高壓輥磨機(jī)控制性能的優(yōu)化

羅 敏

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司 河北唐山 063000

近年來，高壓輥磨機(jī)作為一種高效、節(jié)能的粉磨設(shè)備在冶金礦山行業(yè)的應(yīng)用己日趨廣泛和成熟，具有“多破少磨”、“以破代磨”的特點。河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司 (以下簡稱“河鋼礦業(yè)”) 分別引進(jìn)了進(jìn)口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)及國產(chǎn)HFKG160×140 型高壓輥磨機(jī)，均取得了良好的應(yīng)用效果，但因二者控制方式不同，導(dǎo)致設(shè)備運轉(zhuǎn)時單位能耗、產(chǎn)能及產(chǎn)品粒度各有不同。因此，對高壓輥磨機(jī)的控制性能進(jìn)行深入研究和優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實意義。

1 高壓輥磨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點

1.1 高壓輥磨機(jī)的工作原理

高壓輥磨機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其主體為框架結(jié)構(gòu)，工作原理為：定輥總成固定在總機(jī)架上，在液壓系統(tǒng)的作用下，動輥總成沿機(jī)架耐磨滑道向定輥方向滑動，實現(xiàn)對輥間隙 (以下簡稱“輥隙”) 的控制；當(dāng)輥隙調(diào)整到工作標(biāo)準(zhǔn)之后，物料經(jīng)進(jìn)料裝置進(jìn)入輥系，在系統(tǒng)壓力的作用下，物料發(fā)生層壓粉碎，最后經(jīng)出料口排出。高壓輥磨機(jī)采用層壓粉碎理論，物料除了受到擠壓粉碎外，其顆粒內(nèi)部還產(chǎn)生大量裂紋、塌散及疏松等缺陷，使物料可磨性大為改善，有利于提升磨機(jī)臺效，降低能耗。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓輥磨機(jī)在碎磨工藝流程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

圖1 高壓輥磨機(jī)模型Fig.1 Model of high-pressure grinding roller

1.2 高壓輥磨機(jī)的應(yīng)用工藝流程

河鋼礦業(yè)研山鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，設(shè)計采選規(guī)模為 1 500 萬 t。其破碎工藝采用粗碎、中碎兩段一閉路—高壓輥磨全閉路破碎流程[2]，其中細(xì)碎系統(tǒng)引入進(jìn)口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)，輥磨后合格產(chǎn)品 (-12 mm) 進(jìn)入香蕉篩篩分，篩上物料返回輥磨機(jī)，篩下產(chǎn)品進(jìn)入磨選系統(tǒng)。

河鋼礦業(yè)柏泉鐵礦為基性巖型超貧磁鐵礦床，在其 600 萬 t 采選擴(kuò)能技改工程中，引入了國產(chǎn) HFKG 160×140 型高壓輥磨機(jī)，其破碎工藝與研山鐵礦類似，破碎后最終產(chǎn)品粒度為 -8 mm。

2 存在問題分析

河鋼礦業(yè)在應(yīng)用高壓輥磨機(jī)過程中，圍繞整機(jī)使用壽命、產(chǎn)量、粉碎效果、單位能耗及工作可靠性等指標(biāo)進(jìn)行了多次對標(biāo)分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，2 臺設(shè)備雖控制方式截然不同，但卻均存在一個共性問題：設(shè)備運轉(zhuǎn)時對輥兩側(cè)間隙偏差過大，造成粉碎效果差，成品料占比偏低，直接影響了產(chǎn)量、粉碎效果和單位能耗，因此決定對其進(jìn)行優(yōu)化研究。

高壓輥磨機(jī)在輥子驅(qū)動側(cè)安裝有主傳動電動機(jī)、減速器，在非驅(qū)動側(cè)僅安裝推力軸承作為防護(hù)。因左右兩端結(jié)構(gòu)的不對稱性，使得高壓輥磨機(jī)帶負(fù)荷運轉(zhuǎn)過程中左右兩端受力及運動方式略有不同，導(dǎo)致對輥左右兩側(cè)間隙存在較大偏差。當(dāng)偏差過大時，礦石顆粒未受到擠壓粉碎，降低了設(shè)備的粉碎效果。輥系控制過程是動態(tài)控制過程，受液壓、電控系統(tǒng)的控制性能影響較大，因此需要研究輥隙、液壓系統(tǒng)功能及電控系統(tǒng)性能，減少和避免液壓、電氣控制系統(tǒng)頻繁啟停動作，將輥隙偏差控制在合理的工作范圍內(nèi)，達(dá)到動態(tài)控制的目的。

