年產 150 萬 t LGMS6027 礦渣立磨的研發及應用

王 軍 ，萬樹春

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智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

3廣東奇拓野營車輛實業有限公司 廣東佛山 528131

發 改委《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》指出，到 2025 年，大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，利用規模不斷擴大，新增大宗固廢綜合利用率達到 60%，存量大宗固廢有序減少[1]。

礦渣立磨集破碎、粉磨、烘干、氣流輸送和選粉等多項功能為一體，涉及多門類學科技術，結構龐大，功能復雜。礦渣立磨具有占地面積小、粉塵污染少、工作噪音低、節能降耗效果顯著等優點，且能夠使原來嚴重污染環境的大宗固體廢棄物礦渣變廢為寶，因此有著廣泛的應用前景和巨大的經濟社會效益，符合國家大力發展高新技術、促進環境保護及合理利用資源的產業政策。

礦渣立磨產品經多年應用實踐，在輥磨粉磨技術、動靜態選粉技術、自動化控制、液壓技術、齒輪技術等方面持續改進，正朝著大型化方向邁進。我公司在礦渣立磨關鍵技術突破方面進行了大量研究，開發了國內第一臺年產 60 萬 t 礦渣立磨和國內第一臺年產 120 萬 t 礦渣立磨，逐步掌握了大型礦渣立磨核心技術，積累了大量可靠的產品設計與調試經驗。基于此，我公司為國內某鋼鐵企業設計、研發了年產150 萬 t LGMS6027 大型礦渣立磨，并負責其全套立磨主機、液壓潤滑系統、電控系統、立磨主減速器的制造以及整套粉磨工藝系統及工程成套的設計。

1 主要技術參數

配套年產 150 萬 t 超高比表面積礦渣立磨為LGMS6027 礦渣立磨，采用平盤錐輥、曲臂加載的結構形式。其主要技術參數如表1 所列，結構如圖1所示。

圖1 LGMS6027 礦渣立磨結構Fig.1 Structure of LGMS6027 slag vertical mill

表1 LGMS6027 礦渣立磨主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of LGMS6027 slag vertical mill

2 關鍵技術

2.1 大型加載重載支撐系統

大型加載重載支撐系統屬立磨重要受力部件，運動方式為低速擺動。立磨工作過程中系統承受兩種載荷的作用，一種是徑向載荷，源于軸承座孔對支撐系統的反作用力；另一種為軸向載荷，源于磨輥碾壓磨盤上的物料時，對支撐系統的反作用力。在兩種載荷共同作用下，該系統的受力隨著磨輥輥壓力變化和料層的波動而變化。大型加載重載支撐系統受力及結構如圖2 所示。

圖2 大型加載重載支撐系統Fig.2 Heavy-load support system of large lading system

大型加載重載支撐系統設計時，創新采用滾動軸承+滑動軸承組合的結構。滾動軸承采用雙列調心滾子軸承，僅承受支撐系統的徑向力，具有較好的不同軸度補償作用。滑動軸承采用固定環和左、右動環的結構，可承受來自左、右方向的軸向沖擊載荷。利用自動干油供油裝置，定時定量向滑動軸承左右兩個摩擦副補充油脂，提供潤滑。滑動軸承還具備支撐系統軸向定位的作用，而且其結構緊湊，尺寸小，成本低廉，維修更換方便，極大延長了大型滾動軸承的使用壽命。

2.2 高效物料攤鋪技術

傳統礦渣立磨一般采用主輥+輔輥的模式，主輥負責研磨，輔輥負責攤平物料、準備料床。輔輥由液壓泵站和液壓缸驅動，可以上下擺動。輔輥必須控制在合適的高度才能保證攤鋪效果，其控制方式主要有以下幾種。

