圆盘造球机旋转刮刀的优化设计

邱杰敏

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 概述

圆盘造球机是将细粒度粉状物制成粒度符合下一工序要求的球粒状物料的盘形造球设备[1]。2004年以来中国恩菲设计的新型圆盘造球机陆续在铜冶炼、铅冶炼及钢铁行业等二十多个项目中得到广泛应用[2]。

旋转刮刀作为圆盘造球机的重要部件，国内开展了一定的设计和研究。理论分析证明引起圆盘造球机成球质量差的原因之一是刮刀转速和圆盘转速匹配不合理，使刮刀在盘底的刮到轨迹不是最佳。本文着重在刮刀轨迹分析方面阐述圆盘造球机旋转刮刀的优化设计。

1 刮刀的工作原理

刮刀装置的刀具安装在电动旋转的刮刀架上，一般刮刀旋转方向与造球盘旋转方向相反。工作时，刮刀刮削掉圆盘底面和侧面上粘结的多余物料，使盘底保持必要的料层(底料)厚度，这种盘底既平坦又具有一定粗糙度，增加了球粒与底料之间的摩擦，以提高球粒的成长速度[3]。

2 新型旋转刮刀的设计

大型圆盘造球机的设计、研制已有二十多年的历史。国内综合借鉴了德国、日本圆盘造球机的先进技术，集中了德国和日本圆盘造球机的优点，并避免了早前德国鲁奇公司圆盘造球机系列产品采用固定刮刀清料的缺点。目前圆盘造球机产品不断改进、完善，各项性能指标均达到设计要求。旋转刮刀的优化设计主要体现在三个方面。

2.1 放弃了老式刮刀的固定方式，采用旋转刮刀

圆盘造球机在造球过程中，圆盘的底部和内侧面常会产生粘料现象，需要及时清理。老式圆盘造球机常采用固定刮刀清料，这种只有圆盘旋转的方式刮刀轨迹固定单一，也易将盘内物料压成死料层，影响造球效果，造球盘功率消耗也增大。

采用电动旋转刮刀清理圆盘底面和侧面粘料的刮刀布置图，如图1所示。

1.刮刀支架 2.圆盘 3.侧刮刀 4.底刮刀图1 刮刀布置图

由于刮刀本身的旋转，单位时间内刮刀在每个部位出现的次数比老式的多,有利于球粒产量和质量的提高。

对于圆盘直径为5、6 m的造球机可以采用两台旋转刮刀清理圆盘底面，一台旋转刮刀清理侧边，整个圆盘底面和侧边的物料都可以得到及时清理，在底料结得不太厚时就被刮除，刮下的料块不大于母球的合理粒度，料块继续造球容易获得理想的生球尺寸。

2.2 刮刀的材质和结构做了优化设计

实践证明，生产中2、3个月，普通碳钢材质的刮刀就要更换，因为磨损严重，刮刀刮削能力会下降，底盘的物料在滚动成球的同时，变得致密，物料表面温度也相应提高，加速了物料的粘结，料层变厚，设备负荷、电耗相应增加。底盘物料层变的光滑，母球在光滑表面无法滚动成球，滚动、滑动都存在，轨迹不清晰，不标准。

普通碳钢材质的刮刀，不仅刀头磨损，刀杆及其紧固联结件也都冲刷磨损，粘料更加严重，加重设备负荷，降低成球率。

旋转刮刀的刀杆端头采用合金陶瓷的材料，使得耐磨损寿命大大高于碳钢，更换周期是原来的3倍多。刀架和刀杆采用活性连接，刀头的固定、调整、更换都十分可靠、方便。

2.3 刮刀轨迹的优化

刮刀一般布置在母球区和过渡区[4]。成球区不能布置，否则会将已制成的球破坏掉。刮刀的配置应最大限度地利用圆盘工作面积，不应破坏母球的运动特性。刮刀数量应尽量少些，刮刀所划圆环应不互相重叠，以减少刮刀对造球机运动的阻力，减少盘面磨损和减轻传动系统的负荷。

以Φ5.5 m和Φ6 m造球机为例，每台造球机配置2个底刮刀架，1个侧刮刀架。每个底刮刀架沿圆周方向配置5把刀杆，应有1把底部刮刀架的刮刀杆通过圆盘中心，避免圆盘中心积存底料，2个底刮刀架共同作用，完成圆盘底部物料的清理，侧刮刀尽量靠近圆盘侧面，完成清理靠近盘边和盘壁的粘附物料。

