高压料床粉碎与盘式辊压破碎机.pdf

7 0 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 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 4 ．0 6 ．0 1 8 高压料床粉碎与盘式辊压破碎机 郎平振1 ，2 1 ．北京科技大学机械工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要利用料床粉碎设备对坚硬的金属矿石进行粉磨，需要考虑三点足够大的粉磨力是粉碎金属矿石的首要条件； 经济可行的金属磨蚀量是设备能够推广应用的前提；连续稳定的料床是降低设备振动、提高设备寿命的重要措施。通过分析 高压料床粉碎影响因素、盘式辊压破碎机结构特征和施力特征，总结出作为一种新型金属矿石粉磨设备，盘式辊压破碎机在 料床稳定性、对坚硬矿石粉磨性和能量利用率方面的优势。 关键词盘式辊压破碎机；高压料床粉碎；金属矿石；料床稳定；能量利用率 中图分类号T I M 5 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 4 0 6 - 0 0 7 0 - 0 5 H i g hP r e s s u r eB e dC o m m i n u t i o na n dD i s kR o H e rC r u s h e r L A N GP i n g z h e n l ，8 1 ．S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ， B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ；aB e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI 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 反j i n g10 0 16 0 ，C h i n a A b s t r a c t U s i n gb e dc o m m i n u t i o ne q u i p m e n tf o rg r i n d i n gh a r dm e t a lo r e ，i t ’Sn e c e s s a r y t oc o n s i d e r t h ef o H o w i n gt h r e ep o i n t s l a r g ee n o u g hg r i n d i n gf o r c ei s p r i m a r yr e q u i r e m e n t ；r e d u c i n gw e a ra n dt e a r i st h e p r e m i s eo fe q u i p m e n ta p p l i c a t i o n ；c o n t i n u o u ss t e a d yb e di s a ni m p o r t a n tm e a s u r et or e d u c et h ee q u i p m e n t v i b r a t i o n ，t oi m p r o v et h ee q u i p m e n tl i f e ．B y a n a l y z i n gt h eh i g hp r e s s u r e b e dc o m m i n u t i o nf a c t o r s ，t h e s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n df o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s kr o l lc r u s h e r ，i ti sc o n c l u d e dt h a ta s an e wt y p eo fm e t a l o r eg r i n d i n ge q u i p m e n t ，d i s kr o l lc r u s h e rh a st h ea d v a n t a g ei nt h eb e ds t