王 軍 ，萬(wàn)樹(shù)春

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智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3廣東奇拓野營(yíng)車輛實(shí)業(yè)有限公司 廣東佛山 528131

發(fā) 改委《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，到 2025 年，大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，新增大宗固廢綜合利用率達(dá)到 60%，存量大宗固廢有序減少[1]。

礦渣立磨集破碎、粉磨、烘干、氣流輸送和選粉等多項(xiàng)功能為一體，涉及多門類學(xué)科技術(shù)，結(jié)構(gòu)龐大，功能復(fù)雜。礦渣立磨具有占地面積小、粉塵污染少、工作噪音低、節(jié)能降耗效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，且能夠使原來(lái)嚴(yán)重污染環(huán)境的大宗固體廢棄物礦渣變廢為寶，因此有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，符合國(guó)家大力發(fā)展高新技術(shù)、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)及合理利用資源的產(chǎn)業(yè)政策。

礦渣立磨產(chǎn)品經(jīng)多年應(yīng)用實(shí)踐，在輥磨粉磨技術(shù)、動(dòng)靜態(tài)選粉技術(shù)、自動(dòng)化控制、液壓技術(shù)、齒輪技術(shù)等方面持續(xù)改進(jìn)，正朝著大型化方向邁進(jìn)。我公司在礦渣立磨關(guān)鍵技術(shù)突破方面進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)年產(chǎn) 60 萬(wàn) t 礦渣立磨和國(guó)內(nèi)第一臺(tái)年產(chǎn) 120 萬(wàn) t 礦渣立磨，逐步掌握了大型礦渣立磨核心技術(shù)，積累了大量可靠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn)?；诖耍夜緸閲?guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)設(shè)計(jì)、研發(fā)了年產(chǎn)150 萬(wàn) t LGMS6027 大型礦渣立磨，并負(fù)責(zé)其全套立磨主機(jī)、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、立磨主減速器的制造以及整套粉磨工藝系統(tǒng)及工程成套的設(shè)計(jì)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

配套年產(chǎn) 150 萬(wàn) t 超高比表面積礦渣立磨為L(zhǎng)GMS6027 礦渣立磨，采用平盤錐輥、曲臂加載的結(jié)構(gòu)形式。其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所列，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LGMS6027 礦渣立磨結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of LGMS6027 slag vertical mill

表1 LGMS6027 礦渣立磨主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of LGMS6027 slag vertical mill

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大型加載重載支撐系統(tǒng)

大型加載重載支撐系統(tǒng)屬立磨重要受力部件，運(yùn)動(dòng)方式為低速擺動(dòng)。立磨工作過(guò)程中系統(tǒng)承受兩種載荷的作用，一種是徑向載荷，源于軸承座孔對(duì)支撐系統(tǒng)的反作用力；另一種為軸向載荷，源于磨輥碾壓磨盤上的物料時(shí)，對(duì)支撐系統(tǒng)的反作用力。在兩種載荷共同作用下，該系統(tǒng)的受力隨著磨輥輥壓力變化和料層的波動(dòng)而變化。大型加載重載支撐系統(tǒng)受力及結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 大型加載重載支撐系統(tǒng)Fig.2 Heavy-load support system of large lading system

大型加載重載支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)新采用滾動(dòng)軸承+滑動(dòng)軸承組合的結(jié)構(gòu)。滾動(dòng)軸承采用雙列調(diào)心滾子軸承，僅承受支撐系統(tǒng)的徑向力，具有較好的不同軸度補(bǔ)償作用。滑動(dòng)軸承采用固定環(huán)和左、右動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)，可承受來(lái)自左、右方向的軸向沖擊載荷。利用自動(dòng)干油供油裝置，定時(shí)定量向滑動(dòng)軸承左右兩個(gè)摩擦副補(bǔ)充油脂，提供潤(rùn)滑?；瑒?dòng)軸承還具備支撐系統(tǒng)軸向定位的作用，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，成本低廉，維修更換方便，極大延長(zhǎng)了大型滾動(dòng)軸承的使用壽命。

2.2 高效物料攤鋪技術(shù)

