惯性圆锥破碎机破碎机理与工作特性分析.pdf

2 0 1 6 年第6 期有色金属 选矿部分 6 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 6 ．0 6 ．0 1 5 惯性圆锥破碎机破碎机理与工作特性分析 王晓波 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要介绍了惯性圆锥破碎机的工作原理与结构。通过分析惯性圆锥破碎机破碎力的特点，讨论了破碎力对产品的影 响；分析了排料间隙大小对设备工作能耗以及产品粒度的影响。在此基础上，讨论了利用惯性圆锥破碎机改进破碎流程的方 法。利用惯性圆锥破碎机产品粒度的特点来降低磨机人料的途径可以有效地降低破碎流程的能耗及钢耗，实现节能降耗。 根据工业生产现状，概括了惯性圆锥破碎机的研究方向。 关键词惯性圆锥破碎机；振动破碎；破碎工艺；破碎力；排料间隙 中图分类号T I M 5 1 ；T i l l l 3 ．1文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 6 - 0 0 6 5 - 0 4 C h a r a c t e r i s t i c so fI n e r t i a lC o n eC r u s h e ra n dI t sE f f e c t so nC r u s h i n gP r o c e s s 形4 ⅣGX i a o b o B e i j i n gG e n e r a lI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f i n e r t i a lc o n ec r u s h e r ．T h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ec r u s h i n gp r e s s u r e ，i t se f f e c t s o np r o d u c ta r ed i s c u s s e d ；t h ee f f e c t so ft h ed i s c h a r g eg a po ne n e r g y c o n s u m p t i o na n dp r o d u c tp a r t i c l es i z e a r e a n a l y z e d ．O nt h i sb a s i s ，i n e r t i a l c o n ec r u s h e ri su s e dt o i m p r o v et h e c r u s h i n gp r o c e s s ．P r o d u c to f i n e r t i a lc o n ec r u s h e rh e l p st or e d u c em i l le n e r g yc o n s u m p t i o na n ds t e e lc o n s u m p t i o n e f f e c t i v e l y ．E n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o ni sr e a l i z e d ．T h er e s e a r c hd i r e c t i o no f i n e r t i a lc o n ec r u s h e ri s s u m m a r i z e do nt h eb a s eo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s i n e r t i a lc o n ec r u s h e r ；v i b r a t i n gc r u s h i n g ；C r u s h i n gp r o c e s s ；c r u s h i n gp r e s s u r e ；d i s c h a r g eg a p 惯性圆锥破碎机是一种高效的振动破碎设备， 利用“料层粉碎”机理破碎物料，能够实现破碎过程 的“选择性破碎”其机构啜理如图1 _ 图1惯性圆锥破碎机结构示意图 F i g ．1 M o d e lo f i n e r t i a lc o n ec r u s h e r 1 一底架；2 一传动部件；3 一减振器；4 一激振器部件；5 一基座； 6 一球面瓦；7 一衬板；8 一调整环部件；9 一动锥部件； 1 0 一动锥支座；1 l 一轴套 惯性圆锥破碎机利用高速旋转激振器产生的惯 性离心力带动动锥摆动，通过动锥冲击挤压破碎腔 内的物料，实现物料的振动破碎。