高温熟料辊式破碎机的设计

李金柱王 飞孔 勇夏国栋

1.中材装备集团有限公司南京分公司，江苏 南京 211100；2.中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100

高温熟料辊式破碎机的设计

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1.中材装备集团有限公司南京分公司，江苏 南京 211100；2.中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100

熟料辊式破碎机与锤式破碎机相比有明显的性能优势，而高温辊式破碎机在熟料冷却与热量回收方面又有进一步的性能提高，但其所处的高温环境，对设计提出更高要求。在具体设计一台高温辊式破碎机时，不仅要结合工程确定高温辊破的规格，还要重点考虑高温辊破的冷却方式，以及核心部件辊套等，也不能忽略自保护设计。

高温 熟料 辊式破碎机 设计 参数 结构

0 引言

熟料破碎机一般布置在篦冷机的尾部，依据其结构的不同，分为锤式破碎机与辊式破碎机。国内早期的篦冷机多配锤式破碎机，但锤破有运行振动大、电耗高、锤头磨损严重、熟料粒度不均等问题，且对窑况波动适应性差，特别是窑内出现大料球时容易卡死停机。辊式破碎机很好地克服了以上缺点，且有对窑况波动适应型强、抗故障能力强、维护简单、磨损超低和节能降耗的特点[1]。中国中材国际股份有限公司(南京)于2005年自主开发研制了NC型熟料辊式破碎机，并在2006年成就了国内第一台成功投用的国产辊式破碎机业绩。2009年荥阳天瑞10 000 t/d生产线，选用了NC型辊式破碎机。到目前为止，NC型熟料辊式破碎机共80多台运转在各个现场，覆盖2 500～12 000 t/d各种水泥生产线，其破碎效果好、运转率高、免维护和节能降耗等优势获得市场认可，业绩居国内首位。

随着篦冷机与熟料辊式破碎机的发展，高温辊破逐渐得到人们的认可，即辊式破碎机放置在篦冷机中部，以便于将大块的熟料提前破碎，从而尽早回收热量，提高篦冷机热效率，同时降低篦冷机最终出料温度。该高温辊破与原尾置辊破的最大区别，是需要在高温环境下工作，从而需要其设备满足相应的高温性能。

中材装备集团有限公司南京分公司第一台高温辊破已经于2014年4月在河北1 000 t/d白水泥熟料生产线成功投运。到目前为止已稳定运转1年。产量最高满足1 500 t/d要求，辊破入料温度为500～550 ℃，辊轴冷却风管出口温度为70～90 ℃，出料粒度≤25 mm，电气保护装置运作正常，经检查高温辊套辊齿磨损小于1 mm。说明该高温辊破设计取得成功，预计高温辊套寿命大于3年。本文以该高温辊式破碎机为例，介绍高温辊破的设计及应用情况。

1 高温辊式破碎机结构

1.1 结构简介

高温辊式破碎机主要由机体框架、辊轴部分、传动装置、测速装置、冷却风管系统等组成(见图1)，另外还配有检修专用工具。机体部分包括基础座、壳体、密封装置和耐磨衬板等；辊轴部分包括辊轴、辊套和轴承等。其中：辊轴部分的辊轴数量取决于其产量的大小，每个辊轴上都装有若干个辊套，辊套表面采用了堆焊处理，使用中要注意定期的维护修理，及时补焊，可以实现不用更换辊套而保持长时间正常运转；传动装置采用带行星减速机的斜齿轮电机传动，且每个辊轴都由一个传动装置来单独驱动；测速装置带有接近开关，可用来采集控制信号，实现自动控制和自动保护功能；冷却风管系统，用以实现辊轴内部及框架本体的冷却，同时留有与风机对接的法兰接口；检修专用工具可以实现每个辊轴的方便抽出，使更换辊套变得极为简便。

1.2 辊套介绍

辊套是高温辊破的特殊部件，特别是高温辊破，由于恶劣的高温工作环境，需要辊套既有高强度，耐磨损，同时还要有良好的耐高温性能。针对此条件，中材装备集团特别开发了用于高温辊破的辊套新型材料。该材料以硬镍铸铁为基体，加入稀土元素，经过高温固融热处理，不仅耐高温，而且耐磨性极高，终态硬度≥50 HRC。特别是该材料具有独特的红硬性，随着环境温度的升高，其耐磨性不降反升[3]。

