高壓輥磨機控制性能的優化

羅 敏

河北鋼鐵集團礦業有限公司 河北唐山 063000

近年來，高壓輥磨機作為一種高效、節能的粉磨設備在冶金礦山行業的應用己日趨廣泛和成熟，具有“多破少磨”、“以破代磨”的特點。河北鋼鐵集團礦業有限公司 (以下簡稱“河鋼礦業”) 分別引進了進口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機及國產HFKG160×140 型高壓輥磨機，均取得了良好的應用效果，但因二者控制方式不同，導致設備運轉時單位能耗、產能及產品粒度各有不同。因此，對高壓輥磨機的控制性能進行深入研究和優化具有一定的現實意義。

1 高壓輥磨機的結構特點

1.1 高壓輥磨機的工作原理

高壓輥磨機結構如圖 1 所示，其主體為框架結構，工作原理為：定輥總成固定在總機架上，在液壓系統的作用下，動輥總成沿機架耐磨滑道向定輥方向滑動，實現對輥間隙 (以下簡稱“輥隙”) 的控制；當輥隙調整到工作標準之后，物料經進料裝置進入輥系，在系統壓力的作用下，物料發生層壓粉碎，最后經出料口排出。高壓輥磨機采用層壓粉碎理論，物料除了受到擠壓粉碎外，其顆粒內部還產生大量裂紋、塌散及疏松等缺陷，使物料可磨性大為改善，有利于提升磨機臺效，降低能耗。隨著技術的不斷發展，高壓輥磨機在碎磨工藝流程中發揮著越來越重要的作用[1]。

圖1 高壓輥磨機模型Fig.1 Model of high-pressure grinding roller

1.2 高壓輥磨機的應用工藝流程

河鋼礦業研山鐵礦屬鞍山式沉積變質鐵礦床，設計采選規模為 1 500 萬 t。其破碎工藝采用粗碎、中碎兩段一閉路—高壓輥磨全閉路破碎流程[2]，其中細碎系統引入進口 KHD RPS160/180 型高壓輥磨機，輥磨后合格產品 (-12 mm) 進入香蕉篩篩分，篩上物料返回輥磨機，篩下產品進入磨選系統。

河鋼礦業柏泉鐵礦為基性巖型超貧磁鐵礦床，在其 600 萬 t 采選擴能技改工程中，引入了國產 HFKG 160×140 型高壓輥磨機，其破碎工藝與研山鐵礦類似，破碎后最終產品粒度為 -8 mm。

2 存在問題分析

河鋼礦業在應用高壓輥磨機過程中，圍繞整機使用壽命、產量、粉碎效果、單位能耗及工作可靠性等指標進行了多次對標分析。經研究發現，2 臺設備雖控制方式截然不同，但卻均存在一個共性問題：設備運轉時對輥兩側間隙偏差過大，造成粉碎效果差，成品料占比偏低，直接影響了產量、粉碎效果和單位能耗，因此決定對其進行優化研究。

高壓輥磨機在輥子驅動側安裝有主傳動電動機、減速器，在非驅動側僅安裝推力軸承作為防護。因左右兩端結構的不對稱性，使得高壓輥磨機帶負荷運轉過程中左右兩端受力及運動方式略有不同，導致對輥左右兩側間隙存在較大偏差。當偏差過大時，礦石顆粒未受到擠壓粉碎，降低了設備的粉碎效果。輥系控制過程是動態控制過程，受液壓、電控系統的控制性能影響較大，因此需要研究輥隙、液壓系統功能及電控系統性能，減少和避免液壓、電氣控制系統頻繁啟停動作，將輥隙偏差控制在合理的工作范圍內，達到動態控制的目的。

3 解決方案

3.1 高壓輥磨機輥隙優化

在對高壓輥磨機控制性能優化之前，首先要確定高壓輥磨機正常工作所需的輥隙取值范圍。高壓輥磨機的輥隙與物料粒級組成、硬度等物理性質有關。為使高壓輥磨機運轉時達到高效、節能的目的，需進一步研究輥隙與單位能耗、成品粒度之間的影響規律[3]，輥隙與單位能耗和成品粒度之間的關系分別如圖 2、3 所示。

由圖 2 可知，高壓輥磨機單位能耗隨輥隙的增大呈指數減小，當輥隙大于 25 mm 后，單位能耗的減小幅度減緩。由圖 3 可知，當高壓輥磨機輥隙增大時，細粒級產品 (0.027 mm 和 0.040 mm) 逐漸減少，粗粒級產品 (2.50 mm) 逐漸增加，而 1.00 和 1.80 mm 粒級產品變化不大；當輥隙大于 25 mm 之后，各粒級產品變化均不明顯。綜合上述分析，增大輥隙，能夠降低單位能耗，但會影響粉碎效果，因此在優化輥隙的同時需兼顧節能和高效兩個方面。

圖2 輥隙對單位能耗的影響Fig.2 Influence of gap of roller pair on specific energy consumption

圖3 輥隙對成品粒度的影響Fig.3 Influence of gap of roller pair on granularity of finished product

根據高壓輥磨機的工作原理，輥隙分為初始間隙a0和工作間隙 a1。初始間隙 a0一般是固定不變的，而工作間隙 a1需綜合考慮礦石的粉碎等級要求和物理性質，初始間隙 a0和工作間隙 a1取值為[4]

式中：D 為輥子外徑，研山鐵礦為 1 700 mm，柏泉鐵礦為 1 400 mm；Ks為影響因子，脆性礦石 Ks=0.016～ 0.024。

綜合考慮高壓輥磨機擠壓效果和單位能耗的影響規律，結合式 (1) 確定研山鐵礦進口 RPS160/180 型高壓輥磨機對輥初始間隙為 22 mm，工作間隙為 43 mm；柏泉鐵礦 HFKG160×140 型高壓輥磨機對輥初始間隙為 17 mm，工作間隙為 34 mm。

