淺談焦爐搗固機使用效率提升方法

劉建斌，吳 剛

（太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024）

0 引言

搗固煉焦技術是近年來煉焦行業新興的煉焦技術之一，搗固煉焦是將裝爐煤在入爐前采用搗固機械搗實成略小于炭化室的煤餅，然后推入炭化室內煉焦。煤餅搗實后的堆密度可由原來散裝煤的700kg／m3～750kg／m3提高到950kg／m3～1 150kg／m3。生產實踐證明，采用搗固煉焦同常規頂裝煉焦相比，裝爐煤配比相同時焦炭強度提升明顯；焦炭強度相同時，采用搗固煉焦可在裝爐煤中減少主焦煤、肥煤的配入量，增加氣煤的配入量。所以，采用搗固煉焦技術既能合理利用煤炭資源，又能明顯降低煉焦配煤成本，產生明顯的經濟效益和社會效益。本文通過對搗固機的研究，總結影響搗固機搗固煤餅的各種因素，以提高搗固機使用效率。

1 影響搗固機使用效率的因素

搗固機使用效率包括搗固機的工作可靠性和工作效率（單位時間所做的搗固功）。在搗固焦爐配套設備運轉過程中，每一個循環周期中搗固煤餅所消耗的時間接近設備運轉總耗時的40%。如果搗固機再經常發生故障，將嚴重影響焦爐產能。所以，搗固煉焦技術對搗固機的要求是高可靠性和高效率，要盡可能地優化并固定煤餅的搗固時間，同時提高煤餅密度。

2 提高搗固機工作可靠性的方法

前幾年國內企業生產的搗固機由于材料、設計、加工、配件等多方面原因，其工作可靠性和工作效率不太理想，導致一些鋼廠在建設新焦爐時為了提高焦爐可靠性，要么高價采購進口搗固機，要么忍受高原料成本而采用頂裝煉焦技術。

目前正在生產和使用的主流搗固機凸輪機構從工作原理上來講大致相同，只是凸輪機構的傳動布置方式和一些具體結構略有區別。具體到彈性凸輪機構和搗固錘錘桿結構來說，主要是依靠橡膠彈性體來實現凸輪本身的彈性要求，而凸輪其他部分都是剛性結構。彈性凸輪機構和搗固錘錘桿結構如圖1 所示，搗固錘錘桿一般以工字鋼或H型鋼作為本體，兩側粘接復合摩擦片。

搗固機工作過程中出現的主要問題是：搗固錘復合摩擦片的磨損不均勻、使用壽命短和彈性凸輪內部的橡膠彈性體使用壽命短。分析其原因是材料不過關，目前國內各搗固機生產企業均已對此做了大量的研究改進工作。針對搗固錘復合摩擦片磨損不均勻、使用壽命短的問題，一些企業在搗固機上安裝了單錘夾緊力可調機構，使搗固機可以適應復合摩擦片的磨損不均勻，以延長其使用壽命。針對彈性凸輪內部橡膠彈性體使用壽命短的問題，一些企業設法改變橡膠彈性體的受力方式，使橡膠彈性體在本身性能不變的情況下的使用壽命得到提高。通過這些改進，使國產搗固機整體的工作可靠性有了較大提高，目前已經接近進口搗固機的工作可靠性。當然，如果再配合材料性能的提升，效果會更加明顯。

3 提高搗固機工作效率的方法

如圖1 所示，搗固機的彈性凸輪和搗固錘的具體工作過程如下：彈性凸輪機構工作時，兩個彈性凸輪分別按箭頭方向轉動，當兩側彈性凸輪的大半徑區域與搗固錘桿接觸時，彈性凸輪產生彈性變形，進而產生對錘桿的夾緊力，依靠彈性凸輪與搗固錘桿間的摩擦力將搗固錘提起一定高度。當兩側彈性凸輪的小半徑區域旋轉至搗固錘桿處時，彈性凸輪與搗固錘桿不接觸，搗固錘桿經過慣性上升一定距離后開始自由下落直至落到煤料的表面，對煤料進行一次搗固。由此循環動作，彈性凸輪不斷提升搗固錘桿，一次次對煤料進行搗固。