a b i l i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c y ． K e yw o r d s d i s kr o l l e rc r u s h e r ；h i g hp r e s s u r eb e dc o m m i n u t i o n ；m e t a lo r e ；m a t e r i a lb e ds t a b i l i t y ； e n e r g ye f f i c i e n c y 因为能实现“多碎少磨”，高压料床粉碎设备 受到金属矿山越来越多的重视。作为一种新型高压 料床粉碎设备，盘式辊压破碎机粉碎金属矿石是可 行的，并且在料床稳定性和能量利用率方面具有 优势。 1高压料床粉碎及影响因素 被粉碎颗粒堆积在一起，形成具有一定厚度、 包含多层颗粒的料床，在料床的表面施加外力，因 此发生的粉碎行为称为料床粉碎。料床粉碎的特点 是料床内部颗粒的粉碎行为是在周围颗粒作用下发 生的，这一理论很早就被人们所利用。 料床粉碎引人注意归因于2 0 世纪7 0 年代之后 高压料床粉碎相关研究取得的重大进展。随着液压 技术和相关材料科学的发展，能够对料床施加巨大 的压力，并逐步解决了金属磨蚀问题。对颗粒层施 加多大的压力才能称之为高压料床粉碎，目前还没 有明确的界限定义。通常进行相关研究工作时，压 力范围在5 0 ～3 0 0M P a 。对于高压料床粉碎的典型 设备一高压辊磨机，平均压力7 0 ～1 5 0M P a ，最大 压力范围为1 4 0 ～3 0 0M P a 。平均压力的定义是辊压 力与受力面积的比值，两辊间隙最小处的压应力值 则定义为最大压力。 高压料床粉碎的实施条件是1 具有一定厚度 基金项目“十一五”国家科技支撑计划项目 2 0 0 6 B A B l I B 0 6 收稿1 3 期2 0 1 4 - - 0 4 2 4修回1 3 期2 0 1 4 - - 0 9 1 4 作者简介郎平振 1 9 6 6 一 ，男，河北正定人，教授级高级工程师，博士研究生，主要从事矿山机械设备等方面的研究。 万方数据 2 0 1 4 年第6 期郎平振高压料床粉碎与盘式辊压破碎机7 1 的料床；2 很高的压力；3 一定的作用时间，使之 产生足够的压缩量。因此，对影响高压料床粉碎效 果的因素进行了研究。 1 ．1 料床厚度 一定厚度且具有连续、稳定特点的料床是实现 高压料床粉碎工业化生产的前提条件。连续稳定料 床的形成，与物料特性、设备结构参数和运行参数 密切相关。物料特性包括硬度、粒级组成、含水含 泥率等，运行参数包括加载力和加载速度等。 在形成连续稳定料床的前提下，还要考虑料床 厚度对设备单位能耗的影响。料层薄，能量传递速 度就快，颗粒破碎概率就大。但由于粉碎量少，单 位能耗较大，不能充分发挥料床粉碎的优势。料层 厚，粉碎过程中料层密实阶段时间长，载荷上升速 度慢，粉碎效果会变差。对应于最小单位能耗有一个 最佳料床厚度，一般最佳料层数为6 ～1 0 层[ 川。 1 ．2 压力 研究表明，对料层施以5 0 - 3 0 0M P a 压力是实现 高压料床粉碎的重要条件。1 9 6 6 年G ．S c h w e n d i g 进行了料槽辊压试验，虽然施加的压力不高，但随 着施加压力的增大，料床粉碎效果愈发明显[ 2 ] 。 1 9 6 9 年H ．L o o s 将玄武岩、花岗岩试料装入容器， 施加最大2 0M P a 的压力，进行料层压缩试验。研 究结果表明，岩石颗粒的分布函数值与压力之间的 关系在对数坐标上呈直线分布[ 3 3 。1 9 7 5 年G ．G o e U 的研究进一步说明，影响料床粉碎产品粒度分布的 主要因素是压力，其次是物料性质[ 4 1 。1 9 7 9 年K ． S c h 赫e n 教授的研究实现了质的跨越[ s J 。在压力粉 碎工艺流程试验中，对料层施以5 0 3 0 0M P a 的高 压，试验结果证明，利用高压料层粉碎对石灰石、 石英和铁矿石等试料进行粉碎时，能量利用率大幅 度提高，能耗大幅度降低，具有显著的节能效果。 1 0 施力体形状 目前典型的料床粉碎设备辊式磨、高压辊磨机 和筒辊磨，分别使用了不同形式的施力体，如图1 所示。施力体几何形状不同，所构成的粉碎区不 同。为了比较不同粉碎区即不同施力体的优劣，引 入料层收缩特征值，其定义为喂料厚度和料饼厚度 的差与粉碎区长度之比值。