銅冶煉閃速爐給料螺旋改進實踐

陳金球， 張文強

(銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244021)

銅陵有色金冠銅業(yè)分公司采用閃速熔煉、 閃速吹煉、回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉、永久不銹鋼陰極電解、兩轉(zhuǎn)兩吸制酸的主工藝流程。 精礦給料系統(tǒng)是閃速銅冶煉的關(guān)鍵工序，系統(tǒng)配置2 套定量失重給料裝置，每套裝置包含1 套失重倉和2 臺給料螺旋運輸機，單套定量失重給料裝置設(shè)計能力150 t/h。

1 失重給料裝置組成與運行狀況

1.1 失重給料裝置組成

失重給料裝置由流化風(fēng)錐、圓頂閥、軟連接、失重倉、螺旋輸送機等設(shè)備組成。 如圖1 所示。

該廠投產(chǎn)5 年來， 螺旋輸送機電機一直處在超速狀態(tài)下運行（單系統(tǒng)投料量達到135 t/h，電機轉(zhuǎn)速高達1 767 r/min），失重系統(tǒng)控制時間段（計量起作用階段）投料量波動最大值從原來4 t 增加到6 t。每個周期進料結(jié)束到正常投料模式過程中（進料階段計量不起作用），存在較大瞬時波動，可達到18 t以上。 投料量的波動造成閃速熔煉爐爐內(nèi)壓波動很大，嚴重影響爐況，因此對失重給料螺旋輸送機的改進勢在必行。

圖1 失重給料裝置

1.2 給料螺旋輸送機性能參數(shù)與工作原理

閃速爐失重給料螺旋輸送機采用GX 型水平固定式，其葉片為雙螺旋葉片。給料螺旋輸送機性能參數(shù)見表1。

表1 性能參數(shù)

螺旋輸送機主要由電機、減速機、螺旋輸送機本體及進出料口組成。 螺旋輸送機本體由頭、 尾部軸承、螺旋體、機殼等組成。物料從進料口加入，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，物料受到螺旋葉片法向推力的作用，推力的徑向分力和葉片對物料的摩擦力帶著物料繞軸轉(zhuǎn)動。 由于物料本身的重力和料槽對物料的摩擦力的緣故，物料不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，而是在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿著料槽軸向移動，最終從出料口流出。

2 給料螺旋輸送機機理分析

輸送量是衡量螺旋輸送機輸送能力的重要指標，螺旋輸送機輸送能力如式（1）：

式中: Q 為螺旋輸送機輸送能力，t/h；D 為螺旋葉片直徑，m；S 為螺距，m；n 為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；ψ 為物料填充系數(shù)；λ 為物料堆積密度，t/m3；ε 為給料機傾角系數(shù)。

由式（1）可知，影響給料螺旋輸送機輸送能力的因素主要有螺旋體直徑D、螺距S、螺旋轉(zhuǎn)速n、填充系數(shù)ψ、 物料性質(zhì)及安裝傾斜角度等。 由于螺旋外徑、物料性質(zhì)與安裝傾斜角度已確定，螺旋轉(zhuǎn)速n、螺距S 及填充系數(shù)ψ 的選擇與組合是對螺旋輸送機生產(chǎn)效率和輸送能力提升的關(guān)鍵。

2.1 螺旋軸轉(zhuǎn)速對輸送能力影響

螺旋軸轉(zhuǎn)速對螺旋機輸送能力有較大的影響。 螺旋軸轉(zhuǎn)速增加，輸送量提高；轉(zhuǎn)速降低則輸送量下降。

螺旋轉(zhuǎn)速增加，物料受到慣性離心力增加，產(chǎn)生垂直于輸送方向翻滾增加， 螺旋輸送機葉片對物料不但有軸向推進，同時也有攪拌，因此螺旋輸送機轉(zhuǎn)子葉片磨損加速，螺旋功率消耗增大，物料輸送均勻性降低。

螺旋轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加超過其臨界轉(zhuǎn)速時， 物料重力小于慣性離心力， 物料由于離心力過大而向外拋起，以致無法輸送。

因此，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速在滿足輸送能力要求前提下，不宜過高，更不允許超過它的臨界轉(zhuǎn)速。 根據(jù)經(jīng)驗公式[1]：

式中：nmax為螺旋軸臨界轉(zhuǎn)速，r/min；A 為物料綜合特性系數(shù)，取值35；D 為螺旋葉片直徑，m。

2.2 螺距對輸送能力影響

螺距不僅決定螺旋的升角， 還影響在一定填充系列數(shù)下物料運行的滑移面， 所以螺距的大小直接影響著物料運輸過程。

螺距改變，物料運行滑移面隨著改變，導(dǎo)致物料運動速度分布的變化：螺距增加，軸向輸送速度增大的同時出現(xiàn)圓周速度不恰當?shù)姆植迹?相反， 螺距較小，速度分量的分布情況較好，同時軸向輸送速度卻較小。因此在確定螺距時，既要考慮物料具有盡可能大的軸向輸送速度，又要防止螺旋面上圓周速度大于各點的軸向輸送速度，同時保證其小于最大的許用螺距。

