閆樹軍，何邦貴，曾學(xué)淑，曲永江

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 前言

焦炭在高爐冶煉中起著熱源、還原劑和料柱骨架三大作用，隨著高爐大型化和氧煤強(qiáng)化煉鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，噴吹煤比逐漸上升，入爐焦比逐漸下降，其骨架作用就變得更為突出［1-2］，相應(yīng)對焦炭的質(zhì)量要求也會越來越高，裝煤堆密度和均勻度是影響焦炭質(zhì)量的重要因素，研究表明隨裝煤堆密度的提高，焦炭的抗碎強(qiáng)度M40增大，耐磨強(qiáng)度M10改善，因此提高煤料堆密度是改變冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度的有效措施［3］。

1 平煤裝置在焦炭生產(chǎn)中存在的問題

由焦化爐工作原理知，煤在焦化之前，通過入口加入到焦化爐內(nèi)，底層煤料在上層煤料自重作用下致密，其堆密度為750 kg/m3。一般6 m焦?fàn)t裝入煤的散密度上下之差約在180～200 kg/m3，散密度最高區(qū)域在正對裝煤口位置的炭化室底部。裝煤均勻性與裝入煤的散密度有關(guān)［4］，散密度不同，相同的爐溫下成焦速度不同，結(jié)焦時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力也不同，從而影響焦炭質(zhì)量。頂層煤料，缺乏外力作用，煤層比較疏松，堆密度從正對裝煤口位置向兩邊逐漸降低，疏松煤層焦化后其焦炭冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度和反應(yīng)后強(qiáng)度都達(dá)不到要求。

平煤機(jī)構(gòu)是推焦機(jī)的重要組成部分，直接影響煤堆密度和均勻度，其工作原理如圖1所示，當(dāng)裝煤車的裝煤量達(dá)到一定程度，平煤機(jī)構(gòu)開始工作，小爐門被打開，平煤桿伸進(jìn)炭化室通過往復(fù)運(yùn)動將煤推平。

圖1 平煤裝置的工作原理簡圖Fig.1 Working principle of coal-flatting device

日本鋼管福山鋼鐵廠煉焦車間通過軟件對平煤定時(shí)，增加炭化室的平均裝煤量和降低波動［5］;酒鋼焦化廠采用有較強(qiáng)滾動壓煤能力的平煤桿，提高了炭化室頂部煤層的堆密度，增加了單孔裝煤量，并減少了平煤桿往外帶煤量［6］;邢臺鋼鐵有限公司利用拉筋板來擠壓煤料［7］。這些改進(jìn)對頂層煤堆密度增加都有一定的改進(jìn)，但因只作用于頂層表面極薄的一層，影響深度有限。

2 滾壓裝置的改進(jìn)

研究表明，多數(shù)專家都在通過改進(jìn)平煤桿來提高裝煤堆密度和均勻度，但效果都不明顯。相對于振動與搗固，滾壓裝置是最有效的。

原滾壓裝置是把壓縮氣缸固定在平煤桿上，如圖2所示，此時(shí)活塞桿受到很大的彎矩，這是不允許的;另外這種結(jié)構(gòu)滾筒半徑受到很大限制，要小于平煤桿高度的1/3(滾筒半徑最大時(shí)氣缸的最大行程P與滾筒半徑R和平煤桿的高度H之間的關(guān)系式為P=R，且H=2R+P)。

為避免活塞桿承受彎矩，將氣缸改為繞尾軸擺動，變?yōu)閯油?，?gòu)成曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)在平煤桿上有兩種安裝方式，如圖3a、圖3b所示，使用過程中發(fā)現(xiàn)在滾壓裝置功能失效時(shí)，圖3a方案會通過平煤口的反作用力收起滾筒而順利收回平煤桿，圖3b方案平煤桿將被卡在炭化室內(nèi)，會毀壞整個(gè)設(shè)備。分析兩種安裝形式功能失效時(shí)的受力情況如圖4所示，R是平煤口對滾筒的作用力，R1和R2的是R的兩個(gè)分力，同時(shí)也是滾筒對兩個(gè)連桿的作用力，圖4a的R1方向是活塞桿的收回方向，圖4b的R1方向是活塞桿的伸出方向。如果出現(xiàn)平煤作業(yè)完畢滾筒不能自動收回，圖4a方案能夠順利通過平煤口使平煤桿收回，圖4b方案不能。因此，選用圖3a所示方案更為合適。

