Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的设计

刘文泉， 刘传斌， 刘爱民

(中国铝业山东分公司 1.恒成机械制造厂；2.营销中心；3.第二氧化铝厂，山东 淄博 255052)

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的设计

刘文泉1， 刘传斌2， 刘爱民3

(中国铝业山东分公司 1.恒成机械制造厂；2.营销中心；3.第二氧化铝厂，山东 淄博 255052)

根据原料磨的用途和工艺参数，以及国际上拜耳法生产氧化铝行业中较先进的生产工艺，结合多年积累的丰富的设计与制造经验研制开发，对原料磨的机械性能参数进行了相应的设计和验算。

转速确定；功率计算；主轴承验算；磨机的结构设计

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨应用于中国铝业山东分公司第二氧化铝厂铝矿石的磨制，该磨机国内氧化铝原料磨中是最大规格的原料磨，也是中国铝业恒成机械制造厂自行设计的最大规格的原料磨。在中国铝业山东分公司第二氧化铝厂80万t扩建项目中，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨是扩建工艺流程中的主要设备，该设备的性能关系到整个项目的成败。由于氧化铝矿石的特性使得该原料磨与一般矿石的磨制工艺不同，设计方案的确定无法借鉴成熟的实践经验。设计失败将造成800多万元的设备报废和整个氧化铝扩建项目延期投产6个月的损失，因此，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的成功设计是保障中国铝业山东分公司经济效益和顺利投产的前提。

1 设计依据

(1)设备用途

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨应用在中铝山东分公司第二氧化铝厂80万t改扩建项目中，是工艺流程中的主要设备，用于将块状的三水软铝土矿矿石磨制成矿浆。

(2)工艺参数

进磨物料 三水软铝土矿、少量石灰

物料粒度 小于100 mm

进磨溶液成分Nk：170～180 g/L，Al2O3：90～100 g/L，Nc：10～15 g/L

进磨溶液温度 60～80 ℃

进磨液量 300～350 m3/h+循环量

出料粒度 80#筛上残留≤20%，120#筛上残留≥20%

设备产能 >90 t/h(干基)

2 原料磨性能参数确定

2.1 原料磨转速的确定

2.1.1 类比法

(1)Φ3.4 m×8.05 m风扫煤磨，主传动转速n主=17.3 rpm。

(2)沈阳铝镁设计院提供的资料，主传动转速n主=17.3 rpm。

2.1.2 计算法[1]

(1)按临界转速公式：nc=42.3/D1/2=22.29 rpm。

(2)按阶梯衬板公式：n=31/D1/2=16.3 rpm。

根据以上类比与计算确定：主传动时磨机转速n主=17.3 rpm，辅助传动时磨机转速n辅=0.256 rpm。

2.2 粉磨介质及物料的装载量

2.2.1 装球量

根据装球量计算公式：

G球=rφπD2/4×L

(1)

式中G球—磨机装球量，t；r—钢球的单位容重，t/m3；φ—磨机的填充率；D—磨机的有效直径，m；L—磨机的有效长度，m。

取钢球的单位容重r=4.6 t/m3，填充率φ一般取40～45%，由于铝矾土硬度不高、进料粒度较小，取φ=35%。经计算得，G球=73.9 t。按标准JB/T1406-2002《球磨机和棒磨机》，选取装球量73.9 t是合理的。

2.2.2 原料磨中加入物料的重量

一般物料加入量为装球量的14%，所以：

G物=14%G球=14%×73.9=10.35 t

(2)

式中G物—磨机中加入物料的重量，t。

2.2.3 研磨介质、物料总装载量

筒体装置内装入研磨介质以及物料的总重量，G总=G球+G物=73.9+10.35=84.25 t。

2.3 电机功率的确定

根据国家标准，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的最大功率1440 kW，沈阳铝镁设计院提供的资料电机功率1250 kW。验证计算如下：

(1)按湿式原料磨的经验公式

N=CG总D1/2

(3)

式中N—磨机转动需要的功率，kW；C—矿石的介质系数。

因为三水软铝土矿属较软矿石，且进料粒度在0～100 mm之间，故取介质系数C=8.2。所以，N=8.2×84.25×3.61/2=1310.8 kW。

(2)按干式原料磨的经验公式

N=0.222VDn主(G总/V)0.8

(4)