通过刮刀位置、转数、刀头数量这些参数合理、优化的配置与设计，刮刀的轨迹可以覆盖盘面的绝大部分区域。

下面以Φ6 m圆盘造球机，靠近盘侧的底刮刀为例(每台造球机有2台旋转底刮刀，每台底刮刀配有5把刀杆)，说明其在工作中的轨迹。

2.3.1 刮刀轨迹的计算

(1)

(2)

(3)

式中w1—圆盘角速度，rad/s；

w2—刮刀角速度，rad/s；

r—刮刀半径，mm；

l—刮刀中心至圆盘中心距离，mm；

t—圆盘旋转一周用时，s。

当w1=0.666 rad/s，w2=0.801 rad/s，r=680 mm，l=2 284 mm，t=9.434 s。

将一把刮刀杆一周轨迹按22.5°均分为16份，从0°到360°一共是17个点。这样就得到一把刮刀杆在圆盘行走一周的轨迹坐标。

各点坐标如下：

x1=2 964.43，y1=0；

x2=2 551.68，y2=874.97；

x3=1 507.71，y3=1 616.32；

x4=293.43，y4=2 111.05；

x5=-645.94，y5=2 284.11；

目前，已有大量学者对励磁涌流开展研究，取得了丰富的成果。文献[1]提出一种基于磁滞回线的消磁方法，但其有效性尚缺乏实际的量化佐证。文献[2]提出基于Preisach模型的剩磁计算方法，但其实现需依托于大量实验数据的复杂运算。文献[3]给出一种基于电压积分法的剩磁评估方法，而该方法高度依赖于电压互感器的量测精度。文献[4]提出一种基于延时合闸策略的选相合闸技术，但由于开关动作离散性和预击穿的影响，其有效性会受到极大影响。文献[5]提出一种计及剩磁的励磁涌流仿真方法，但其施加剩磁的方法和作用效果缺乏试验验证。

x6=-1 131.52，y6=2 109.61；

x7=-1 303.26，y7=1 614.44；

x8=-1 448.31，y8=873.98；

x9=-1 737.27，y9=0.59；

x10=-2 062.83，y10=-873.21；

x11=-2 100.60，y11=-1 614.63；

x12=-1 551.54，y12=-2 110.62；

x13=-393.56，y13=-2 285.24；

x14=1 040.90，y14=-2 111.50；

x15=2 225.17，y15=-1 615.77；

x16=2 735.10，y16=-873.82；

x17=2 484.95，y17=0.96；

最后将这些坐标点进行曲线拟合，得到一条轨迹曲线。

同理，将一把刮刀杆第二周轨迹按22.5°均分为16份，从360°到720°一共是17个点。这样就得到一把刮刀杆在圆盘行走第二周的轨迹坐标。再将这些坐标点进行曲线拟合，得到一条轨迹曲线，该曲线与前一条曲线首尾连接。

1把刮刀架上若分布5把刮刀杆，相邻2把刮刀杆的轨迹曲线就在圆周方向上相差72°。

这样，可以得到刮刀架上所有刮刀杆行走若干周的轨迹曲线，轨迹密度和物料清理情况，若不合理可以修改参数，直到满意为止。

由轨迹坐标公式可以看出，圆盘转动方向与刮刀转动方向相反，刮刀相对于圆盘的速度沿轨迹由圆盘中心向盘边逐渐增大，刮刀到达盘边时的速度最大。当圆盘转动方向与刮刀转动方向相同，情况相反。刮刀接近盘边速度大，利于刮平物料，因此取圆盘转动方向与刮刀转动方向相反。

刮刀与圆盘物料接触的断面为直径为30～40 mm的一个圆，因此刮刀在盘底划出的轨迹并非是一条线，而是以刮刀头部直径为宽度的一条带形的面。当相邻两条带之间距离比较小时，说明盘底物料几乎全部刮到。当轨迹带面全部重叠，代表轨迹开始一个重复的周期。

2.3.2 刮刀轨迹的重复周期和清理周期

刮刀在圆盘内转动，从A点开始，又回到A点，造球机所转过的转数，称为轨迹的重复周期，重复周期是旋转刮刀刮到性能好坏的重要参数，完成一次重复周期，要求圆盘和刮刀盘都必须转过整数的转数，重复周期的大小由圆盘转速和刮刀转速的比值C决定。

