古 晉，趙 波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

0 引言

某公司高爐于2009 年投產(chǎn)，高爐制粉系統(tǒng)中速磨運(yùn)行已經(jīng)有10 年之久，存在主要問(wèn)題是中速磨系統(tǒng)制粉出粉能力不足，制約高爐噴煤水平進(jìn)一步提高。

為了保證高爐的煤粉供應(yīng)充足，在最初設(shè)備選型時(shí)，要求單臺(tái)中速磨的設(shè)計(jì)出粉能力≥75 t/h，兩臺(tái)中速磨制粉能力≥150 t/h，理論上足夠滿足高爐需求。但就目前實(shí)際運(yùn)行情況看，單座高爐的制粉系統(tǒng)的正常制粉能力在160 t/h 左右，合格干燥煤粉的出粉量為（110～130）t/h，與高爐當(dāng)前噴煤量要求相比，略有富裕量。但若考慮到設(shè)備故障檢修和高爐噴煤量水平的進(jìn)一步提高空間，中速磨的制粉能力將成為制約高爐噴煤水平的進(jìn)一步提高最主要的因素。

1 MPS 型中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

MPS 磨煤機(jī)的3 個(gè)磨輥呈120°均勻分布，3 個(gè)輥?zhàn)又g的相對(duì)位置是固定，且被轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤帶動(dòng)，繞各自軸心旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)在磨盤上，磨碎所需要的壓力通過(guò)液壓缸作用在加載架上，加載力的大小可以根據(jù)需要設(shè)定加載壓力。原煤通過(guò)中速磨煤機(jī)上部的落煤管進(jìn)入磨煤機(jī)中，隨著原煤的不斷供給，不斷有煤涌入中速磨磨盤中心，磨盤在減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，離心力使中心堆積的煤均勻的進(jìn)入磨盤軌道中。

原煤的碾磨和干燥同時(shí)進(jìn)行。在磨輥的作用下，被粉碎到一定細(xì)度的原煤借助磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力向外滑動(dòng)，熱氣從隨磨盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)噴嘴環(huán)以（70～90）m/s 速度均勻進(jìn)入磨盤周圍，將經(jīng)過(guò)碾磨的原煤烘干并輸送至磨機(jī)上部的分離器。當(dāng)物料上升到分離器區(qū)域時(shí)粗細(xì)物料被分開，合格粒度煤粉被氣流繼續(xù)帶出磨機(jī)，不合格的粗料重新返回磨盤進(jìn)行碾磨。難以破碎的異物如石子煤、鐵塊等，熱氣流不能吹走，它們通過(guò)噴嘴環(huán)落入磨機(jī)下部的熱空氣室中，經(jīng)刮板機(jī)構(gòu)將其刮入排渣箱中，定期排到磨煤機(jī)外部。

2 中速磨煤機(jī)出粉能力提高的改造方案

在煤質(zhì)一定的條件下，磨煤機(jī)的最終實(shí)際出粉能力，主要是由碾磨出粉能力、熱風(fēng)干燥出粉能力、分離器選粉能力等3 個(gè)因素中能力最低的一個(gè)因素決定的。而通常情況下，往往碾磨出粉能力是3 個(gè)因素中能力最低的一個(gè)，也就是說(shuō)，碾磨出粉能力是最終實(shí)際出粉能力的制約因素。某公司磨煤機(jī)的情況也是如此。因此，磨煤機(jī)的出粉能力改造，主要針對(duì)碾磨出粉能力進(jìn)行。要想從碾磨出粉能力上進(jìn)行改造升級(jí)，通過(guò)研究得出3 方面結(jié)論。

（1）提高磨盤轉(zhuǎn)速。MPS-HP-Ⅱ型磨煤機(jī)是在德國(guó)Babcock公司MPS 型磨煤機(jī)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和優(yōu)化發(fā)展出來(lái)的。其中一項(xiàng)重要改進(jìn)就是通過(guò)提高磨盤轉(zhuǎn)速來(lái)提高磨煤機(jī)的碾磨出粉能力，再對(duì)磨煤機(jī)的輥套、襯板、機(jī)殼、分離器等其他部件進(jìn)行一系列優(yōu)化改進(jìn)，最后成為定型產(chǎn)品。

MPS-HP-Ⅱ型磨煤機(jī)在老的MPS 型磨煤機(jī)基礎(chǔ)上，將磨盤轉(zhuǎn)速提高約24%，鑒于此，某公司磨煤機(jī)碾磨出粉能力提高，考慮進(jìn)一步提高磨盤轉(zhuǎn)速來(lái)提高碾磨出粉能力不具備理論可操作性。

