠彈性體和錘桿復(fù)合材料的受力負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響它們的使用壽命，直接導(dǎo)致?lián)v固機(jī)工作可靠性降低。所以在目前情況下，一味地增加搗固錘質(zhì)量的辦法也是不可行的。

關(guān)于搗固錘的搗固頻率n1與提升高度h的關(guān)系，在實(shí)際使用過程中我們發(fā)現(xiàn)：在搗固機(jī)彈性凸輪大半徑區(qū)域的圓周半徑和弧長(zhǎng)固定時(shí)，搗固頻率不斷增大會(huì)出現(xiàn)搗固錘還沒有接觸煤餅時(shí)就先被彈性凸輪再次夾起，從而無法對(duì)煤餅進(jìn)行搗固。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般是根據(jù)橡膠彈性體和錘桿復(fù)合摩擦板的性能來設(shè)定搗固錘質(zhì)量和彈性凸輪大半徑區(qū)域的圓弧半徑，再根據(jù)工藝循環(huán)時(shí)間等要求設(shè)定搗固錘的提升高度，從而確定彈性凸輪大半徑區(qū)域的圓弧角度，最后計(jì)算出搗固錘有效搗固煤餅的最大搗固頻率。從圖1 中我們可看出，增大搗固機(jī)彈性凸輪大半徑區(qū)域的圓弧半徑和圓弧角度都可以提高搗固錘的提升高度h。增大圓周半徑不影響搗固頻率，但是會(huì)增加凸輪內(nèi)部橡膠彈性體的受力，此處與增加搗固錘質(zhì)量的效果和影響類似，一般不建議采用。增大圓弧角度則直接影響搗固頻率。由于材料的限制，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的搗固機(jī)彈性凸輪大半徑區(qū)域的圓弧半徑和圓弧角度幾乎都是相同的，因此國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)搗固機(jī)的提錘高度都在400mm左右，而單錘搗固頻率都在每分鐘69次左右。

由以上分析我們可以看出，單個(gè)搗固錘單位時(shí)間所做搗固功的提升空間并不大。而對(duì)整塊煤餅來說，單位時(shí)間的搗固功應(yīng)該是搗固機(jī)中所有搗固錘單位時(shí)間所做搗固功之和，設(shè)n2為搗固機(jī)中搗固錘的數(shù)量，則搗固機(jī)的搗固功為：

根據(jù)式（3）可以得出搗固機(jī)對(duì)整塊煤餅單位時(shí)間所做搗固功與搗固機(jī)中搗固錘的數(shù)量n2是成正比的。

以前我們認(rèn)為在需要布置夾緊力單錘可調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下，搗固錘的中心距（約為600mm）已經(jīng)不能再減小了。所以在國內(nèi)目前生產(chǎn)和使用的搗固機(jī)中，5.5m搗固焦?fàn)t所使用的搗固機(jī)一般為24錘固定式搗固機(jī)和21錘微移動(dòng)式搗固機(jī)，4.3m搗固焦?fàn)t所使用的搗固機(jī)一般為21錘固定式搗固機(jī)和18錘微移動(dòng)式搗固機(jī)。而太原重工股份有限公司的設(shè)計(jì)人員經(jīng)過精心的計(jì)算和布置，終于在布置夾緊力單錘可調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下，成功地將搗固錘中心距壓縮到500mm以下，實(shí)現(xiàn)了在5.5m搗固焦?fàn)t配套搗固機(jī)中使用30錘固定式的布置方式，而且已在多個(gè)工地成功使用。通過分析計(jì)算，在4.3m搗固焦?fàn)t所使用的搗固機(jī)中采用24錘固定式搗固機(jī)也是完全可行的，且這一方法在更大型的6m搗固焦?fàn)t和6.25m搗固焦?fàn)t中也同樣適用。

我們以5.5m搗固焦?fàn)t所用的24錘固定式搗固機(jī)和增大搗固錘布置密度的30錘固定式搗固機(jī)為例，設(shè)其他參數(shù)均相同，24錘固定式搗固機(jī)的每分鐘做功為：

而30錘固定式搗固機(jī)的每分鐘做功為：

比較式（4）和式（5），可以看出P30比P24增加了25%，效果非常明顯。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上分析，我們可以得出結(jié)論，要提升搗固機(jī)的使用效率，一是要提升搗固機(jī)的工作可靠性，減少維修時(shí)間，目前最有效的辦法是提升搗固機(jī)彈性凸輪橡膠彈性體和錘桿復(fù)合材料的材料性能；二是要提升搗固機(jī)的工作效率，縮短搗固煤餅所消耗的時(shí)間，而這一條最有效的辦法是增加搗固機(jī)中的搗固錘數(shù)量。

［1］蘇宜春.煉焦工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［2］于振東，鄭文華.現(xiàn)代焦化生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.