重复周期的最大值：

A最大=2πr(sinα)/b

(4)

式中r—圆盘中心至刮刀盘旋转中心的距离，mm；

α—刮刀头处于刮刀旋转中心轨迹圆周上时，刀头相对于圆盘底部的运动线速度与该点圆盘底部旋转线速度的夹角，(°)；

b—刮刀头部宽度，mm，可取为30～40 mm。

并不是重复周期越大越好，因为重复周期大时，在整条轨迹曲线上，绝大部分处于重叠状态，实践证明，相邻两根曲线之间的最大距离在60 mm左右为好，因此：

A实用=2πr(sinα)/(b+60)

(5)

一组轨迹重叠于相邻的、形状相同的上一组轨迹时，圆盘转过的转速叫做清理周期。此时，圆盘完成一条轨迹带的全面清理，清理周期是刮刀清理能力大小的参数。如果盘底物料清理周期过大(物料长时间得不到清理)，盘底挂料变多，物料成球受到阻力大，清理周期过小，刮刀功率会增加，性价比不高。所以，综合考虑要选择合适的清理周期[5]。

清理周期与重复周期之间的关系是：

B=A×(n1/n2)

(6)

式中A—重复周期；

n1—圆盘转速，r/min；

n2—刮刀转速，r/min。

由公式分析可得，当n1/n2=1，刮刀杆是5时，第一个刮刀杆头部的轨迹曲线组移动1/5周，与后一个刮刀杆头部的轨迹曲线组重叠。所以在n1/n2=1时，具有a个刮刀杆的刮刀架，刮刀移动1/a圆周，前后之间刮刀轨迹曲线开始重叠，所以，几个刮刀杆与一个刮刀杆的清理周期之间的关系是：

Ba=A×(n1/n2)/a

(7)

式中a—1把刮刀架配有的刮刀杆数量。

将A实用=2πr(sinα)/(b+60)(8)代入(7)，可得：

B实用=2πrn1(sinα)/[a(b+60)n2]

(9)

2.3.3 刮刀轨迹的分析

经过做图法分析，刮刀轨迹分布情况、物料刮完的时间等与刮刀转速、圆盘转速、刮刀数量、圆盘倾角、下料位置等许多参数有关，但其中最关键的参数是刮刀转速与圆盘转速，两者应该匹配。如果刮刀转速相对圆盘转速过大，轨迹密度越大，物料成球后很快被刮刀破坏，成球质量差，造球机产量降低。如果刮刀转速相对圆盘转速过小物料就不能很好的被刮到，甚至出现刮不到的区域。

下文以靠近盘侧的底刮刀架为例，分别表示1把刮刀杆在圆盘上行走1周，1把刮刀杆在圆盘上行走5周，5把刮刀杆在圆盘上行走10周的轨迹，如图2所示。

图2 刮刀轨迹图

实践中，可采用皮带轮传动放在圆盘主电动机和减速机之间，皮带轮可以做成几个规格，可以调整圆盘的转速w1。刮刀可以采用变频调速，做到时刻调整转速w2。这样就能达到调整刮刀角速度与圆盘角速度的比值C值的目的。

3 结论

(1)旋转刮刀的工作性能，取决于刮刀轨迹曲线的重复周期和清理周期。

(2)C值小于并接近于1时，刮刀的轨迹分布比较密集，刮刀的刮到性能相对较好。

(3)通过理论计算和实践应用可以得出，对于直径为Φ5.5 m和Φ6 m的圆盘造球机，当圆盘转速在6～8 r/min时，C值接近于1时，圆盘底部刮刀刀头数量为5时，成球时间大约8～10 min，成球粒度在5 mm和30 mm之间，成球质量较好，满足工艺生产要求。

4 应用与展望

对刮刀结构、材质、参数等多方面优化设计后，经过多个冶炼厂的实践证明，旋转刮刀耐磨损、运行平稳和易于维护，造球效果好，主要技术数据(如表1所示)满足了工艺要求，在全国同行业中处于领先地位。

表1 主要技术数据

随着我国钢铁、有色工业的发展和镍铁技术的快速发展，球团设备应用在铜、铅、锌、镍等各种冶炼厂中。刮刀参数的合理配置和优化设计，直接关系到球团质量、圆盘生产率、圆盘寿命和整个的设备功率消耗，因此对它的研究有一定的深远意义。