3.2 液壓系統控制性能優化

高壓輥磨機液壓系統提供輥隙控制和粉碎物料所需的力，因此其性能的優劣直接影響設備的產量和粉碎效果，本次優化綜合考慮了“恒壓力”和“恒輥隙”2 種設計準則。

3.2.1 液壓系統控制功能

動輥的退輥、進輥，左右側增壓、減壓，輥系平行自動控制，壓力自動調節等動作主要都是由液壓系統完成的，液壓系統原理如圖 4 所示。液壓系統主要優化功能如下：壓力增加，動輥逐步靠近定輥，當液壓系統工作壓力達到操作壓力與誤差壓力值之差后，增壓閥增壓，達到壓力設定值后，增壓閥關閉，液壓泵停止運行；若系統壓力超出操作壓力設定值與壓力誤差值之和，減壓電磁閥將根據壓力降壓周期進行調節，直至達到操作壓力，之后關閉所有閥。最大工作壓力受限壓閥的最大操作壓力控制。為避免運轉過程中對輥左右兩側間隙偏差過大 (可達 15 mm)，造成壓力超限而停機，采取對左右兩側壓力進行獨立控制優化，同時調整優化增壓閥增壓周期，高壓輥磨機可按照優化后的壓力增壓周期以脈沖方式增壓，這樣可使液壓系統準確、穩定地達到操作壓力設定值。

圖4 液壓系統原理Fig.4 Principle of hydraulic system

3.2.2 輥隙修正

研究高壓輥磨機的控制性能，對輥隙幾何形狀的監測至關重要，優化時首要控制原則是：保證輥系在誤差允許范圍內平行運行要優先于對輥兩側壓力相等。

當輥壓機啟動后，一旦兩側壓力第一次達到操作壓力，自動輥隙修正功能即開始發生作用。兩側的輥隙是連續計算的，所測得的輥隙差不斷與其允許值進行比較。由于物料沿輥隙縱向分布的不同，動輥可能會發生傾斜，當傾斜量超過對輥左右兩側間隙偏差允許值時，傾斜必須得到糾正。當輥隙差超過極限值 3 s 后，壓力控制系統暫停工作，輥隙修正系統開始工作。液壓系統在輥隙較大的一側增加壓力，直到壓力達到“操作壓力＋0.5×偏差”；延時幾秒后，如果輥隙修正的條件仍然存在，在輥隙較小側降低壓力，直到輥隙差達到其允許值的 50%后才停止，然后將減壓側的實際壓力作為設定值。此時壓力控制系統在不同的壓力設定值下運行，而其中一個總是與操作壓力與修正壓力之和相對應。當動輥產生一個新的偏差時上述過程又會重復進行。壓力增加動作可以保證所要求的壓力以及所期望的粉磨效果維持一個較長的穩定階段。優化輥隙修正示意如圖 5 所示。

圖5 輥隙修正示意Fig.5 Sketch of correction of gap of roller pair

操作壓力的優先極限值優化為 15 MPa，當壓力控制處于激活狀態時，軸承間距被用來限定輥隙減小或者壓力控制范圍的最低限。

3.3 電氣控制系統性能優化

高壓輥磨機進行粉碎作業時，電氣控制系統的控制分為 3 步：第 1 步，控制液壓泵工作對液壓缸供油，液壓缸活塞推動動輥，以達到調節輥隙的目的；第 2 步，執行液壓系統加載，提供粉碎物料所需的擠壓力，即當輥隙確定后，液壓加載系統按設定的壓力值及加載脈沖推壓動輥總成；第 3 步，控制動輥總成兩側液壓缸壓力及動作先后順序，使輥隙維持在允許誤差范圍內，避免動輥總成發生較大幅度偏轉。因此，高壓輥磨機在運行中要實時對各項操作參數進行監測，包括工作壓力、電動機電流、軸承工作溫度以及輥隙等[5]。為確保高壓輥磨機安全運行，河鋼礦業消化吸收了進口輥壓機 ROLCOX 多變量控制器的優點，控制系統通過 Profibus 和中控室連接，主電動機的啟動信號為離散的 I/O 點。ROLCOX 控制程序優化后，實現主電動機、各液壓泵及各電磁閥的啟停順序和聯鎖控制，保持輥系平行運行，最終控制左右側的輥隙偏差小于 6 mm。

4 優化后應用效果

河鋼礦業公司根據高壓輥磨機的工作原理及工藝特點，研究了輥隙對設備產量、擠壓效果和單位能耗的影響，根據不同礦石特點，確定了輥隙的取值，同時通過對液壓、電控系統控制性能的優化，最終將對輥左右兩側輥隙偏差控制在 6 mm 以內。經性能優化后，高壓輥磨機系統工作正常，成品料粒度顯著降低，-12 mm 產率可達 90% 以上，成品料粒度篩分檢測結果如表 1 所列。

表1 優化后產品粒度分布Tab.1 Granularity distribution of product after optimization

5 結語

高壓輥磨機作為一種高效、節能的新型粉碎設備，具有“多破少磨”、“以破代磨”的優點，有很好的推廣應用前景。由于高壓輥磨機運轉時物料礦石硬度、粒度等物理性質難以保證，河鋼礦業應用ROLCOX 多變量控制器對輥隙進行實時監控，ROLCOX 自動監控系統在使用過程中除對操作參數進行少量調整外，不需進行其他操控，實現了智慧礦山運行。河鋼礦業高壓輥磨機控制性能的優化研究，對其他大型冶金礦山高壓輥磨機的引進和應用，以及建設智慧礦山提供了參考和借鑒。