基于EDEM的0630型分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊 永

(陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司 小紀(jì)汗煤礦，陜西 榆林 719000)

小紀(jì)汗選煤廠隸屬于陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，是一座設(shè)計(jì)能力為10 Mt/a的礦井型動(dòng)力選煤廠，于2008年建成投產(chǎn)。原煤采用分級(jí)入選方式處理，>13 mm粒級(jí)塊煤采用淺槽重介分選機(jī)分選，13～1.50 mm粒級(jí)末煤采用有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，1.50～0.15 mm粒級(jí)粗煤泥采用螺旋分選機(jī)分選，<0.15 mm粒級(jí)細(xì)煤泥采用篩網(wǎng)沉降離心脫水機(jī)和板框式快開(kāi)壓濾機(jī)聯(lián)合回收。

該選煤廠的精煤破碎設(shè)備為0630型分級(jí)破碎機(jī)，破碎輥采用齒板式結(jié)構(gòu)，而齒板依靠緊固螺栓與輥?zhàn)噙B，使用過(guò)程中容易出現(xiàn)出料粒度超限、螺栓松動(dòng)、齒板脫落、破碎腔被堵等問(wèn)題。此外，隨著精煤市場(chǎng)需求的變化(主要指商品煤粒度變化)，原破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)法滿足破碎要求。因此，必須對(duì)精煤破碎機(jī)的破碎輥進(jìn)行改造，保證其處理能力由300 t/h提高到320 t/h，入料粒度≤250 mm(存在超粒物料)，出料粒度由50 mm降至45 mm以下，限上率在10%以下。

1 破碎系統(tǒng)現(xiàn)狀

該選煤廠破碎系統(tǒng)配備有多臺(tái)原煤破碎機(jī)(一級(jí)破碎機(jī))和精煤破碎機(jī)(二級(jí)破碎機(jī))，總處理能力約為2 000 t/h，其中二級(jí)破碎機(jī)選用0630型分級(jí)破碎機(jī)。在煤炭破碎過(guò)程中，一級(jí)破碎機(jī)的出料粒度為250 mm，破碎產(chǎn)物經(jīng)分選、分級(jí)處理后，篩上物(250～40 mm粒級(jí)物料)進(jìn)入二級(jí)破碎機(jī)。

生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題為：

(1)二級(jí)破碎機(jī)的破碎輥為齒板式結(jié)構(gòu)(圖1)，且采用平行布置方式，導(dǎo)致待破碎物料沒(méi)有嚙入角度，破碎效果較差，尤其是超限物料進(jìn)入破碎腔后無(wú)法破碎。隨著大塊物料(未被破碎物料)的增多，破碎輥表面出現(xiàn)堆積物料，加上破碎輥長(zhǎng)向尺寸較大，目前的破碎齒無(wú)法起到布料作用[1]，致使破碎輥長(zhǎng)向局部范圍內(nèi)出現(xiàn)物料堆積，進(jìn)而堵塞破碎腔。

(2)待破碎物料一直在破碎輥表面跳動(dòng)，并與破碎齒連續(xù)碰撞，導(dǎo)致破碎齒板的緊固螺栓不斷遭受間歇性沖擊，進(jìn)而引起螺栓松動(dòng)，如果維護(hù)不到位，則容易發(fā)生齒板脫落事故。

(3)由于緊固螺栓的存在，齒板之間間隙量較大，導(dǎo)致齒板與齒板中間結(jié)合部位的輥部件漏料現(xiàn)象較為嚴(yán)重，致使出料粒度超限突出，精煤破碎效果較差。

圖1 齒板式破碎輥實(shí)物圖

2 0630型分級(jí)破碎機(jī)

0630型分級(jí)破碎機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、液力耦合器、減速器、聯(lián)軸器、破碎輥組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 0630型分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

0630型分級(jí)破碎機(jī)主要部件為兩個(gè)平行安裝的破碎輥，每個(gè)破碎輥沿軸向布置一定數(shù)量向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的破碎齒(齒板)[1]，使煤塊或是在相互垂直的應(yīng)力下被拉裂，或是在剪切力作用下滑移，或是在兩者的共同作用下被破碎。該機(jī)主要是通過(guò)剪切、刺破、劈裂等作用實(shí)現(xiàn)煤炭的破碎，充分利用了大部分巖礦物料的強(qiáng)度特性(表1)，即抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度[2]。

