氧化鋁用大型球磨機關鍵問題研究

唐必亮，和蘊鋒，周 潔，姬建鋼，吳英豪，邊 強

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礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3太原科技大學 山西太原 030024

我國是鋁產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費大國，鋁在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，鋁的中間產(chǎn)品——氧化鋁在生產(chǎn)過程中需要將大塊鋁土礦破碎、研磨成小顆粒。球磨機是氧化鋁原料制備車間的關鍵設備，磨礦產(chǎn)品經(jīng)過分級設備分級后方可進入選別流程，只有合格粒級的氧化鋁才可與脈石解離，過粗和過細 (泥化)的磨礦產(chǎn)品都會影響氧化鋁的選別，因此，有效的磨礦在氧化鋁的生產(chǎn)中有著極其重要的作用。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，氧化鋁用磨機內(nèi)需要加入石灰和循環(huán)堿液，因此氧化鋁磨機內(nèi)溫度高、堿性強[1]，這是氧化鋁磨機和普通礦用磨機的最大區(qū)別，也是造成氧化鋁磨機工況惡劣的原因。磨內(nèi)高溫會造成中空軸溫度高，油膜厚度不足，影響軸瓦預期使用壽命，甚至燒瓦事故的發(fā)生；磨內(nèi)高溫會造成分瓣大齒輪張口，齒輪運轉(zhuǎn)異響，振動大；磨內(nèi)強堿、高溫環(huán)境對筒體襯板橡膠件提出了更嚴苛的要求；高溫、強堿性環(huán)境易造成筒體襯板螺栓孔處發(fā)生漏礦，在氧化鋁行業(yè)更有“十磨九漏”的共識。

中信重工機械股份有限公司自 1990 年首次為中國鋁業(yè)公司設計制造氧化鋁用磨機以來，至今已有 30 余年，在設計制造及現(xiàn)場使用過程中積累了一些經(jīng)驗。筆者以目前國內(nèi)最大的氧化鋁用齒輪邊緣傳動?6.0 m×9.5 m 球磨機 (裝機功率 6 000 kW) 為例，對大型氧化鋁用球磨機關鍵問題進行了研究和實踐探索，取得了較好的應用效果。

1 主軸承的設計制造

1.1 主軸承類型及軸瓦材料的選擇

銅瓦軸承具有承載能力強、耐高溫性能好的特點，大型磨機主軸承一般都選用銅瓦軸承[2]。考慮到氧化鋁磨內(nèi)高溫的特點，?6.0 m×9.5 m 球磨機選用銅瓦靜壓軸承。中空軸與銅瓦相對運動，借助于相對速度產(chǎn)生的油膜將兩摩擦表面完全隔開，由油膜產(chǎn)生的壓力來平衡磨機回轉(zhuǎn)部的載荷。此種潤滑方式屬于流體動力潤滑，中空軸和銅瓦磨損極小 (在潤滑良好的狀態(tài)下，理論上是無限壽命)，并且可以緩沖磨內(nèi)鋼球和物料對球磨機回轉(zhuǎn)部的沖擊。

1.2 潤滑站參數(shù)計算及選型

軸承最小油膜厚度

式中：Δ為直徑間隙，取Δ=0.815 mm；ε為偏心率，靜壓潤滑時取ε=0.7～ 0.8[3]。計算可得hmin≥0.122 mm。

許用油膜厚度

式中：S為安全系數(shù)，S≥ 2；RZ1、RZ2分別為中空軸軸徑、軸瓦表面不平度。

為保證靜壓油膜的質(zhì)量，中空軸軸徑的表面粗糙度Ra=1.6，銅瓦的表面粗糙度Ra=0.8，結(jié)合表 1 可得RZ1=6.3 μm，RZ2=3.2 μm。