(1) 轉速控制 早期的輔輥控制模式主要是轉速控制。磨輥轉速低時，表示磨輥距離襯板太高，沒有與物料充分接觸，料床偏高，攤鋪效果不好。此時，啟動液壓泵使磨輥落下，與物料充分接觸，攤平料床。磨輥轉速高時，表示磨輥距離襯板太低，磨輥對物料壓緊力太大，料層會偏低。此時，啟動液壓泵使磨輥抬起，與壓緊物料的作用減小，穩定料床。但是，由于輔輥轉速的設定范圍不可能很大，且輔輥轉速變化很快，導致輔輥液壓泵啟停頻繁，易損壞，物料攤鋪效果不佳。

(2) 位移控制 有的現場采用輔輥位置控制的模式，對輔輥設定一個位移范圍。磨輥位移量大時，表示磨輥距離襯板太高，沒有與物料充分接觸，料床偏高，攤鋪效果不好。此時，啟動液壓泵使磨輥落下，與物料充分接觸，攤平料床。磨輥位移量小時，表示磨輥距離襯板太低，對物料壓緊力太大，料層會偏低。此時，啟動液壓泵使磨輥抬起，與壓緊物料的作用減小，穩定料床。但是，由于輔輥位移的設定范圍不可能很大，也會導致液壓泵頻繁啟停而損壞，攤鋪效果同樣不佳。

(3) 位置僅低位控制 有的現場采用僅限定輔輥低位的方式進行控制。利用機械限位裝置，限定輔輥的低位，輔輥靠限位裝置支撐，高位不做控制。這樣做的弊端是當料層高時，輔輥位移會隨料層增大，容易造成料層的擾動，物料攤鋪效果不佳。

由于上述輔輥攤鋪物料的弊端，LGMS6027 礦渣立磨采用高效物料攤平壓實排氣攤鋪技術，采用 3 個主輥+3 個攤鋪板的工作模式，如圖3 所示。其原理是攤鋪板固定在磨體上，立磨正常工作時，攤鋪板距離磨輥襯板的高度固定，現場可以根據需要適當調節攤鋪板距離磨盤襯板的高度。這樣能夠保證攤鋪板始終壓在料層上，攤平物料、準備料床的效果更好。同時，該技術簡化了原輔輥的結構，省去了液壓站、液壓缸、監測設備、控制系統等配套設備，極大降低了設計成本。再者，由于原輔輥攤鋪技術的復雜性，經常發生泵站損壞而需要長時間停機維護的問題，輔輥的安裝和維修也需要耗費大量時間，維護成本較高，而高效物料攤平壓實排氣攤鋪技術節約了維護的時間和成本。此外，該技術使主輥始終在穩定的料床上研磨，可以減少磨機振動，提高立磨的運行穩定性、磨輥粉磨效率以及磨機產量。

圖3 攤鋪板示意Fig.3 Diagram of paving board

2.3 高效動態選粉機技術

根據年產 150 萬 t 礦渣立磨工藝要求，研發了全新高效動靜態選粉機，由靜止導向葉片和動態鼠籠式轉子構成。選粉機研發采用先進的流體仿真分析軟件，對其內部流場開展研究并進行優化，降低風阻，提升選粉機效率，降低能耗。高效動態選粉機有如下特點。

(1) 方便可調節的定子葉片結構，在立磨運轉過程中可在線調節定子葉片角度，改變定子葉片間距，改變預分選礦粉粒度，配合轉子速度調節分選，可連續調整礦粉細度，獲得理想的粒度分布。

