鼠笼破碎机在锌精矿输送生产中的应用

彭福民

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410011)

鼠笼式破碎机是矿山、建材、化工、饲料、医药、塑料行业中广泛应用的一种破碎设备，它利用固定击辊的高速运转与悬浮状态的物料撞击，使一些低硬度的原料粉碎，具有生产效率高、寿命长、回料量低、维修量小、运转安全的特点。南方某新建100 kt/a锌冶炼厂曾选用一台PS20N型鼠笼式破碎机，作为成团(砣)锌精矿的击散、个别大块石料粉碎的破碎设备。本文就该项目原料系统开车调试中鼠笼式破碎机输送细颗粒物料的不顺，对设备选型需要重点关注的问题进行分析探讨。

1 鼠笼式破碎机的破碎机理

鼠笼式破碎机是一种典型的冲击式破碎设备，它通过高速运转的击轮，将冲击力瞬时作用在物料上，使物料急剧粉碎。

鼠笼式破碎机的构造如图1所示，它由机壳、外鼠笼、内鼠笼、进料斗、传动皮带、行轮、电动机、支架等主要部分组成。二台驱动电机带动传动皮带、内外鼠笼反向高速旋转。

PS20N鼠笼破碎机内外鼠笼击辊布置结构如图2所示。

鼠笼是破碎机破碎物料的关键部件，它通常由一大一小两个相对回转的笼子组成，每个笼子都有一个垂直固定在轴上的钢盘，钢盘上依同心圆垂直安装直径不同的两圈击辊。击辊是鼠笼破碎机破碎物料的工作元件，目前基本都设计成圆棒型结构。

图1 鼠笼式破碎机构造图1－内鼠笼;2－外鼠笼;3－进料斗;4－机壳;5－传动皮带;6－行轮;7－电动机;8－支架

图2 PS20N鼠笼破碎机击辊布置结构图

按照鼠笼式破碎机设计理念，鼠笼式破碎机的破碎原理如图3所示。

物料在破碎机内的破碎过程可分为三个阶段:

第一阶段，需破碎的物料从下料斗经下料舌送抵至小鼠笼的内圈，一部分物料被小鼠笼内圈击辊撞击并加速，另一部分物料被大鼠笼内圈击辊撞击并加速，这次撞击对物料进行了第一次破碎;在这一阶段，物料主要是被鼠笼圈加速和均布。

图3 鼠笼式破碎机破碎原理

第二阶段，被加速的物料遇到反方向高速运转的大鼠笼内圈击辊和小鼠笼外圈击辊，瞬间被反向撞击，进行了第二次破碎;实际上大部分物料是在这个阶段被粉碎的。

第三阶段，被第一次反向的物料又被小鼠笼外圈和大鼠笼外圈再次瞬间反向撞击，进行了第三次破碎，并被外圈抛出鼠笼轮。

物料从进入小笼内圈到抛出大笼外圈的破碎过程似于老鼠在迷宫般的笼内逃窜，故名鼠笼式破碎机。正是由于物料在通过设备腔内短暂的时间内经历了三次破碎过程，所以，鼠笼式破碎机与其它种类的破碎机相比较，具有破碎比大、破碎的粒度细、破碎效率高等优点。

2 决定鼠笼式破碎机生产效率和生产能力的参数及彼此关系

2.1 粉碎比系数

鼠笼式破碎机的生产效率指单位时间内，破碎机产出合格粒度矿石与不合格矿石的比例;生产能力指单位时间内产出合格粒度矿石数量的多少。鼠笼破碎机的生产效率、生产能力与笼子的排矿(料)口大小和击辊尺寸的大小相关。鼠笼的排矿(料)口即鼠笼两个击辊之间的间距与其宽度面积之总和。

