杜武男

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

环冷机作为冶金铁前烧结生产工艺的重要设备之一，用于冷却经烧结机焙烧后再经单齿辊破碎机破碎的热烧结矿。中冶北方研发的多功能烧结环冷机以其高效冷却、节能、余热高效回收、清洁环保等综合优势，已经逐步取代原有传统烧结环冷机，被广泛应用于新建及改建的冶金工程当中，目前该产品已升级至第六代。随着对各生产现场反馈的使用情况的整理和分析，以及对新研发手段的开发和利用，对环冷机设备的进一步优化也拥有了更好的条件。本文结合某工程中280 m2环冷机的设计实例，实现了产品的结构优化与智能化。

1 多功能烧结环冷机结构优化目标

通过对烧结环冷机结构的优化设计，进一步降低设备的制造成本，减少设备、土建投资费用，优化现场使用体验，提高设备智能化水平，增强企业在烧结项目上的竞争力。

2 多功能烧结环冷机结构优化方案

主要针对烧结环冷机中重量占比较大的部件进行结构优化。其中，回转体部分约占环冷机总重量的40%，机架部分约占环冷机总重量的20%。因此，优先考虑对上述两大部件进行优化。

2.1 回转体

回转体主要由回转框架、台车、辊臂、栏板等部分组成。在满足使用要求的前提下，减少回转体重量，可以减轻支撑辊处所受压力，从而减小阻力矩和传动电机的工作电流，改善环冷机整体的运行状态。

2.1.1 回转框架

单台烧结环冷机设备中，回转框架共16个，所受总阻力矩约为3 800 kN·m，平均分布于每个回转框架。分别将内环上板、下板、立板和外环下板、立板的厚度减小2 mm，将外环上板的厚度减小4 mm，通过有限元分析得到应力和变形情况见图1、图2。其中，最大应力约为0.5 MPa，最大变形约为1.4 mm，均在合理范围内，优化后的结构强度和刚度可以满足使用需求。

图1 回转框架应力分析

图2 回转框架变形分析

2.1.2 台车

每个回转框架中有4个台车，共64个，每个台车承受料重约为13.2 t。将台车面板厚度减小4 mm，将与轴承座相连的两块长板和前后筋板的厚度各减小5 mm，通过有限元分析得到应力和变形情况见图3、图4。其中，最大应力约为50 MPa，最大变形约为3.3 mm，均在合理范围内，优化后的结构强度和刚度可满足使用需求。

图3 台车应力分析

图4 台车变形分析

2.2 机架

环冷机机架是由不同规格的轧制H型钢通过各种接点连接形成的环形框架结构，工程设计中对其截面规格的确定一般采用类比及估算的方法。通过工程实践发现，以往的机架梁、柱和斜撑截面选取偏大，为此，结合280 m2环冷机设计进行研究。

2.2.1 确定机架所受载荷

机架的计算载荷考虑+4.1 m标高以上的主要载荷，包括回转体重量(含栏板)、回转耐材重量、物料重量、上密封水重量、支承辊及底座重量等。回转体的刚度很高，可以在一定程度上减小中间梁支承辊处的变形，本次分析中，仅将载荷设定为作用于梁上的集中作用力。

载荷的作用点如图5所示(仅以单个跨距为例)。

载荷的大小为：

外梁：P1=P3=P5=165 kN(支撑辊处)；

内梁：P2=P4=P6=165 kN(支撑辊处)；

载荷方向均为垂直纸面向里。

图5 单个跨距框架载荷作用点

2.2.2 强度及刚度分析

1)不同截面的各项特性(见表1)。

表1 截面类型及特性

2)力学模型及分析

a) 单个跨距框架(H390×300柱+H390×300梁+φ168×6钢管斜撑)。应力及变形情况见图6、图7。

图6 单个跨距框架应力分析

图7 单个跨距框架变形分析

对于单个跨距框架的分析数据，见表2。

表2 单个跨距框架分析数据

b)环形框架。环形框架的力学分析模型中，各框架圆心角与环冷机实际相符，各个梁、柱均为H390×300×10×16，+4.1 m以下斜撑均为φ168×6钢管。对于给料、卸料区域的框架，由于其受力情况比较复杂，并且现有同规格环冷机的使用情况较为理想，因此暂不对该部分框架实施优化。应力及变形情况见图8、图9。

