基于EDEM的0630型分級破碎機結構優化

楊 永

(陜西華電榆橫煤電有限責任公司 小紀汗煤礦，陜西 榆林 719000)

小紀汗選煤廠隸屬于陜西華電榆橫煤電有限責任公司，是一座設計能力為10 Mt/a的礦井型動力選煤廠，于2008年建成投產。原煤采用分級入選方式處理，>13 mm粒級塊煤采用淺槽重介分選機分選，13～1.50 mm粒級末煤采用有壓兩產品重介質旋流器分選，1.50～0.15 mm粒級粗煤泥采用螺旋分選機分選，<0.15 mm粒級細煤泥采用篩網沉降離心脫水機和板框式快開壓濾機聯合回收。

該選煤廠的精煤破碎設備為0630型分級破碎機，破碎輥采用齒板式結構，而齒板依靠緊固螺栓與輥座相連，使用過程中容易出現出料粒度超限、螺栓松動、齒板脫落、破碎腔被堵等問題。此外，隨著精煤市場需求的變化(主要指商品煤粒度變化)，原破碎機的結構參數無法滿足破碎要求。因此，必須對精煤破碎機的破碎輥進行改造，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 破碎系統現狀

該選煤廠破碎系統配備有多臺原煤破碎機(一級破碎機)和精煤破碎機(二級破碎機)，總處理能力約為2 000 t/h，其中二級破碎機選用0630型分級破碎機。在煤炭破碎過程中，一級破碎機的出料粒度為250 mm，破碎產物經分選、分級處理后，篩上物(250～40 mm粒級物料)進入二級破碎機。

生產中存在的主要問題為：

(1)二級破碎機的破碎輥為齒板式結構(圖1)，且采用平行布置方式，導致待破碎物料沒有嚙入角度，破碎效果較差，尤其是超限物料進入破碎腔后無法破碎。隨著大塊物料(未被破碎物料)的增多，破碎輥表面出現堆積物料，加上破碎輥長向尺寸較大，目前的破碎齒無法起到布料作用[1]，致使破碎輥長向局部范圍內出現物料堆積，進而堵塞破碎腔。

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

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

圖1 齒板式破碎輥實物圖

2 0630型分級破碎機

0630型分級破碎機的驅動系統主要由電機、液力耦合器、減速器、聯軸器、破碎輥組成，結構如圖2所示。

圖2 0630型分級破碎機結構示意圖

0630型分級破碎機主要部件為兩個平行安裝的破碎輥，每個破碎輥沿軸向布置一定數量向內旋轉的破碎齒(齒板)[1]，使煤塊或是在相互垂直的應力下被拉裂，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。該機主要是通過剪切、刺破、劈裂等作用實現煤炭的破碎，充分利用了大部分巖礦物料的強度特性(表1)，即抗壓強度>抗剪強度>抗拉強度[2]。

表1 煤炭強度特性

3 優化方案

3.1 方案設計

(1)齒形設計與破碎齒布置。破碎齒的齒形結構需要滿足兩個要求：在滿足粒度要求的前提下，最大限度地提高塊煤率，減少煤炭的過粉碎現象和限上率；進行破碎作業時，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、齒形布置等方面進行設計優化，經過多次比選后，從齒數和角度兩個方面初步確定了22-45、22-50、20-45、20-50四種方案。破碎齒采用多段波浪形布置，以發揮破碎輥的布料作用，進而提高破碎輥的使用效率和設備處理能力[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]，針對生產現場的煤炭特性，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程中細化，進而提高淬透性和熱強性，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，從而得到單一的過冷奧氏體組織[7]。

3.2 EDEM分析

EDEM是世界上第一款基于高級離散元方法[8]的通用仿真分析軟件，可以快速、簡便地建立顆粒系統的參數化模型，并能添加顆粒的力學性質、物料性質和其他物理性質，進而通過模擬散狀物料加工處理過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，也可以協助設計人員對部分散料處理設備進行設計、測試和優化。破碎塊體的尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，由8 000個φ10 mm的小球黏結而成。參數設置見表2，分析過程與模擬結果如圖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方案對破碎機進行優化。

表2 物料參數

圖3 EDEM分析圖示

4 應用效果

對0630型分級破碎機結構優化后，參照GB/T 5329—2003《試驗篩與篩分試驗 術語》對破碎產物進行化驗。化驗結果表明：優化后45～6 mm粒級精煤的塊煤率為69.87%，與優化前同粒級精煤的塊煤率41.25%相比，提高28.62個百分點。

按照單臺破碎機處理能力320 t/h，每天工作16 h，每年工作275 d計算，每年可多產出塊精煤37.78萬t；而塊精煤銷售價格高50元/t，因此每年的銷售收入可提高約1 888.92萬元。此外，設備維護量大幅減少，全年可節省維修時間約2 500 h，可節約勞動力成本約10萬元。

5 結語

在國家倡導礦產資源綜合高效利用的形勢下，基于分級破碎機的初步優化方案，通過EDEM分析確定了最佳優化方案，并依據該方案對0630型分級破碎機結構優化后，精煤破碎效果明顯提高，出料粒度、設備使用壽命等顯著改善，不但滿足了現場生產要求，而且取得了較好的經濟效益。