当转速一定，击辊尺寸固定，间距越大，物料被击辊撞击的机会就相对减小;反之，间距越小，物料受到撞击的机会就增多。

同样，当转速一定，间距固定，击辊断面尺寸越大，物料被击辊撞击的机会也越大;反之，击辊断面尺寸越小，物料被撞击的可能性相对减小。

鼠笼破碎机设计理念上将单个击辊间隙面积Fjj与单根击辊撞击物料面积Fj之比称为粉碎比例系数K;经过简单的数学推导，可知:

该式也可理解为整个击辊间隙总面积与全部击辊撞击物料面积(击辊半圆弧面积)之比。

K值越大，表明击辊之间的间距越大，鼠笼周圈上均布的击辊数量就越少。

2.2 排料粒度与粉碎比系数之间的关系

从一般推理可知，粉碎系数越大，在击辊旋转一周的范围内，物料受到撞击的机会就相对较少，间距越大，比间距尺寸较小的物料通过的可能性越大。因此可以说，破碎后物料的粒度是粉碎比系数的正比函数。

生产中要想得到合适粒度的破碎产品，就应当根据所需物料粒度的大小适度设定粉碎比系数。

2.3 排料速度与粉碎比系数的关系

击辊在机体内做周而复始的圆周运动，被击辊撞击到的物料，沿着击辊的切线方向散射，并试图通过反向旋转外圈击辊之间的间隙飞出。在转速一定时，外圈的击辊数量越多，物料散射过程中受到反向旋转击辊撞击的可能性越大，物料排出的机会就越小，外圈撞击的越少，物料排出去的越多，排料速度与粉碎比也是正比函数关系。

要想得到更大的排料速度，就应当设法提高内圈的撞击速度，增大外圈击辊的间距，减低外圈的运转速度。

2.4 转速与粉碎比的关系

一般而言，内外笼的相对运动速度越大，破碎后物料的粒度越细;在同一粉碎比系数的条件下，转速越高，物料受到外圈撞击的可能性增多，排料量将会降低。反之，排料量将提高。

3 某工厂鼠笼破碎机的配置选型及运行情况

南方某100 kt/a锌冶炼厂是采用锌氧压浸出新湿法工艺的一座新建工厂。该厂原料输送系统包含锌精矿浆化给料输送系统和沸腾焙烧给料输送系统。在沸腾焙烧给料输送系统中，锌精矿由矿仓经圆盘给料机、鼠笼破碎机、胶带输送机送往工厂原有20 kt/a焙烧炉。经金属平衡计算，沸腾焙烧给料输送系统设计输送能力为29 963.09 t/a。沸腾焙烧给料输送系统采用间歇式工作制，每个班根据焙烧精矿矿仓物料的储量不定期给料。输送系统设计基础条件如下:(1)输送物料:锌精矿，含水量8%～ 10%;(2)堆比重:1.6～1.8 t/m3;(3)安息角:45°。

设计手册明确，锌精矿的粒度绝大部分小于0.1 mm，最大粒度不超过0.35 mm。

输送系统选用的鼠笼破碎机主要设备参数见表1。

表1 PS20N鼠笼式破碎机主要技术参数

经现场测绘，PS20N型鼠笼破碎机鼠笼轮主要参数见表2。

表2 PS20N鼠笼式破碎机鼠笼轮主要技术参数

沸腾焙烧给料输送系统投料运行初期，由于物料杂物过多、前端设备来料猛、排料不畅、操作不熟练、扬尘过大等多种原因，整个生产线经常出现不能正常连续运行的状况。经过数次调整、优化，输送系统大部分问题都得以解决，PS20N鼠笼破碎机排料不畅的问题则成为了整个系统的瓶颈所在。为此，在现场先后采取了电机转速降低一半、拆除三分之一击辊等措施，但设备排料不畅的问题并没有从根本上解决。为保证沸腾焙烧炉正常生产，在改进原料清洁程度的基础上，最后采取了短接鼠笼破碎机的措施。

