羅 敏

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司 河北唐山 063000

近年來，高壓輥磨機(jī)作為一種高效、節(jié)能的粉磨設(shè)備在冶金礦山行業(yè)的應(yīng)用己日趨廣泛和成熟，具有“多破少磨”、“以破代磨”的特點(diǎn)。河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司 (以下簡(jiǎn)稱“河鋼礦業(yè)”) 分別引進(jìn)了進(jìn)口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)及國產(chǎn)HFKG160×140 型高壓輥磨機(jī)，均取得了良好的應(yīng)用效果，但因二者控制方式不同，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)單位能耗、產(chǎn)能及產(chǎn)品粒度各有不同。因此，對(duì)高壓輥磨機(jī)的控制性能進(jìn)行深入研究和優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高壓輥磨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 高壓輥磨機(jī)的工作原理

高壓輥磨機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其主體為框架結(jié)構(gòu)，工作原理為：定輥總成固定在總機(jī)架上，在液壓系統(tǒng)的作用下，動(dòng)輥總成沿機(jī)架耐磨滑道向定輥方向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥間隙 (以下簡(jiǎn)稱“輥隙”) 的控制；當(dāng)輥隙調(diào)整到工作標(biāo)準(zhǔn)之后，物料經(jīng)進(jìn)料裝置進(jìn)入輥系，在系統(tǒng)壓力的作用下，物料發(fā)生層壓粉碎，最后經(jīng)出料口排出。高壓輥磨機(jī)采用層壓粉碎理論，物料除了受到擠壓粉碎外，其顆粒內(nèi)部還產(chǎn)生大量裂紋、塌散及疏松等缺陷，使物料可磨性大為改善，有利于提升磨機(jī)臺(tái)效，降低能耗。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓輥磨機(jī)在碎磨工藝流程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

圖1 高壓輥磨機(jī)模型Fig.1 Model of high-pressure grinding roller

1.2 高壓輥磨機(jī)的應(yīng)用工藝流程

河鋼礦業(yè)研山鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，設(shè)計(jì)采選規(guī)模為 1 500 萬 t。其破碎工藝采用粗碎、中碎兩段一閉路—高壓輥磨全閉路破碎流程[2]，其中細(xì)碎系統(tǒng)引入進(jìn)口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)，輥磨后合格產(chǎn)品 (-12 mm) 進(jìn)入香蕉篩篩分，篩上物料返回輥磨機(jī)，篩下產(chǎn)品進(jìn)入磨選系統(tǒng)。

河鋼礦業(yè)柏泉鐵礦為基性巖型超貧磁鐵礦床，在其 600 萬 t 采選擴(kuò)能技改工程中，引入了國產(chǎn) HFKG 160×140 型高壓輥磨機(jī)，其破碎工藝與研山鐵礦類似，破碎后最終產(chǎn)品粒度為 -8 mm。

2 存在問題分析

河鋼礦業(yè)在應(yīng)用高壓輥磨機(jī)過程中，圍繞整機(jī)使用壽命、產(chǎn)量、粉碎效果、單位能耗及工作可靠性等指標(biāo)進(jìn)行了多次對(duì)標(biāo)分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，2 臺(tái)設(shè)備雖控制方式截然不同，但卻均存在一個(gè)共性問題：設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)輥兩側(cè)間隙偏差過大，造成粉碎效果差，成品料占比偏低，直接影響了產(chǎn)量、粉碎效果和單位能耗，因此決定對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究。

高壓輥磨機(jī)在輥?zhàn)域?qū)動(dòng)側(cè)安裝有主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速器，在非驅(qū)動(dòng)側(cè)僅安裝推力軸承作為防護(hù)。因左右兩端結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，使得高壓輥磨機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中左右兩端受力及運(yùn)動(dòng)方式略有不同，導(dǎo)致對(duì)輥?zhàn)笥覂蓚?cè)間隙存在較大偏差。當(dāng)偏差過大時(shí)，礦石顆粒未受到擠壓粉碎，降低了設(shè)備的粉碎效果。輥系控制過程是動(dòng)態(tài)控制過程，受液壓、電控系統(tǒng)的控制性能影響較大，因此需要研究輥隙、液壓系統(tǒng)功能及電控系統(tǒng)性能，減少和避免液壓、電氣控制系統(tǒng)頻繁啟停動(dòng)作，將輥隙偏差控制在合理的工作范圍內(nèi)，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制的目的。

3 解決方案

3.1 高壓輥磨機(jī)輥隙優(yōu)化

在對(duì)高壓輥磨機(jī)控制性能優(yōu)化之前，首先要確定高壓輥磨機(jī)正常工作所需的輥隙取值范圍。高壓輥磨機(jī)的輥隙與物料粒級(jí)組成、硬度等物理性質(zhì)有關(guān)。為使高壓輥磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到高效、節(jié)能的目的，需進(jìn)一步研究輥隙與單位能耗、成品粒度之間的影響規(guī)律[3]，輥隙與單位能耗和成品粒度之間的關(guān)系分別如圖 2、3 所示。

