劉志廣 李書(shū)磊 朱旭甫 郭存紅 馮博文

（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：中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039；3：中實(shí)洛陽(yáng)重型機(jī)械有限公司 河南洛陽(yáng) 471041）

1 前言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵礦燒結(jié)取得了前所未有的進(jìn)步，期間建成的燒結(jié)機(jī)大都朝著大型化、節(jié)能化的方向發(fā)展。大型燒結(jié)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯，低溫?zé)Y(jié)、厚料層燒結(jié)等新工藝的應(yīng)用在改善燒結(jié)礦強(qiáng)度，提高成品率的同時(shí)，還能夠大幅度降低能耗，改善環(huán)境指標(biāo)［1］。

混合料制粒是燒結(jié)工藝的重要環(huán)節(jié)，其目的是通過(guò)混勻、加水潤(rùn)濕和制粒，得到成分均勻、粒度適宜、具有良好透氣性的燒結(jié)混合料［1］。隨著厚料層燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用，強(qiáng)化制粒效果，改善燒結(jié)料透氣性成為了混合制粒工藝的重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外燒結(jié)廠所采用的原料混合設(shè)備均為圓筒混合機(jī)，這種設(shè)備具有生產(chǎn)能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、日常維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。隨著燒結(jié)機(jī)的大型化（260～660m2），圓筒混合機(jī)亦逐漸大型化。從近幾年的發(fā)展看，圓筒混合機(jī)的規(guī)格已經(jīng)從φ3.2X12m、φ3.8X16m、φ4X18m擴(kuò)展到φ4.6X20m、φ5.1X24.5m、φ5.1X28m等規(guī)格，據(jù)國(guó)外資料介紹，國(guó)外最大規(guī)格圓筒混合機(jī)已達(dá)到φ6X36m［2］。

面對(duì)日趨復(fù)雜的原料配比，越來(lái)越高的燒結(jié)混合料性能要求，以及種類繁多的圓筒混合機(jī)規(guī)格，選擇合適的圓筒混合機(jī)就顯得尤為重要。

圖1 圓筒混合機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 厚料層燒結(jié)新技術(shù)

隨著燒結(jié)工藝的發(fā)展，厚料層燒結(jié)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是＂燒結(jié)料層自動(dòng)蓄熱原理＂，生產(chǎn)實(shí)踐表明：厚料層燒結(jié)能夠改善燒結(jié)礦強(qiáng)度，提高成品率，降低固體燃料消耗和總熱耗，降低FeO含量并提高還原性等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，因?yàn)榱蠈拥暮穸仍黾樱矊?dǎo)致了燒結(jié)速度降低。主要原因有以下4點(diǎn)：①料層提高（加厚），空氣通過(guò)料層的路徑延長(zhǎng)，壓力損失增大；②隨著料層厚度增加，在料層的重力作用下，下部料被壓緊，導(dǎo)致空氣阻力增加；③在料溫較低的情況下，容易產(chǎn)生過(guò)濕，導(dǎo)致透氣性惡化；④料層提高（加厚）后，高溫熔融層厚度相對(duì)增加，也將造成阻力增加。故在增加料層厚度的同時(shí)，還需要改善燒結(jié)混合料的透氣性，才能減少厚料層燒結(jié)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，保證燒結(jié)速度和質(zhì)量［3］。

除了優(yōu)化配料結(jié)構(gòu)［3］、增加（利用）蒸汽在混合機(jī)內(nèi)預(yù)熱混合料，提高料溫［4］等措施以外，還通過(guò)增加強(qiáng)力混合機(jī)［5］、延長(zhǎng)混合制粒時(shí)間等措施強(qiáng)化混合效果，增加物料的粒度、強(qiáng)度，達(dá)到增加料層透氣性的目的。

3 各工藝參數(shù)關(guān)系

混合制粒的過(guò)程受很多因素的影響，對(duì)應(yīng)不同的原料成分、配比，通過(guò)制粒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和探索，能得出水分、填充率、處理量、轉(zhuǎn)速、以及混合時(shí)間的最佳匹配范圍。如太鋼通過(guò)調(diào)整混合料水分，調(diào)整料層高度，調(diào)整主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門開(kāi)口度改善制粒效果，混合料中大于3mm部分由58%左右增加到70%以上，混合料透氣性增強(qiáng)［6］。

另外，為適應(yīng)燒結(jié)機(jī)處理量的變化，保證工藝參數(shù)最優(yōu)化，采用液壓馬達(dá)傳動(dòng)或變頻調(diào)速技術(shù)，提高混合、制粒的效率，以保證制粒效果，提高混合料透氣性［4］。

4 選型計(jì)算

根據(jù)燒結(jié)工藝，確定混合機(jī)處理量Q混、混合時(shí)間T、填充率φ等初始參數(shù)，并根據(jù)上述工藝參數(shù)，對(duì)圓筒混合機(jī)進(jìn)行選型。