式中V—原料磨的有效容积，m3；

V=πD2/4×L=45.3 m3，所以：

N=0.222×45.3×3.4×17.3(84.25÷45.3)0.8

=971.7 kW。

(3)由于该磨机采用同步电机，传动效率较高；且电机与小齿轮之间采用空气离合器连接，可降低启动功率，所以选取电机型号TDMK1250-40，功率1250 kW。

2.4 确定大小齿轮参数

(1)齿轮的模数按类比法确定：根据Φ3.4 m×8.05 m风扫煤磨的实际使用状态，确定选取齿轮模数m=25。

(2)确定大小齿轮的齿数

已知：n电=150 rpm，n主=17.3 rpm，故大小齿轮速比：i=n电/n主=150÷17.3=8.67。

取小齿轮的齿数为：Z1=23，则Z2=iZ1=8.67×23=199.41；选取Z2=200。

所以磨机筒体的实际转速为：n主=150÷(200÷23)=17.25 rpm。

由于筒体拟采取高低不等的条形衬板，对钢球有一个较大的上举作用力，故降低转速0.05 rpm对磨机产能影响不大。

2.5 辅助传动装置的设计

根据主电机功率N主=1250 kW，采用主传动时原料磨筒体转速n主=17.25 rpm，选取辅助传动时筒体的转速n辅=0.256 rpm。

(1)按主电机功率计算磨机转矩

根据转矩公式：

T=9750×(N主/n主)

(5)

式中T—主电机转动产生的转矩，N·m；N主—主电机功率，kW。

所以，T=9750×(1250÷17.3)=706522 N·m。

(2)按磨机转矩计算辅传电机所需功率

N辅=Tn辅÷9750=706522×0.256÷9750=18.5 kW，据此选取辅传电机型号：Y225S-8电机，功率：18.5 kW，输出转速：730 rpm。

(3)计算辅助传动装置的传动比

根据：i总=730÷0.256=2851.6，计算i辅=2851.6÷8.67=328.9。

(4)确定辅助传动减速机型号

根据以上计算，结合减速机的生产样本，确定辅助传动减速机的型号为：NGW123-6行星齿轮减速机，实际减速比：i=315。

(5)计算辅助传动时球磨机的实际转速

n辅=730÷(315×200÷23)=0.266 rpm

2.6 主轴承的验证计算

根据磨机结构，已知主轴承的直径为1500 mm，宽度为650 mm。根据设计计算回转部分的总重量：Gz=G回+G球+G料=128+73.9+10.35=212.25 t=212250 kg。

2.6.1 单位压力校核

p=(Gz÷2)÷F≤[p]
(铅基或锌基合金轴承[p]=15～20 kg/cm2)

(6)

式中p—原料磨主轴承工作时的单位压力，kg/cm2； F—主轴承直径与宽度的乘积，cm2。

经计算得，p=(212250÷2)÷(150×65)=10.88 kg/cm2。

因为p=10.88 kg/cm2≤[p]=15～20 kg/cm2，所以轴承满足单位压力的要求。

2.6.2 发热特性值校核

根据公式：pv≤20～25 kg·m/cm2·s验算主轴承的发热特性值能否满足使用要求。v为空心轴轴颈的线速度，v=πDn主=3.14×1.5×17.25÷60=1.35 m/s。

pv=10.88×1.35=14.73 kg·m/cm2·s≤20～25 kg·m/cm2·s，满足使用要求。

综上所述，主轴承满足单位压力及发热特性值的许用要求，设计是合理的。

3 溢流型原料磨的结构设计

溢流型原料磨系统如图1所示，主要由进料装置、主轴承装置、筒体装置、主轴承高低压润滑装置、大齿轮装置、出料装置、主电机装置、空气离合器、大齿轮喷射润滑装置、小齿轮装置、辅助传动装置、PLC程序控制柜等部分组成。

1.进料装置 2.主轴承装置 3.筒体装置 4.高低压稀油润滑装置 5.大齿轮装置 6.出料装置 7.主电机装置 8.空气离合器 9.延伸轴装置 10.喷射润滑装置 11.小齿轮装置 12.辅助传动装置图1 Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨总图

3.1 进料装置

进料装置的给料器采用焊接结构，比过去铸造与焊接组合式结构简单、加工费用低，维修方便。给料器设计为双给料勺进料，较单给料勺进料均匀，运转平稳。该给料器采用强制给料方式，可极大的提高磨机的产能。

3.2 主轴承装置

主轴承装置为溢流型球磨机的主体部件，是确保磨机正常运转的重要组成，如图2所示。该球磨机主轴承润滑选用动静压润滑方式，轴承外侧为球面，内侧衬瓦材质采用巴氏合金。主轴承背面为球面，支承在球面轴承座上形成自动调心形式，安装时经刮研可确保调心灵敏可靠，且能自动适应轴承在制造、安装以及溢流磨在回转过程中产生的转角误差。