由圖 2 可知，高壓輥磨機(jī)單位能耗隨輥隙的增大呈指數(shù)減小，當(dāng)輥隙大于 25 mm 后，單位能耗的減小幅度減緩。由圖 3 可知，當(dāng)高壓輥磨機(jī)輥隙增大時(shí)，細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品 (0.027 mm 和 0.040 mm) 逐漸減少，粗粒級(jí)產(chǎn)品 (2.50 mm) 逐漸增加，而 1.00 和 1.80 mm 粒級(jí)產(chǎn)品變化不大；當(dāng)輥隙大于 25 mm 之后，各粒級(jí)產(chǎn)品變化均不明顯。綜合上述分析，增大輥隙，能夠降低單位能耗，但會(huì)影響粉碎效果，因此在優(yōu)化輥隙的同時(shí)需兼顧節(jié)能和高效兩個(gè)方面。

圖2 輥隙對(duì)單位能耗的影響Fig.2 Influence of gap of roller pair on specific energy consumption

圖3 輥隙對(duì)成品粒度的影響Fig.3 Influence of gap of roller pair on granularity of finished product

根據(jù)高壓輥磨機(jī)的工作原理，輥隙分為初始間隙a0和工作間隙 a1。初始間隙 a0一般是固定不變的，而工作間隙 a1需綜合考慮礦石的粉碎等級(jí)要求和物理性質(zhì)，初始間隙 a0和工作間隙 a1取值為[4]

式中：D 為輥?zhàn)油鈴?，研山鐵礦為 1 700 mm，柏泉鐵礦為 1 400 mm；Ks為影響因子，脆性礦石 Ks=0.016～ 0.024。

綜合考慮高壓輥磨機(jī)擠壓效果和單位能耗的影響規(guī)律，結(jié)合式 (1) 確定研山鐵礦進(jìn)口 RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)對(duì)輥初始間隙為 22 mm，工作間隙為 43 mm；柏泉鐵礦 HFKG160×140 型高壓輥磨機(jī)對(duì)輥初始間隙為 17 mm，工作間隙為 34 mm。

3.2 液壓系統(tǒng)控制性能優(yōu)化

高壓輥磨機(jī)液壓系統(tǒng)提供輥隙控制和粉碎物料所需的力，因此其性能的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的產(chǎn)量和粉碎效果，本次優(yōu)化綜合考慮了“恒壓力”和“恒輥隙”2 種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3.2.1 液壓系統(tǒng)控制功能

動(dòng)輥的退輥、進(jìn)輥，左右側(cè)增壓、減壓，輥系平行自動(dòng)控制，壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)等動(dòng)作主要都是由液壓系統(tǒng)完成的，液壓系統(tǒng)原理如圖 4 所示。液壓系統(tǒng)主要優(yōu)化功能如下：壓力增加，動(dòng)輥逐步靠近定輥，當(dāng)液壓系統(tǒng)工作壓力達(dá)到操作壓力與誤差壓力值之差后，增壓閥增壓，達(dá)到壓力設(shè)定值后，增壓閥關(guān)閉，液壓泵停止運(yùn)行；若系統(tǒng)壓力超出操作壓力設(shè)定值與壓力誤差值之和，減壓電磁閥將根據(jù)壓力降壓周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到操作壓力，之后關(guān)閉所有閥。最大工作壓力受限壓閥的最大操作壓力控制。為避免運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對(duì)輥?zhàn)笥覂蓚?cè)間隙偏差過大 (可達(dá) 15 mm)，造成壓力超限而停機(jī)，采取對(duì)左右兩側(cè)壓力進(jìn)行獨(dú)立控制優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整優(yōu)化增壓閥增壓周期，高壓輥磨機(jī)可按照優(yōu)化后的壓力增壓周期以脈沖方式增壓，這樣可使液壓系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地達(dá)到操作壓力設(shè)定值。

圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic system

3.2.2 輥隙修正

研究高壓輥磨機(jī)的控制性能，對(duì)輥隙幾何形狀的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，優(yōu)化時(shí)首要控制原則是：保證輥系在誤差允許范圍內(nèi)平行運(yùn)行要優(yōu)先于對(duì)輥兩側(cè)壓力相等。

