高压辊磨机控制性能的优化

高压辑磨机控制性能的优化

罗敏

河北钢铁集团矿业有限公司  河北唐山  063000

摘要：为解决高压辊磨机运转过程中对辊左右两侧间隙偏差过大的问题，根据大型冶金矿山高压辊磨机的应用情况，充分借鉴、吸收了进口设备的控制理念，优化了系工作间隙和液压系统，同时应用ROLOX多变量控制器实现了高压辊磨机智能操控，发挥了其在铁矿石破磨领域的重要作用。

关键词：高压辊磨机；对辊间隙；控制性能；工作压力

中图分类号：TD453  文献标志码：B   文章编号：1001-3954(2021）06-0034-04

近年来，高压辊磨机作为一种高产、节能的粉磨设备在冶金矿山行业的应用已日趋广泛和成熟，具有“多破少磨” “以破代磨”的特点。河北钢铁集团矿业有限公司(以下简称“河钢矿业”)分别引进了进口KHD RPS160/180型高压辊磨机及国产HFKG160×140型高压辊磨机，均取得了良好的应用效果，但因二者控制方式不同，导致设备运转时单位能耗、产能及产品粒度各有不同。因此，对高压辊磨机的控制性能进行深入研究和优化具有一定的现实意义。

1 高压辊磨机的结构特点

1.1 高压辊磨机的工作原理

高压辊磨机结构如图1所示，其主体为框架结构，工作原理为：定辊总成固定在总机架上，在液压系统的作用下，动辊总成沿机架耐磨滑道向定辊方向滑动，实现对辊间隙(以下简称“辊隙”)的控制；当辊隙调整到工作标准之后，物料经进料装置进入辊系，在系统压力的作用下，物料发生层压粉碎，最后经出料口排出。高压辊磨机采用层压粉碎理论，物料除了受到挤压粉碎外，其颗粒内部还产生大量裂纹、塌散及疏松等缺陷，使物料可磨性大为改善，有利于提升磨机台效，降低能耗。随着技术的不断发展，高压辑磨机在碎磨工艺流程中发挥着越来越重要的作用。

1.2 高压辊磨机的应用工艺流程

河钢矿业研山铁矿属鞍山式沉积变质铁矿床，设计采选规模为1500万t。其破碎工艺采用粗碎、中碎两段一闭路一高压辊磨全闭路破碎流程，其中细碎系统引入进口KHD RPS160/180型高压辊磨机，轮磨后合格产品(-12 mm)进入香蕉筛筛分，筛上物料返回辊磨机，筛下产品进入磨选系统。

河钢矿业柏泉铁矿为基性岩型超贫磁铁矿床，在其600万t采选扩能技改工程中，引入了国产HFKG160×140型高压辊磨机，其破碎工艺与研山铁矿类似，破碎后最终产品粒度为-8mm。

2 存在问题分析

河钢矿业在应用高压辊磨机过程中，围绕整机使用寿命、产量、粉碎效果、单位能耗及工作可靠性等指标进行了多次对标分析。经研究发现，2台设备虽控制方式截然不同，但却均存在一个共性问题：设备运转时对辊两侧间隙偏差过大，造成粉碎效果差，成品料占比偏低，直接影响了产量、粉碎效果和单位能耗，因此决定对其进行优化研究。

高压磨机在辊子驱动侧安装有主传动电动机、减速器，在非驱动侧仅安装推力轴承作为防护。因左右两端结构的不对称性，使得高压辊磨机带负荷运转过程中左右两端受力及运动方式略有不同，导致对辊左右两侧间隙存在较大偏差。当偏差过大时，矿石颗粒未受到挤压粉碎，降低了设备的粉碎效果。辊系控制过程是动态控制过程，受液压、电控系统的控制性能影响较大，因此需要研究辊隙、液压系统功能及电控系统性能，减少和避免液压、电气控制系统频繁启停动作，将辊隙偏差控制在合理的工作范围内，达到动态控制的目的。

3 解决方案

3.1 高压辊磨机辊隙优化

在对高压辊磨机控制性能优化之前，首先要确定高压辊磨机正常工作所需的辊隙取值范围。高压辊磨机的辊隙与物料粒级组成、硬度等物理性质有关。为使高压辊磨机运转时达到高产、节能的目的，需进一步研究辊隙与单位能耗、成品粒度之间的影响规律，辊隙与单位能耗和成品粒度之间的关系分别如图2、3所示。

由图2可知，高压辊磨机单位能耗随辊隙的增大呈指数减小，当辊隙大于25mm后，单位能耗的减小幅度减缓。由图3可知，当高压辊磨机辊隙增大时，细粒级产品(0.027 mm和0.040 mm)逐渐减少，粗粒级产品(2.50 mm)逐渐增加，而1.00和1.80 mm粒级产品变化不大；当隙大于25mm之后，各粒级产品变化均不明显。综合上述分析，增大辊隙，能够降低单位能耗，但会影响粉碎效果，因此在优化隙的同时需兼顾节能和高产两个方面。

根据高压辊磨机的工作原理，辊隙分为初始间隙a₀和工作间隙a₁。初始间隙a₀一般是固定不变的，而工作间隙 a₁需综合考虑矿石的粉碎等级要求和物理性质，初始间隙a₀和工作间隙a₁取值为

式中：D为辊子外径，研山铁矿为1700 mm，柏泉铁矿为1400 mm；K_s为影响因子，脆性矿石K_s=0.016~0.024。

综合考虑高压辊磨机挤压效果和单位能耗的影响规律，结合式(1)确定研山铁矿进口 RPS160/180型高压辊磨机对初始间隙为22mm，工作间隙为43mm；柏泉铁矿HFKG160×140型高压辊磨机对辊初始间隙为17mm，工作间隙为34mm。