（2）增加磨輥數(shù)量。根據(jù)MPS-HP-Ⅱ型磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，MPS 磨煤機(jī)的3 個(gè)磨輥呈120°均勻分布，3 個(gè)輥?zhàn)又g的相對(duì)位置是固定，且被轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤帶動(dòng)，繞各自軸心旋轉(zhuǎn)在磨盤上滾動(dòng)。要想從增加磨輥的角度去提高碾磨出粉能力，一是設(shè)計(jì)理念上將完全背離Babcock 公司理念，暫無(wú)可參照的經(jīng)驗(yàn)；二是原有中速磨結(jié)構(gòu)型式將要徹底改變，成本巨大，不可行。

（3）對(duì)磨輥及磨盤尺寸結(jié)構(gòu)上做一定調(diào)整。對(duì)磨輥及磨盤尺寸結(jié)構(gòu)上做一定調(diào)整，改動(dòng)較小，僅需要考慮中架體內(nèi)部的空間尺寸范圍。通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，這一調(diào)整改造，在行業(yè)上已經(jīng)有很多改造案例，有理論依據(jù)，實(shí)施起來(lái)具備可操作性。因此，最終確定對(duì)磨輥及磨盤尺寸結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，來(lái)提高碾磨出粉能力。

在煤質(zhì)一定的條件下，磨煤機(jī)的碾磨出粉能力主要是由處于碾磨區(qū)域的煤層面積、煤層所受的壓力、壓力的作用角度以及旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)的形態(tài)和風(fēng)速等因素決定的。因此，改造主要圍繞上述因素展開，同時(shí)，保證不改變磨煤機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，只在中架體范圍內(nèi)進(jìn)行改造。具體技術(shù)方案如下。

2.1 固定碾磨角度

磨煤機(jī)在運(yùn)行時(shí)，碾壓角度的變化對(duì)磨煤機(jī)出粉能力有很大的影響。我國(guó)在引進(jìn)國(guó)外的磨煤機(jī)技術(shù)時(shí)，碾磨角度對(duì)出粉能力的影響沒(méi)有引起設(shè)計(jì)者足夠的重視，因此，磨煤機(jī)內(nèi)輥架與壓架（三角架）之間的連接是采用可靠性相對(duì)更好、但角度控制能力相對(duì)比較差的輥軸連接方式。在磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，壓架在加載油缸的帶動(dòng)下，產(chǎn)生向下的壓力，與輥軸連接，磨煤機(jī)設(shè)計(jì)的15°碾壓角會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)常出現(xiàn)角度增大的現(xiàn)象。角度增大會(huì)使有效碾磨區(qū)減小，出粉能力降低，襯瓦不應(yīng)磨損的上沿會(huì)嚴(yán)重磨損，輥套磨損區(qū)域向?qū)ΨQ中心部位移動(dòng)。某公司的磨煤機(jī)也存在上述現(xiàn)象。如輥架與壓架連接采用鉸軸裝置的方式連接，則可以有效控制碾壓角度，而且可靠性上也不存在問(wèn)題。

2.2 增加碾磨面積

提高碾磨面積就是要將輥套，襯板的外形尺寸及碾磨曲線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以盡可能延長(zhǎng)燃煤從落煤管落入磨煤機(jī)后切向甩出的過(guò)程中通過(guò)碾磨區(qū)域的路徑，從而增加其脫離碾磨區(qū)域前被碾磨的次數(shù)，增加其達(dá)到粒度要求并被旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)攜帶通過(guò)分離器被送出的幾率。

增加碾磨面積涉及到輥套、襯瓦、磨盤及噴嘴的更改設(shè)計(jì)。為最大限度利用現(xiàn)有設(shè)備部件，以盡可能降低改造費(fèi)用，更改后的設(shè)計(jì)以現(xiàn)有的磨輥輥芯為基準(zhǔn)點(diǎn)，既在保留現(xiàn)有的磨輥輥芯前提下設(shè)計(jì)輥套，在此前提下最大限度提高輥套的碾磨面積。完成輥套設(shè)計(jì)后，匹配襯瓦及磨盤的設(shè)計(jì)，新磨盤的設(shè)計(jì)須保證與傳動(dòng)盤接口的匹配以及與加載拉桿長(zhǎng)度的匹配。同時(shí)，為降低將來(lái)可能的備件更換費(fèi)用，將磨盤重新設(shè)計(jì)為托盤底座與托盤兩部分。

