李 超，周 潔，夏 霜

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3大冶特殊鋼股份有限公司 湖北黃石 435001

自 磨機利用被磨物料自身作為介質(zhì)，通過相互沖擊和磨削作用實現(xiàn)破碎和粉磨兩種功能。在處理合適的礦石時，使用自磨機非常經(jīng)濟，因為無金屬介質(zhì)消耗，可降低運營成本，同時襯板使用壽命高達 6～12 個月，大大提高了設(shè)備作業(yè)率。

1 物料板結(jié)問題

如果自磨機運行時因故障長時間停機，容易導致磨機內(nèi)部物料板結(jié)。因為自磨機筒體內(nèi)部細粒級物料較多，當與適量的水調(diào)和時，可形成一種可塑性的膠體，隨著時間的推移，膠體逐漸失去可塑性，變成不能流動的緊密狀態(tài)。此后膠體的強度逐漸增加，摻有不同粒級且密實的物料被它們膠合到一起，變成堅硬的整體，這類似于混凝土的凝固和硬化的過程[1]。

如果沒有專用工具，處理板結(jié)的物料將耗時約1～2 d；如果板結(jié)物料沒有被發(fā)現(xiàn)，磨機啟動過程中從頂部落下，將產(chǎn)生巨大的沖擊力，會造成法蘭面出現(xiàn)裂紋 (見圖 1)，筒體變形和法蘭裂開[2]，不僅造成重大設(shè)備事故，還會因為高昂的維修費用和設(shè)備長時

間停機帶來巨大的經(jīng)濟損失。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)場不同工況下物料動態(tài)安息角來判斷板結(jié)的理論，并通過現(xiàn)場實際應(yīng)用驗證了處理板結(jié)物料的方法。

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

2 物料動態(tài)安息角

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

為了進一步了解現(xiàn)場自磨機內(nèi)物料在不同工況下啟機時的動態(tài)安息角，匯總了近期 6 組磨機啟機時的數(shù)據(jù)，如表 1 所列。

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

正常檢修情況下停機前磨機磨空時，動態(tài)安息角較??；當事故停機時，充填率高，物料內(nèi)部細顆粒多，礦漿濃度較高，動態(tài)安息角相對較高。物料板結(jié)均發(fā)生在故障停機的情況下，發(fā)生板結(jié)的時間主要與停機時物料細粒級的情況有關(guān)?，F(xiàn)場記錄了最短發(fā)生板結(jié)的時間約為 0.5 h，嚴重板結(jié)的發(fā)生時間是故障停機后 6 h。磨機內(nèi)部的物料情況如圖 2 所示，轉(zhuǎn)動后表層大顆粒礦石滑落，漏出了底部大面積的板結(jié)細料。

3 板結(jié)判斷的理論依據(jù)

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

當自磨機啟動時，如果沒有發(fā)生板結(jié)，物料被提升一定高度，達到動態(tài)平衡時動力學平衡方程如式(1) 所示，在此過程中物料狀態(tài)示意如圖 3 所示。

式中：Md為電動機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Mf為中空軸處的摩擦阻力矩，為負荷阻力矩，N·m；Jε為啟動時的慣性阻力矩，N·m。

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

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

4 板結(jié)判斷的實際應(yīng)用

磨機正常啟動過程是從靜止到一定角度后，電動機轉(zhuǎn)矩達到最大值并開始逐漸下降。然而當物料板結(jié)時，磨機轉(zhuǎn)動超過正常范圍的動態(tài)安息角后，電動機轉(zhuǎn)矩依然隨角度的增加而持續(xù)變大，如圖 4 所示。

現(xiàn)場自磨機使用環(huán)形電動機驅(qū)動，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。當磨機轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度時，系統(tǒng)將對實時轉(zhuǎn)矩M與啟動過程中不斷變化的最大轉(zhuǎn)矩Mmax進行比較：如果M＜Mmax，說明物料已滑落，磨機將繼續(xù)正常啟動；如果M＞Mmax，系統(tǒng)認為存在板結(jié)，電動機將調(diào)停。同時，設(shè)定的角度應(yīng)大于正常范圍的動態(tài)安息角，即使在物料很少的情況下，這種保護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)時電動機啟動特性對比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)檢測出板結(jié)后調(diào)停的過程。在磨機從水平位置轉(zhuǎn)至 85°之前，轉(zhuǎn)矩值一直增加；當?shù)竭_設(shè)定的 85°時，該轉(zhuǎn)矩值等于或大于先前記錄的最大轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)認為物料發(fā)生板結(jié)，電動機調(diào)停。

該系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)物料板結(jié)現(xiàn)象，進而避免因板結(jié)物料掉落沖擊對磨機造成損壞，但無法消除板結(jié)的物料。

5 板結(jié)物料處理方法

當自磨機內(nèi)部物料出現(xiàn)板結(jié)后，現(xiàn)場一般有 3 種方法來處理不同程度的板結(jié)。

5.1 多次正常啟動

5.2 板結(jié)物料松動功能

當物料從平衡位置被提到 85°位置后磨機反向轉(zhuǎn)動，在降至 35°時，電動機施加一個反向的強力轉(zhuǎn)矩，使磨機立刻停止轉(zhuǎn)動，物料在慣性力作用下在筒體內(nèi)部滑落。如果第一次物料沒有滑落，磨機將物料轉(zhuǎn)到反方向后重復(fù)以上過程，最后磨機將自動停在平衡位置。處理板結(jié)物料的整個過程約需 2 min。同時需注意，當板結(jié)物料過多時，可導致電動機過載而無法正常啟動板結(jié)物料松動功能。

圖6 實際板結(jié)物料調(diào)停發(fā)生過程Fig.6 Actual halting process at charge hardening

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

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

5.3 高壓水炮沖洗方式

當以上方式均無效后，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，使噴頭盡量靠近進料口 (見圖 8)，并可以在自磨機筒體圓周方向和軸向移動，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

將磨機慢驅(qū)一側(cè)約 80°位置，高壓水炮對準暴露的板結(jié)物料進行沖洗，如圖 9 所示。根據(jù)情況將磨機慢驅(qū)另一側(cè)約 80°位置，重復(fù)以上操作。在此過程中越來越多的板結(jié)物料被沖散，反復(fù)慢驅(qū)也使一部分物料松動。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，此種方式耗時約 5 h 即可消除板結(jié)，磨機具備正常啟動條件。

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)收集的實際數(shù)據(jù)，現(xiàn)場自磨機啟動過程中，不同工況下動態(tài)安息角通常在 35°～65°范圍內(nèi)。通過理論分析和實踐證明，利用電動機啟動轉(zhuǎn)矩和自磨機轉(zhuǎn)角關(guān)系來判斷磨機內(nèi)部是否出現(xiàn)板結(jié)的方法非常有效。

對于輕微板結(jié)一般 2 次以內(nèi)正常啟動均能消除；較為嚴重的板結(jié)可使用電動機的板結(jié)松動功能；當松動功能失效后，使用高壓水炮沖散板結(jié)物料也是一種比較高效的方式。