傳統(tǒng)礦渣立磨一般采用主輥+輔輥的模式，主輥負(fù)責(zé)研磨，輔輥負(fù)責(zé)攤平物料、準(zhǔn)備料床。輔輥由液壓泵站和液壓缸驅(qū)動(dòng)，可以上下擺動(dòng)。輔輥必須控制在合適的高度才能保證攤鋪效果，其控制方式主要有以下幾種。

(1) 轉(zhuǎn)速控制 早期的輔輥控制模式主要是轉(zhuǎn)速控制。磨輥轉(zhuǎn)速低時(shí)，表示磨輥距離襯板太高，沒(méi)有與物料充分接觸，料床偏高，攤鋪效果不好。此時(shí)，啟動(dòng)液壓泵使磨輥落下，與物料充分接觸，攤平料床。磨輥轉(zhuǎn)速高時(shí)，表示磨輥距離襯板太低，磨輥對(duì)物料壓緊力太大，料層會(huì)偏低。此時(shí)，啟動(dòng)液壓泵使磨輥抬起，與壓緊物料的作用減小，穩(wěn)定料床。但是，由于輔輥轉(zhuǎn)速的設(shè)定范圍不可能很大，且輔輥轉(zhuǎn)速變化很快，導(dǎo)致輔輥液壓泵啟停頻繁，易損壞，物料攤鋪效果不佳。

(2) 位移控制 有的現(xiàn)場(chǎng)采用輔輥位置控制的模式，對(duì)輔輥設(shè)定一個(gè)位移范圍。磨輥位移量大時(shí)，表示磨輥距離襯板太高，沒(méi)有與物料充分接觸，料床偏高，攤鋪效果不好。此時(shí)，啟動(dòng)液壓泵使磨輥落下，與物料充分接觸，攤平料床。磨輥位移量小時(shí)，表示磨輥距離襯板太低，對(duì)物料壓緊力太大，料層會(huì)偏低。此時(shí)，啟動(dòng)液壓泵使磨輥抬起，與壓緊物料的作用減小，穩(wěn)定料床。但是，由于輔輥位移的設(shè)定范圍不可能很大，也會(huì)導(dǎo)致液壓泵頻繁啟停而損壞，攤鋪效果同樣不佳。

(3) 位置僅低位控制 有的現(xiàn)場(chǎng)采用僅限定輔輥低位的方式進(jìn)行控制。利用機(jī)械限位裝置，限定輔輥的低位，輔輥靠限位裝置支撐，高位不做控制。這樣做的弊端是當(dāng)料層高時(shí)，輔輥位移會(huì)隨料層增大，容易造成料層的擾動(dòng)，物料攤鋪效果不佳。

由于上述輔輥攤鋪物料的弊端，LGMS6027 礦渣立磨采用高效物料攤平壓實(shí)排氣攤鋪技術(shù)，采用 3 個(gè)主輥+3 個(gè)攤鋪板的工作模式，如圖3 所示。其原理是攤鋪板固定在磨體上，立磨正常工作時(shí)，攤鋪板距離磨輥襯板的高度固定，現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)攤鋪板距離磨盤襯板的高度。這樣能夠保證攤鋪板始終壓在料層上，攤平物料、準(zhǔn)備料床的效果更好。同時(shí)，該技術(shù)簡(jiǎn)化了原輔輥的結(jié)構(gòu)，省去了液壓站、液壓缸、監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制系統(tǒng)等配套設(shè)備，極大降低了設(shè)計(jì)成本。再者，由于原輔輥攤鋪技術(shù)的復(fù)雜性，經(jīng)常發(fā)生泵站損壞而需要長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)維護(hù)的問(wèn)題，輔輥的安裝和維修也需要耗費(fèi)大量時(shí)間，維護(hù)成本較高，而高效物料攤平壓實(shí)排氣攤鋪技術(shù)節(jié)約了維護(hù)的時(shí)間和成本。此外，該技術(shù)使主輥始終在穩(wěn)定的料床上研磨，可以減少磨機(jī)振動(dòng)，提高立磨的運(yùn)行穩(wěn)定性、磨輥粉磨效率以及磨機(jī)產(chǎn)量。