依靠动锥相对于 定锥的往复运动、绕其自身的反向旋转以及动锥摆 角的高频章动可以有效地实现物料的振动破碎，产 品的粒度分布可以很好地满足“多碎少磨”的破碎工 艺要求‘1 | 。 惯性圆锥破碎机通过减震器与地基连接，对地 基的作用力很小，甚至可以直接放置在工作平台上， 对基建的要求低。辽宁某铀矿使用G Y P 9 0 0 惯性圆 锥破碎机作为细碎设备，设备底架直接放置在工作 地基上，不需要固定装置，基础建设简单。 1 惯性圆锥破碎机破碎特性分析 1 ．1 惯性圆锥破碎机的破碎力 不同于传统圆锥破碎机，惯性圆锥破碎机破碎 力是由不平衡转子及动锥的离心力产生的，其大小 基金项目国家国际合作项目 2 0 1 5 D F R 7 0 6 6 0 收稿日期2 0 1 6 - 0 4 - 0 5修回日期2 0 1 6 - 0 9 - 1 9 作者简介王晓波 1 9 8 9 。 ，男，安徽巢湖人，硕士，助理工程师，主要从事振动破碎设备研究方面的工作。 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第6 期 可调；动锥的摆幅 工作行程 不固定，取决于物料层 抗压强度与填充率。如果破碎腔中进入了不可破碎 的物料，动锥摆幅变小或者相对于定锥静止，但激振 器仍然转动，设备的各个部件不会损坏，这使得惯性 圆锥破碎机具有良好的“过铁”性能。在处理钢渣等 含不可破碎物较多的物料时，惯性圆锥破碎机具有 独特的性能优势，国内已有多个钢渣生产线选用惯 性圆锥破碎机作为细碎设备，年细碎钢渣超过l5 0 0 万t 。 惯性圆锥破碎机的破碎力可以分为动锥部分与 激振器部分产生的惯性力，由于动锥部分产生的惯 性力远小于激振器惯性力，所以可以有以下估算表 达式 F 2 m o t o O 尝 1 2 矗 1 其中m 。一激振器质量，k g ； r 一激振器质心偏心距，m m ； E J 一振动频率，r a d ／s ； R 一动锥支撑上铜瓦圆弧面的半径，m m ； Z ，一激振器质心与铜瓦圆弧面的垂直距离； z ，一破碎力作用点与铜瓦圆弧面的垂直距离。 惯性圆锥破碎机的破碎力可以通过改变转速与 偏心距进行调节，对产品的粒度分布具有较大的影 响。激振器的偏心度可以通过改变激振器上下两块 与中间块的重合度来调节。通过式 1 可知，动锥在 铜瓦上摆动的所围绕的铜瓦圆弧面对设备破碎力具 有一定的影响，其值越大，破碎力的大小就越小；由 于铜瓦圆弧面直径越大，即圆弧面变化越慢，动锥对 铜瓦的研磨就越缓慢。所以铜瓦圆弧面直径大小应 由多因素综合考虑决定。 由于进入破碎腔的物料具有随机性，压实程度 不一，所以变形量也不同；动锥在进动运动以及绕其 自身中心自转运动之外，还伴随着高频的章动；这种 运动有利于增强设备的振动破碎效果，使得产品粒 度更小。用渗浸法处理铀矿对矿石粒度要求较高； 江西某铀矿的矿物黏性大、粒度过小容易结块、粒度 过大浸出时间较长，粒度为一5 0 ．1 5m m 时，渗浸 效果良好。利用G Y P 6 0 0 惯性圆锥破碎机对其进行 处理，人料粒度为一5 0m m ，过粉碎率仅为3 ％，表明 惯性圆锥破碎机可以很好地满足用渗浸法处理铀矿 的要求。四川某铁矿采用型号为G Y P 9 0 0 惯性圆锥 破碎机处理物料，一段破碎产品粒度9 0 ％在7m m 以下，超标准的满足产品要求，大大简化了工艺 流程。 增大惯性圆锥破碎机的破碎力会使产品的加权 平均粒度降低，单位产品能耗也有所上升。对于不 同的物料并不是选择大的破碎力就好，应该从产品 粒度要求以及节能降耗两个方面来考虑。 破碎力的表现除了大小之外，还会在变化频率 上影响惯性圆锥破碎机的工作性能。破碎力频率增 加导致惯性圆锥破碎机的动锥摆频增加，物料经过 破碎腔时受到更多次的破碎作用，同时也使得物料 下降速度变慢。如果增加动锥的摆频会使惯性圆锥 破碎机的产量略有下降，产品的加权平均粒度会有 将为明显的降低拉j 。 1 ．2 惯性圆锥破碎机的排料间隙 惯性圆锥破碎机的排料间隙是设备正常工作的 重要参数。惯性圆锥破碎机要求工作在一定的排料 间隙范围内。在这一范围内调节排料间隙的大小， 会影响设备生产能力。与传统挤压类圆锥破碎机不 同的是，排料间隙增大，惯性圆锥破碎机产品粒度基 本不会发生变化。 如果排料间隙过小，设备的加权产品粒度略有 降低，但是产量很小，有时甚至不能下料，容易发生 卡料，即物料不能正常地进入破碎腔，电流下降，但 是事实上平均单位能耗上升，此时过粉碎率也较大； 排料间隙过大，单位时间的产量确实有所增加，同时 电流会上升，设备的零部件也会损坏，特别是轴套中 的合金与铜瓦容易烧毁，动锥体与动锥支撑座发生 碰撞，损坏动锥体，衬板磨损使用寿命变短。