辊式磨采用板一柱形 式，高压辊磨机采用柱一柱外切形式，筒辊磨采用 柱一柱内切形式。按照料层收缩特征值由小到大排 列，顺序为柱一柱内切、板一柱、柱一柱外切。相 关研究表明，较小的料层收缩特征值，意味着较长 的压力区，物料在粉碎区内的流变比较平缓，料床 稳定性好，粉磨过程产生的振动较小，还可以采用 较高的磨辊辊面线速度[ 刮。 ◇Q ∞ 蚝】E ，jJ h ， 图2 不同施力体能量利用率试验 F i g ．2E n e r g ye f f i c i e n c yt e s to fd i f f e r e n t ‰i n g b o d i e s 1 ．4 料床边界效应 不同料床粉碎设备，其料床边界约束状况不 同。不受约束的料床边界存在着物料颗粒“逃逸” 现象。越靠近边界，压力衰减越严重，粉碎效率和 能量利用率大打折扣。1 9 8 2 年B ．B u s s 等人进行了 部分边界受限和全部边界受限两种形式的料床粉碎 试验，结果如图3 所示[ 引。可以看出对于侧面 有限制的料层，在一个较宽范围内，随着供能增 加，比表面积持续增长，能量利用率基本保持不 变；对于侧面不受限的料层，当供能水平超过一定 值，比表面积不再增加，能量利用率降低。 对于球磨机而言，钢球落在料床上，料床四周 几乎没有约束，料床不稳定，能量利用率很低。对 万方数据 - 7 2 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 供能／l J ‘k g 。 图3 料床边界效应试验 F i g ．3 T h eb e db o u n d a r ye f f e c t st e s t 于立磨等辊式磨，磨盘外侧有挡边，料床内侧没有 约束，存在一定边界效应。但随着磨辊宽度的增 大，料床边界效应减弱。受结构和两侧挡料板磨损 的影响，高压辊磨机也存在明显的边界效应。因为 物料在挤压辊两端存在“逃逸”现象，就造成了挤 压辊中间压力大，两端压力小。两侧较小的线压 力，使粉碎效果减弱。不仅如此，物料从挤压辊两 侧逃逸时，与辊面有相对滑动，加剧了挤压辊两端 辊面的磨损。而磨辊中部过高的压力，也会在这个 位置产生过粉磨，造成能量的浪费。 1 ．5 加载速度 东北大学胡景坤和徐小荷进行的料床粉碎试验 研究表明，如果静压粉碎效率为1 0 0 ％，那么单次 冲击效率则为3 5 ％～4 0 ％，相对于冲击粉碎，静压 粉碎可以节省粉碎能量，提高粉碎效率⋯。中南 大学李云龙通过黑钨矿在不同加载速度条件下的粉 碎试验 加载速度分别为1 0 和0 ．0 2m m ] s ，研究 了加载速度对料床粉碎的影响[ 引。结果表明载荷 大小、料床高度和颗粒粒度等条件相同时，快速加 载时比功耗大，而相应的破碎概率和细粒级产率较 低。其原因是物料颗粒对能量的吸收需要时间， 压力在料床内颗粒间传递有个过程。加载过快，部 分颗粒就来不及吸收能量而无法破碎。因此对高压 料床粉碎而言，加载速度不宜过快，要使料层保持 一定的受压时间。通过缓慢施压，能发生更多的破 碎事件，从而提高能量利用率。 高压料床粉碎希望的静压粉碎由于粉碎过程要 求物料连续输送而难以实现，实际上只能以较经济 的低速达到准静压粉碎。 1 ．6 料床重组 在料床粉碎过程中，当大颗粒物料被小颗粒物 料包围时，大颗粒接触点增多，应力较为分散。小 颗粒物料强度比大颗粒大，使得料床产生较大的抗 挤压能力。也就是小颗粒物料对大颗粒产生一定保 护作用，称为细粒效应，如图4 所示。 图4 细粒效应 F i g ．4 F i n eg r a i ne f f e c t 根据相关研究，在料床粉碎过程中采用料饼打 散、重组料床的方式，可以提升粉碎概率和能量利 用率[ 1 0 | 。在料床粉碎中，颗粒受力与其在料床中 所处位置有很大关系，即与料层的堆砌结构有关。 处于不利位置的颗粒将要求更高的压力才能被粉 碎，过分压实的料层加大了能量损失，能量利用率 会降低。 2 盘式辊压破碎机特性分析 目前典型的料床粉碎设备包括高压辊磨机、辊 式磨和筒辊磨等。其中高压辊磨机是典型的高压料 床粉碎设备，目前已经开始在金属矿山推广应用。 通过与这些设备比较，对盘式辊压破碎机进行特性 分析。 2 ．1 结构特征 与高压辊磨机的辊一辊结构、一级粉碎存在明 显边界效应不同，盘式辊压破碎机在结构上具有如 下特征1 采用类似轮碾机的盘一辊结构；2 多级 粉碎；3 料床边界受限。 