圖3a方案的優(yōu)點(diǎn)是:(1)產(chǎn)生的滾壓力比較大，如圖5所示，在平煤桿伸出工作時(shí)，由分析可以看出滾筒將產(chǎn)生巨大的滾壓力;(2)滾筒的半徑可以較大(不能超過平煤桿高度的1/2)，在平煤次數(shù)一定的情況下，可以更大的提高單爐裝煤量，提高頂層煤堆密度;(3)壓縮氣體只提供壓力，并不消耗，所以工作中排放氣體少，對環(huán)境污染少;(4)作業(yè)過程中滾筒的滾壓力由平煤桿的自重給予，不會因增加設(shè)備而使整體設(shè)備承受重量增加。

3 平煤效果分析

以短行程平煤來評價(jià)設(shè)備改造后的平煤效果，由圖1知有三個(gè)裝煤口，為達(dá)到平煤均勻可安裝三套滾壓裝置，如圖6所示。第一個(gè)進(jìn)給行程令其達(dá)到最大，返回時(shí)距離炭化室壁約1/3的長度，接下來再以約1/3的長度進(jìn)行兩次往復(fù)平煤，然后收回，總行程長度為97300 mm，平煤的平均速度為60 m/min，則平煤時(shí)間為97.3 s，在80～120 s內(nèi)，整個(gè)過程滾壓裝置進(jìn)行了7次往復(fù)的滾壓作業(yè)。

根據(jù)每次滾壓所形成的裝煤空間可以計(jì)算出單爐增加的裝煤量，也可以估算出頂層堆密度的增加量。滾筒半徑158 mm，滾筒長度200 mm，每次滾壓行程的裝煤空間為0.158×0.2×16=0.5056 m3，頂層煤堆密度680 kg/m3，所以總裝煤增加量為0.68×0.5056×2×7=4.813312 t。但由于結(jié)構(gòu)限制，滾壓裝置不可能運(yùn)行到炭化室兩端的頂點(diǎn)，故增加量要稍少，保守估計(jì)為4000 kg。

圖6 滾壓裝置布置圖Fig.6 Distribution of rolling depression devices

由于滾壓裝置對煤層的影響深度很難考量，可由平均堆密度來考察，為改善前平均堆密度與炭化室容量的積與增加裝煤量之和再比上炭化室容量得到，代入數(shù)值得平均堆密度為833 kg/m3，原平均堆密度為750 kg/m3，可見滾壓裝置對煤料堆密度的提高是明顯的。

不同裝煤堆密度對焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的影響是隨著裝煤堆密度的增加呈先大幅度增加后又趨于平緩的趨勢，當(dāng)堆密度從720 kg/m3增大至900 kg/m3時(shí)，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度隨著裝煤堆密度呈明顯增大;當(dāng)焦炭堆密度從900 kg/m3增大至1120 kg/m3時(shí)，反應(yīng)后強(qiáng)度趨于平緩，如圖7所示［3］。由此可知經(jīng)過改造后焦炭的質(zhì)量有了很大的提高。

圖7 反應(yīng)后強(qiáng)度與堆密度之間的關(guān)系Fig.7 Intensity versus density after coke creation

由于增加了裝煤量，相應(yīng)地提高了生產(chǎn)率，扣除堆密度對焦化時(shí)間的影響，生產(chǎn)效率提高的百分比為增加裝煤量與原來裝煤量的比值，11.1%。由此可見，滾壓裝置的改進(jìn)對生產(chǎn)效率有很大的提高。

4 結(jié)論

滾壓裝置在平煤桿上的合理應(yīng)用能大大提高平煤效果，使頂層煤的堆密度提高到820 kg/m3以上，單爐裝煤量增加4000 kg以上，扣除堆密度對焦化時(shí)間的影響，生產(chǎn)效率提高10%以上。

［1］ 孟慶波，張孝天．高爐噴煤對焦炭質(zhì)量的要求及改善焦炭質(zhì)量的途徑［J］．煉鐵，2000，19(6):23－26．

［2］ 張壽榮，畢學(xué)工．關(guān)于大量噴煤高爐的某些理論問題的思考［J］．鋼鐵，2004，39(2):8－13．

［3］ 周盡暉，李懷遠(yuǎn)．裝煤堆密度對焦炭質(zhì)量的影響［J］．燃料與化工，2003，34(2):68－70．

［4］ 曹銀平．寶鋼6 m焦?fàn)t頂裝煤特性及技術(shù)研究［J］．寶鋼技術(shù)，2005(2):38－40．

［5］ 平野博義，郭景華．更改平煤定時(shí)以增加裝煤量［J］．國外煉焦化學(xué)，1990，9(6):35－38．

［6］ 黃雄立．可滾動壓煤的平煤桿［J］．燃料與化工，2001，32(2):76－76．

［7］ 邢臺鋼鐵有限公司．推焦車用平煤桿［P］．中國專利:200420016378.2，2005－08－31．