一種新型輥式氟石膏破碎機研究①

陳建武 陳 竹

(1. 湖南有色環保建材有限公司；2. 上汽大眾汽車有限公司長沙分公司)

氫氟酸是氟化工產品的基礎原料，每噸氫氟酸排放氟石膏4t左右，含較強酸性，一般采用石灰水中和，產生的濕氟石膏普遍采用筑堤自然堆放的處理方式，隨著時間推移，無水氟石膏逐漸轉化為含有結晶水(15%～18%)、附著水(15%～30%)和三氧化硫(20%～35%)，且具有一定抗壓強度(1～8MPa)的分層塊狀石膏。該石膏在50℃時就開始轉化為半水石膏。工廠一般采用挖機進行開采，最大塊度達到1 200mm，呈塊狀，具有粘度高、韌性大的特點。理論和實踐證明，氟石膏完全可以替代天然石膏作為水泥緩凝劑，然而，普通的氟石膏破碎機加工利用過程中存在許多問題，例如：顎式破碎機不適宜于含水率高的粘性物料；鏈式破碎機和錘頭式破碎機在破含水率高、粘性大的氟石膏時，粘機殼問題非常嚴重，處理困難。在破含水率低的氟石膏時，由于轉速高、揚塵大，而在高速旋轉的鏈條和錘頭在粘接較多濕石膏的情況下，容易產生較大的振動，設備易損壞，維修費用高，還存在鏈條、錘頭因疲勞強度而斷裂飛出傷人的情況，造成安全事故；普通對輥破碎機和帶齒對輥破碎機存在結構復雜、維護成本高、噪聲大及干料破碎揚塵大等缺點。并且以上設備都存在需要進行一次粗碎加工才能進一步中碎的問題，存在整個破碎工藝流程長、設備多、環境差、生產成本高的缺點，極大地限制了氟石膏的加工利用，目前還沒有專門的濕氟石膏破碎加工機械。因此，為能解決氟石膏生產實際問題，研究新型破碎機具有重大的現實意義。

1 系統概況

1.1 新型輥式破碎機工作原理

新型輥式破碎機是一種利用兩齒輥產生的咬合力將物料破碎的系統(圖1)。其主要工作部件是齒輥，且沿齒輥軸線方向布置一定數量的齒環。兩齒輥沿相反方向等角速度旋轉時落入齒輥之間的物料在重力和輥齒咬合力作用下被卷入齒輥內，利用大部分物料的抗彎、抗剪強度比抗壓強度低的物理性質，采用交叉布齒，最大限度地利用剪切力、拉伸力將物料破碎，從而獲得顆粒均勻、粉料少的破碎料。

圖1 對輥式破碎機原理示意圖

新型輥式破碎機的工作過程主要分為3個階段：

a. 輥齒從1-1′位置到2-2′位置，當大塊物料(不大于1 200mm)卷入相互嚙合的輥齒時，物料受到輥齒的剪切與撕拉作用進行破碎；若碎塊因形狀問題未能被本段輥齒咬入，它將受到螺旋布置的輥齒的作用使它翻轉，傳到下一段輥齒繼續破碎，否則進入第2階段的破碎。

b. 輥齒從2-2′位置運動到3-3′位置，剛開始兩輥齒包裹的截面最大，然后隨著齒輥的轉動，包裹截面積逐漸減少，達到最小后再次增大，如此循環。在包容體積變小的過程中，粒度大的物料將被強行擠壓剪碎，破碎后的物料從輥齒齒側、齒間空隙中掉下。

c. 粘在齒側的物料在旋轉到梳子處時被刮下，至此，完成一個破碎周期。

1.2 功率的確定和電機選型

傳統設計一般采用理論計算法結合經驗公式求得破碎機功率，但對于本新型對輥式破碎機，尚無大量實驗數據作為依據，無法使用經驗公式求得功率，因此要采用理論計算法求得破碎機功率。

目前主要使用Rittinger法、Kick-kirpi-chv法、Bond法和Holmes法4種不同的理論計算方法求得單位生產量的功耗，本設計采用Holmes法，其表達式為[1]：

W=11M(1/Ej-1/Aj)

(1)

式中A——給料粒度80%以上部分的粒度尺寸，μm；

E——排料粒度80%以上部分的粒度尺寸，μm；

j——指數，j=0.20～1.40，取j=0.58；

M——Bond功指數，石膏的Bond功指數與煤相似，取7.91 kW·h/t；

W——單位生產量的功耗，kW·h/t。

計算破碎機功率的條件是電機的功率與單位時間的破碎物料的功耗相同，此時，電機功率F為：

F=QW/η

(2)

式中Q——生產能力，Q=100t/h；

η——破碎機傳動效率，η=0.85。

通過式(1)、(2)可得F=19.88kW，考慮到破碎機工作環境、過載系數和電機標準功率，選取Y200L2-6電機，其額定功率為22kW，轉速為970r/min。