高压辊磨机料层收缩特征值k 可用式 1 计 算。式中，匝为喂料厚度，h 。为料饼厚度，厶为粉 碎区长度，高压辊磨机简图见图5 。 K 庐∞广，f r 1 根据相关经验，辊子直径n 和料饼厚度存在 关系D r ／o ．0 1 5 ，而引入角A 。约为1 8 0 。于是， 如一0 ．3 2 。 盘式辊压破碎机粉碎过程如图6 所示。盘式辊 压破碎机料层收缩特征值可用式 2 计算。 K o d D ． 3 ／0 1 易 D 2 根据盘式辊压破碎机样机相关数据，其特征值 K o 一0 ．2 。也就是说，在喂料厚度与料饼厚度差相 同的情况下，盘式辊压破碎机粉碎区长度是高压辊 翕密 万方数据 2 0 1 4 年第6 期郎平振高压料床粉碎与盘式辊压破碎机7 3 K刭『八 L k／ 图5 高压辊磨机简图 F i g ．5G r i n d i n go fh i g hp r e s s u r er o l l e rn f i l l 图6 盘式辊压破碎机简图 F i g ．6G r i n d i n go fd i s kl o l l e rc r u s h e r 磨机的1 ．6 倍。 2 ．2 施力特征 盘式辊压破碎机在结构上类似于辊式磨。辊式 磨工作过程中，料床同时受到磨辊的压力和磨盘与 磨辊间相对运动产生的剪切力作用，如图7 所示。 物料经过快速、反复碾压，直到达到要求粒度。目 前立磨的平均压力为1 0 ～3 5M P a ，最大压应力为 4 0 ～6 0M P a ，最大压应力临界值为1 0 0M P a 。 高压辊磨机的粉碎过程近似于纯挤压过程，物 料只经过一次慢速、高压料床粉碎，如图8 所示。 目前高压辊磨机的平均压力为7 0 ～8 5M P a ，最大压 应力为1 4 0 1 7 0M P a ，当然其最大值还可以提高到 3 0 0M P a 以上。对于高压辊磨机来说，粉碎力高达 30 0 0 2 00 0 0k N ，单位辊宽粉碎力一般为8 0 1 6 0 k N ／c m 。 弋／ ’．Z 磨盘 图7 辊式磨工作原理 F i g ．7G r i n d i n go f r o l l e r m i l l 图8 高压辊磨机工作原理 F i g ．8P r i n c i p l eo fh i s hp r e s s u r em i l e rm i l l 对于辊式磨而言，磨辊轴线不通过磨盘中心 点，磨辊和磨盘接触部分各点的线速度就有了速度 差，料床受挤压和剪切作用。而对于盘式辊压破碎 机来说，磨盘和磨辊尺寸关系如图9 所示，磨辊轴 线通过磨盘中心点O ，这样磨辊和磨盘接触部分各 点的线速度就相等，就接近于对料床的纯挤压。这 一点更类似于高压辊磨机。 图9 磨盘和磨辊尺寸关系 F i g ．9R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s ka n dr o l l e rs i z e 对料床粉碎效果起决定性作用的是峰值压力， 即最大压应力％，它也是评价粉碎腔压应力分布 曲线好坏的主要指标。对于金属矿石的料床粉碎来 说，盘式辊压破碎机第3 级磨辊产生的最大压应力 必须达到1 5 0 ～3 0 0M P a 。为了粉碎初始阶段料床的 稳定，第2 级磨辊采用较低的最大压应力值5 0 ～ 1 2 01 , I P a 。第l 级磨辊为预粉碎，主动磨辊力很 小。给定第2 、3 级磨辊力，则根据粉碎腔内压应 力分布规律I n ] ，可以求出对应的最大压应力值。 盘式辊压破碎机采用并列双系统，磨辊宽度减 一瓤 盆 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 小一半，磨辊力减小一半。又采用串联三级破碎， 其中两级为料床粉碎。单个磨辊与料层的接触面积 减小，磨辊对料层的峰值压力大幅提高。与单级粉 碎相比，要达到同样的粉碎效果，即同样的最大压 应力值，多级粉碎的磨辊力可以大幅度降低。在相 同的入料粒度、处理能力和粉碎效果情况下，盘式 辊压破碎机最大单个磨辊力大约仅为高压辊磨机 的2 0 ％。 2 ．3 料床稳定性分析 盘式辊压破碎机料层收缩特征值仅为高压辊磨 机的6 2 ．5 ％，即在喂料厚度与料饼厚度差相同的情 况下，盘式辊压破碎机粉碎区长度是高压辊磨机的 1 ．6 倍。