當(dāng)輥壓機(jī)啟動(dòng)后，一旦兩側(cè)壓力第一次達(dá)到操作壓力，自動(dòng)輥隙修正功能即開始發(fā)生作用。兩側(cè)的輥隙是連續(xù)計(jì)算的，所測(cè)得的輥隙差不斷與其允許值進(jìn)行比較。由于物料沿輥隙縱向分布的不同，動(dòng)輥可能會(huì)發(fā)生傾斜，當(dāng)傾斜量超過對(duì)輥?zhàn)笥覂蓚?cè)間隙偏差允許值時(shí)，傾斜必須得到糾正。當(dāng)輥隙差超過極限值 3 s 后，壓力控制系統(tǒng)暫停工作，輥隙修正系統(tǒng)開始工作。液壓系統(tǒng)在輥隙較大的一側(cè)增加壓力，直到壓力達(dá)到“操作壓力＋0.5×偏差”；延時(shí)幾秒后，如果輥隙修正的條件仍然存在，在輥隙較小側(cè)降低壓力，直到輥隙差達(dá)到其允許值的 50%后才停止，然后將減壓側(cè)的實(shí)際壓力作為設(shè)定值。此時(shí)壓力控制系統(tǒng)在不同的壓力設(shè)定值下運(yùn)行，而其中一個(gè)總是與操作壓力與修正壓力之和相對(duì)應(yīng)。當(dāng)動(dòng)輥產(chǎn)生一個(gè)新的偏差時(shí)上述過程又會(huì)重復(fù)進(jìn)行。壓力增加動(dòng)作可以保證所要求的壓力以及所期望的粉磨效果維持一個(gè)較長的穩(wěn)定階段。優(yōu)化輥隙修正示意如圖 5 所示。

圖5 輥隙修正示意Fig.5 Sketch of correction of gap of roller pair

操作壓力的優(yōu)先極限值優(yōu)化為 15 MPa，當(dāng)壓力控制處于激活狀態(tài)時(shí)，軸承間距被用來限定輥隙減小或者壓力控制范圍的最低限。

3.3 電氣控制系統(tǒng)性能優(yōu)化

高壓輥磨機(jī)進(jìn)行粉碎作業(yè)時(shí)，電氣控制系統(tǒng)的控制分為 3 步：第 1 步，控制液壓泵工作對(duì)液壓缸供油，液壓缸活塞推動(dòng)動(dòng)輥，以達(dá)到調(diào)節(jié)輥隙的目的；第 2 步，執(zhí)行液壓系統(tǒng)加載，提供粉碎物料所需的擠壓力，即當(dāng)輥隙確定后，液壓加載系統(tǒng)按設(shè)定的壓力值及加載脈沖推壓動(dòng)輥總成；第 3 步，控制動(dòng)輥總成兩側(cè)液壓缸壓力及動(dòng)作先后順序，使輥隙維持在允許誤差范圍內(nèi)，避免動(dòng)輥總成發(fā)生較大幅度偏轉(zhuǎn)。因此，高壓輥磨機(jī)在運(yùn)行中要實(shí)時(shí)對(duì)各項(xiàng)操作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括工作壓力、電動(dòng)機(jī)電流、軸承工作溫度以及輥隙等[5]。為確保高壓輥磨機(jī)安全運(yùn)行，河鋼礦業(yè)消化吸收了進(jìn)口輥壓機(jī) ROLCOX 多變量控制器的優(yōu)點(diǎn)，控制系統(tǒng)通過 Profibus 和中控室連接，主電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)為離散的 I/O 點(diǎn)。ROLCOX 控制程序優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)、各液壓泵及各電磁閥的啟停順序和聯(lián)鎖控制，保持輥系平行運(yùn)行，最終控制左右側(cè)的輥隙偏差小于 6 mm。

4 優(yōu)化后應(yīng)用效果

河鋼礦業(yè)公司根據(jù)高壓輥磨機(jī)的工作原理及工藝特點(diǎn)，研究了輥隙對(duì)設(shè)備產(chǎn)量、擠壓效果和單位能耗的影響，根據(jù)不同礦石特點(diǎn)，確定了輥隙的取值，同時(shí)通過對(duì)液壓、電控系統(tǒng)控制性能的優(yōu)化，最終將對(duì)輥?zhàn)笥覂蓚?cè)輥隙偏差控制在 6 mm 以內(nèi)。經(jīng)性能優(yōu)化后，高壓輥磨機(jī)系統(tǒng)工作正常，成品料粒度顯著降低，-12 mm 產(chǎn)率可達(dá) 90% 以上，成品料粒度篩分檢測(cè)結(jié)果如表 1 所列。

表1 優(yōu)化后產(chǎn)品粒度分布Tab.1 Granularity distribution of product after optimization

5 結(jié)語

高壓輥磨機(jī)作為一種高效、節(jié)能的新型粉碎設(shè)備，具有“多破少磨”、“以破代磨”的優(yōu)點(diǎn)，有很好的推廣應(yīng)用前景。由于高壓輥磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)物料礦石硬度、粒度等物理性質(zhì)難以保證，河鋼礦業(yè)應(yīng)用ROLCOX 多變量控制器對(duì)輥隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，ROLCOX 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在使用過程中除對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行少量調(diào)整外，不需進(jìn)行其他操控，實(shí)現(xiàn)了智慧礦山運(yùn)行。河鋼礦業(yè)高壓輥磨機(jī)控制性能的優(yōu)化研究，對(duì)其他大型冶金礦山高壓輥磨機(jī)的引進(jìn)和應(yīng)用，以及建設(shè)智慧礦山提供了參考和借鑒。