提高某選廠圓錐破碎機運行效率的研究與實踐

鄭 競，楊 武，夏 霜，劉 鳴

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3大冶特殊鋼有限公司 湖北黃石 435001

4中信泰富礦業有限公司 澳大利亞珀斯

破 碎和磨礦是選礦廠生產工藝中的重要作業環節。自 20 世紀 80 年代，我國礦山領域都將“多碎少磨”作為選礦廠提產節能的一條技術路線加以推廣。理論研究和長期的實踐證明，無論是從節能的角度還是從選礦工藝角度上看，“多碎少磨”確實達到了節能降耗的效果[1]。因而，提高破碎作業效率是選礦廠提產降耗的常用方法之一。

1 選廠現狀

某大型磁鐵礦選廠 (以下簡稱“選廠”) 使用自磨+球磨+頑石破的磨礦工藝流程 (ABC)，其中自磨回路工藝流程如圖 1 所示。頑石破碎機用來破碎自磨機排出的難磨粒子——頑石。由于頑石破碎效率與自磨機產量在一定范圍內成正比[2]，選廠采取了一系列措施對頑石破碎回路進行優化改造，以提高頑石破碎作業效率。該選廠總共有 6 個系列，每個系列對應 2臺頑石破碎機 (1 用 1 備)，第1、2 系列使用的是單缸液壓圓錐破碎機，其他系列使用的是多缸液壓圓錐破碎機。2 種破碎機的設計參數如表 1 所列。

圖1 選廠自磨工藝流程Fig.1 Autogenous grinding process flow in concentrator

表1 頑石破碎機設計參數Tab.1 Design parameters of pebble crusher

2 影響圓錐破碎機運行效率的主要因素

結合選廠 2 種破碎機的運行實踐，其運行效率主要受到以下幾個方面的影響。

(1) 破碎機設計參數 對于一種破碎機而言，其機械參數影響著破碎機的破碎力、處理量和破碎比等。如破碎機的動錐角度、動錐旋轉中心距離破碎點的位置以及動錐偏心距等決定著破碎機的破碎力，動錐轉速 (主軸旋轉速度) 決定著破碎機的處理量，而破碎機動錐角度和襯板腔型等限制破碎機的破碎比。因此，在研究提高破碎機運行效率之前，應當確定與工況相適應的機械參數[3]。

(2) 給礦礦石性質 給礦的礦石硬度、粒度分布、礦石的含水和含泥量等直接影響著破碎機的運行穩定性和破碎效率的發揮。如果破碎機夾雜較多的細粒級顆粒，則可能導致破碎機的破碎力超過極限值，從而出現“環跳”現象；如果給礦含泥水較多、發生粒度偏析時，動錐無法對破碎腔體內的物料進行有效擠壓，破碎力分布不均勻，則會引起破碎機功率劇烈變化。

(3) 機械性能限制 圓錐破碎機存在 3 個方面的極限：一是量的極限，即給礦量和給礦粒度的極限，這是由其破碎腔的體積決定的；二是運行功率的極限，當破碎較硬礦石時，破碎機運行功率較高；三是破碎力的極限，圓錐破碎機動、定錐之間的鎖緊力是有限的，當破碎力較大時，破碎機的上機架將產生跳動或者液壓缸釋放壓力，嚴重時甚至會損壞設備。

(4) 設備控制策略和操作方法 可以通過調整破碎機排礦口來調節破碎機的處理量和破碎比。此外，破碎機擠滿給礦的狀態是破碎機維持最佳效率的關鍵。

(5) 工藝流程的影響 不同的破碎工藝流程對應的給礦條件存在差異，而且流程中的鐵件常造成破碎機“過鐵”現象，容易引起破碎機的機械損傷。

3 運行問題分析

不同于普通圓錐破碎機，由于該選廠礦石硬度過高，頑石表面光滑，破碎機在運行過程中主要存在以下問題。

(1) MP1000 破碎機運行功率經常超過極限。主要原因是供應商考慮到該選廠的頑石硬度較高，臺時較低，因而提高了破碎機動錐的旋轉速度，以追求較高的破碎機處理能力。但研究表明，動錐速度越高，破碎機功率越高[3]。另一方面，選廠為了獲得破碎機的設計處理量和產品粒度，通過提高運行功率來獲得高處理量和更多合格粒級產品。這樣的運行模式帶來的問題是功率和破碎力均達到極限，破碎機頻繁“環跳”，經常出現偏心銅套損壞等現象。

