烧结用大型圆筒混合机选型设计

刘志广 李书磊 朱旭甫 郭存红 冯博文

（1：洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039；2：中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039；3：中实洛阳重型机械有限公司 河南洛阳 471041）

1 前言

进入新世纪以来，随着钢铁工业的迅速发展，铁矿烧结取得了前所未有的进步，期间建成的烧结机大都朝着大型化、节能化的方向发展。大型烧结技术优点明显，低温烧结、厚料层烧结等新工艺的应用在改善烧结矿强度，提高成品率的同时，还能够大幅度降低能耗，改善环境指标［1］。

混合料制粒是烧结工艺的重要环节，其目的是通过混匀、加水润湿和制粒，得到成分均匀、粒度适宜、具有良好透气性的烧结混合料［1］。随着厚料层烧结技术的应用，强化制粒效果，改善烧结料透气性成为了混合制粒工艺的重点。

目前，国内外烧结厂所采用的原料混合设备均为圆筒混合机，这种设备具有生产能力大、结构简单、日常维护量小等优点，结构如图1所示。随着烧结机的大型化（260～660m2），圆筒混合机亦逐渐大型化。从近几年的发展看，圆筒混合机的规格已经从φ3.2X12m、φ3.8X16m、φ4X18m扩展到φ4.6X20m、φ5.1X24.5m、φ5.1X28m等规格，据国外资料介绍，国外最大规格圆筒混合机已达到φ6X36m［2］。

面对日趋复杂的原料配比，越来越高的烧结混合料性能要求，以及种类繁多的圆筒混合机规格，选择合适的圆筒混合机就显得尤为重要。

图1 圆筒混合机结构简图

2 厚料层烧结新技术

随着烧结工艺的发展，厚料层烧结技术得到了广泛应用。该技术的理论基础是＂烧结料层自动蓄热原理＂，生产实践表明：厚料层烧结能够改善烧结矿强度，提高成品率，降低固体燃料消耗和总热耗，降低FeO含量并提高还原性等优点。

同时，因为料层的厚度增加，也导致了烧结速度降低。主要原因有以下4点：①料层提高（加厚），空气通过料层的路径延长，压力损失增大；②随着料层厚度增加，在料层的重力作用下，下部料被压紧，导致空气阻力增加；③在料温较低的情况下，容易产生过湿，导致透气性恶化；④料层提高（加厚）后，高温熔融层厚度相对增加，也将造成阻力增加。故在增加料层厚度的同时，还需要改善烧结混合料的透气性，才能减少厚料层烧结带来的负面效应，保证烧结速度和质量［3］。

除了优化配料结构［3］、增加（利用）蒸汽在混合机内预热混合料，提高料温［4］等措施以外，还通过增加强力混合机［5］、延长混合制粒时间等措施强化混合效果，增加物料的粒度、强度，达到增加料层透气性的目的。

3 各工艺参数关系

混合制粒的过程受很多因素的影响，对应不同的原料成分、配比，通过制粒优化实验和探索，能得出水分、填充率、处理量、转速、以及混合时间的最佳匹配范围。如太钢通过调整混合料水分，调整料层高度，调整主抽风机风门开口度改善制粒效果，混合料中大于3mm部分由58%左右增加到70%以上，混合料透气性增强［6］。

另外，为适应烧结机处理量的变化，保证工艺参数最优化，采用液压马达传动或变频调速技术，提高混合、制粒的效率，以保证制粒效果，提高混合料透气性［4］。

4 选型计算

根据烧结工艺，确定混合机处理量Q混、混合时间T、填充率φ等初始参数，并根据上述工艺参数，对圆筒混合机进行选型。

4.1 初始条件

4.1.1 混合机处理量Q混

其中：Q混-混合机每小时处理量，t；

q水-混合料的含水量，%；

q返-混合料的返矿量比例，%；

Q-各种铁原料、溶剂和燃料的用量，t。

q水、q返-一般根据试验或者类似烧结厂（混料机）的经验数据预先确定。

4.1.2 混合时间T

混合时间与原料的种类有关，成球性好的烧结料混合时间短，成球性很差的即时延长了混合时间效果也不显著。某些厂的混合时间较长，如宝钢某烧结厂除增加的一次强力混合机外，仅二次、三次圆筒混合机的混合制粒时间就达到8.2min。

加长混合时间，将增加投资，因此适宜的混合时间应通过试验确定。根据生产实践，混合时间一般可定为不少于5min，其中一次混合约2min，二次混合约3min［7］。

4.1.3 填充率φ

填充率是指筒体内物料平均横截面积站筒体有效面积的百分比，它对产量、混匀和制粒效果均有很大影响。填充率过大，在转速和混合时间不变的情况下，虽然可以提高产量，但此时料层加厚，混合料运动状态不佳，不能获得适宜的运动轨迹，会对混匀和制粒产生不良影响；填充率过小，生产率不能满足生产需要［8］。

对于不同直径的圆筒混合机，制粒效果达到最佳时，填充率和费劳德准数Fr分别为φ11～14%；Fr＝5.4×10-3～4.2×10-3，随着转速的增加，最佳制粒效果下的填充率φ将下降［9］。

4.1.4 筒体直径D、长度L

混合机筒体直径D、长度L既是决定混合机生产能力大小的主要参数，又直接关系到混匀和制粒效果。直径D可以影响转速n、填充率φ和混合时间T，长度主要影响混合时间T，增加长度，也就加长了混合时间T［10］。