图2 主轴承装置简图

主轴承装置润滑方式为外循环润滑，润滑站由高低压稀油润滑系统组成。根据动静压润滑工作原理，在球磨机启动、低速运转和停车时使用高压润滑系统，即用静压形成的静压油膜将球磨机筒体装置两端的空心轴顶起，防止空心轴轴颈与主轴承轴瓦滑动面的干摩擦，降低转动力矩。正常工作时使用低压润滑系统，通过空心轴轴颈的回转运动在轴颈与轴瓦之间形成动压油膜，以保证磨机能获得可靠的润滑，延长轴瓦的使用寿命。在主轴承轴瓦内设有冷却水盘管，在球磨机工作时通入循环水冷却，以降低轴颈与轴瓦之间相对摩擦产生的温度。

由于温度影响而可能使磨机筒体的长度发生变化，进料端盖轴颈和轴瓦在轴向尺寸相差20 mm，允许轴颈在轴瓦上轴向窜动，以补偿筒体的热胀冷缩变形。

轴承内部装有两件铂热测温电阻。主轴承与主电机联锁，停机温度可设定在60 ℃，或根据现场实际情况调整。

3.3 筒体装置

筒体装置是磨机的主要部件，主要由进出料端盖、进出料衬套、筒体组成，如图3所示。筒体装置的筒体内壁及进出料端盖内表面均装有高锰钢衬板和端衬板，物料在钢球和锰钢衬板之间被粉碎和研磨，在筒体和筒体衬板之间镶有6 mm橡胶垫，此橡胶垫在磨机运转过程中起到保护筒体钢板和降低噪音的作用[2]。

图3 筒体装置

3.4 传动装置

传动装置由主电机、空气离合器、大小齿轮、轴承座等组成，小齿轮轴采用滚动轴承座支撑。大小齿轮采用优质合金钢制造，采用直齿传动，易调整，寿命长；大小齿轮间的润滑采用干油喷射润滑方式，由程序控制喷嘴定时定量的向齿轮的啮合面自动喷油，在齿形表面形成油膜，保证了大小齿轮的润滑条件和使用寿命。该润滑方式减轻了操作工人劳动强度，润滑效果好，减少了润滑油耗量。

3.5 辅助传动装置

辅助传动装置主要由直连电机、行星齿轮减速器、斜齿离合器等部件组成，主要在磨机检修及更换衬板时使用。在斜齿离合器的离合两个位置各装有一个行程开关，以实现与主电机的连锁，保证两套传动系统的安全性。

3.6 PLC电控装置

PLC电控装置中设置了联锁装置：在使用辅助传动装置时，主电机不能启动，而主电机工作时，辅助传动装置不能启动。在启动各驱动装置之前，必须先开启高压润滑油泵，将球磨机筒体装置的空心轴顶起，防止擦伤轴瓦。

4 原料磨运行情况

经中国铝业山东分公司恒成机械制造厂进行优化设计制造的最大规格的原料磨——Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨，已成功应用于中国铝业山东分公司第二氧化铝厂生产实践中，经运行调试已达到设计产能。Φ3.6 m×6 m原料磨是在保证用户正常使用的前提下，由中铝山东分公司恒成机械制造厂根据国际上拜耳法生产氧化铝行业中较先进的生产工艺，结合其多年积累的丰富的设计与制造经验研制开发的，现场运行数据说明，由恒成机械制造厂设计制造成功的大型溢流型原料磨已经达到了国内外同类设备的先进水平，为中国铝业山东分公司扩大产品市场、进行多元化发展奠定了基础。

[1] (美)穆拉尔，杰根森.碎磨回路的设计和装备[M].北京：冶金工业出版社，1990.

[2] 忻尚正.矿山机械[M].北京：冶金工业出版社，2001.

Design ofΦ3.6 m×6 m Overflow Type Raw Material Mill

LIU Wen-quan1， LIU Chuan-bin2， LIU Ai-min3

(1.Hengcheng Machinery Manufacturing Plant, 2.Market Center, 3. 2nd Alumina Plant,CHALCO Shandong Branch, Zibo 255052, China)

According to the purpose and process parameters of raw material grinding of alumina production, and Bayer process compared with the international advanced production technology, combined with design and manufacturing experience accumulated over the years of research and development, the paper designs and checks the mechanical properties of raw material grinding parameters.

speed determination；power calculation；main bearing calculation；structure design of mill

2013-11-26

刘文泉(1965-)，男，山东淄博人，工程师，大学专科，主要从事机械设计与研发工作。

刘传斌(1962-)，男，山东淄博人，工程师，大学本科，主要从事设备管理工作，现任中国铝业山东分公司营销中心设备备件科科长。

TD453

B

1003-8884(2014)03-0008-04

刘爱民(1971-)，男，山东淄博人，工程师，硕士研究生，主要从事安全技术管理工作。