2.3 填充系數(shù)對輸送能力影響

物料在料槽中的填充系數(shù)對螺旋輸送機輸送效率有很大影響。 填充系數(shù)較小，物料堆積高度較低，大部分物料靠近螺旋外側(cè)， 具有較高的軸向速度和較低的圓周速度。 物料在輸送方向上的運動要比圓周方向顯著，運動的滑移面幾乎平行于輸送方向，垂直于輸送方向的附加物料流減弱，能量消耗降低。相反，填充系數(shù)較高，物料運動的滑移面很陡，圓周方向的運動比輸送方向的運動強， 導(dǎo)致輸送速度的降低和附加能量的消耗。

填充系數(shù)的確定既要滿足輸送量的要求，又要保證物料在輸送槽體中不堵塞。這就要求在輸送槽體橫截面上，物料的面積不超過螺旋葉片橫截面的50%[2]。

3 給料螺旋輸送機的改進

3.1 螺旋轉(zhuǎn)子改進

根據(jù)系統(tǒng)運行現(xiàn)狀結(jié)合產(chǎn)能擴大的需要， 螺旋輸送機輸送能力確定為150 t/h。螺旋體直徑D、物料性質(zhì)及安裝傾斜角度改變難度較大，保持不變。由式（1）得出改進前、后電機轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)與螺距組合關(guān)系如下：

式中：n1、n2分別為改進前后電機轉(zhuǎn)速；S1、S2分別為改進前后螺距；ψ1、ψ2分別為改進前后填充系數(shù)。

改進前，現(xiàn)場實驗150 t/h 螺旋電機轉(zhuǎn)速n1為2 080 r/min。 改造后，要求螺旋輸送機電機轉(zhuǎn)速不大于1 450 r/min，給料裝置運行能滿足生產(chǎn)要求，且電機轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速，故n2取值1 450 r/min。 改進前后填充系數(shù)與螺距組合關(guān)系如下：

綜合機理分析確定改進方案：將螺距、填充系數(shù)同等幅度增加1.2 倍， 即雙螺旋螺距增加到300 mm。改進前后螺旋體如圖2 所示。

圖2 改進前、后螺旋轉(zhuǎn)子

3.2 螺旋轉(zhuǎn)子仿真分析

為了驗證改進方案的可行性，使用DEM 軟件對螺旋輸送機建模如圖3 所示。

通過螺旋輸送機模型仿真得出： 失重倉內(nèi)物料量一定時，設(shè)定螺旋轉(zhuǎn)速與投料量相同，分別測定改進前后螺旋輸送機排料所需時間（X 軸）和扭力矩（Y軸）,如圖4 所示。

圖3 螺旋輸送機模型

圖4 改進前后螺旋轉(zhuǎn)子仿真

從仿真上可知：改進前，螺旋轉(zhuǎn)子物料全部排出所用時間約為66 s；改進后，螺旋轉(zhuǎn)子物料全部排除所用時間約為63 s， 且49 s 之后的扭力矩很小，因此，可以判斷49 s 后物料輸送完成。 相比改進前螺旋轉(zhuǎn)子時間節(jié)省17 s，效率提升了約27%。仿真結(jié)果驗證了改進方案的可行性。

3.3 螺旋轉(zhuǎn)子改進前后運行效果

螺旋輸送機改進后爐內(nèi)壓波動得到明顯改善：失重系統(tǒng)控制時間段， 投料量波動最大值下降至3 t/h； 每個周期進料結(jié)束到正常投料模式過程中存在瞬時波動下降到6 t 以上。 爐內(nèi)壓波動得到較大的改善。 改進前后爐內(nèi)壓波動如圖5 所示。

改進前后失重給料裝置分別進行了分步投料量試驗。 試驗結(jié)果（投料量、電機轉(zhuǎn)速與電機電流對應(yīng)值）如表2 所示。

圖5 改進前、后爐內(nèi)壓波動對比

表2 改進前后運行參數(shù)

試驗數(shù)據(jù)表明：改進后，螺旋轉(zhuǎn)速在同等投料情況下降低40%左右，投料量大于130 t/h，螺旋電機電流增加30%左右， 說明填充率有明顯增加. 改進前，螺旋運輸機運行電流拐點在100 t/h，電機超速點在120 t/h，說明螺旋輸送機運行最佳區(qū)間在100～120 t/h;改進后，螺旋運輸機運行電流拐點在130 t/h，電機超速點在150 t/h，說明螺旋輸送機運行最佳區(qū)間在130～150 t/h。

4 結(jié)語

綜上所述，通過理論研究,為閃速熔煉爐給料系統(tǒng)螺旋輸送機確定了最佳參數(shù)組合，并通過建模，分析、驗證了方案的可靠性。經(jīng)過多次優(yōu)化改進、試驗，并設(shè)計改進出最佳輸送能力在130～150 t/h 的螺旋輸送機，較好地滿足了目前的生產(chǎn)需要。此次改進實踐不但解決了螺旋體磨損、 給料不均勻引起的爐內(nèi)壓波動等問題，也為今后提升產(chǎn)能提供了借鑒。