1.3 基本參數的確定

一般對輥式破碎機的轉速有快速和慢速兩種，快速齒輥圓周速度為2.80～4.70m/s，慢速齒輥圓周速度為1.20～1.90m/s，由于快速的齒輥生產粉料較多，且本設計破碎機是采用剪切和拉伸作為主要破碎力，因此，采用比慢速還要低得多的速度，初步確定齒輥軸的轉速n=20r/min，齒輥圓周速度僅為0.35m/s。

根據有關資料并結合生產實際，由于采用50鏟車直接對破碎機上料，初步確定破碎機形狀尺寸為：輥軸有效長度L=2800mm，輥軸直徑D=130mm，輥齒直徑D1=300mm，輥軸中心距a=230mm，輥齒高度h=85mm，輥軸半徑R=80mm，齒輥截面如圖2所示。

圖2 齒輥截面

2 傳動方案設計

總傳動比i=nm/n=970/20=48.5。結合慢速對輥式破碎機的傳統設計理念，高速級采用三角皮帶傳動，低速級采用直齒圓柱齒輪傳動，本設計采用帶傳動與減速器組合傳動，選取JZQ500減速器，速比31.25，則帶傳動比i1=i/i2=1.55，取小皮帶輪直徑d1=200mm，則大皮帶輪直徑d2=d1i1=300mm。

3 生產能力校核

3.1 理論公式推導

根據以上分析，與一般破碎機工作特性不同，帶齒對輥機破碎機工作時能將物料強行咬入，破碎之后還能強行排出，因此不能簡單地將一般輥式破碎機生產能力計算公式套用到對新型輥式破碎機生產能力的計算上。由新型輥式破碎機的工作原理可知：破碎機的物料是被輥齒和梳子強行排出的，所以單位時間內通過兩齒輥之間的物料的總體積與所有的輥齒在其中所占的體積之差即為破碎機生產能力：

Q=ρK(V1-V2)

(3)

式中K——物料填充系數，經過實驗測定K=0.38；

V1——單位時間內通過兩輥之間的物料的總體積，m3/h；

V2——單位時間內通過兩輥之間的輥齒的體積之和，m3/h；

ρ——物料密度，氟石膏取1.30t/m3。

由理論推導得[2]：

V1=30ηπL(2a2+D12-2aD1-4R2)

(4)

V2=60mnV0

(5)

式中a——輥齒中心距，m；

D1——輥齒直徑，m，且D1=2(R+h)；

h——輥齒高度，m；

m——總齒數，取280個；

R——輥軸半徑，m；

V0——單個齒體積，m3，取6.8×10-5m3。

將式(4)、(5)代入式(3)即可得到理論生產能力：

Q=30ρKn[πL(2a2+D12-2aD1-4R2)-2mV0]

(6)

K值的選取是本公式運算結果誤差大小的關鍵。因為K值與物料性質、松散系數及進料飽和度等因素有關，要靠實驗數據得到。

3.2 實際生產能力的測定

以前面計算的基本數據為基礎，研制一臺氟石膏新型雙齒輥破碎機，通過具體的生產實際操作，針對不同含水率氟石膏，對該破碎機的生產能力進行產能測試。測試步驟如下：

a. 對氟石膏山分5個區域進行開采，做到氟石膏塊度基本上大小分布一致；

b. 對5個區域按照GB/T 5483-2008標準進行分析取樣；

c. 對50鏟車安裝裝載機電子稱，以確保準確計量；

d. 使用50鏟車分別將5堆氟石膏物料直接對破碎機上料，并且保證料斗中的物料在半倉左右；

e. 每堆料上料1h，然后停止上料；

f. 計錄50鏟車的電子稱總重量數。

實驗參數和產量記錄見表1。

表1 實驗參數和產量記錄

3.3 系數K的確定

根據式(6)可以計算出該實驗機在不同含水率氟石膏的不計K值的理論產量，從而計算出每次的K值，見表2。

表2 理論產量與實際產量比較和K值

5次實驗的理論產量由于實驗機各參數沒有變而相同，濕石膏比重1.3t/m3，從表中數據可以看出：當氟石膏的含水率在18.5%～29.0%時，K的取值范圍在0.40～0.49之間，K的平均值為0.44。

3.4 新型氟石膏雙輥齒破碎機理論生能力計算

根據前面確定的結構參數，采用式(6)計算氟石膏在15%～30%的含水率情況下的理論生產能力Q=250.8×0.44=110.3t/h。

4 結束語

目前，氟化工所產生的氟石膏逐年增多，變廢為寶勢在必行，而破碎機對氟石膏加工過程舉足輕重，因此，筆者通過具體實例，對氟石膏加工的破碎機重要部件做了詳細的設計，提出了對輥式破碎機生產能力和功率計算法，解決了氟石膏這種特殊物料的破碎加工問題，為企業解決了棘手的環保問題，同時也創造了經濟效益。另外，該新型破碎機對與氟石膏具有相近物理性質的鈦石膏、磷石膏等化學石膏和粘土的破碎加工，具有重要的指導意義。

[1] 張峻霞，褚文農.新型雙齒輥破碎機生產能力確定的研究[J].農業工程學報，1999，5(4)：116～120.

[2] 貢凱軍，何有均，楊慶佛.雙齒輥破碎機生產能力和功率計算方法[J].東北煤炭技術，1997，6(3)：45～47.