山西某 耐火材料厂G Y P 6 0 0 惯性圆锥破碎机在间隙过大时 开机，导致轴套损毁，动锥支撑座变形；辽宁某铀矿 将间隙开在4 0m m 以上，轴套下部与动锥轴摩擦，烧 毁轴套。 动锥在激振器的驱动下，在高频摆动的同时，沿 定锥内壁滚动，动锥具有与激振器旋转方向相反的 自转运动。考虑到动锥与物料的摩擦作用，动锥衬 板的锁紧装置应该设计为左旋螺纹。结构上看，动 锥与定锥的组合符合内行星转子一振动机体系统的 结构特征。B l e k h m a n 博士利用运动分离法以及 L y a p u n o v ．P o i n c a r e 稳定性原理研究了内行星转子～ 振动机体系统的运动特征“ 1 。动锥与定锥之间较大 的摩擦力，能够使得动锥沿定锥内壁滚动。动锥摆 幅、动锥平均自转角速度应满足以下关系式。4J 竺导 2 ∞ 口 其中∞7 是动锥自转平均转速；∞是振动频率； 等于激振器转速；a 是动锥的摆幅；d 是惯性圆锥破 碎机动锥部分下部直径大小。 万方数据 2 0 1 6 年第6 期王晓波惯性圆锥破碎机破碎机理与工作特性分析 鱼卫 1 ．3 破碎流程 由于惯性圆锥破碎机破碎力的特点，设备能够 实现物料的振动破碎，并且产品粒度均匀。由于这 样的特性，可利用惯性圆锥破碎机将传统的闭路破 碎流程变为开路破碎，减少了振动筛、皮带以及操作 人员工资等费用的支出。在一些铀矿堆浸工艺生产 线，通过调节料仓压力、激振器转速、排料间隙和破 碎力的大小可以使惯性圆锥破碎机的产品直接满足 后续生产要求。 甘肃武威某选矿厂年产2 万t 萤石精粉选矿厂 破碎段利用G Y P 9 0 0 惯性圆锥破碎机对物料进行细 碎。生产线破碎段采用“两段开路”的处理工艺，流 程如图2 。 P E 4 0 0 6 0 0 颚式破碎机 1 8 3 0 4 5 0 0 湿式球磨机 物料叫 一 - 一震譬 G Y I X 0 0 惯性圆锥破碎机 图2 武威某选矿厂破碎段流程 F i g ．2 F l o w s h e e to ft h eb r o k e nl i n e i no n ec o n c e n t r a t o ri nW u w e i G Y P 9 0 0 惯性圆锥破碎机的处理能力为每小时 3 0 ～5 0t ，产品粒度P 帅小于7m m 。 萤石矿石的脉石矿物为石英，矿物质地较脆，硬 度不高，通过调节激振器惯性矩大小使得产品满足 设计要求。G Y P 9 0 0 惯性圆锥破碎机产品粒度均匀， 粒形良好，直接进入球磨机。 利用惯性圆锥破碎机，同样可对传统的钢渣破 碎流程进行改进。图3 是传统的钢渣处理工艺，图4 是改进后的处理工艺。 钢渣 磁性严品弱磁性严品 图3 传统的钢渣处理流程 F i g ．3 F l o w s h e e to ft r a d i t i o n a ls t e e ls l a gp r o c e s s i n g 图3 所描述一般的闭路钢渣破碎流程，前期投 资较大，传统的挤压破碎设备不能使渣铁高效的解 离，后续球磨机处理能耗与钢耗较大。图4 中改进 的开路钢渣破碎流程大大简化，前期投资少，由于高 频振动的作用可以实现渣铁的高效解离，经过磁选 的作用，可以有效地降低后续处理的费用‘5 | 。 图4改进后的钢渣处理工艺 F i g ．4I m p r o v e df l o w s h e e to fs t e e ls l a gp r o c e s s i n g 1 ．4 对破碎工艺能耗与钢耗的影响 由于惯性圆锥破碎机的振动破碎作用，物料沿 其内部缺陷以及“晶格”的分界面等缺陷处破碎，利 用这些缺陷使物料发生破碎所需能量较少，所以设 备具有高效节能的特点。同时，沿这些缺陷处破碎， 产品的形状具有明显的棱角、块状等特征，适用于建 筑、铺路等用途。惯性圆锥破碎机挤满给料运行，在 高频的冲击挤压破碎力的作用下，可以实现物料的 料层粉碎作用；衬板与物料之间、物料与物料之间的 相互作用使物料发生破碎，降低能耗与钢耗。由于 振动破碎，使得产品内部具有较多裂纹间隙，进入球 磨阶段，能够大大降低单位物料的球磨成本。 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第6 期 甘肃武威某萤石选矿厂破碎段为“两段开路”， 如图2 ，其中P E 4 0 0 6 0 0 颚式破碎机选用3 0k W 的 三相异步交流电机；G Y P 9 0 0 惯性圆锥破碎机选用 1 1 0k W 的三相异步交流电机，但是在工作时，只有 额定电流的一半左右；1 8 3 0 4 5 0 0 湿式格子型球磨 机的电机为1 8 5k W 的三相异步交流电机；总装机功 率为3 2 5k W 。