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第 29 卷增刊 1 2020 年 6 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol . 29 , Suppl 1 June 2020 收稿日期 2020‐02‐10 责任编辑 宋菲 第一作者简介 吴永刚(1985 - ) , 男 , 硕士 , 工程师 , 主要从事烧结工艺研究及实践工作 , E‐mail wabbgrimm@ 126 . com 。 通讯作者简介 王晓波(1989 - ) , 男 , 汉族 , 安徽巢湖人 , 硕士 , 主要从事振动理论及振动粉碎技术研究 , E‐mail wangxiaobo@ bgrimm . com 。 引用格式 吴永刚 , 宫文祥 , 刘广涛 , 等 . 烧结燃料焦炭细碎工艺优化研究与实践[J] . 中国矿业 , 2020 , 29(S1) 367‐371 . doi 10 . 12075/j . issn . 1004‐4051 . 2020 . S1 . 005 烧结燃料焦炭细碎工艺优化研究与实践 吴永刚1,宫文祥1,刘广涛1,王晓波2,刘方明2 (1 .包头钢铁(集团)有限责任公司 ,内蒙古 包头 014010 ; 2 .北京凯特破碎机有限公司 ,北京 100160) 摘 要 烧结是钢铁冶金工业的重要工艺 , 烧结燃料粒度分布对烧结工艺有重要影响 。 烧结燃料多为干 馏焦炭 , 需经破碎工艺处理才能形成配料 。 目前 , 多数烧结燃料焦炭破碎通过“对辊破碎机粗碎‐四辊破碎 机细碎系统”两段破碎工艺处理 。 生产实践中 , 该工艺存在流程复杂 , 控制环节多 , 辊面易偏磨 , 粒度偏大 等问题 , 不仅维护成本高 , 还严重影响后续烧结工艺品质 。 利用惯性圆锥破碎机可有效实现振动破碎作 用 , 形成一段破碎 , 产品粒度大幅改善 ; 同时可通过调节频率 、 间隙偏心惯量方便实现破碎过程可控可调 , 能满足不同生产原料 、 不同生产工艺的粒度要求 , 生产成本低 , 具有良好的生产性能 。 关键词 焦炭破碎 ;振动破碎 ;惯性圆锥破碎机 ;稳定性 ;节能降耗 中图分类号 TD451 ; TH113.1 文献标识码 A 文章编号 1004‐4051(2020)S1‐0367‐05 Research on optimization of sintering coke fine crushing process WU Yonggang1,GONG Wenxiang1,LIU Guangtao1,WANG Xiaobo2,LIU Fangming2 (1 .Baotou Iron and Steel(Group) Co. ,Ltd. ,Baotou 014010 ,China ; 2 .Beijing Kaite Crusher Co. ,Ltd. ,Beijing 100160 ,China) Abstract Sintering is the primary process of iron making process ,and the particle size distribution of sintering fuel has an important influence on the sintering process . The sintering fuel is mostly coke from dry distillation , which should be processed by the crushing process to the ingredients . At present , most of the sintered fuel coke is crushed by a two‐stage crushing process of “two‐roll‐crusher‐four‐rollr‐crusher system” .In the production practice ,the process has some problems ,which not only result in high maintenance cost , but also seriously affects the quality of the subsequent sintering process , such as complex processes , many control links ,regular eccentric wear of the roll surface ,and large particle size of the production . To optimize production processes , the inertia cone crusher can be used to improve the vibration crushing effect effectively , simplify the crushing process , and optimize the product granularity . By changing the frequency and the gap eccentric inertia , the crushing process can be controlled and adjusted , which can meet different granularity requirements of different production materials and different production processes with low production cost and good production perance . Keywords coke crushing ;vibrating crushing ;inertia cone crusher ;stability ;energy saving 0 引 言 烧结过程是将含铁原料 、熔剂以及燃料按一定 比例混合 , 并利用一定数量的水 , 通过混合或者造球 后在专用设备上发生相应的物理变化与化学变化 , 形成块状炼铁原料 。 其中 , 烧结燃料的主要功能提 供热量 。 为保证烧结过程的品质 , 对不同物料的配 比 , 物料的粒度分布等原料特性均有一定要求 [1] 。 煤炭作为燃料主要为高炉筛下焦粉和无烟煤 。 一般情况下 , 对燃料的要求是碳含量高 、 灰分低 、挥 发分低 、 含硫低 、成分稳定 、含水小于 10% , 粒度小 中 国 矿 业第 29 卷 于 3 mm 的占 95% 以上 。 若燃料粒度过大 , 会导致 多种技术问题 , 比如燃烧带变宽 、烧结料透气性变 化 、 烧结反应不均匀 , 大块燃料燃烧不充分造成资源 浪费 、 易产生布料偏析问题 , 导致烧结层温差过大 ; 粒度过细也会带来多种不良影响 , 降低料层的透气 性 , 燃烧速度过快使得燃烧带过薄 , 影响烧结强度 , 因此也同样限制过粉碎料的占比 。在一些情况下 , 为 避免过粉碎 , 适当放宽上限 。多数情况下 , 0 ~ 0 . 5 mm 的过粉碎的粒级难以避免 , 对于细粒级含铁原料 , 细 粒级燃料增加影响不明显 [2‐3] 。 许多钢厂采用焦炭作为烧结燃料 , 作为煤干馏 的产物 , 碳含量高 、 成本低 , 但粒度较大 , 一般需经过 破碎加工后形成不同粒级产品 , 经配料后才能作为 烧结燃料 。 目前多数钢厂烧结原料采用“对辊破碎 机粗碎‐四辊破碎机细碎”的两段破碎处理 , 配套自 动控制技术 , 常常由于配料不均匀导致辊式破碎机 辊面磨损不均匀 , 因而造成破碎产品品质差 , “车辊” 修复工作量大 。 同时 , 在一些严寒地区 , 烧结燃料由 于含水结冰形成大块物料 , 超过辊式破碎机的进料 要求 , 发生“膨料”问题 , 导致设备无法正常工作 。 为改进上述问题 , 包头明拓集团与包头钢铁集 团某烧结生产线分别以惯性圆锥破碎机为核心设备 对其切焦线进行了优化提升 , 利用振动破碎过粉碎 少 , 挤满给料无需配料的特点 , 不仅解决了传统“辊 式破碎机粗碎‐四辊破碎机细碎系统”的上述技术缺 陷 , 配套变频控制技术以及料位自动控制系统 , 突出 振动破碎过程与工作频率相关性大的特点 , 可方便 高效的控制破碎过程 , 根据原料及时调整破碎过程 , 控制产品的粒度分布 , 满足不同生产工艺关于燃料 粒度的技术要求 。 