表1 加工方法及表面不平度Tab.1 Processing method and surface roughness

計算可得 [h] ≥0.019 mm。通過許用油膜厚度可初選靜壓軸承流量。

靜壓軸承總流量

式中：K為軸承及油腔尺寸計算系數(shù)；p為油腔工作壓力，MPa；u為運動黏度，mm2/s。

油腔工作壓力在 20.0 MPa 以內(nèi)，潤滑油的黏度變化不大。球磨機的主軸承油腔工作壓力一般為 5.0～ 7.5 MPa，因此靜壓潤滑條件下可不考慮潤滑油的黏壓特性。但是潤滑油的黏度隨溫度的變化十分明顯[5](見圖 1)，在計算氧化鋁用磨機主軸承潤滑站參數(shù)過程中，要考慮潤滑油運動黏度的變化。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，選定磨機運行狀態(tài)下的油溫為 50 ℃，通過上述分析計算即可完成磨機主軸承及潤滑站的參數(shù)設計。

圖1 220 號潤滑油黏度-溫度變化曲線Fig.1 Variation curve of viscosity of No.220 lubricating oil with temperature

2 關鍵件有限元應力分析計算

針對氧化鋁磨機的特點、現(xiàn)場條件以及存在問題，優(yōu)化大型氧化鋁用磨機的關鍵件結(jié)構，并進行有針對性的有限元分析很有必要。

2.1 結(jié)構有限元分析

不同于普通礦用磨機，氧化鋁用磨機內(nèi)部有石灰、強堿液，在日常檢修過程中，必須將物料排凈，溫度降低后才能進人。氧化鋁物料黏性大，排料口過小會導致排料不暢甚至粘堵排料口，因此應考慮筒體開設人孔。但是筒體開人孔又與其結(jié)構強度有沖突，人孔尺寸太大會增加磨機人孔處的集中應力，成為磨機強度短板，易出現(xiàn)裂紋。針對此問題，通過有限元分析，反復核算排料口尺寸，在保證結(jié)構強度安全可靠的前提下，滿足用戶現(xiàn)場使用要求。

2.2 熱結(jié)構耦合分析

普通礦用磨機大齒輪、端蓋與筒體使用螺栓緊固，鋼與鋼直接接觸，氧化鋁磨機運行過程中磨內(nèi)溫度高達約 95～ 100 ℃。由于熱應力的影響，分瓣大齒輪結(jié)合面處易出現(xiàn)張口現(xiàn)象，且隨著磨機規(guī)格的增大，此現(xiàn)象愈加明顯。由于齒輪結(jié)合面處張口，導致開式齒輪嚙合異常，直接影響磨機的穩(wěn)定運行，這已經(jīng)成為氧化鋁磨機的突出問題。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，研究、分析分瓣齒輪結(jié)合面張口的原因，主要是由于筒體與大齒輪法蘭緊固結(jié)合面處出現(xiàn)熱應力集中，而大齒輪結(jié)合面是零接觸，沒有應力釋放空間。針對此現(xiàn)象，優(yōu)化分瓣大齒輪結(jié)合面結(jié)構和緊固方法，靠近輪緣的結(jié)合面 (含一排螺栓孔) 為零間隙緊固，其余結(jié)合面為凹面，為齒輪熱脹預留間隙，單面下凹 1 mm，兩瓣法蘭共下凹 2 mm，降低接觸面積，增加結(jié)合面間隙，嚴格控制大齒輪結(jié)合面緊固螺栓預緊力。

如圖 2 所示，端蓋和筒體溫度均為 95 ℃，齒圈齒表面溫度均為 50 ℃。

圖2 熱耦合分析溫度分布Fig.2 Distribution of thermal coupling analysis temperature

式中：Ft、Fr、Fa分別為齒輪周向力、徑向力和軸向力，N；P為磨機主電動機功率，kW；dr為小齒輪節(jié)圓直徑，mm；n為主電動機轉(zhuǎn)速，r/min；αn為齒輪法向壓力角，(°)；β為齒輪節(jié)圓螺旋角，(°)。

