一种新型辊式氟石膏破碎机研究①

陈建武 陈 竹

(1. 湖南有色环保建材有限公司；2. 上汽大众汽车有限公司长沙分公司)

氢氟酸是氟化工产品的基础原料，每吨氢氟酸排放氟石膏4t左右，含较强酸性，一般采用石灰水中和，产生的湿氟石膏普遍采用筑堤自然堆放的处理方式，随着时间推移，无水氟石膏逐渐转化为含有结晶水(15%～18%)、附着水(15%～30%)和三氧化硫(20%～35%)，且具有一定抗压强度(1～8MPa)的分层块状石膏。该石膏在50℃时就开始转化为半水石膏。工厂一般采用挖机进行开采，最大块度达到1 200mm，呈块状，具有粘度高、韧性大的特点。理论和实践证明，氟石膏完全可以替代天然石膏作为水泥缓凝剂，然而，普通的氟石膏破碎机加工利用过程中存在许多问题，例如：颚式破碎机不适宜于含水率高的粘性物料；链式破碎机和锤头式破碎机在破含水率高、粘性大的氟石膏时，粘机壳问题非常严重，处理困难。在破含水率低的氟石膏时，由于转速高、扬尘大，而在高速旋转的链条和锤头在粘接较多湿石膏的情况下，容易产生较大的振动，设备易损坏，维修费用高，还存在链条、锤头因疲劳强度而断裂飞出伤人的情况，造成安全事故；普通对辊破碎机和带齿对辊破碎机存在结构复杂、维护成本高、噪声大及干料破碎扬尘大等缺点。并且以上设备都存在需要进行一次粗碎加工才能进一步中碎的问题，存在整个破碎工艺流程长、设备多、环境差、生产成本高的缺点，极大地限制了氟石膏的加工利用，目前还没有专门的湿氟石膏破碎加工机械。因此，为能解决氟石膏生产实际问题，研究新型破碎机具有重大的现实意义。

1 系统概况

1.1 新型辊式破碎机工作原理

新型辊式破碎机是一种利用两齿辊产生的咬合力将物料破碎的系统(图1)。其主要工作部件是齿辊，且沿齿辊轴线方向布置一定数量的齿环。两齿辊沿相反方向等角速度旋转时落入齿辊之间的物料在重力和辊齿咬合力作用下被卷入齿辊内，利用大部分物料的抗弯、抗剪强度比抗压强度低的物理性质，采用交叉布齿，最大限度地利用剪切力、拉伸力将物料破碎，从而获得颗粒均匀、粉料少的破碎料。

图1 对辊式破碎机原理示意图

新型辊式破碎机的工作过程主要分为3个阶段：

a. 辊齿从1-1′位置到2-2′位置，当大块物料(不大于1 200mm)卷入相互啮合的辊齿时，物料受到辊齿的剪切与撕拉作用进行破碎；若碎块因形状问题未能被本段辊齿咬入，它将受到螺旋布置的辊齿的作用使它翻转，传到下一段辊齿继续破碎，否则进入第2阶段的破碎。

b. 辊齿从2-2′位置运动到3-3′位置，刚开始两辊齿包裹的截面最大，然后随着齿辊的转动，包裹截面积逐渐减少，达到最小后再次增大，如此循环。在包容体积变小的过程中，粒度大的物料将被强行挤压剪碎，破碎后的物料从辊齿齿侧、齿间空隙中掉下。

c. 粘在齿侧的物料在旋转到梳子处时被刮下，至此，完成一个破碎周期。

1.2 功率的确定和电机选型

传统设计一般采用理论计算法结合经验公式求得破碎机功率，但对于本新型对辊式破碎机，尚无大量实验数据作为依据，无法使用经验公式求得功率，因此要采用理论计算法求得破碎机功率。

目前主要使用Rittinger法、Kick-kirpi-chv法、Bond法和Holmes法4种不同的理论计算方法求得单位生产量的功耗，本设计采用Holmes法，其表达式为[1]：

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

(1)

式中A——给料粒度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——指数，j=0.20～1.40，取j=0.58；

M——Bond功指数，石膏的Bond功指数与煤相似，取7.91 kW·h/t；

W——单位生产量的功耗，kW·h/t。

计算破碎机功率的条件是电机的功率与单位时间的破碎物料的功耗相同，此时，电机功率F为：

F=QW/η

(2)

式中Q——生产能力，Q=100t/h；

η——破碎机传动效率，η=0.85。

通过式(1)、(2)可得F=19.88kW，考虑到破碎机工作环境、过载系数和电机标准功率，选取Y200L2-6电机，其额定功率为22kW，转速为970r/min。

1.3 基本参数的确定

一般对辊式破碎机的转速有快速和慢速两种，快速齿辊圆周速度为2.80～4.70m/s，慢速齿辊圆周速度为1.20～1.90m/s，由于快速的齿辊生产粉料较多，且本设计破碎机是采用剪切和拉伸作为主要破碎力，因此，采用比慢速还要低得多的速度，初步确定齿辊轴的转速n=20r/min，齿辊圆周速度仅为0.35m/s。