本文分别对两种处理工艺进行讨 论 , 通过对其结构特点与破碎原理分析 , 明确烧结燃 料粉碎工艺技术改进的关键技术 , 为相关工业生产 提供技术支撑 。 1 内蒙古某烧结燃料处理工艺概况 烧结燃料破碎工艺是保证烧结矿品质的重要环 节 。 为降低烧结成本 , 多采用价格低的小粒度干馏 焦炭 , 小粒度干馏焦炭进料标准为大于 5 mm 占比 达到 92% 以上 。 内蒙古某烧结厂烧结燃料为小粒 度干馏焦炭和焦粉 。 与多数钢厂类似 , 内蒙古某公 司原有烧结工艺采用“对辊破碎机粗碎‐四辊破碎机 细碎系统”两段破碎工艺加工后 , 经筛分配料后形成 烧结燃料 , 破碎工艺如图 1 所示 。 内蒙古某烧结生产线采用“对辊破碎机粗碎‐四 辊破碎机细碎系统” , 其中两个破碎设备为 1000 1200 型对辊破碎机以及 1000 1200 型四辊破碎 图 1 辊式破碎机破碎工艺流程图 Fig . 1 Crushing technology process of roller crusher 机 。 小于 25 mm 原料先进入对辊破碎机进行一段 破碎 , 出料小于 10 mm , 再进入四辊破碎机 , 细碎形 成产品 。 辊式破碎机的破碎原理为两个辊面相对运动 , 挤压破碎进入辊间的物料 , 破碎物料沿对辊运转方 向被排除设备形成产品 。 物料与两个辊子接触点的 切线所形成的角度称为啮合角 , 显然物料越大 , 其啮 合角也越大 。 对于堆比重小(如烧结燃料焦炭堆比 重 0 . 8)的物料 , 其可以经过辊间的条件 , 物料与辊 子的接触力在竖直方向的分力 FNsin0 . 5α(式(1)) 小于摩擦力 Ff(式(2))在竖直方向的分力 FNcos0.5α (忽略重力作用)。 FNsin0 . 5α< Ffcos0 . 5α(1) Ff= μFN (2) 式中 ,μ为物料与辊间的摩擦系数 。 结合式(1)、式 (2)可得式(3)。 tan0 . 5α< μ (3) 式(3)为物料能通过辊间被破碎的条件 。 焦炭 由于其分子机构特点 , 与钢铁材料间摩擦系数一般 较小 。 烧结燃料用焦炭与辊子的摩擦系数一般不超 过 0 . 5 , 多数情况下远不及 0 . 5 。 大块的烧结燃料焦 炭常常难以顺利进入辊间被破碎 , 发生由于大块物 料造成的“膨料”现象 , 影响破碎效果 。 在一些地区 , 为避免焦炭堆积发生自燃问题 , 常常采取淋水的方 法实现物料降温 , 在气温较低时 , 由于结冰 , 产生大 块物料 。 内蒙古某集团某烧结生产线以精煤粉或者 小粒干馏焦炭为烧结燃料 , 由于温度 、 含水量等因素 影响 , 烧结燃料易发生结块现象 , 产生大于 40 mm 以上的物料 。 对于 1200 1000 型对辊破碎机 , 由于 其工作原理与结构特点 , 物料啮合角与其粒度相关 , 在处理 40 mm 以上物料时 , 破碎效果较差 , 甚至堵 塞入料口 。 辊式破碎机由于其工作特点 , 要求物料入料均 863 增刊 1吴永刚 ,等 烧结燃料焦炭细碎工艺优化研究与实践 匀 , 否则容易发生偏磨现象 , 使得破碎辊面间隙沿轴 向变化 , 如图 2 所示 。 为保证辊面连续工作 , 要求沿辊面均匀给料 , 在 经过一段时间运行后 , 常常因为给料系统以及配料 器控制偏差 , 或者辊轴安装平行度差控制不足 , 造成 辊面偏磨等故障 , 导致产品中小于 5 mm 的粒级占 比仅达到 50% 左右 , 根本无法满足生产要求 。 对辊 破碎机作为粗碎设备 , 故障率较高 , 辊面偏磨时常发 生 , 如图 2 所示 , 使得物料无法实现破碎 , 物料几乎 没有得到破碎即进入四辊破碎机 , 为保证粒度 , 四辊 破碎机需分别设置上下辊间隙 , 导致产量降低 。 由 于辊式破碎机采用挤压破碎的工作原理 , 物料在破 碎腔受到挤压发生形变 , 多形成片状大块物料 , 厚度 小 , 即使经过 3 mm 以下辊式破碎机间隙 , 但长宽尺 寸偏大 , 如图3 所示 , 总体产品粒度仍然偏大 。