根據(jù)式 (1)～ (3)，計算齒輪緊固一側(cè)嚙合力。齒輪周向力Ft=926 793 N，軸向力Fa=117 903 N，徑向力Fr=435 653 N?？拷喚壱慌怕菟ǖ念A緊力為1 323 000 N，其余螺栓預緊力為 1 039 780 N。

通過熱耦合分析，分瓣大齒輪緊固結(jié)合面優(yōu)化前后綜合位移分布對比如圖 3 所示。

圖3 大齒輪結(jié)構優(yōu)化前后綜合位移分布對比Fig.3 Comparison of comprehensive displacement distribution of split gear before and after optimization

大齒輪結(jié)構優(yōu)化前后嚙合作用力處局部綜合位移分布對比如圖 4 所示。對優(yōu)化結(jié)構進行熱力耦合分析，齒輪張口量可降低 25.9%。分析模型的加載狀態(tài)是在極限情況下的受力，實際使用過程中的受力要低于模型中的載荷。

圖4 大齒輪結(jié)構優(yōu)化前后嚙合作用力處局部綜合位移分布對比Fig.4 Comparison of local comprehensive displacement distribution at meshing force location of split gear before and after optimization

3 筒體襯板的設計制造

筒體襯板一方面保護筒體不受物料與介質(zhì)的運動沖擊而被磨損，另一方面將能量傳遞給物料和介質(zhì)。氧化鋁磨機襯板根據(jù)材質(zhì)可以分為鋼襯板和橡膠襯板[6]。

對比分析鋼襯板與橡膠襯板在氧化鋁行業(yè)的應用情況，鋼襯板的磨礦效率高于橡膠襯板，但是氧化鋁球磨機內(nèi)部物料溫度能達到約 95 ℃ 甚至更高，鋼襯板導熱性快，隔熱性較差，不利于磨機整體穩(wěn)定運行；橡膠襯板能起到一定的隔熱作用，可以減輕高溫、高堿的磨內(nèi)環(huán)境對襯板螺栓孔密封組件的影響，杜絕襯板螺栓孔處漏漿的可能。

根據(jù)以上對比分析，?6.0 m×9.5 m 球磨機筒體襯板選用橡膠襯板，以降低磨內(nèi)溫度對磨機運行造成的影響。

4 專用給排料裝置

氧化鋁用磨機內(nèi)物料具有高溫、高堿且黏性大的特點，普通礦用磨機的給料彎管容易堵料；開放式料倉以及常規(guī)礦用排料筒篩罩不能形成密閉空間；磨內(nèi)高溫環(huán)境形成熱蒸氣，堿氣外溢，易造成人身安全事故。針對上述問題，設計一種氧化鋁用磨機給料裝置(見圖 5)，增加給料管沖水口，可在磨機工作時沖洗彎管淤堵物料；增加料倉蓋板及接口法蘭，將水、堿液、物料通過獨立法蘭通道送到磨機內(nèi)部，形成密閉空間。設計一種氧化鋁用磨機排料筒篩罩 (見圖 6)，加強筒篩與篩罩之間的密封效果，在篩罩上方增加一個排氣管路，使磨內(nèi)高溫堿性蒸汽安全排至指定管道，避免傷人，提高磨機的安全可靠性。

圖5 氧化鋁用磨機給料裝置Fig.5 Feeding device for alumina mill

圖6 氧化鋁用磨機排料筒篩罩Fig.6 Hood of trommel for alumina mill

5 結(jié)語

經(jīng)過 30 余年的積累與沉淀，中信重工專業(yè)設計團隊潛心打造出氧化鋁行業(yè)專用磨機，首次制造了?6.0 m×9.5 m 大型溢流型球磨機，并已成功應用于山西某氧化鋁廠。目前，該磨機運行穩(wěn)定、可靠，連續(xù)作業(yè)率高，維修次數(shù)少，單臺磨機設計產(chǎn)量 350 t/h，現(xiàn)已達標，最高可達到 390 t/h，超產(chǎn) 11.4%，為大型氧化鋁磨機的研發(fā)提供了可靠的應用數(shù)據(jù)。