长径比i长径比：

4.1.5 筒体斜度α

筒体倾斜角α也直接影响混合时间，倾角大，混合时间短。

表1是某厂采用的圆筒混合机参数选择规范。

表1 圆筒混合机参数选择规范（日立造船）［10］

因本文主要为圆筒混合机的选型设计，处理量Q混根据物料平衡已经确定，混合时间T和填充率φ可以根据试验或者以往经验数据给出，故Q混、T、φ设为已知量。

4.2 选型计算

4.2.1 运行过程中筒体内的物料体积V物

其中：V物-运行过程中混合机筒体内物料体积，t。

q-运行过程中混合机筒体内物料重量，t。

ρ-混合料堆密度，t／m3。

4.2.2 筒体总体积V

其中：V-筒体总体积，m3。

φ-筒体填充率，%。

4.2.3 筒体直径D

筒体总体积：

将公式（2）代入公式（6），公式（5）、（6）联立，得到：

将公式（3）、（4）、（5）代入公式（7），得到：

对半径R根据表2就近选取优先级数R优先级数，进而得到圆筒混合机的直径：

表2 优先数系的基本系列部分数值［11］

优先数系是一种十进制的等比数列，数列中1～10，10～100，100～1000等称为十进段，每个十进段中的项数都是相等的，相邻段对应数值只是扩大或缩小10倍［11］。

因为优先数系是等比数列，所以同一个数系中小尺寸段数据比较密，数值越大，数据越稀疏，所以把混合机筒体直径的实际计算数值换算成半径的实际计算数值去取优先数，以求尽量的贴近计算值。

4.2.4 筒体长度L

公式（2）带入公式（10），得到筒体长度L。

同样对筒体长度L根据表2就近选取优先级数L优先级数，数值要略大于实际计算数据，得到最终的筒体长度L优先级数。

将公式（11）、（12）代入公式（5）、（6）联立，得到实际的填充率φ，检验填充率是否合理，若数值合理，则继续进行筒体工艺参数计算；若数值不合理，返回上一步，根据实际情况在表2中重新选取筒体半径和长度，也可以适当调整长径比，反复进行以上步骤直到各数值匹配为止。

4.2.5 临界转速nc

筒体内物料在筒体转速接近或者大于临界转速时，离心力作用使混合料紧贴于内壁上，完全失去混匀和制粒作用。这时的转速为临界转速nc。

4.2.6 转速n

筒体的转速决定了筒体内部物料的运动状态。在不同的转速下，筒体内混合料呈现＂滑动＂、＂抛落＂、＂瀑布＂三种状态。＂瀑布＂状态适宜混合，而＂瀑布＂与＂抛落＂的过渡状态适宜造粒。

一般一次混合机转速n1＝0.2～0.3nc；二次混合机的转速n2＝0.25～0.35nc。

4.2.7 物料的运动周期t

物料运动时，首先随筒体内壁上升，上升距离为l1，对应的圆心角度为2θ，到达最高点A后开始然后进入“滑落”状态，进入混合制粒状态，运动距离为l2，达到最低点后，重新随筒体内壁上升，进入下一个运动周期，如图2所示。

假设物料整个运动周期中的速度适中保持一致，则整个运动周期t就是两个运动阶段运动时间之和。

因为筒体是匀速转动，设上升段时间t2，则

其中：n-混合机转速，r／min。

滑落段时间为t2，

图2 物料的运动周期简图

4.2.8 物料一个运动周期t前进的距离l

因为筒体有一个倾斜度α，所以物料运动过程中是螺旋前进的，每一个周期的前进距离为l。可根据经验先初定一个倾斜度值。

其中 f-修正系数，取值1.8［12］。

l1-筒体内物料对应弧长，m。

l2-筒体内物料对应弦长，m。

θ-筒体内物料对应的圆心角的一半，°。

4.2.9 物料混合时间T实际

将T实际与工艺要求的混合时间T进行对比，若T实际≥T，则参数设定合理，参数计算结束；如果不能满足工艺要求的混合时间，则重新设定筒体倾斜度，反复进行以上步骤直到各数值匹配为止。

4.3 选型流程图

混合机选型过程如图3所示。

图3 圆筒混合机选型流程图

5 算例

以某烧结厂450m2烧结机配套用圆筒混合机为例，初始参数如表3所示。

表3 某厂450m2烧结机配套用圆筒混合机初始参数表

根据图3混合机选型流程图进行设计，结果如表4所示。对应同一组初始参数，可以有不同的的选型结果，如上述烧结厂中一混的参数可以给出两种选型结果，均能满足要求。该烧结厂最终配置的圆筒一次混合机为φ4.6×20m，倾斜角度2.5°，圆筒二次混合机为φ×25m，倾斜角度为1.9°。均与计算结果一致。

6 结论

1、通过对混匀过程的分析，找到各参数之间的内在关系，进而得出了“处理量确定直径-填充率确定长度-混合时间确定倾斜角”的选型方法。

2、如果混合过程不是考核混合时间，而是对物料滚动距离有要求，同样可以用上述方法进行设计，去掉运动距离转换到混合时间的部分，直接用运动距离确定倾斜角即可。

3、上述方法也可用于验证已有烧结厂的混合机配置是否合理，为烧结厂升级改造提供依据。

表4 圆筒混合机选型表