圖3 攤鋪板示意Fig.3 Diagram of paving board

2.3 高效動(dòng)態(tài)選粉機(jī)技術(shù)

根據(jù)年產(chǎn) 150 萬(wàn) t 礦渣立磨工藝要求，研發(fā)了全新高效動(dòng)靜態(tài)選粉機(jī)，由靜止導(dǎo)向葉片和動(dòng)態(tài)鼠籠式轉(zhuǎn)子構(gòu)成。選粉機(jī)研發(fā)采用先進(jìn)的流體仿真分析軟件，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)開(kāi)展研究并進(jìn)行優(yōu)化，降低風(fēng)阻，提升選粉機(jī)效率，降低能耗。高效動(dòng)態(tài)選粉機(jī)有如下特點(diǎn)。

(1) 方便可調(diào)節(jié)的定子葉片結(jié)構(gòu)，在立磨運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可在線調(diào)節(jié)定子葉片角度，改變定子葉片間距，改變預(yù)分選礦粉粒度，配合轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)分選，可連續(xù)調(diào)整礦粉細(xì)度，獲得理想的粒度分布。

(2) 優(yōu)化改進(jìn)的轉(zhuǎn)子密封結(jié)構(gòu)，大幅度減少跑粗現(xiàn)象，有效提高礦粉比表面積，降低 45 μm 篩余，提高礦粉質(zhì)量。

(3) L 形轉(zhuǎn)子葉片+水平隔板的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，預(yù)分散效果好，分級(jí)精度及效率較高。

(4) 獨(dú)特的轉(zhuǎn)子葉片固定結(jié)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)焊接進(jìn)行固定的結(jié)構(gòu)，改善轉(zhuǎn)子葉片的受力狀態(tài)，極大方便了葉片的拆裝、更換。

(5) 特殊的轉(zhuǎn)子耐磨防護(hù)結(jié)構(gòu)，有效減少轉(zhuǎn)子本體的磨損，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子的使用壽命。

(6) 創(chuàng)新的自然吸氣冷卻與水冷卻結(jié)構(gòu)，大幅度降低選粉機(jī)軸承溫度，延長(zhǎng)軸承使用壽命，為提高選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、獲得更高比表面積的礦粉提供了保證。

(7) 優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配合可調(diào)角度的定子葉片，選粉比表面積可高達(dá) 520 m2/kg，能夠滿足特殊產(chǎn)品細(xì)度的需求，拓展選粉機(jī)的應(yīng)用。

礦粉的比表面積越大，其活性越大[2]。但是一味增加比表面積會(huì)造成產(chǎn)量的下降和成本的增加，故在礦渣微粉比表面積一定的情況下，需通過(guò)選粉機(jī)來(lái)控制微粉的粒度分布，使其具有合理的顆粒級(jí)配，以獲得較高的礦粉活性。首先，要控制粗顆粒的含量，使 45 μm 以上的顆粒含量小于 1%；其次，要增加細(xì)顆粒微粉的含量，使小于 30 μm 的顆粒含量不低于90%。為了滿足這兩方面的需求，在選粉機(jī)研發(fā)中主要采取以下措施。

(1) 通過(guò)流體模擬分析，確定合適的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量和葉片寬度。研究表明，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量存在合理數(shù)值，數(shù)量設(shè)計(jì)冗余會(huì)增加消耗功率，但對(duì)選粉效率沒(méi)有影響[3]。通過(guò)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升 30 μm以下微粉的選粉效率，降低 45 μm 以上大顆粒微粉的選粉效率。

(2) 結(jié)合多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)子密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升密封效果，減少大顆粒微粉從密封處跑粗現(xiàn)象，通過(guò)選粉機(jī)的分選作用剔除粗粉，從而控制 45 μm 的篩余。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦渣微粉選粉成品取樣分析，礦渣微粉比表面積穩(wěn)定在 420 m2/kg 以上，45 μm 篩余 ＜0.5%，小于 30 μm 顆粒含量 ＞ 90%，3～ 30 μm 顆粒含量為 70% 左右，活性超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) S95 級(jí)活性的要求。