更改設(shè)計(jì)后，碾磨曲線由683 mm 提高到731 mm，提高了7%。碾磨曲線的出粉能力系數(shù)為1.06，更改設(shè)計(jì)后，理論出粉能力為1.07×1.06=1.13，即理論出粉能力可提高約13%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，磨煤機(jī)的實(shí)際出粉能力可提高10%～12%。

2.3 優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)

磨盤外形尺寸改變后，噴嘴必須進(jìn)行相應(yīng)改變。同時(shí)由于磨煤機(jī)出粉能力提高，所需一次風(fēng)量及風(fēng)速也需相應(yīng)增加，因此，必須對(duì)噴嘴進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。同時(shí)由于原噴嘴結(jié)構(gòu)存在一定的技術(shù)不合理性，因此，在本次改造過(guò)程中，對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)、制造工藝和材料也進(jìn)行優(yōu)化，既更改為結(jié)構(gòu)更合理、運(yùn)行更可靠的鑄鋼動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)。改造前后磨輥現(xiàn)場(chǎng)裝配如圖1 所示。

圖1 中速磨煤機(jī)磨輥輥架裝配圖

2.4 改造后運(yùn)行結(jié)果

改造完成后，對(duì)中速磨進(jìn)行試運(yùn)行，對(duì)中速磨進(jìn)行逐步加載。在整體運(yùn)行動(dòng)態(tài)方面，中速磨運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯振動(dòng)，噪聲也較改造前明顯減小。在出粉能力方面，有了一定加強(qiáng)，要想了解具體效果需要進(jìn)行一段時(shí)間的調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化。

3 中速磨煤機(jī)輥架的力學(xué)仿真分析

3.1 仿真對(duì)象的確定

本次固定碾磨角度的改造是將原來(lái)的輥軸連接改為鉸軸連接，在角度控制上鉸軸連接比輥軸連接具備天生的優(yōu)點(diǎn)，但在強(qiáng)度上相對(duì)較弱。此次改造備件在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備制造商僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，并未對(duì)鉸軸連接的可靠性進(jìn)行建模仿真分析。因此，本次研究重點(diǎn)選擇鉸軸輥架連接這個(gè)裝置來(lái)進(jìn)行建模仿真分析，來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性。

加載架為三角形，由3 個(gè)液壓缸對(duì)3 個(gè)磨輥進(jìn)行加載，鑒于對(duì)稱性和等工況，對(duì)分析對(duì)象模型做簡(jiǎn)化處理，即對(duì)單個(gè)磨輥加載受力情況進(jìn)行仿真研究。

3.2 改造后的輥架組件的仿真分析

（1）三維建模。在invetor 軟件中，根據(jù)實(shí)際圖紙尺寸，分別對(duì)磨輥支架、鉸軸、鉸軸座、卡板等部件進(jìn)行立體建模，并組裝裝配成一個(gè)整體。在ANSYS 軟件中，對(duì)輥架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)輥架組件邊界條件進(jìn)行設(shè)定。

（2）仿真計(jì)算。選擇2 種工況進(jìn)行計(jì)算。工況Ⅰ：正常工作（穩(wěn)定工作載荷、工作壓力8 MPa）；工況Ⅱ：特殊工況（磨輥軸承故障爆死、最大工作壓力11 MPa）。針對(duì)輥架及鉸軸裝置，為了更好的分析模型應(yīng)力應(yīng)變，選取5 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（A：鉸軸支座、B：鉸軸支座螺栓、C：磨輥支架耳軸、D：磨輥支架、E：鉸軸），如圖2 所示，仿真數(shù)據(jù)見表1。

3.3 仿真結(jié)果分析

本次仿真分析以改造后的鉸軸輥架連接這個(gè)裝置為研究對(duì)象，結(jié)合兩種工況，最大應(yīng)力值為各部件最大應(yīng)力值168 MPa，均遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力值320 MPa，仿真結(jié)果表明，改造后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖2 各關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

表1 控制點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變及位移值

4 中速磨改造后的運(yùn)行試驗(yàn)效果對(duì)比分析

3#中速磨改造完成試運(yùn)行正常后，技術(shù)人員對(duì)3#中速磨機(jī)進(jìn)行了最大出粉能力調(diào)整試驗(yàn)。同時(shí)，為了方便進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，更好地反映改造前后對(duì)比效果，技術(shù)人員選擇2#中速磨機(jī)進(jìn)行了對(duì)比調(diào)整試驗(yàn)（改造前的4 臺(tái)中速磨的工況相同）。

4.1 試驗(yàn)煤性質(zhì)