4 实际生产排料不畅因素探讨

基于沸腾焙烧给料输送系统的原料基础数据、鼠笼破碎机设备选型和实际生产运行情况，分析PS20N鼠笼破碎机排料不畅的因素可能为以下原因。

4.1 设备选型不适当

鼠笼式破碎机是一种通过冲击能量击碎物料的破碎设备，要使物料能够击碎，首先物料必须具备可击碎性。

锌精矿是一种经过了球磨机细磨后得到的产品，其本身粒度只有0.1～0.35 mm。从工艺的角度来看，磨矿是比碎矿更高级、更精细化的生产工艺，低级别的工艺要处理经过高级别工艺获得的产品，不仅在效率上不合算，并且在工艺上几乎不可能实现。

该项目中，选用鼠笼破碎机有两个目的:(1)希望通过破碎机打散由于储存、包装、运输、抓卸过程形成的成团(砣)锌精矿;(2)通过破碎机破碎锌精矿中可能存在的个别块矿和砖石。破碎机在该生产线上的主要作用是分散通过，即让打散后的粉矿尽快顺利流入到下一设备，破碎功能偶有体现;用一种典型的粉碎设备来承担打散成团(砣)粉矿的工作，设备选型不太适当。

4.2 设备配置上不够合理

由于分散通过是案例中破碎设备需达到的主要功能，因此，通道的无阻碍、开阔性是选用该设备应当重点考虑的问题，也就是粉碎比系数的选定要尽可能大，以让打散后的粉料能够顺利排出。

但由于设计选型上对该设备功能的认识不足，也没有在采购技术条件上加以详细地叙述，采购的产品完全按照供应商同型号的标准配置供货，从表2和图2中可明显看出，鼠笼盘上内外四圈上布置着85根击辊，从内圈至外圈的粉碎比系数分别为1.22、1.12、1.06、1.21。如此密布的击辊虽然具有较高的动能，但伴随着高速运行，某具体位置上单位时间内通过的击辊数量也多，粉料还没有来得及穿过击辊间的间隙又被挡回，它们对粉矿的通过实际起到了阻碍作用，这是该鼠笼破碎机排料不畅的一个重要原因。

4.3 技术参数选择上不合适

该鼠笼破碎机大击轮转速840 r/min、小击轮转速950 r/min。无论是细粒粉矿质量还是其粒径相对于鼠笼击辊的回转尺寸而言，都可以视为一个质点。

在击辊撞击下，临近击辊中心部位的细粒粉矿以击辊中心至轴心为半径作匀速圆周运动;其旋转而不下落时的临界转速为:n。由此，可分别计算出从内至外各圈粉料临界转速值。显然，设备选型中确定的击轮转速大于临界转速，这表明，在该鼠笼破碎机内，有相当部分的粉料在击辊相对圆周运动中形成的四道圆栅栏，也成为了其它粉矿穿过相邻外圈击辊间隙区域的障碍，如图4所示。

图4 击辊高速运行所形成的粉矿圈

实际生产情况也表明，只要没有出现完全堵塞的情形，PS20N输送破碎机停机惯性运转的时间段内，伴随着大小击轮转速降低到一定数值后，残存在破碎机内的粉矿会很快下落到输送机上。这说明，转速降低，粉矿脱离圆周惯性运动而向外飞溅;同时，转速降低，单位时间内通过的击辊数量在减少，粉矿穿过击辊间距的可能性增多。

5 从鼠笼破碎机运行情况所引申的几点思考

通过PS20N鼠笼破碎机现场应用案例的分析，就设备的选型如何满足工艺生产的条件，笔者有如下认识:

5.1 设备选型要注重物料性质的匹配性

每种生产工艺针对物料的不同都有自己的特殊性，即便是名称相同的物料也会由于产出地或来源不同，物理性质、化学性质存在一定差异。因此每个项目的高阶段设计文件首先都会要明确设计依据的物料性质。