内蒙古 某集团某烧结生产线利用“对辊破碎机粗碎‐四辊破 碎机细碎系统”工艺处理干馏焦炭产品粒度见表 1 。 图 2 辊面发生偏磨 Fig . 2 Eccentric wear of roller surface of roller crusher 图 3 辊式破碎机扁平状产品 Fig . 3 Flat material produced by roller crusher 表 1 辊式破碎机与惯性圆锥破碎机粉碎系统产品粒度 Table 1 Particle size distribution of products by crushing system of roller crusher and inertia cone crusher 粒度区间/ mm 辊式破碎机 粒度/mm 惯性圆锥破碎机粒度/mm 间隙 37 mm 频率 42 Hz 间隙 37 mm 频率 38 Hz 间隙 32 mm 频率 42 Hz > 5湝20 . 38谮. 013圹. 112乔. 5 3 ~ 5北32 . 328镲. 927圹. 429乔. 5 1 ~ 3北17 . 429镲. 324圹. 427乔. 4 < 1湝30 . 033镲. 835圹. 130乔. 6 然而 , 粒度是烧结燃料的关键技术参数 。 由于 烧结燃料粒度偏大 , 造成烧结布料偏析 , 大颗粒燃料 富集于台车底部 , 底部燃烧热量发散不及时 , 造成台 车炉篦条烧损严重 ; 同时 , 表层燃料比例小 , 表面返 矿层厚 , 返矿比例高 , 每年由于返矿原因增加生产成 本达 144 万元以上 ; 燃料单耗高 , 烧结矿燃料单耗超 过 62 kg/t , 生产成本大 ; 由于燃烧不充分 , 烧结矿易 结大块 , 常常造成二次事故 。 同时 , 为保证对辊破碎机的生产产品连续性 , 需 要保证给料的均匀性 , 对于“对辊破碎机粗碎‐四辊 破碎机细碎系统”的两段破碎工艺 , 控制环节多 , 生 产成本高 , 不计人工成本 , 每年仅破碎设备备件量达 到 290 万元以上 。 总体看来 , “对辊破碎机粗碎‐四辊破碎机细碎 系统”的两段破碎工艺处理烧结燃料存在以下技术 问题 ① 为保证生产的连续性 , 辊式破碎机要求均匀 给料 , 否则生产环节破碎辊辊面易发生偏磨 ; 因辊面 偏磨发生的维护成本高 ;② 破碎工艺为两段破碎 , 辅 助配套给料皮带 、给料器等 , 生产环节与控制环节 多 , 故障率高 , 破碎工艺运行成本高 ;③ 破碎比小 , 入 料粒度要求严格 , 对不同物料适应性差 ;④ 产品形状 呈片状 , 虽然通过较小辊间距离的破碎腔 , 片状物料 仍可通过破碎腔 , 导致产品粒度大 ;⑤ 由于产品粒度 差易造成烧结工艺品质低等问题 , 增加了整个烧结 工艺的生产成本 。 2 燃料破碎工艺优化 为解决该破碎系统的技术问题 , 增加破碎工艺 效率 , 优化烧结燃料配比 , 提升烧结工艺品质 , 内蒙 古某集团某烧结生产线与矿冶科技集团有限公司对 口部门开展技术合作 , 立足于振动破碎过程破碎比 大 、 过粉碎少 、 挤满给料的特点 , 通过改造惯性圆锥 破碎机的相关结构 , 匹配特定技术参数 , 利用 GYP 系列惯性圆锥破碎机实现烧结燃料焦炭的高效破 碎 , 优化烧结燃料破碎工艺 。 GYP 系列惯性圆锥破 碎机结构简图如图 4 所示 [4] , 利用偏心块高速旋转 产生离心力 , 驱动工作部件的主轴高频往复摆动 , 耐 磨件之间形成的物料受到振动冲击作用 , 实现振动 破碎作用 ; 破碎过程产品粒度均匀 , 过粉碎少 , 破碎 比大 , 在矿物加工领域可作为破碎工艺的核心设备 , 有效简化三段 、 四段等破碎段工艺流程 , 能耗较普通 圆锥破碎机能耗降低一半左右 , 在水泥 、 制砂 、耐火 材料 、 陶瓷 、 粉末冶金等领域具有重要应用 [5] 。 改造 后生产工艺如图 5 所示 。 为提高生产线的自动化程度 , 为该设备配备了 料位自动控制系统 ; 为适应不同物料的破碎需求 , 利 963 中 国 矿 业第 29 卷 图 4 惯性圆锥破碎机 Fig . 