2.4 FEA 分析技術(shù)

結(jié)合多年立磨 FEA 分析技術(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)磨盤、磨輥、加載系統(tǒng)等關(guān)鍵受力件開(kāi)展 FEA 分析，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決大型立磨復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)難題。有限元分析結(jié)果如圖4～ 7 所示。

圖4 磨盤應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of grinding table

圖5 壓力臂應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of press arm

圖6 連桿應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of connecting rod

圖7 整體變形Fig.7 Overall deformation

2.5 中心喂料及干濕分離

傳統(tǒng)礦渣濕料采用回轉(zhuǎn)喂料閥進(jìn)料，設(shè)計(jì)物料沿下料溜槽落在磨盤中心，隨著磨盤的旋轉(zhuǎn)，物料在離心力的作用下，均布于磨盤襯板表面。然而，實(shí)際上物料不可能恰好落在磨盤中心，因此 3 個(gè)磨輥下的喂料分布有所差異，從而導(dǎo)致 3 個(gè)磨輥的研磨狀態(tài)不均勻，不能達(dá)到理想的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)個(gè)別輥?zhàn)幽p嚴(yán)重的情況。

入磨濕礦渣采用螺旋喂料機(jī)進(jìn)料時(shí)，出料口位于選粉機(jī)料斗內(nèi)部、磨盤中心正上方，能夠?qū)崿F(xiàn)中心喂料，再經(jīng)磨盤旋轉(zhuǎn)甩料，可均勻分布于 3 個(gè)磨輥下，3 個(gè)磨輥出力一致，實(shí)現(xiàn)立磨平穩(wěn)運(yùn)行。

外循環(huán)干物料越過(guò)磨盤擋料圈，從磨盤下方經(jīng)刮料板排出磨外，經(jīng)除鐵、提升后，采用回轉(zhuǎn)喂料閥單獨(dú)進(jìn)料。干物料經(jīng)獨(dú)立溜槽進(jìn)入選粉機(jī)料斗內(nèi)部，沿返料斗內(nèi)壁滑落，重新進(jìn)入磨盤進(jìn)行粉磨。

進(jìn)料及返料采用干濕分離的結(jié)構(gòu)可有效減少螺旋喂料機(jī)的結(jié)塊堵塞，同時(shí)可以提高立磨的粉磨效率。干濕分離喂料還解決了返回的干料與喂入的濕料混合后產(chǎn)生較大粉塵而污染環(huán)境的問(wèn)題。

3 安裝注意事項(xiàng)

立磨安裝直接決定了立磨的使用效果。立磨安裝質(zhì)量高，則立磨運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小，提產(chǎn)能力高，電耗低。反之，立磨運(yùn)行不穩(wěn)定，振動(dòng)大，容易造成相關(guān)零部件及設(shè)備的損壞。因此，安裝立磨時(shí)必須注意以下事項(xiàng)。

(1) 攤鋪板要按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行安裝。攤鋪板應(yīng)均布并位于磨輥來(lái)料的前方，距離磨盤襯板表面的距離要調(diào)整至要求的高度，太高則起不到攤平物料、準(zhǔn)備料床的作用，太低則會(huì)擾亂料層，增大磨盤阻力，增加電耗。

(2) 主減速機(jī)安裝定位后，現(xiàn)場(chǎng)配作主減速機(jī)與中框架的定位銷孔，并打入定位銷，將二者把合牢固后，按圖紙將減速機(jī)底板焊接牢固[4]。

(3) 磨盤擋料環(huán)按圖紙安裝至合適的高度。太高容易過(guò)粉磨，導(dǎo)致粉磨效率降低；太低則會(huì)影響料層穩(wěn)定性，使粉磨細(xì)度降低。

(4) 為方便安裝，磨盤襯板之間應(yīng)留有均勻縫隙，如遇到個(gè)別縫隙偏大時(shí)，應(yīng)在縫隙中塞入鋼板條，防止間隙過(guò)大損傷輥面。

(5) 立柱與側(cè)框架、連接橋與立柱的焊接均應(yīng)按照?qǐng)D紙要求，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波探傷。進(jìn)氣道與下筒體之間的焊接，應(yīng)保證焊接后不漏氣。