粉碎区长度延长，被挤压物料在粉碎区内 的流变行为更加稳定，将降低粉碎过程中的振动。 单级磨辊粉碎的物料压实前、后的料床厚度比 大，就不能施加过大的压力，否则物料会因“塌 落”而造成强烈的振动。而盘式辊压破碎机采用多 级破碎，每个磨辊辊压前后料层压缩比小，可以使 磨辊对物料施加更大的压力而又运转平稳。 加载速度也是影响料床稳定性的重要因素，试 验研究表明[ 1 2 ] ，与高压辊磨机辊面最大线速度1 ．5 m ／s 相比，盘式辊压破碎机磨盘最大线速度可达2 ．2 n g s ，这有利于提高设备处理能力。 2 ．4 对坚硬物料粉磨性分析 利用料床粉碎设备对坚硬的金属矿石进行粉 磨，要考虑三点1 足够大的粉磨力是粉碎金属矿 石的首要条件；2 经济可行的金属磨蚀量是设备能 够推广应用的前提；3 连续稳定的料床是降低设备 振动、提高设备寿命的重要措施。 盘式辊压破碎机能以较低的磨辊力对料层产生 很大的峰值压应力，同时连续稳定的料床使得盘式 辊压破碎机能够提高磨辊力以获得更高的峰值压应 力，以便破碎更坚硬的物料。与高压辊磨机和立磨 相比，磨辊和料层之间的滑移更小，所以磨辊和磨 盘磨损降低。盘式辊压破碎机更稳定的连续料床使 得运转更加平稳。 2 ．5 能量利用率分析 从前述施力体形状对能量利用率的影响来看， 盘式辊压破碎机采用的板一柱结构要比高压辊磨机 采用的柱一柱结构能量利用率高。盘式辊压破碎机 采用多级粉碎方式，在下一级粉碎前，能够对料床 重新分散、混合，形成新的堆砌结构，使能量利用 率获得提升。另外，盘式辊压破碎机料床边界受 限，边界效应小，能量损失少。 3 结论 盘式辊压破碎机第3 级磨辊最大压应力可以达 到15 0 ～3 0 0M P a ，其料层收缩特征值仅为高压辊磨 机的6 2 ．5 ％，最大单个磨辊力仅为高压辊磨机的 2 0 ％，边界效应较小。因此，用于破碎金属矿石， 在料床稳定性和能量利用率方面具有优势。 参考文献 [ 1 ] 李云龙，王淀佐．高压料层粉碎理论研究[ J ] ．长沙大学 学报，2 0 0 3 ，1 7 4 3 6 3 9 ． [ 2 ] S c h w e n d i n gG ．E s s a i se tc o n s i d 6 r a t i o n sr e l a t i f sa ub r o y o g e p a ra nr o u l e a up a s s a n ts u rl e l i td em a t i 6 r eab r o y e r [ J ] ．A u f b e r e i t T e c h n ，1 9 6 6 ，7 8 4 8 9 ． [ 3 ] l _ o o sH ．G e s e t z m i i l 3 i g k e i t e nd e rK o m z e r k l e i n e r u n gb e id e r B e a n s p r e c h u n g v o nS p l i t t k i ；m u n gd u r c hS c h l a g D r u c k u n dS c h e r k r i i f t ei mL a b o m t o r i u ml J ] ．A u t o b a h n ，1 9 7 0 ，2 1 4 1 3 1 1 3 9 ． [ 4 ] G o e l lG ，H a u s b r a n dJ ，S c h e i b eW J n v e s t i g a t i o n sc o n c e r n i n g t h es t r e s so n g r a i n f r a c t i o n su n d e r p r e v a i l i n gi m p a c t s t r e s s [ J ] ．A u P o e r e i t u n g s T e c h n i k ，1 9 8 0 ，2 1 5 2 3 1 ． [ 5 ] S c h 赫e r t K ．E n e r g e t i s c h eA s p e k t e d e sZ e r k l e i n e m s S p r o d e rS t o f f e [ J ] ．Z e m e n t - 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