图8 环形框架变形分析

图9 环形框架应力分析

对于环形框架的分析数据，见表3。

表3 环形框架分析数据

由表3可见，对于环形框架，其最大位移、支承辊处最大位移、最大应力和斜撑处最大应力均略小于单个跨距框架。

2.2.3 机架优化效果

1)横梁和立柱采用H390×300替代原有H488×300，刚度和强度均满足使用要求，较之前设计可节省钢材重量约16%。

2)φ168×6钢管斜撑在满足压杆稳定，刚度、强度满足使用要求的情况下，较之前槽钢斜撑可节省钢材重量约66%。

3)环形框架由于框架间互相约束，整体强度、刚度均略好于单个框架。

4)机架在截面优化组合后的减重效果见表4。

表4 机架减重效果

2.3 环冷机优化效果

由表5可见，通过优化回转框架、台车体相应部位的钢板厚度，减小机架横梁和立柱部位H型钢规格，以及在机架斜撑部位采用φ168×6钢管替换原有][250×82槽钢，可以保证环冷机的使用要求，同时相较于原设计共可减重约50 t。

表5 环冷机优化效果

3 多功能烧结环冷机智能化

通过设置环冷机驱动打滑监测、减速机故障监测、安全装置、上密封水位监测、上罩温度监测等多个智能监测单元，以及全景监控系统和智能润滑系统，实时、远程监测设备运行状况，保护设备平稳、良好运行，并能在出现故障时及时做出响应，提升设备的数字化、智能化水平。

3.1 驱动打滑监测

实时监测环冷机运行转速和驱动电机转速，当摩擦轮出现打滑时，可及时发出声光报警并停机保护设备本体。

3.2 减速机故障智能监测

驱动装置使用行星齿轮减速机，配备智能监测单元，实时监测减速机震动和轴承温度并在主控室显示，当超过设定值时可及时发出报警。

3.3 安全装置

安全装置位于环冷机卸料处，当监测到台车翻转不灵活时，可辅助台车进行翻转；当监测到台车完全卡死时，触发感应开关，及时报警并停机。

3.4 上密封水位监测

可根据设定的水位和监测到的水位情况，对上密封水槽自动进行给水和补水。

3.5 上罩温度监测

通过对上罩内各个冷却段温度的实时监测和对比，全面、实时地掌握环冷机所有区域内的烧结矿冷却情况，并可根据温度变化情况，预先做出判断和给出操作指令。

3.6 全景监控系统

通过对环冷机内外圈、台车翻转位置及卸料处实施全景视频监控，多视角、实时地掌握环冷机运行状况并可对潜在运行风险进行预判，数据存储于硬盘，方便随时查阅和分析。

3.7 智能润滑系统

环冷机在运行过程中有众多需要润滑的点，其主要分布于支撑辊、侧挡辊、传动装置、复位辊以及板式给矿机等处。智能润滑系统的应用，可根据对应装置的运行情况，定时、定量地进行干油润滑，润滑点压力、给油量、润滑周期可任意调节，同时实现故障监测和报警，运行状态在主控室实时显示，有效地保护设备平稳、安全运行。

4 结语

本文所述环冷机结构优化和智能化方案，同样适用于其它规格的多功能烧结环冷机。在烧结工程以及环冷机新建和改造项目中，通过结构优化及智能化设计，可降低设备整体重量，从而降低环冷机制造成本，提高项目利润率，全面提升设备的数字化、智能化水平，为智能烧结生产提供技术支持，进而增强产品和企业在市场上的竞争力。