(6) 主電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器的安裝應(yīng)保證其磁力中心線的正確位置，使主軸軸肩與滑動(dòng)軸承前后間隙一致。同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注兩半聯(lián)軸器安裝的同軸度，控制好徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)。

(7) 選粉機(jī)分半殼體現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制變形，特別是轉(zhuǎn)子密封處殼體的焊接。變形會(huì)使轉(zhuǎn)子密封處的間隙發(fā)生變化，容易跑粗，降低產(chǎn)品比表面積。

(8) 選粉機(jī)下部軸承座的撐桿安裝后，應(yīng)保證其水平度以及轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)卡頓。

(9) 選粉機(jī)主軸中心應(yīng)與立磨中心重合，通過(guò)調(diào)整主軸上平面的水平度來(lái)控制主軸的垂直度。

(10) 立磨液壓潤(rùn)滑管道配管完成后，要采用專門的沖洗油站對(duì)相應(yīng)的管路進(jìn)行循環(huán)沖洗，保證管路內(nèi)清潔。

(11) 選粉機(jī)軸承水冷卻裝置管道安裝后，應(yīng)進(jìn)行通水帶壓試驗(yàn)，保證裝置密封性。

4 立磨運(yùn)行情況

年產(chǎn) 150 萬(wàn) t LGMS6027 礦渣立磨投產(chǎn)后，一次性帶料調(diào)試成功，運(yùn)行穩(wěn)定。投料量達(dá) 260 t/h，液壓缸加載壓力為 11 MPa，反壓力為 2 MPa，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速為 100 r/min，礦渣微粉比表面積大于 420 m2/kg，磨內(nèi)壓差不到 3 000 Pa，立磨本體電耗為 26 kW·h/t，收塵器出口粉塵質(zhì)量濃度不到 10 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下) 礦渣微粉質(zhì)量滿足 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》S95 級(jí)的要求。

LGMS6027 礦渣立磨現(xiàn)場(chǎng)布置如圖8 所示。在調(diào)試階段，曾因安裝問(wèn)題導(dǎo)致管路漏油、蓄能器下球閥漏油、磨內(nèi)噴水冷卻水管破損、螺旋給料機(jī)減速機(jī)損壞、選粉機(jī)減速冷卻器破損、螺旋給料機(jī)鉑熱電阻故障等問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)處理后恢復(fù)正常。調(diào)試初期，以最高速度空轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)子與密封剮蹭的問(wèn)題。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，原因是現(xiàn)場(chǎng)組焊變形，導(dǎo)致局部密封與轉(zhuǎn)子間距偏小，適當(dāng)放大該處間隙后，問(wèn)題解決。

圖8 LGMS6027 礦渣立磨現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.8 Site arrangement of LGMS6027 slag vertical mill

另外，因工藝系統(tǒng)的變徑管道直接連接立磨進(jìn)風(fēng)管道，變徑管道下部沒(méi)有支撐，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)管負(fù)載過(guò)大，焊縫開(kāi)裂。為解決此問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)在立磨進(jìn)風(fēng)管道下面加裝立柱進(jìn)行支撐。已建議工藝系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)，采用立磨進(jìn)風(fēng)管與膨脹節(jié)軟連接的方式，而非直接與變徑管道剛性連接。

5 結(jié)語(yǔ)

年產(chǎn) 150 萬(wàn) t LGMS6027 礦渣立磨集成了大型加載重載支撐系統(tǒng)、高效物料攤鋪技術(shù)、高效動(dòng)態(tài)選粉技術(shù)、FEA 分析技術(shù)、中心喂料及干濕分離技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了大型化立磨的研發(fā)技術(shù)難題，提升了大型立磨的技術(shù)性能。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該礦渣立磨整機(jī)性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為國(guó)產(chǎn)大型立磨進(jìn)入并占領(lǐng)高端國(guó)際市場(chǎng)做好了技術(shù)儲(chǔ)備，提高了我國(guó)大型立磨的核心競(jìng)爭(zhēng)力，打破了國(guó)外大型立磨的壟斷局面，為后續(xù)研發(fā)其他更大規(guī)格的礦渣立磨打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。