(2) CH880 頑石破碎機運行功率遠低于設計額定功率，沒有發揮其應有的性能。

(3) 給礦條件差，導致破碎機運行電流劇烈變化，引起破碎機“環跳”，破碎效率低下。給礦條件包含 4 個方面：一是大塊頑石進入破碎機，頑石粒度上限是依賴自磨機頑石窗的開孔尺寸來控制的，在自磨機襯板使用后期，頑石窗磨損之后，大塊礦石從自磨機排出進入破碎機，對破碎機產生惡劣影響；二是給礦中的泥水含量較大，頑石在自磨機排料篩上的脫水、脫泥效果較差，泥水伴隨著頑石進入破碎機，導致破碎機運行過程中出現“環跳”和功率劇烈波動等現象，嚴重時會損壞破碎機銅套，甚至造成機架開裂和底座襯板損毀；三是破碎機給礦偏析嚴重，給礦偏析有給礦粒度偏析和給礦料位偏析兩方面，給礦粒度偏析是在轉運和存儲過程中，頑石經過反復瀉落形成了自然的粒度偏析，而給礦料位偏析是帶式輸送機將給礦拋落到破碎腔之后，形成了前后料位傾斜，造成破碎機運行功率波動較大，嚴重影響破碎效率；四是頑石破碎機“過鐵”頻繁，由于該選廠自磨回路的礦石通過量較高，礦石和礦漿對溜槽和漏斗沖擊磨損較大，磨損的襯板和螺栓經常脫落，伴隨著頑石進入頑石破碎機，導致破碎機頻繁“過鐵”，嚴重影響了頑石破碎機的正常工作。

(4) 自磨機的頑石產量與頑石破碎機的處理能力不匹配，導致自磨機給礦和排礦波動較大，當頑石產量較大時，頑石緩沖倉料位迅速增加，迫使自磨機降低處理量。

4 提高頑石破碎機效率的實踐

4.1 調整機械參數

選廠從影響破碎機運行效率的幾個因素著手，對破碎機在運行過程中出現的問題逐一解決，以發揮圓錐破碎機在生產中的最佳性能。

在生產實踐中，圓錐破碎機的 3 個主要機械調整參數是主軸旋轉速度、破碎機襯板和偏心距。

(1) 該選廠通過調節 MP1000 電動機帶輪的傳動比，降低了動錐的運轉速度 (由高速改為標準速度)，使破碎機運行更加平穩，從而降低了破碎機的運行故障率。

(2) 選擇與給礦粒度匹配較好的襯板，并優化破碎機襯板腔型，以提高破碎機效率。以該選廠的CH880 型圓錐破碎機為例，在生產前期使用的是 EF/OB 粗腔型襯板，這個襯板的優勢在于大塊破碎，處理量較高，但是破碎機有效功率 (一般以破碎比功耗進行衡量) 較低，產品粒度較粗，不利于自磨回路的產能提升。實踐表明，增加動錐和定錐襯板嚙合的平行長度，可提破碎機運行功率[5]。2019 年初，選廠試驗了 2 套 HR/HC 細腔型襯板，并延長了動錐和定錐襯板的平行嚙合距離。這 2 種襯板的運行效果對比如圖 2 所示。由圖 2 可知，HR/HC 腔型襯板的運行功率較高，使用壽命較短，但破碎機比功耗更高，破碎產品粒度更細，有利于自磨機產量提高。

圖2 不同類型襯板壽命周期內的功率和處理量曲線Fig.2 Variation curve of power and throughput of various liners during lifespan cycle

(3) 為了配合細腔型襯板的使用，選廠在保持自磨機頑石窗開孔率不變的情況下，將頑石窗的開孔寬度從 75 mm 調整到了 55mm，以控制頑石粒度上限，同時也減少了頑石產量，為頑石破碎機穩定工作創造了條件。

(4) 不同偏心距的偏心銅套對破碎效果影響也較大。CH880 型破碎機的偏心套調節范圍在 52～ 64 mm，偏心距越大，破碎比功耗越低。選廠多次試驗表明，在整套襯板壽命周期內，使用 64 mm 偏心距的破碎機平均運行功率比 52 mm 偏心距的破碎機高約45 kW。因此，為了提高 CH880 破碎機的運行功率，選廠將 CH880 破碎機的偏心距改為 64 mm。

