頂裝焦爐平煤滾壓裝置的研究與改進

閆樹軍，何邦貴，曾學淑，曲永江

(昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650093)

0 前言

焦炭在高爐冶煉中起著熱源、還原劑和料柱骨架三大作用，隨著高爐大型化和氧煤強化煉鐵技術的不斷發展，噴吹煤比逐漸上升，入爐焦比逐漸下降，其骨架作用就變得更為突出［1-2］，相應對焦炭的質量要求也會越來越高，裝煤堆密度和均勻度是影響焦炭質量的重要因素，研究表明隨裝煤堆密度的提高，焦炭的抗碎強度M40增大，耐磨強度M10改善，因此提高煤料堆密度是改變冷強度和熱強度的有效措施［3］。

1 平煤裝置在焦炭生產中存在的問題

由焦化爐工作原理知，煤在焦化之前，通過入口加入到焦化爐內，底層煤料在上層煤料自重作用下致密，其堆密度為750 kg/m3。一般6 m焦爐裝入煤的散密度上下之差約在180～200 kg/m3，散密度最高區域在正對裝煤口位置的炭化室底部。裝煤均勻性與裝入煤的散密度有關［4］，散密度不同，相同的爐溫下成焦速度不同，結焦時產生的膨脹壓力也不同，從而影響焦炭質量。頂層煤料，缺乏外力作用，煤層比較疏松，堆密度從正對裝煤口位置向兩邊逐漸降低，疏松煤層焦化后其焦炭冷態機械強度和反應后強度都達不到要求。

平煤機構是推焦機的重要組成部分，直接影響煤堆密度和均勻度，其工作原理如圖1所示，當裝煤車的裝煤量達到一定程度，平煤機構開始工作，小爐門被打開，平煤桿伸進炭化室通過往復運動將煤推平。

圖1 平煤裝置的工作原理簡圖Fig.1 Working principle of coal-flatting device

日本鋼管福山鋼鐵廠煉焦車間通過軟件對平煤定時，增加炭化室的平均裝煤量和降低波動［5］;酒鋼焦化廠采用有較強滾動壓煤能力的平煤桿，提高了炭化室頂部煤層的堆密度，增加了單孔裝煤量，并減少了平煤桿往外帶煤量［6］;邢臺鋼鐵有限公司利用拉筋板來擠壓煤料［7］。這些改進對頂層煤堆密度增加都有一定的改進，但因只作用于頂層表面極薄的一層，影響深度有限。

2 滾壓裝置的改進

研究表明，多數專家都在通過改進平煤桿來提高裝煤堆密度和均勻度，但效果都不明顯。相對于振動與搗固，滾壓裝置是最有效的。

原滾壓裝置是把壓縮氣缸固定在平煤桿上，如圖2所示，此時活塞桿受到很大的彎矩，這是不允許的;另外這種結構滾筒半徑受到很大限制，要小于平煤桿高度的1/3(滾筒半徑最大時氣缸的最大行程P與滾筒半徑R和平煤桿的高度H之間的關系式為P=R，且H=2R+P)。

為避免活塞桿承受彎矩，將氣缸改為繞尾軸擺動，變為動筒，構成曲柄搖塊機構，結構如圖3所示。設計曲柄搖塊機構在平煤桿上有兩種安裝方式，如圖3a、圖3b所示，使用過程中發現在滾壓裝置功能失效時，圖3a方案會通過平煤口的反作用力收起滾筒而順利收回平煤桿，圖3b方案平煤桿將被卡在炭化室內，會毀壞整個設備。分析兩種安裝形式功能失效時的受力情況如圖4所示，R是平煤口對滾筒的作用力，R1和R2的是R的兩個分力，同時也是滾筒對兩個連桿的作用力，圖4a的R1方向是活塞桿的收回方向，圖4b的R1方向是活塞桿的伸出方向。如果出現平煤作業完畢滾筒不能自動收回，圖4a方案能夠順利通過平煤口使平煤桿收回，圖4b方案不能。因此，選用圖3a所示方案更為合適。