4.1 初始條件

4.1.1 混合機(jī)處理量Q混

其中：Q混-混合機(jī)每小時(shí)處理量，t；

q水-混合料的含水量，%；

q返-混合料的返礦量比例，%；

Q-各種鐵原料、溶劑和燃料的用量，t。

q水、q返-一般根據(jù)試驗(yàn)或者類似燒結(jié)廠（混料機(jī)）的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先確定。

4.1.2 混合時(shí)間T

混合時(shí)間與原料的種類有關(guān)，成球性好的燒結(jié)料混合時(shí)間短，成球性很差的即時(shí)延長(zhǎng)了混合時(shí)間效果也不顯著。某些廠的混合時(shí)間較長(zhǎng)，如寶鋼某燒結(jié)廠除增加的一次強(qiáng)力混合機(jī)外，僅二次、三次圓筒混合機(jī)的混合制粒時(shí)間就達(dá)到8.2min。

加長(zhǎng)混合時(shí)間，將增加投資，因此適宜的混合時(shí)間應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，混合時(shí)間一般可定為不少于5min，其中一次混合約2min，二次混合約3min［7］。

4.1.3 填充率φ

填充率是指筒體內(nèi)物料平均橫截面積站筒體有效面積的百分比，它對(duì)產(chǎn)量、混勻和制粒效果均有很大影響。填充率過(guò)大，在轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間不變的情況下，雖然可以提高產(chǎn)量，但此時(shí)料層加厚，混合料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不佳，不能獲得適宜的運(yùn)動(dòng)軌跡，會(huì)對(duì)混勻和制粒產(chǎn)生不良影響；填充率過(guò)小，生產(chǎn)率不能滿足生產(chǎn)需要［8］。

對(duì)于不同直徑的圓筒混合機(jī)，制粒效果達(dá)到最佳時(shí)，填充率和費(fèi)勞德準(zhǔn)數(shù)Fr分別為φ11～14%；Fr＝5.4×10-3～4.2×10-3，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最佳制粒效果下的填充率φ將下降［9］。

4.1.4 筒體直徑D、長(zhǎng)度L

混合機(jī)筒體直徑D、長(zhǎng)度L既是決定混合機(jī)生產(chǎn)能力大小的主要參數(shù)，又直接關(guān)系到混勻和制粒效果。直徑D可以影響轉(zhuǎn)速n、填充率φ和混合時(shí)間T，長(zhǎng)度主要影響混合時(shí)間T，增加長(zhǎng)度，也就加長(zhǎng)了混合時(shí)間T［10］。

長(zhǎng)徑比i長(zhǎng)徑比：

4.1.5 筒體斜度α

筒體傾斜角α也直接影響混合時(shí)間，傾角大，混合時(shí)間短。

表1是某廠采用的圓筒混合機(jī)參數(shù)選擇規(guī)范。

表1 圓筒混合機(jī)參數(shù)選擇規(guī)范（日立造船）［10］

因本文主要為圓筒混合機(jī)的選型設(shè)計(jì)，處理量Q混根據(jù)物料平衡已經(jīng)確定，混合時(shí)間T和填充率φ可以根據(jù)試驗(yàn)或者以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，故Q混、T、φ設(shè)為已知量。

4.2 選型計(jì)算

4.2.1 運(yùn)行過(guò)程中筒體內(nèi)的物料體積V物

其中：V物-運(yùn)行過(guò)程中混合機(jī)筒體內(nèi)物料體積，t。

q-運(yùn)行過(guò)程中混合機(jī)筒體內(nèi)物料重量，t。

ρ-混合料堆密度，t／m3。

4.2.2 筒體總體積V

其中：V-筒體總體積，m3。

φ-筒體填充率，%。

4.2.3 筒體直徑D

筒體總體積：

將公式（2）代入公式（6），公式（5）、（6）聯(lián)立，得到：

將公式（3）、（4）、（5）代入公式（7），得到：

對(duì)半徑R根據(jù)表2就近選取優(yōu)先級(jí)數(shù)R優(yōu)先級(jí)數(shù)，進(jìn)而得到圓筒混合機(jī)的直徑：

表2 優(yōu)先數(shù)系的基本系列部分?jǐn)?shù)值［11］

優(yōu)先數(shù)系是一種十進(jìn)制的等比數(shù)列，數(shù)列中1～10，10～100，100～1000等稱為十進(jìn)段，每個(gè)十進(jìn)段中的項(xiàng)數(shù)都是相等的，相鄰段對(duì)應(yīng)數(shù)值只是擴(kuò)大或縮小10倍［11］。

因?yàn)閮?yōu)先數(shù)系是等比數(shù)列，所以同一個(gè)數(shù)系中小尺寸段數(shù)據(jù)比較密，數(shù)值越大，數(shù)據(jù)越稀疏，所以把混合機(jī)筒體直徑的實(shí)際計(jì)算數(shù)值換算成半徑的實(shí)際計(jì)算數(shù)值去取優(yōu)先數(shù)，以求盡量的貼近計(jì)算值。