利用G Y P 9 0 0 进行处理后，直接进入 球磨机，球磨机一个小时可以处理1 2t 物料。在 G Y P 9 0 0 维修期间，球磨机处理约7 8t 左右，衬板 与钢耗明显恶化。G Y P 9 0 0 可以实现物料高效振动 破碎性能，使中碎的产品粒度良好，直接进入球磨 机。不仅使球磨机提高了生产率，相比之下还降低 了球磨机处理每吨物料约3 3 ％的电耗。由于破碎段 较大的供料量以及料仓的大小限制，在使用惯性圆 锥破碎机时，破碎段每4h 供一次料，每次供料1h ； 在惯性圆锥破碎机维修阶段，破碎段每6h 供一次 料，供料约1h 。破碎段使用惯性圆锥破碎机每吨总 体降低了3 8 ％的能耗，优势较为明显。 根据相关的试验对比，惯性圆锥破碎机的研磨体 消耗量仅为磨机的1 ／1 9 ，单位能耗降低5 4 ％。利用惯 性圆锥破碎机降低磨机的人料粒度，可以有效地实现 节能降耗。湖南某有色金属矿原破碎工艺流程改进 后利用惯性圆锥破碎机为磨机给料，使磨机产量提高 3 8 ％，单位降耗2 0 ％以上，经济效益非常明显旧o 。 2 惯性圆锥破碎机的研究方向 2 ．1 大型化 惯性圆锥破碎机是前苏联米哈诺布尔研究院经 过多年研究的产物，其先进的破碎理念以及优良的 性能代表了当前世界圆锥破碎机的最高水平。国外 已经完成了其大型化研究。目前国内已经成熟应用 的最大型号是G Y P l 2 0 0 惯性圆锥破碎机。在处理 高硬度物料方面，惯性圆锥破碎机具有良好的性能。 国内大量高硬度难处理物料要求惯性圆锥破碎机必 须要大型化。目前G Y P l 5 0 0 已通过新疆伊犁某金 矿的试验，具备了市场化条件。市场与矿山生产特 点，使得惯性圆锥破碎机的大型化是细碎装备开发 的必然趋势。 2 ．2 工作参数及破碎腔形设计 一般来说，影响惯性圆锥破碎机性能的因素有 动锥摆频、破碎腔物料压力、排料间隙、激振器惯性 矩以及破碎机腔形。对于不同的物料，惯性圆锥破 碎机会表现出不同的性能，应该通过试验积累惯性 圆锥破碎机处理各类物料时，上述四个因素对于惯 性圆锥破碎机处理能力、产品粒度、功耗以及破碎比 的影响曲线旧J 。利用这些曲线可以方便地调试设 备，获得不同的产品粒度，满足不同的工艺要求。 国内对于偏心圆锥破碎机腔形的优化工作已有 一些经验o7 | ，但是惯性圆锥破碎机破碎腔型的优化 仍没有有效的研究方法。由于振动破碎的特点，破 碎腔形会影响物料的运动轨迹与受力，可以通过改 变腔形加速或延缓物料排出，获得不同的产品粒度 大小与分布。由于振动的作用，惯性圆锥破碎机性 能对于腔型的变化较为敏感。 以目前北京矿冶研究总院设计的腔型为例，当 衬板磨损严重时，衬板底部出现明显凹沟，破碎腔型 发生较大变化，此时电流不稳定，波动大，产量下降， 产品粒度参差不齐。当出现这类情况时，应考虑更 换新的衬板。 在山西某钢渣处理生产线，由于设备进入较大 块的锤式破碎机高锰钢锤头，工作人员长时间没有 发现，导致锤头与动锥衬板发生研磨，将锤头取出后 发现动锥衬板产生周向的沟槽，改变了破碎腔型，如 图7 。在此腔型状态下工作，设备产量快速下降，由 原来的1 0 0l f h 降为4 0t ／h ，产品粒度变小，由原来 的P 9 0 1 0m m 变为P 9 0 6m m ，工作电流由2 4 0A 左右降为1 8 0A 。由于振动作用，物料在沟槽处产生 了堆积，不能顺利下料，动锥摆动幅度小，导致产量 与粒度下降。这种情况下，笔者建议现场开大间隙 至6 0m m 工作，8 0 个工作小时之后此沟槽逐渐磨 平，设备恢复正常。 图5山西某钢渣生产线破碎机腔型变化 F i g ．5C h a n g eo fi n e r t i Mc o n ec r u s h e rc h a m b e rt y p eo fas l a gp r o c e s s i n gl i n ei nS h a n x i 下转第页9 4 页 万方数据 9 4 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第6 期 参考文献 [ 1 ] 国土资源部信息中心．世界矿产资源年评[ M ] ．北京地 质出版社，2 0 1 3 2 3 4 2 3 7 ． [ 2 ] 印万忠．硅酸盐矿物晶体化学特征与表面特性及浮游性 关系的研究[ D ] ．沈阳东北大学，1 9 9 9 ． [ 3 ] 贾木欣，应平，付强．从工艺矿物学角度探讨某些难 处理资源开发利用中的问题[ J ] ．有色金属 选矿部分 ， 2 0 1 5 1 1 - 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