圖3a方案的優點是:(1)產生的滾壓力比較大，如圖5所示，在平煤桿伸出工作時，由分析可以看出滾筒將產生巨大的滾壓力;(2)滾筒的半徑可以較大(不能超過平煤桿高度的1/2)，在平煤次數一定的情況下，可以更大的提高單爐裝煤量，提高頂層煤堆密度;(3)壓縮氣體只提供壓力，并不消耗，所以工作中排放氣體少，對環境污染少;(4)作業過程中滾筒的滾壓力由平煤桿的自重給予，不會因增加設備而使整體設備承受重量增加。

3 平煤效果分析

以短行程平煤來評價設備改造后的平煤效果，由圖1知有三個裝煤口，為達到平煤均勻可安裝三套滾壓裝置，如圖6所示。第一個進給行程令其達到最大，返回時距離炭化室壁約1/3的長度，接下來再以約1/3的長度進行兩次往復平煤，然后收回，總行程長度為97300 mm，平煤的平均速度為60 m/min，則平煤時間為97.3 s，在80～120 s內，整個過程滾壓裝置進行了7次往復的滾壓作業。

根據每次滾壓所形成的裝煤空間可以計算出單爐增加的裝煤量，也可以估算出頂層堆密度的增加量。滾筒半徑158 mm，滾筒長度200 mm，每次滾壓行程的裝煤空間為0.158×0.2×16=0.5056 m3，頂層煤堆密度680 kg/m3，所以總裝煤增加量為0.68×0.5056×2×7=4.813312 t。但由于結構限制，滾壓裝置不可能運行到炭化室兩端的頂點，故增加量要稍少，保守估計為4000 kg。

圖6 滾壓裝置布置圖Fig.6 Distribution of rolling depression devices

由于滾壓裝置對煤層的影響深度很難考量，可由平均堆密度來考察，為改善前平均堆密度與炭化室容量的積與增加裝煤量之和再比上炭化室容量得到，代入數值得平均堆密度為833 kg/m3，原平均堆密度為750 kg/m3，可見滾壓裝置對煤料堆密度的提高是明顯的。

不同裝煤堆密度對焦炭反應后強度的影響是隨著裝煤堆密度的增加呈先大幅度增加后又趨于平緩的趨勢，當堆密度從720 kg/m3增大至900 kg/m3時，焦炭反應后強度隨著裝煤堆密度呈明顯增大;當焦炭堆密度從900 kg/m3增大至1120 kg/m3時，反應后強度趨于平緩，如圖7所示［3］。由此可知經過改造后焦炭的質量有了很大的提高。

圖7 反應后強度與堆密度之間的關系Fig.7 Intensity versus density after coke creation

由于增加了裝煤量，相應地提高了生產率，扣除堆密度對焦化時間的影響，生產效率提高的百分比為增加裝煤量與原來裝煤量的比值，11.1%。由此可見，滾壓裝置的改進對生產效率有很大的提高。

4 結論

滾壓裝置在平煤桿上的合理應用能大大提高平煤效果，使頂層煤的堆密度提高到820 kg/m3以上，單爐裝煤量增加4000 kg以上，扣除堆密度對焦化時間的影響，生產效率提高10%以上。

［1］ 孟慶波，張孝天．高爐噴煤對焦炭質量的要求及改善焦炭質量的途徑［J］．煉鐵，2000，19(6):23－26．

［2］ 張壽榮，畢學工．關于大量噴煤高爐的某些理論問題的思考［J］．鋼鐵，2004，39(2):8－13．

［3］ 周盡暉，李懷遠．裝煤堆密度對焦炭質量的影響［J］．燃料與化工，2003，34(2):68－70．

［4］ 曹銀平．寶鋼6 m焦爐頂裝煤特性及技術研究［J］．寶鋼技術，2005(2):38－40．

［5］ 平野博義，郭景華．更改平煤定時以增加裝煤量［J］．國外煉焦化學，1990，9(6):35－38．

［6］ 黃雄立．可滾動壓煤的平煤桿［J］．燃料與化工，2001，32(2):76－76．

［7］ 邢臺鋼鐵有限公司．推焦車用平煤桿［P］．中國專利:200420016378.2，2005－08－31．