4.2.4 筒體長(zhǎng)度L

公式（2）帶入公式（10），得到筒體長(zhǎng)度L。

同樣對(duì)筒體長(zhǎng)度L根據(jù)表2就近選取優(yōu)先級(jí)數(shù)L優(yōu)先級(jí)數(shù)，數(shù)值要略大于實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)，得到最終的筒體長(zhǎng)度L優(yōu)先級(jí)數(shù)。

將公式（11）、（12）代入公式（5）、（6）聯(lián)立，得到實(shí)際的填充率φ，檢驗(yàn)填充率是否合理，若數(shù)值合理，則繼續(xù)進(jìn)行筒體工藝參數(shù)計(jì)算；若數(shù)值不合理，返回上一步，根據(jù)實(shí)際情況在表2中重新選取筒體半徑和長(zhǎng)度，也可以適當(dāng)調(diào)整長(zhǎng)徑比，反復(fù)進(jìn)行以上步驟直到各數(shù)值匹配為止。

4.2.5 臨界轉(zhuǎn)速nc

筒體內(nèi)物料在筒體轉(zhuǎn)速接近或者大于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，離心力作用使混合料緊貼于內(nèi)壁上，完全失去混勻和制粒作用。這時(shí)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速nc。

4.2.6 轉(zhuǎn)速n

筒體的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了筒體內(nèi)部物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)混合料呈現(xiàn)＂滑動(dòng)＂、＂拋落＂、＂瀑布＂三種狀態(tài)。＂瀑布＂狀態(tài)適宜混合，而＂瀑布＂與＂拋落＂的過(guò)渡狀態(tài)適宜造粒。

一般一次混合機(jī)轉(zhuǎn)速n1＝0.2～0.3nc；二次混合機(jī)的轉(zhuǎn)速n2＝0.25～0.35nc。

4.2.7 物料的運(yùn)動(dòng)周期t

物料運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先隨筒體內(nèi)壁上升，上升距離為l1，對(duì)應(yīng)的圓心角度為2θ，到達(dá)最高點(diǎn)A后開(kāi)始然后進(jìn)入“滑落”狀態(tài)，進(jìn)入混合制粒狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)距離為l2，達(dá)到最低點(diǎn)后，重新隨筒體內(nèi)壁上升，進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，如圖2所示。

假設(shè)物料整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的速度適中保持一致，則整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期t就是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和。

因?yàn)橥搀w是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)上升段時(shí)間t2，則

其中：n-混合機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

滑落段時(shí)間為t2，

圖2 物料的運(yùn)動(dòng)周期簡(jiǎn)圖

4.2.8 物料一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期t前進(jìn)的距離l

因?yàn)橥搀w有一個(gè)傾斜度α，所以物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是螺旋前進(jìn)的，每一個(gè)周期的前進(jìn)距離為l?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)先初定一個(gè)傾斜度值。

其中 f-修正系數(shù)，取值1.8［12］。

l1-筒體內(nèi)物料對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)，m。

l2-筒體內(nèi)物料對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)，m。

θ-筒體內(nèi)物料對(duì)應(yīng)的圓心角的一半，°。

4.2.9 物料混合時(shí)間T實(shí)際

將T實(shí)際與工藝要求的混合時(shí)間T進(jìn)行對(duì)比，若T實(shí)際≥T，則參數(shù)設(shè)定合理，參數(shù)計(jì)算結(jié)束；如果不能滿足工藝要求的混合時(shí)間，則重新設(shè)定筒體傾斜度，反復(fù)進(jìn)行以上步驟直到各數(shù)值匹配為止。

4.3 選型流程圖

混合機(jī)選型過(guò)程如圖3所示。

圖3 圓筒混合機(jī)選型流程圖

5 算例

以某燒結(jié)廠450m2燒結(jié)機(jī)配套用圓筒混合機(jī)為例，初始參數(shù)如表3所示。

表3 某廠450m2燒結(jié)機(jī)配套用圓筒混合機(jī)初始參數(shù)表

根據(jù)圖3混合機(jī)選型流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果如表4所示。對(duì)應(yīng)同一組初始參數(shù)，可以有不同的的選型結(jié)果，如上述燒結(jié)廠中一混的參數(shù)可以給出兩種選型結(jié)果，均能滿足要求。該燒結(jié)廠最終配置的圓筒一次混合機(jī)為φ4.6×20m，傾斜角度2.5°，圓筒二次混合機(jī)為φ×25m，傾斜角度為1.9°。均與計(jì)算結(jié)果一致。

6 結(jié)論

1、通過(guò)對(duì)混勻過(guò)程的分析，找到各參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而得出了“處理量確定直徑-填充率確定長(zhǎng)度-混合時(shí)間確定傾斜角”的選型方法。

2、如果混合過(guò)程不是考核混合時(shí)間，而是對(duì)物料滾動(dòng)距離有要求，同樣可以用上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，去掉運(yùn)動(dòng)距離轉(zhuǎn)換到混合時(shí)間的部分，直接用運(yùn)動(dòng)距離確定傾斜角即可。

3、上述方法也可用于驗(yàn)證已有燒結(jié)廠的混合機(jī)配置是否合理，為燒結(jié)廠升級(jí)改造提供依據(jù)。

表4 圓筒混合機(jī)選型表