工艺根据物料性质来确定，设备同样要与物料性质相匹配。哪一类设备适宜于哪些物料，设计手册上都会有相对明确表述。设计者在参考设计手册的基础上，还需要借助以往工程的经验，选定最适合工艺物料性质的设备;但若是仅注重主工艺流程及设备，而忽视辅助流程或后续流程物料性质的变化，简单地将主流程或前段流程选定的设备直接用于辅助流程或后端流程之上，就可能导致辅助流程或后端流程工艺的症结。设计中曾有采用同一种型号的振动给矿机先后处理颗粒大小差异几十倍矿石而产生泄矿的先例。本案例中PS20N鼠笼破碎机排料不畅的故障，最重要原因是没有根据实际物料性质来选择辅助流程上的最合适设备。

设备选型时，工艺工程师一定要时刻关注工艺流程中物料性质的变化，这种变化包括化学性质的变化、物理参数变化以及工作条件的改变。只有密切关注工艺线路上物料性质的变化，才能正确选定所需要的设备。

5.2 设备选型要注重设备构造结构的合理性

目前设备选型主要由工艺工程师来承担，基于专业特点，工艺工程师比较注重生产流程、工艺参数、物料平衡等的设计计算，而设备选型主要参照设计手册和同类工程的经验来选定，他们所提交的采购技术条件也特别注重工艺条件的完整性，而对设备内部构造的关注度远远不够。但每类设备都有自己结构上的特殊性，为适应不同的物料，每类设备还会有自身零部件构造上的差异性，同类设备不同厂家的设计也会有自己的独特性。输送不同物料的渣浆泵，叶轮流道设计有明显的不同;针对不同的物料，刮板输送机也会有不同的刮板型式;看似相同型号、相同参数的设备，若内部零部件的设计或选型不当，其生产效率将相差甚远。笔者经历的项目中，曾有埋刮板机刮板型式选型不对而导致整体更换设备的惨痛教训。

因此，无论是工艺工程师或是采购工程师，在设备选型或采购时，不仅要关注工艺条件的复杂性，也要关注设备内部构造的特殊性，还要关注设备构造与物料匹配的合适性;一定要详细查阅相关资料，包括要求供应商提供同类设备的完整技术资料，以努力提高所选设备(含内部构造)的正确性，避免由于设备构造上的差异带来经济损失。

5.3 设备选型要注重技术参数的正确性

设备技术参数的正确性和合理性，决定了设备的生产效率;不当的技术参数会降低设备的使用效果。实际选型和采购中，供应商往往是通过工艺工程师提供的基础条件，计算并推荐设备的技术参数。但最终这些参数是否合理，工程师一定要认真复核;在许可范围内，并非能力越大越好，也并非速度越快越好。本案例中鼠笼破碎机转速过大，形成了无法正常排料的结果;在其它项目也曾出现为降低能力人为切削尾矿排泥泵叶轮直径的情况。

每个工艺设备都需要有自己最合适的生产能力，无论哪台流程设备的能力偏高或偏低，都会影响到后续设备的生产，合理生产能力需要正确的设备技术参数保证;不正确的技术参数，一定难以保证设备连续稳定运行;只有所有设备都能稳定运行，才能保证整个生产流程的畅通。因此可以说，设备技术参数的正确性是选型、供货时必须认真考虑的因素。

6 结语

设备选型是工艺配置过程中必不可少的一个环节，也是保证工艺实现的最重要环节。正确选购设备，与物料性质有关，也与设备的内部构造有关，还与设备所采用的技术参数有关，三者之间相互关联、相互支持、缺一不可;三方面因素都需要兼顾考虑，否则，就有可能出现差池并带来经济损失。

［1］ 杨志红.鼠笼式破碎机工作原理与设计［J］.砖瓦世界，2009，(2):47－51.

［2］ 李振亮，郭湘君，李亚.鼠笼式破碎机破碎机理浅析［J］.盐业与化工，2007，36(1):36－38.