4.2 減少給礦偏析

給礦偏析造成破碎機的破碎力在動錐周圍分布不均勻，引起運行電流較大波動，不僅影響破碎產品粒度，而且還經常造成破碎機液壓缸故障。為了解決給礦偏析問題，選廠在破碎機給料腔內安裝了混料裝置和旋轉布料器，如圖 3 所示。破碎機給礦帶式輸送機兩側粗細偏析明顯，粗粒級和細粒級物料經過混料裝置之后，通過旋轉布料器可以均勻拋灑到破碎腔，基本消除了給礦偏析，使得破碎機運行更加穩定。

圖3 頑石混料裝置和旋轉布料器示意Fig.3 Sketch of pebble mixing device and rotating distributor

4.3 降低頑石的含水、含泥量

由于頑石是自磨機排料篩的篩上產物，排料篩的分級效率和脫水、脫泥效果決定著頑石的含水、含泥量。而含水、含泥量較多的頑石則會引起破碎機頻繁“環跳”，以及運行電流的劇烈波動，甚至會造成偏心銅套損毀、動錐母體和機架開裂等嚴重后果。

為了降低頑石的含水、含泥量，選廠采取了以下措施：

(1) 改善篩機的給礦分布情況，使同一系列的兩個篩機分礦均勻；

(2) 保持篩機的總用水量不變，將靠近篩機排礦端的沖洗水關閉；

(3) 在篩機排料端篩板上安裝擋水條，使物料在篩面上的脫水時間增加，同時又可擋住沿篩板向下流淌的明水。

如圖 4 所示，在 CH880 破碎機含水、含泥量較多時，破碎機平均運行功率偏低，破碎比功耗較低；優化后，頑石含水、含泥量明顯下降，破碎機運行功率較高且穩定。

圖4 不同含泥水量的頑石給礦對破碎機運行功率的影響對比Fig.4 Comparison of pebble feed with various mud and water content in its influence on operational power of crusher

4.4 其他措施

為了實現破碎機的運行效率最大化，選廠還進行了以下改進工作：

(1) 制定詳細的頑石破碎機控制和操作策略，以破碎機給礦帶式輸送機速度為自變量，破碎腔料位和頑石破碎機功率為因變量，形成雙循環控制，配合排礦口調整破碎機的通過量，從而保證破碎機高效穩定運行。

(2) 增加頑石返回旁路，以便在頑石返回量超過破碎機處理能力時，多余的頑石能夠返回自磨機，自磨回路可平穩運行。

(3) 加強頑石回路的鐵件管理，主要是防止檢修過程中遺留的螺栓、磨損的襯板等自由鐵件進入破碎機。通過提高金屬探測器和除鐵器的靈敏度，將撿出的廢鐵件分類，并查找掉落原因，制定嚴格的點檢制度，從根本上解決鐵件掉落問題，頑石破碎機的過鐵現象也大大減少。

5 優化結果

圖5、6 分別對比了 CH880 和 MP1000 破碎機優化前后的產品粒度曲線，經過一系列的優化，2 種破碎機的產品粒度均明顯變細。從表 2 可知，優化后，破碎機的運行功率和處理量均有不同程度的提高，由于破碎效率的提高，破碎比功耗有所上升，破碎產品P80細度降低，達到了預期的優化目標。由于每個系列的自磨機回路配置略有差異，優化后，自磨機平均處理量約從 1 223 t/h 提高到 1 251 t/h。

圖5 CH880 破碎機優化前后產品粒度分布曲線Fig.5 Size distribution curve of product from CH880 crusher before and after optimization

圖6 MP1000 破碎機優化前后產品粒度分布曲線Fig.6 Size distribution curve of product from MP1000 crusher before and after optimization

表2 優化前后圓錐破碎機運行參數Tab.2 Operational parameters of cone crusher before and after optimization

6 結論

選廠通過對 2 種不同破碎機工作特點和性能的深入研究，根據頑石破碎機運行中出現的問題，有針對性地采取了一系列的優化措施，提高了頑石破碎機的運行功率，降低了頑石產品細度，單缸圓錐破碎機平均比功耗由 0.59 kW·h/t 提高到 0.74 kW·h/t，多缸圓錐破碎機平均比功耗由 1.12 kW·h/t 提高到 1.21 kW·h/t。頑石破碎效率的有效提高，有利于自磨機產量的提升，緩解了自磨機產量受限的問題。