图1 高温辊式破碎机结构

高温辊破的辊套由特殊材料采用真空V法铸造成型，精度高，无需二次加工，直接可用于辊破安装。

2 高温辊式破碎机工作原理

高温辊式破碎机一般放置在篦冷机中部，熟料经过第一段篦床的初步冷却，由高温辊破将大块熟料及窑皮等破碎成均匀的小颗粒，再由第二段篦床冷却至正常温度，见图2。高温辊破的核心结构为若干对相对转动的辊轴组成破碎单元，辊轴为双层圆筒结构，其外部为带齿的辊套，通过挤压、剪切等作用破碎物料，辊轴内部为中空轴，引入冷却风或冷却水进行强制冷却，以保证高温环境下的机械性能。

图2 高温辊式破碎机工作原理

河北1 000 t/d白水泥熟料生产线中，我们将高温辊式破碎机设置于漂白机之后，冷却机之前。熟料经漂白之后，由高温辊破对大块及窑皮进行破碎，然后再由冷却机冷却至常温，同时回收部分热风用于辅助燃烧，流程见图3。

图3 白水泥线用高温辊破流程图

3 高温辊式破碎机主要参数的确定

河北1 000 t/d白水泥熟料生产线，其高温辊式破碎机工作条件如下：破碎物料为白水泥熟料；生产能力1 500 t/d；入料温度约550 ℃；出料粒度≤25 mm；辊轴转速约4 r/min。

3.1 规格的确定

辊式破碎机规格一般由辊轴数量与工作宽度表示，例如PGS4×4 200，表示4辊、工作宽度4 200 mm的辊式破碎机。其规格主要由产量决定，同时考虑与上下游设备的接口。

依据辊式破碎机运动规律，建立如下物料运动模型：辊轴间的熟料为一条断面面积为e×L的料带，以等同辊轴表面圆周速度运动，排出机外。得出理论体积生产率为：

式中：Qv—体积流量，m3/h；

L—破碎机入口宽度，m；

e—辊轴间隙，m；

v—辊轴表面圆周速度，m/s；

m—辊轴数量。

可以看出，辊式破碎机的生产能力，与工作宽度、辊轴间隙、辊轴运转速度、辊轴数量有关。结合实际经验，并考虑生产系数，得出实际产量计算公式为：

式中：Q—辊破产量，t/d；

k1—富裕系数，取值1.2～1.5；

k2—产量系数，k2＞1，可取值1.5；

D—辊轴外径，m；

n—辊轴转速，一般取4 r/min；

ρ—熟料容重，取1.3 t/m3；

依据上述产量公式，在辊轴尺寸确定的条件下，即可确定辊轴数量m，与破碎宽度L，从而确定辊破规格。富裕系数k1，大于1，用于适应出现大料球、短时间无法完全破碎的情况；产量系数k2与烧成熟料粒度分布有关，大于1，是因为有部分熟料粒径＜25 mm，无需破碎即可从辊破漏下。

对于该白水泥线用高温辊式破碎机，设计产量Q=1 500 t/d，辊轴间隙e取值25 mm，辊轴直径参考尾置辊破选取。经过计算，并结合上下游设备接口，确定辊破规格为PGM3×2 400（即3辊，工作宽度为2 400 mm）。

3.2 传动功率的确定

高温辊破所需要的功率，主要包括两个方面，一方面是破碎熟料所需要的功率；另一方面是辊轴转动克服摩擦所需要的功率。其传动功率按下式计算：

式中：P—功率，kW；

K—系数，对熟料破碎，一般取值K=1.5。

对于该白水泥用高温辊式破碎机，其辊轴外径取值500 mm，并综合考虑产量波动情况，取单轴传动功率为7.5 kW，总功率为3×7.5 kW。

3.3 冷却方式与参数的确定

为适应恶劣的高温工作环境，需要对高温辊式破碎机的辊轴进行冷却。工业中常用的冷却介质包括水、空气、氢气等，传热系数水最大，氢气次之，空气最小。但氢气需要特别的制备装置，而且储存具有易燃危险性，此处不予考虑。这里主要比较风冷与水冷两种方式的优缺点，见表1。

表1 风冷与水冷优缺点比较

结合实际工况温度，考虑辊破恶劣的工作环境，以及漏水结垢等可能带来的危险后果，决定辊轴采用内部强制通风冷却。

辊轴为中空轴结构，外部辊套与高温熟料直接接触，中空辊轴内部强制通风，结合辊轴结构建立冷却模型，见图4。忽略热辐射的影响，认为从辊轴外部传导进入辊式破碎机的热量，等于冷却空气与辊轴进行强制对流换热之后带走的热量。辊套外表面温度为two，中空轴内壁温度为twi，冷却空气入口风温为tfi，出口风温为tfo，平均风温为tf。