在忽略系統阻力的情況下，搗固錘的每一次搗固均可以認為是自由落體運動，搗固錘的重力勢能可以當作搗固錘對煤餅所做的搗固功，所以我們可以得出搗固錘每一次的搗固功為：

其中：m為單個搗固錘質量；g為重力加速度，9.8m／s2；h為搗固錘的提升高度。

圖1 彈性凸輪機構和搗固錘錘桿結構

由于搗固錘每分鐘內的搗固次數（搗固頻率）與彈性凸輪的每分鐘轉動次數（轉速）n1相同，故單個搗固錘每分鐘所做的搗固功又可以表示為：

根據式（2）可以得出搗固錘每分鐘所做的搗固功與彈性凸輪的轉速、搗固錘的質量、搗固錘的提升高度以及重力加速度均成正比，故提高每個參數都可以提高搗固錘每分鐘所做的搗固功。但實際上，g為重力加速度，是個常數，不可能改變。n1和h之間是有限制關系的，提高一個勢必會減少另一個，這也是國內的搗固機的單錘搗固頻率都在69次左右，而沒有再向上提升的原因，這個關系我們下面會單獨討論。因此，只有搗固錘質量是可以單獨增加的，可是在增加搗固錘質量后，搗固機所需要的驅動功率也會增加，而且更嚴重的是會增加彈性凸輪內橡膠彈性體和錘桿復合材料的受力負擔，進而影響它們的使用壽命，直接導致搗固機工作可靠性降低。所以在目前情況下，一味地增加搗固錘質量的辦法也是不可行的。

關于搗固錘的搗固頻率n1與提升高度h的關系，在實際使用過程中我們發現：在搗固機彈性凸輪大半徑區域的圓周半徑和弧長固定時，搗固頻率不斷增大會出現搗固錘還沒有接觸煤餅時就先被彈性凸輪再次夾起，從而無法對煤餅進行搗固。

在實際設計中，一般是根據橡膠彈性體和錘桿復合摩擦板的性能來設定搗固錘質量和彈性凸輪大半徑區域的圓弧半徑，再根據工藝循環時間等要求設定搗固錘的提升高度，從而確定彈性凸輪大半徑區域的圓弧角度，最后計算出搗固錘有效搗固煤餅的最大搗固頻率。從圖1 中我們可看出，增大搗固機彈性凸輪大半徑區域的圓弧半徑和圓弧角度都可以提高搗固錘的提升高度h。增大圓周半徑不影響搗固頻率，但是會增加凸輪內部橡膠彈性體的受力，此處與增加搗固錘質量的效果和影響類似，一般不建議采用。增大圓弧角度則直接影響搗固頻率。由于材料的限制，國內企業生產的搗固機彈性凸輪大半徑區域的圓弧半徑和圓弧角度幾乎都是相同的，因此國內企業生產搗固機的提錘高度都在400mm左右，而單錘搗固頻率都在每分鐘69次左右。

由以上分析我們可以看出，單個搗固錘單位時間所做搗固功的提升空間并不大。而對整塊煤餅來說，單位時間的搗固功應該是搗固機中所有搗固錘單位時間所做搗固功之和，設n2為搗固機中搗固錘的數量，則搗固機的搗固功為：

根據式（3）可以得出搗固機對整塊煤餅單位時間所做搗固功與搗固機中搗固錘的數量n2是成正比的。

以前我們認為在需要布置夾緊力單錘可調機構的情況下，搗固錘的中心距（約為600mm）已經不能再減小了。所以在國內目前生產和使用的搗固機中，5.5m搗固焦爐所使用的搗固機一般為24錘固定式搗固機和21錘微移動式搗固機，4.3m搗固焦爐所使用的搗固機一般為21錘固定式搗固機和18錘微移動式搗固機。而太原重工股份有限公司的設計人員經過精心的計算和布置，終于在布置夾緊力單錘可調機構的情況下，成功地將搗固錘中心距壓縮到500mm以下，實現了在5.5m搗固焦爐配套搗固機中使用30錘固定式的布置方式，而且已在多個工地成功使用。通過分析計算，在4.3m搗固焦爐所使用的搗固機中采用24錘固定式搗固機也是完全可行的，且這一方法在更大型的6m搗固焦爐和6.25m搗固焦爐中也同樣適用。

我們以5.5m搗固焦爐所用的24錘固定式搗固機和增大搗固錘布置密度的30錘固定式搗固機為例，設其他參數均相同，24錘固定式搗固機的每分鐘做功為：

而30錘固定式搗固機的每分鐘做功為：

比較式（4）和式（5），可以看出P30比P24增加了25%，效果非常明顯。

4 結論

經過以上分析，我們可以得出結論，要提升搗固機的使用效率，一是要提升搗固機的工作可靠性，減少維修時間，目前最有效的辦法是提升搗固機彈性凸輪橡膠彈性體和錘桿復合材料的材料性能；二是要提升搗固機的工作效率，縮短搗固煤餅所消耗的時間，而這一條最有效的辦法是增加搗固機中的搗固錘數量。

［1］蘇宜春.煉焦工藝學［M］.北京：冶金工業出版社，2003.

［2］于振東，鄭文華.現代焦化生產技術手冊［M］.北京：冶金工業出版社，2010.