表1 煤炭強(qiáng)度特性

3 優(yōu)化方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

(1)齒形設(shè)計(jì)與破碎齒布置。破碎齒的齒形結(jié)構(gòu)需要滿足兩個(gè)要求：在滿足粒度要求的前提下，最大限度地提高塊煤率，減少煤炭的過(guò)粉碎現(xiàn)象和限上率；進(jìn)行破碎作業(yè)時(shí)，破碎齒各部位受力均勻[3-4]。為此，從破碎齒的齒高、齒寬、咬合角度、齒形布置等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多次比選后，從齒數(shù)和角度兩個(gè)方面初步確定了22-45、22-50、20-45、20-50四種方案。破碎齒采用多段波浪形布置，以發(fā)揮破碎輥的布料作用，進(jìn)而提高破碎輥的使用效率和設(shè)備處理能力[5]。

(2)破碎齒材料與成型方案。破碎齒的材料絕大部分為高錳鋼或耐磨鋼[6]，針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的煤炭特性，采用以下配料和比例：碳(C)為0.76、錳(Mn)為12.83、硅(Si)為0.60、鉻(Cr)為0.32、鎳(Ni)為0.16、鉬(Mo)為0.26，這樣既能提高齒板強(qiáng)度，又能保證其塑性和韌性。增加Mo元素能使齒板的晶粒在成型過(guò)程中細(xì)化，進(jìn)而提高淬透性和熱強(qiáng)性，還可降低破碎齒的脆性。在破碎齒鑄造成型后，將其加熱至1 060 ℃，并保溫3 h，使鑄態(tài)組織中的碳化物基本都固溶到奧氏體中，然后快速冷卻，以消除晶界析出的碳化物，從而得到單一的過(guò)冷奧氏體組織[7]。

3.2 EDEM分析

EDEM是世界上第一款基于高級(jí)離散元方法[8]的通用仿真分析軟件，可以快速、簡(jiǎn)便地建立顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，并能添加顆粒的力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)，進(jìn)而通過(guò)模擬散狀物料加工處理過(guò)程中顆粒體系的行為特征，幫助研究人員更好地掌握顆粒體的部分基本物性，也可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員對(duì)部分散料處理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化。破碎塊體的尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，由8 000個(gè)φ10 mm的小球黏結(jié)而成。參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2，分析過(guò)程與模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可以得到：22-50方案的塊煤率為65.17%，22-45方案的塊煤率為69.87%，20-45方案的塊煤率為53.21%，20-50方案的塊煤率為56.32%，故采用22-45方案對(duì)破碎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

表2 物料參數(shù)

圖3 EDEM分析圖示

4 應(yīng)用效果

對(duì)0630型分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，參照GB/T 5329—2003《試驗(yàn)篩與篩分試驗(yàn) 術(shù)語(yǔ)》對(duì)破碎產(chǎn)物進(jìn)行化驗(yàn)?；?yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后45～6 mm粒級(jí)精煤的塊煤率為69.87%，與優(yōu)化前同粒級(jí)精煤的塊煤率41.25%相比，提高28.62個(gè)百分點(diǎn)。

按照單臺(tái)破碎機(jī)處理能力320 t/h，每天工作16 h，每年工作275 d計(jì)算，每年可多產(chǎn)出塊精煤37.78萬(wàn)t；而塊精煤銷(xiāo)售價(jià)格高50元/t，因此每年的銷(xiāo)售收入可提高約1 888.92萬(wàn)元。此外，設(shè)備維護(hù)量大幅減少，全年可節(jié)省維修時(shí)間約2 500 h，可節(jié)約勞動(dòng)力成本約10萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家倡導(dǎo)礦產(chǎn)資源綜合高效利用的形勢(shì)下，基于分級(jí)破碎機(jī)的初步優(yōu)化方案，通過(guò)EDEM分析確定了最佳優(yōu)化方案，并依據(jù)該方案對(duì)0630型分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，精煤破碎效果明顯提高，出料粒度、設(shè)備使用壽命等顯著改善，不但滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，而且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。