HGI56～62；Mt=11.23%～13.75%；Aar=14.14%～28.18%。

4.2 試驗(yàn)方案

分離器試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的選定：結(jié)合歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分離器轉(zhuǎn)速在85 r/min 時(shí)，煤粉粒度能達(dá)到生產(chǎn)要求，因此在此次試驗(yàn)調(diào)整中，2 臺(tái)磨分離器均選定85 r/min 轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

加載壓力的選定：為了得出中速磨不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)，選取9 種工況進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，作用力在（6～10）MPa，每種工況相差0.5 MPa。

在工藝調(diào)整試驗(yàn)中，以磨入口風(fēng)壓（-1.1～-0.9）kPa、磨出口溫度80 ℃左右、煤粉粒度R200 不小于80%為控制目標(biāo)，對(duì)磨出口靜壓、磨煤機(jī)風(fēng)量、磨入口溫度進(jìn)行匹配調(diào)整，保證不堵煤、不吐煤、不產(chǎn)生異常劇烈振動(dòng)的條件下，試驗(yàn)?zāi)ッ簷C(jī)最大出粉能力。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)2#中速磨煤機(jī)調(diào)整試驗(yàn)中，當(dāng)加載力提高到9 MPa 以上時(shí)，磨機(jī)出現(xiàn)吐煤情況，因此，不再繼續(xù)進(jìn)行2#中速磨煤機(jī)的加載力升高試驗(yàn)。在對(duì)3#中速磨煤機(jī)調(diào)整試驗(yàn)中，當(dāng)加載力提高到9.5 MPa 以上時(shí)，振動(dòng)加劇，對(duì)壓力也不再進(jìn)行提高。

4.4 結(jié)論及建議

（1）磨制當(dāng)前煤種，3#磨煤機(jī)的碾磨出粉能力水平明顯優(yōu)于2#磨煤機(jī)，出粉能力提高平均水平為13%左右。由仿真軟件得出2#磨煤機(jī)的加載力—出粉能力擬合方程：y=9.5x-0.821，3#磨煤機(jī)的加載力—出粉能力擬合方程：y=11.24x-11.60，表明改造后中速磨煤機(jī)性能改善明顯，出粉能力提高最大約14%。

（2）3#磨煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)排渣量極少，堵磨時(shí)渣量較多，說(shuō)明改造后的風(fēng)環(huán)效率增加明顯。

（3）對(duì)比2#磨煤機(jī)，類似工況下，3#磨煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)降低，噪聲減小，運(yùn)行相對(duì)更平穩(wěn)。說(shuō)明輥架與壓架連接采用鉸軸裝置的方式，角度控制能力優(yōu)越，避免了輥軸連接方式中，磨輥擺動(dòng)角度增大，碾磨時(shí)磨輥磨損磨瓦上沿帶來(lái)的附加振動(dòng)及額外磨損。同時(shí)，采用鉸軸裝置的方式，碾壓角固定不變，碾磨元件的有效碾磨區(qū)穩(wěn)定，對(duì)出粉能力提高也有一定貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

中速磨煤機(jī)出粉能力的提高來(lái)自3 個(gè)方面。固定碾磨角度：由于碾磨角度被固定死，不再大角度擺動(dòng)，中速磨有效碾磨區(qū)能持續(xù)保持最大的配合，因而有助其出粉能力的提高和穩(wěn)定。增加碾磨面積：磨輥磨盤碾磨配合面的增加，增加了燃煤從落煤管落入磨煤機(jī)后切向甩出的過(guò)程中通過(guò)碾磨區(qū)域的路徑，增加其脫離碾磨區(qū)域前被碾磨的次數(shù)，增加其達(dá)到粒度要求并被旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)攜帶通過(guò)分離器被送出的幾率。優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)：形成螺距更小的比較完善的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)，提高攜粉能力，將碾磨后達(dá)到粒度要求的煤粉盡可能多的送入分離器，降低循環(huán)倍率，提高了出粉能力。

利用有限元對(duì)改造的輥架結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步強(qiáng)度分析，仿真結(jié)果表明改造后的輥架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上完全滿足使用要求。通過(guò)對(duì)改造的中速磨煤機(jī)進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)運(yùn)行，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析工具和對(duì)比分析法，得出了改造后出粉能力提高14%的結(jié)論。通過(guò)對(duì)中速磨煤機(jī)改造前后能耗進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，結(jié)果顯示改造后減速機(jī)能耗明顯降低。當(dāng)前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，與此同時(shí)，我國(guó)制粉行業(yè)的也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。為了能夠適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，作為設(shè)備管理者，必須深入研究相關(guān)理論計(jì)算及分析，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案，將設(shè)備效能最大發(fā)揮，為企業(yè)貢獻(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。