3 解決方案

3.1 高壓輥磨機(jī)輥隙優(yōu)化

在對高壓輥磨機(jī)控制性能優(yōu)化之前，首先要確定高壓輥磨機(jī)正常工作所需的輥隙取值范圍。高壓輥磨機(jī)的輥隙與物料粒級組成、硬度等物理性質(zhì)有關(guān)。為使高壓輥磨機(jī)運轉(zhuǎn)時達(dá)到高效、節(jié)能的目的，需進(jìn)一步研究輥隙與單位能耗、成品粒度之間的影響規(guī)律[3]，輥隙與單位能耗和成品粒度之間的關(guān)系分別如圖 2、3 所示。

由圖 2 可知，高壓輥磨機(jī)單位能耗隨輥隙的增大呈指數(shù)減小，當(dāng)輥隙大于 25 mm 后，單位能耗的減小幅度減緩。由圖 3 可知，當(dāng)高壓輥磨機(jī)輥隙增大時，細(xì)粒級產(chǎn)品 (0.027 mm 和 0.040 mm) 逐漸減少，粗粒級產(chǎn)品 (2.50 mm) 逐漸增加，而 1.00 和 1.80 mm 粒級產(chǎn)品變化不大；當(dāng)輥隙大于 25 mm 之后，各粒級產(chǎn)品變化均不明顯。綜合上述分析，增大輥隙，能夠降低單位能耗，但會影響粉碎效果，因此在優(yōu)化輥隙的同時需兼顧節(jié)能和高效兩個方面。

圖2 輥隙對單位能耗的影響Fig.2 Influence of gap of roller pair on specific energy consumption

圖3 輥隙對成品粒度的影響Fig.3 Influence of gap of roller pair on granularity of finished product

根據(jù)高壓輥磨機(jī)的工作原理，輥隙分為初始間隙a0和工作間隙 a1。初始間隙 a0一般是固定不變的，而工作間隙 a1需綜合考慮礦石的粉碎等級要求和物理性質(zhì)，初始間隙 a0和工作間隙 a1取值為[4]

式中：D 為輥子外徑，研山鐵礦為 1 700 mm，柏泉鐵礦為 1 400 mm；Ks為影響因子，脆性礦石 Ks=0.016～ 0.024。

綜合考慮高壓輥磨機(jī)擠壓效果和單位能耗的影響規(guī)律，結(jié)合式 (1) 確定研山鐵礦進(jìn)口 RPS160/180 型高壓輥磨機(jī)對輥初始間隙為 22 mm，工作間隙為 43 mm；柏泉鐵礦 HFKG160×140 型高壓輥磨機(jī)對輥初始間隙為 17 mm，工作間隙為 34 mm。

3.2 液壓系統(tǒng)控制性能優(yōu)化

高壓輥磨機(jī)液壓系統(tǒng)提供輥隙控制和粉碎物料所需的力，因此其性能的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的產(chǎn)量和粉碎效果，本次優(yōu)化綜合考慮了“恒壓力”和“恒輥隙”2 種設(shè)計準(zhǔn)則。

3.2.1 液壓系統(tǒng)控制功能

動輥的退輥、進(jìn)輥，左右側(cè)增壓、減壓，輥系平行自動控制，壓力自動調(diào)節(jié)等動作主要都是由液壓系統(tǒng)完成的，液壓系統(tǒng)原理如圖 4 所示。液壓系統(tǒng)主要優(yōu)化功能如下：壓力增加，動輥逐步靠近定輥，當(dāng)液壓系統(tǒng)工作壓力達(dá)到操作壓力與誤差壓力值之差后，增壓閥增壓，達(dá)到壓力設(shè)定值后，增壓閥關(guān)閉，液壓泵停止運行；若系統(tǒng)壓力超出操作壓力設(shè)定值與壓力誤差值之和，減壓電磁閥將根據(jù)壓力降壓周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到操作壓力，之后關(guān)閉所有閥。最大工作壓力受限壓閥的最大操作壓力控制。為避免運轉(zhuǎn)過程中對輥左右兩側(cè)間隙偏差過大 (可達(dá) 15 mm)，造成壓力超限而停機(jī)，采取對左右兩側(cè)壓力進(jìn)行獨立控制優(yōu)化，同時調(diào)整優(yōu)化增壓閥增壓周期，高壓輥磨機(jī)可按照優(yōu)化后的壓力增壓周期以脈沖方式增壓，這樣可使液壓系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地達(dá)到操作壓力設(shè)定值。

圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic system

3.2.2 輥隙修正

研究高壓輥磨機(jī)的控制性能，對輥隙幾何形狀的監(jiān)測至關(guān)重要，優(yōu)化時首要控制原則是：保證輥系在誤差允許范圍內(nèi)平行運行要優(yōu)先于對輥兩側(cè)壓力相等。