图4 辊轴冷却结构

（1）冷却空气换热之后，温度由tfi升为tfo，带走的热量为：

式中：m—冷却空气质量；

cp—空气比热。

（2）冷却空气与辊轴内壁强制对流换热，交换热量为：

h—对流换热系数，

λf—空气的导热系数；

Nuf—努塞尔数，采用Gnielinski公式计算[2]。

（3）辊套与中空轴主要通过热传导传递热量，忽略辊齿形状，简化为双层圆筒传热，传导热量为：

其中：λ1、λ2分别为辊套和中空轴的导热系数。

各过程换热量相等，即Φ1=Φ2=Φ3，联立上述方程（1）和（2），可得非线性方程组。已知辊轴外表面温度、冷却空气入口温度, 以及辊轴尺寸，用牛顿-拉斐森方法，借助计算机编程可求解该方程。

对该白水泥线用高温辊式破碎机，经计算，冷却风机风量选择11 000 m3/h；工作温度为550 ℃时，使用供风强制冷却后，辊轴中空轴温度可降至400 ℃以下，采用常用低合金钢轴材料可满足工作条件；对应冷却风风温由25 ℃升高至82 ℃。

在实际设计中，为了提高中空轴内强制对流换热的效果，可以在中空轴内部加扰流件，通过破坏边界层，来减小对流传热热阻，提高热交换效果。

4 自保护设计

4.1 过载自保护设计

辊式破碎机生产时，要求具有故障自保护功能，即有铁块等特硬物体进入辊破时，辊式破碎机要能够及时识别，而不是强行破碎，以致破坏设备。其实现方式为辊轴在检测到电机电流超过上限后的自动反转。其故障判断及控制方式如下：正常工作时，3辊破碎机辊轴工作状态如图5。

图5 正常工作状态

其中2号辊与3号辊相对转动，形成一个辊套，1号辊沿着料流方向转动，起输送、筛分物料的作用。当2 s内破碎单元有一个辊轴的电机电流超过设定值，辊破将自动切换到反转模式。见图6。具体换向操作如下：

（1）3号辊停转（T1+T2+T1）时间；

（2）2号辊停转T1时间，换向旋转T2时间，再停转T1时间；

（3）破碎单元中两个辊轴重新启动至正常状态。

为保护电机与减速机，当换向操作在5 min内连续出现5次时，认为有铁块等无法破碎的物体进入辊破，则辊破停机报警。待查出故障原因并确认故障清除后，方可重新启动。

图6 2#辊与3#辊组成的破碎单元切换到换向工作状态

4.2 高温自保护设计

对于高温辊式破碎机，有严格的工作温度要求。由于金属强度在高温条件下会有明显下降，所以必须对辊破的工作温度加以控制。具体控制方式为：在辊轴冷风风管出风口处安装热电偶，当出口风温大于120 ℃时，判定入辊式破碎机物料温度已超过600 ℃，辊轴无法长期在此工况下运行，需要提高上游设备冷却效果来降低入辊破物料温度，如加大一段篦冷机冷却风量，对白水泥生产则要增加漂白机喷水量。如果冷却风管出口风温高，持续超过30 min，则系统需要止料，停机检查。

5 结束语

高温辊破由于其工艺性能的优越性，在未来的水泥生产中有逐渐成为主流的趋势，但其所处的高温工况，也对设备的设计、材料的寿命等提出了更高的要求。后续的高温辊式破碎机设计工作，将专注于进一步提高辊套的耐高温性能，以及改进冷却风道设计，强化对流换热的效果，以使高温辊破的工作温度进一步提高；将其在篦冷机中的位置前提，从而提高篦冷机热回收效率，并提高窑头系统的余热发电量，并降低篦冷机系统冷却风量，有力支持烧成系统的节能降耗。

[1] 胡步高,宫绚,张岩. NC型熟料辊式破碎机及其应用介绍[J].水泥工程,2009(6):45-46.

[2] 杨世铭,陶文铨.传热学[M]. 北京: 高等教育出版社,2006.

[3] 潘新庆,刘旭,刘智涛,等.高温耐磨破碎辊圈的研究[J].水泥技术,2011(5):38-41.

2015-05-18）

TQ 72.6

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0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.008