4 Inertial cone crusher 图 5 惯性圆锥破碎机粉碎烧结燃料工艺 Fig . 5 Grinding technology process of sintering fuel by inertia cone crusher 用变频器控制电机转速 。 GYP 系列惯性圆锥破碎 机要求挤满给料 , 料仓可方便全密封 , 有效避免落尘 二次污染 , 系统扬尘点少 , 有利于改善职工工作环 境 。 设备运行后 , 进行了调频试验 , 观察了多种频率 工况下的物料情况 。相关数据见表 1 。将表 1 所列数 据形成折线图 , 如图 6 所示 , 破碎料样如图 7 所示 。 基于惯性圆锥破碎机的结构原理 , 以及表 1 数 据和图 6 数据 , 得到以下结论 ① GYP 系列惯性圆 锥破碎机产品粒度细 , 5 mm 以下物料占比大 , 明显 优于“对辊破碎机粗碎‐四辊破碎机细碎系统”产品 粒级 ;② GYP 系列惯性圆锥破碎机工作频率越大 , 产品粒度越细 ; 基于此 , 可方便通过变频器控制产品 粒度分布 , 满足不同工艺的燃料粒度需求 ;③ GYP 系列惯性圆锥破碎机工作间隙越大 , 产品粒度越细 ; 这是由于 , 间隙越大 , 动锥的摆幅越大 , 产生较为剧 烈振动破碎作用 ;④ GYP 系列惯性圆锥破碎机可通 过联合调解频率 、 工作间隙控制产品粒度大小 , 破碎 过程可控可调 。 经过改造后 , GYP 系列惯性圆锥破碎机破碎后 图 6 惯性圆锥破碎机辊式破碎机粉碎工艺对比 Fig . 6 Comparison of grinding technology process between roller crusher and inertia cone crusher 图 7 惯性圆锥破碎机粉碎烧结燃料产品 Fig . 7 Sintering fuel produced by inertia cone crusher 大于 5 mm 粒级控制在 10% 左右 , 明显降低烧结燃 料粒度 , 固体燃耗可降低至 60 kg/t 以下 , 可节省燃 料成本 0 . 85 元/t 。 预计年节约燃料成本 466 万元 。 同时 , 现有“对辊破碎机粗碎‐四辊破碎机细碎”系统 备件维护量大 , 2018 年仅辊皮消耗备件费 290 万 元/a 。 改为惯性圆锥破碎机后 , 备件费预算 40 万 元 , 年节约备件费 250 万元 。 维护人工成本降低 29 万元 。 进一步的 , 项目建成后 , 可解脱操作人员配 置 , 节省人工成本约 80 万元 。 综述 , 预计每年可产 生经济效益 969 余万元 。 3 结 论 通过工业应用与实践 , 可认为 GYP 系列惯性 圆锥破碎机具有良好的振动破碎作用 , 可有效果处 理烧结燃料焦炭 , 破碎产品能满足内蒙古某集团某 烧结生产线的作业要求 。 对比辊式破碎机的两段破 碎系统 , 可总结以下几方面内容 。 073 增刊 1吴永刚 ,等 烧结燃料焦炭细碎工艺优化研究与实践 1) 由于 GYP 系列惯性圆锥破碎机的大破碎 比 , 可有效简化烧结燃料破碎工艺流程 , 将原有的两 段破碎简化为一段破碎 , 减少辅助设备配置 , 简化控 制环节 , 降低故障率 。 2) GYP 系列惯性圆锥破碎机具有良好的振动 破碎作业 , 挤满给料 , 避免均匀给料辅助设备 , 配置料 位自动控制系统 , 可有效提升生产线的自动化水平 。 3) 由于振动破碎作用 , 过粉碎少 , 产品粒度小 , 立方状粒形产品占比大 , 能够良好的满足烧结工艺 对烧结燃料的粒度要求 。 4) GYP 系列惯性圆锥破碎机可通过工作频 率 、 间隙 , 以及偏心惯量调节破碎作用 , 破碎过程可 控可调 , 对不同的生产原料 、 生产工艺的不同粒度要 求具有良好的适应性 。 参考文献 [1 ] 刘自民 , 金俊 , 武轶 , 等 . 固体燃料和熔剂粒度对烧结生产影响 的试验研究[J] . 烧结球团 , 2015 , 40(4) 16‐19 . 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