當(dāng)輥壓機(jī)啟動后，一旦兩側(cè)壓力第一次達(dá)到操作壓力，自動輥隙修正功能即開始發(fā)生作用。兩側(cè)的輥隙是連續(xù)計算的，所測得的輥隙差不斷與其允許值進(jìn)行比較。由于物料沿輥隙縱向分布的不同，動輥可能會發(fā)生傾斜，當(dāng)傾斜量超過對輥左右兩側(cè)間隙偏差允許值時，傾斜必須得到糾正。當(dāng)輥隙差超過極限值 3 s 后，壓力控制系統(tǒng)暫停工作，輥隙修正系統(tǒng)開始工作。液壓系統(tǒng)在輥隙較大的一側(cè)增加壓力，直到壓力達(dá)到“操作壓力＋0.5×偏差”；延時幾秒后，如果輥隙修正的條件仍然存在，在輥隙較小側(cè)降低壓力，直到輥隙差達(dá)到其允許值的 50%后才停止，然后將減壓側(cè)的實際壓力作為設(shè)定值。此時壓力控制系統(tǒng)在不同的壓力設(shè)定值下運行，而其中一個總是與操作壓力與修正壓力之和相對應(yīng)。當(dāng)動輥產(chǎn)生一個新的偏差時上述過程又會重復(fù)進(jìn)行。壓力增加動作可以保證所要求的壓力以及所期望的粉磨效果維持一個較長的穩(wěn)定階段。優(yōu)化輥隙修正示意如圖 5 所示。

圖5 輥隙修正示意Fig.5 Sketch of correction of gap of roller pair

操作壓力的優(yōu)先極限值優(yōu)化為 15 MPa，當(dāng)壓力控制處于激活狀態(tài)時，軸承間距被用來限定輥隙減小或者壓力控制范圍的最低限。

3.3 電氣控制系統(tǒng)性能優(yōu)化

高壓輥磨機(jī)進(jìn)行粉碎作業(yè)時，電氣控制系統(tǒng)的控制分為 3 步：第 1 步，控制液壓泵工作對液壓缸供油，液壓缸活塞推動動輥，以達(dá)到調(diào)節(jié)輥隙的目的；第 2 步，執(zhí)行液壓系統(tǒng)加載，提供粉碎物料所需的擠壓力，即當(dāng)輥隙確定后，液壓加載系統(tǒng)按設(shè)定的壓力值及加載脈沖推壓動輥總成；第 3 步，控制動輥總成兩側(cè)液壓缸壓力及動作先后順序，使輥隙維持在允許誤差范圍內(nèi)，避免動輥總成發(fā)生較大幅度偏轉(zhuǎn)。因此，高壓輥磨機(jī)在運行中要實時對各項操作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括工作壓力、電動機(jī)電流、軸承工作溫度以及輥隙等[5]。為確保高壓輥磨機(jī)安全運行，河鋼礦業(yè)消化吸收了進(jìn)口輥壓機(jī) ROLCOX 多變量控制器的優(yōu)點，控制系統(tǒng)通過 Profibus 和中控室連接，主電動機(jī)的啟動信號為離散的 I/O 點。ROLCOX 控制程序優(yōu)化后，實現(xiàn)主電動機(jī)、各液壓泵及各電磁閥的啟停順序和聯(lián)鎖控制，保持輥系平行運行，最終控制左右側(cè)的輥隙偏差小于 6 mm。

4 優(yōu)化后應(yīng)用效果

河鋼礦業(yè)公司根據(jù)高壓輥磨機(jī)的工作原理及工藝特點，研究了輥隙對設(shè)備產(chǎn)量、擠壓效果和單位能耗的影響，根據(jù)不同礦石特點，確定了輥隙的取值，同時通過對液壓、電控系統(tǒng)控制性能的優(yōu)化，最終將對輥左右兩側(cè)輥隙偏差控制在 6 mm 以內(nèi)。經(jīng)性能優(yōu)化后，高壓輥磨機(jī)系統(tǒng)工作正常，成品料粒度顯著降低，-12 mm 產(chǎn)率可達(dá) 90% 以上，成品料粒度篩分檢測結(jié)果如表 1 所列。

表1 優(yōu)化后產(chǎn)品粒度分布Tab.1 Granularity distribution of product after optimization

5 結(jié)語

高壓輥磨機(jī)作為一種高效、節(jié)能的新型粉碎設(shè)備，具有“多破少磨”、“以破代磨”的優(yōu)點，有很好的推廣應(yīng)用前景。由于高壓輥磨機(jī)運轉(zhuǎn)時物料礦石硬度、粒度等物理性質(zhì)難以保證，河鋼礦業(yè)應(yīng)用ROLCOX 多變量控制器對輥隙進(jìn)行實時監(jiān)控，ROLCOX 自動監(jiān)控系統(tǒng)在使用過程中除對操作參數(shù)進(jìn)行少量調(diào)整外，不需進(jìn)行其他操控，實現(xiàn)了智慧礦山運行。河鋼礦業(yè)高壓輥磨機(jī)控制性能的優(yōu)化研究，對其他大型冶金礦山高壓輥磨機(jī)的引進(jìn)和應(yīng)用，以及建設(shè)智慧礦山提供了參考和借鑒。