(2) 優化改進的轉子密封結構，大幅度減少跑粗現象，有效提高礦粉比表面積，降低 45 μm 篩余，提高礦粉質量。

(3) L 形轉子葉片+水平隔板的轉子結構形式，預分散效果好，分級精度及效率較高。

(4) 獨特的轉子葉片固定結構，改變轉子葉片通過焊接進行固定的結構，改善轉子葉片的受力狀態，極大方便了葉片的拆裝、更換。

(5) 特殊的轉子耐磨防護結構，有效減少轉子本體的磨損，延長轉子的使用壽命。

(6) 創新的自然吸氣冷卻與水冷卻結構，大幅度降低選粉機軸承溫度，延長軸承使用壽命，為提高選粉機轉速、獲得更高比表面積的礦粉提供了保證。

(7) 優化的轉子結構設計，配合可調角度的定子葉片，選粉比表面積可高達 520 m2/kg，能夠滿足特殊產品細度的需求，拓展選粉機的應用。

礦粉的比表面積越大，其活性越大[2]。但是一味增加比表面積會造成產量的下降和成本的增加，故在礦渣微粉比表面積一定的情況下，需通過選粉機來控制微粉的粒度分布，使其具有合理的顆粒級配，以獲得較高的礦粉活性。首先，要控制粗顆粒的含量，使 45 μm 以上的顆粒含量小于 1%；其次，要增加細顆粒微粉的含量，使小于 30 μm 的顆粒含量不低于90%。為了滿足這兩方面的需求，在選粉機研發中主要采取以下措施。

(1) 通過流體模擬分析，確定合適的轉子葉片數量和葉片寬度。研究表明，轉子葉片數量存在合理數值，數量設計冗余會增加消耗功率，但對選粉效率沒有影響[3]。通過選粉機結構的優化設計，提升 30 μm以下微粉的選粉效率，降低 45 μm 以上大顆粒微粉的選粉效率。

(2) 結合多個現場的實踐經驗，對轉子密封結構進行優化，提升密封效果，減少大顆粒微粉從密封處跑粗現象，通過選粉機的分選作用剔除粗粉，從而控制 45 μm 的篩余。

根據現場礦渣微粉選粉成品取樣分析，礦渣微粉比表面積穩定在 420 m2/kg 以上，45 μm 篩余 ＜0.5%，小于 30 μm 顆粒含量 ＞ 90%，3～ 30 μm 顆粒含量為 70% 左右，活性超過國家標準 S95 級活性的要求。

2.4 FEA 分析技術

結合多年立磨 FEA 分析技術優化經驗，針對磨盤、磨輥、加載系統等關鍵受力件開展 FEA 分析，并對相關結構進行優化設計，以解決大型立磨復雜結構零部件設計難題。有限元分析結果如圖4～ 7 所示。

圖4 磨盤應力分布Fig.4 Stress distribution of grinding table

圖5 壓力臂應力分布Fig.5 Stress distribution of press arm

圖6 連桿應力分布Fig.6 Stress distribution of connecting rod

圖7 整體變形Fig.7 Overall deformation

2.5 中心喂料及干濕分離

傳統礦渣濕料采用回轉喂料閥進料，設計物料沿下料溜槽落在磨盤中心，隨著磨盤的旋轉，物料在離心力的作用下，均布于磨盤襯板表面。然而，實際上物料不可能恰好落在磨盤中心，因此 3 個磨輥下的喂料分布有所差異，從而導致 3 個磨輥的研磨狀態不均勻，不能達到理想的運行狀態，出現個別輥子磨損嚴重的情況。

入磨濕礦渣采用螺旋喂料機進料時，出料口位于選粉機料斗內部、磨盤中心正上方，能夠實現中心喂料，再經磨盤旋轉甩料，可均勻分布于 3 個磨輥下，3 個磨輥出力一致，實現立磨平穩運行。

外循環干物料越過磨盤擋料圈，從磨盤下方經刮料板排出磨外，經除鐵、提升后，采用回轉喂料閥單獨進料。干物料經獨立溜槽進入選粉機料斗內部，沿返料斗內壁滑落，重新進入磨盤進行粉磨。

進料及返料采用干濕分離的結構可有效減少螺旋喂料機的結塊堵塞，同時可以提高立磨的粉磨效率。干濕分離喂料還解決了返回的干料與喂入的濕料混合后產生較大粉塵而污染環境的問題。

3 安裝注意事項

立磨安裝直接決定了立磨的使用效果。立磨安裝質量高，則立磨運行平穩，振動小，提產能力高，電耗低。反之，立磨運行不穩定，振動大，容易造成相關零部件及設備的損壞。因此，安裝立磨時必須注意以下事項。

(1) 攤鋪板要按照設計圖紙要求進行安裝。攤鋪板應均布并位于磨輥來料的前方，距離磨盤襯板表面的距離要調整至要求的高度，太高則起不到攤平物料、準備料床的作用，太低則會擾亂料層，增大磨盤阻力，增加電耗。