根据有关资料并结合生产实际，由于采用50铲车直接对破碎机上料，初步确定破碎机形状尺寸为：辊轴有效长度L=2800mm，辊轴直径D=130mm，辊齿直径D1=300mm，辊轴中心距a=230mm，辊齿高度h=85mm，辊轴半径R=80mm，齿辊截面如图2所示。

图2 齿辊截面

2 传动方案设计

总传动比i=nm/n=970/20=48.5。结合慢速对辊式破碎机的传统设计理念，高速级采用三角皮带传动，低速级采用直齿圆柱齿轮传动，本设计采用带传动与减速器组合传动，选取JZQ500减速器，速比31.25，则带传动比i1=i/i2=1.55，取小皮带轮直径d1=200mm，则大皮带轮直径d2=d1i1=300mm。

3 生产能力校核

3.1 理论公式推导

根据以上分析，与一般破碎机工作特性不同，带齿对辊机破碎机工作时能将物料强行咬入，破碎之后还能强行排出，因此不能简单地将一般辊式破碎机生产能力计算公式套用到对新型辊式破碎机生产能力的计算上。由新型辊式破碎机的工作原理可知：破碎机的物料是被辊齿和梳子强行排出的，所以单位时间内通过两齿辊之间的物料的总体积与所有的辊齿在其中所占的体积之差即为破碎机生产能力：

Q=ρK(V1-V2)

(3)

式中K——物料填充系数，经过实验测定K=0.38；

V1——单位时间内通过两辊之间的物料的总体积，m3/h；

V2——单位时间内通过两辊之间的辊齿的体积之和，m3/h；

ρ——物料密度，氟石膏取1.30t/m3。

由理论推导得[2]：

V1=30ηπL(2a2+D12-2aD1-4R2)

(4)

V2=60mnV0

(5)

式中a——辊齿中心距，m；

D1——辊齿直径，m，且D1=2(R+h)；

h——辊齿高度，m；

m——总齿数，取280个；

R——辊轴半径，m；

V0——单个齿体积，m3，取6.8×10-5m3。

将式(4)、(5)代入式(3)即可得到理论生产能力：

Q=30ρKn[πL(2a2+D12-2aD1-4R2)-2mV0]

(6)

K值的选取是本公式运算结果误差大小的关键。因为K值与物料性质、松散系数及进料饱和度等因素有关，要靠实验数据得到。

3.2 实际生产能力的测定

以前面计算的基本数据为基础，研制一台氟石膏新型双齿辊破碎机，通过具体的生产实际操作，针对不同含水率氟石膏，对该破碎机的生产能力进行产能测试。测试步骤如下：

a. 对氟石膏山分5个区域进行开采，做到氟石膏块度基本上大小分布一致；

b. 对5个区域按照GB/T 5483-2008标准进行分析取样；

c. 对50铲车安装装载机电子称，以确保准确计量；

d. 使用50铲车分别将5堆氟石膏物料直接对破碎机上料，并且保证料斗中的物料在半仓左右；

e. 每堆料上料1h，然后停止上料；

f. 计录50铲车的电子称总重量数。

实验参数和产量记录见表1。

表1 实验参数和产量记录

3.3 系数K的确定

根据式(6)可以计算出该实验机在不同含水率氟石膏的不计K值的理论产量，从而计算出每次的K值，见表2。

表2 理论产量与实际产量比较和K值

5次实验的理论产量由于实验机各参数没有变而相同，湿石膏比重1.3t/m3，从表中数据可以看出：当氟石膏的含水率在18.5%～29.0%时，K的取值范围在0.40～0.49之间，K的平均值为0.44。

3.4 新型氟石膏双辊齿破碎机理论生能力计算

根据前面确定的结构参数，采用式(6)计算氟石膏在15%～30%的含水率情况下的理论生产能力Q=250.8×0.44=110.3t/h。

4 结束语

目前，氟化工所产生的氟石膏逐年增多，变废为宝势在必行，而破碎机对氟石膏加工过程举足轻重，因此，笔者通过具体实例，对氟石膏加工的破碎机重要部件做了详细的设计，提出了对辊式破碎机生产能力和功率计算法，解决了氟石膏这种特殊物料的破碎加工问题，为企业解决了棘手的环保问题，同时也创造了经济效益。另外，该新型破碎机对与氟石膏具有相近物理性质的钛石膏、磷石膏等化学石膏和粘土的破碎加工，具有重要的指导意义。

[1] 张峻霞，褚文农.新型双齿辊破碎机生产能力确定的研究[J].农业工程学报，1999，5(4)：116～120.

[2] 贡凯军，何有均，杨庆佛.双齿辊破碎机生产能力和功率计算方法[J].东北煤炭技术，1997，6(3)：45～47.