3.2 液压系统控制性能优化

高压辊磨机液压系统提供辊隙控制和粉碎物料所需的力，因此其性能的优劣直接影响设备的产量和粉碎效果，本次优化综合考虑了“恒压力”和“恒辊隙”2种设计准则。

3.2.1 液压系统控制功能

动辊的退辊、进辑，左右侧增压、减压，辊系平行自动控制，压力自动调节等动作主要都是由液压系统完成的，液压系统原理如图4所示。液压系统主要优化功能如下：压力增加，东辊逐步靠近定辊，当液压系统工作压力达到操作压力与误差压力值之差后，增压阀增压，达到压力设定值后，增压阀关闭，液压泵停止运行；若系统压力超出操作压力设定值与压力误差值之和，减压电磁阀将根据压力降压周期进行调节，直至达到操作压力，之后关闭所有阀。最大工作压力受限压阀的最大操作压力控制。为避免运转过程中对辊左右两侧间隙偏差过大(可达15 mm)，造成压力超限而停机，采取对左右两侧压力进行独立控制优化，同时调整优化增压阀增压周期，高压辊磨机可按照优化后的压力增压周期以脉冲方式增压，这样可使液压系统准确、稳定地达到操作压力设定值。

3.2.2 辐隙修正

研究高压辊磨机的控制性能，对辊隙几何形状的监测至关重要，优化时首要控制原则是：保证辊系在误差允许范围内平行运行要优先于对辊两侧压力相等。

当辊压机启动后，一旦两侧压力第一次达到操作压力，自动辊隙修正功能即开始发生作用。两侧的辊隙是连续计算的，所测得的辊隙差不断与其允许值进行比较。由于物料沿辊隙纵向分布的不同，动辊可能会发生倾斜，当倾斜量超过对辊左右两侧间隙偏差允许值时，倾斜必须得到纠正。当辊隙差超过极限值3s后，压力控制系统暂停工作，辊隙修正系统开始工作。液压系统在辊隙较大的一侧增加压力，直到压力达到“操作压力+0.5×偏差”；延时几秒后，如果辊隙修正的条件仍然存在，在隙隙较小侧降低压力，直到辊隙差达到其允许值的50%后才停止，然后将减压侧的实际压力作为设定值。此时压力控制系统在不同的压力设定值下运行，而其中一个总是与操作压力与修正压力之和相对应。当动辊产生一个新的偏差时上述过程又会重复进行。压力增加动作可以保证所要求的压力以及所期望的粉磨效果维持一个较长的稳定阶段。优化隙修正示意如图5所示。

操作压力的优先极限值优化为15MPa，当压力控制处于激活状态时，轴承间距被用来限定辊隙减小或者压力控制范围的最低限。

3.3 电气控制系统性能优化

高压辊磨机进行粉碎作业时，电气控制系统的控制分为3步：第1步，控制液压泵工作对液压缸供油，液压缸活塞推动动辊，以达到调节辊隙的目的；第2步，执行液压系统加载，提供粉碎物料所需的挤压力，即当辊隙确定后，液压加载系统按设定的压力值及加载脉冲推压动辊总成；第3步，控制动辊总成两侧液压缸压力及动作先后顺序，使辊隙维持在允许误差范围内，避免动辊总成发生较大幅度偏转。因此，高压辊磨机在运行中要实时对各项操作参数进行监测，包括工作压力、电动机电流、轴承工作温度以及辊隙等。为确保高压辊磨机安全运行，河钢矿业消化吸收了进口辊压机ROLCOX多变量控制器的优点，控制系统通过Profibus和中控室连接，主电动机的启动信号为离散的I/O点。ROLCOX控制程序优化后，实现主电动机、各液压泵及各电磁阀的启停顺序和联锁控制，保持辊系平行运行，最终控制左右侧的辊隙偏差小于6mm。

4 优化后应用效果

河钢矿业公司根据高压辊磨机的工作原理及工艺特点，研究了辊隙对设备产量、挤压效果和单位能耗的影响，根据不同矿石特点，确定了辊隙的取值，同时通过对液压、电控系统控制性能的优化，最终将对辊左右两侧辊隙偏差控制在6mm以内。经性能优化后，高压辊磨机系统工作正常，成品料粒度显著降低，-12mm产率可达90%以上，成品料粒度筛分检测结果如表1所列。

5 结语

高压辊磨机作为一种高产、节能的新型粉碎设备，具有“多破少磨”、“以破代磨”的优点，有很好的推广应用前景。由于高压磨机运转时物料矿石硬度、 粒度等物理性质难以保证，河钢矿业应用ROLCOX 多变量控制器对辊隙进行实时监控，ROLCOX自动监控系统在使用过程中除对操作参数进行少量调整外，不需进行其他操控，实现了智慧矿山运行。河钢矿业高压辊磨机控制性能的优化研究，对其他大型冶金矿山高压辊磨机的引进和应用，以及建设智慧矿山提供了参考和借鉴。

参 考 文 献

[1]张建文，张国旺，肖 骁.高压辊磨机碎磨工艺及其在铁矿石粉碎中的应用[J].矿山机械，2015，43(9)：1-4.

[2] 李启衡.碎矿与磨矿[M].北京：冶金工业出版社，1980：209-217.

[3] 张 梅.辊压机的数字化设计及仿真[D].唐山：河北理工大学，2009：29-31.

[4] 孙成林. 破碎机的最新发展[J].中国粉体技术，2000(6）：32-39.

[5] 曾 亮，孟 焯，辊压机液压系统PID 控制改进 [J].液压与气动，2008(4)；81-82.

(收稿日期：2021-01-22)

(修订日期：2021-04-12)

来源：矿山机械第月刊49卷2021年第6期

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