(2) 主減速機安裝定位后，現場配作主減速機與中框架的定位銷孔，并打入定位銷，將二者把合牢固后，按圖紙將減速機底板焊接牢固[4]。

(3) 磨盤擋料環按圖紙安裝至合適的高度。太高容易過粉磨，導致粉磨效率降低；太低則會影響料層穩定性，使粉磨細度降低。

(4) 為方便安裝，磨盤襯板之間應留有均勻縫隙，如遇到個別縫隙偏大時，應在縫隙中塞入鋼板條，防止間隙過大損傷輥面。

(5) 立柱與側框架、連接橋與立柱的焊接均應按照圖紙要求，焊后對焊縫進行超聲波探傷。進氣道與下筒體之間的焊接，應保證焊接后不漏氣。

(6) 主電動機聯軸器的安裝應保證其磁力中心線的正確位置，使主軸軸肩與滑動軸承前后間隙一致。同時，重點關注兩半聯軸器安裝的同軸度，控制好徑向跳動和端面跳動。

(7) 選粉機分半殼體現場拼裝焊接時，應嚴格控制變形，特別是轉子密封處殼體的焊接。變形會使轉子密封處的間隙發生變化，容易跑粗，降低產品比表面積。

(8) 選粉機下部軸承座的撐桿安裝后，應保證其水平度以及轉動靈活無卡頓。

(9) 選粉機主軸中心應與立磨中心重合，通過調整主軸上平面的水平度來控制主軸的垂直度。

(10) 立磨液壓潤滑管道配管完成后，要采用專門的沖洗油站對相應的管路進行循環沖洗，保證管路內清潔。

(11) 選粉機軸承水冷卻裝置管道安裝后，應進行通水帶壓試驗，保證裝置密封性。

4 立磨運行情況

年產 150 萬 t LGMS6027 礦渣立磨投產后，一次性帶料調試成功，運行穩定。投料量達 260 t/h，液壓缸加載壓力為 11 MPa，反壓力為 2 MPa，選粉機轉速為 100 r/min，礦渣微粉比表面積大于 420 m2/kg，磨內壓差不到 3 000 Pa，立磨本體電耗為 26 kW·h/t，收塵器出口粉塵質量濃度不到 10 mg/m3(標準大氣壓下) 礦渣微粉質量滿足 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》S95 級的要求。

LGMS6027 礦渣立磨現場布置如圖8 所示。在調試階段，曾因安裝問題導致管路漏油、蓄能器下球閥漏油、磨內噴水冷卻水管破損、螺旋給料機減速機損壞、選粉機減速冷卻器破損、螺旋給料機鉑熱電阻故障等問題，經現場處理后恢復正常。調試初期，以最高速度空轉時，發生轉子與密封剮蹭的問題。經排查發現，原因是現場組焊變形，導致局部密封與轉子間距偏小，適當放大該處間隙后，問題解決。

圖8 LGMS6027 礦渣立磨現場布置Fig.8 Site arrangement of LGMS6027 slag vertical mill

另外，因工藝系統的變徑管道直接連接立磨進風管道，變徑管道下部沒有支撐，導致進風管負載過大，焊縫開裂。為解決此問題，現場在立磨進風管道下面加裝立柱進行支撐。已建議工藝系統后續設計時，采用立磨進風管與膨脹節軟連接的方式，而非直接與變徑管道剛性連接。

5 結語

年產 150 萬 t LGMS6027 礦渣立磨集成了大型加載重載支撐系統、高效物料攤鋪技術、高效動態選粉技術、FEA 分析技術、中心喂料及干濕分離技術等關鍵技術，解決了大型化立磨的研發技術難題，提升了大型立磨的技術性能。經過現場實踐檢驗，該礦渣立磨整機性能達到了國際先進水平，為國產大型立磨進入并占領高端國際市場做好了技術儲備，提高了我國大型立磨的核心競爭力，打破了國外大型立磨的壟斷局面，為后續研發其他更大規格的礦渣立磨打下了堅實的基礎。