吴国江 刘品良
（常熟市龙腾特种钢有限公司，江苏 常熟 215500）
摘 要：针对烧结梭式布料皮带机皮带回程带料形成机下积料、混合料仓格栅粘湿堆料导致布料偏析这两类长期困扰生产、依赖人工清理且安全风险高的难题，设计了一种以布料小车往复运动为动力源的无动力多级自清料装置。装置以三级递进式清料机构清理并回收皮带回程积料，以利旧钢丝绳格栅清料结构往复刷扫消除格栅堆料偏析，二者协同实现机下与格栅积料的源头自动治理。现场应用表明，该装置实现积料全自动清理，物料回收率达98%、极大改善烧结物料偏析现象，年创经济效益约184万元，而总投入仅约5000元。装置兼具零能耗、低成本、本质安全与强可推广性，为烧结设备绿色低碳运维与降本增效提供了一种可复制的工程范例。
关键词：烧结；梭式布料机；无动力清料；多级清扫器；格栅清料；降本增效；本质安全
1 引言
烧结工序是钢铁联合企业铁前系统的关键环节，其能耗、排放与成本在全流程中占有相当比重，混合料能否精准、均匀地铺布到烧结台车上，直接决定料层透气性、烧结过程的稳定性以及烧结矿的产量与质量。生产实践与相关研究普遍表明，布料时要求混合料的粒度和化学成分沿台车纵横方向均匀分布，并保持一定的松散性与表面平整，布料均匀性是获得良好料层透气性的前提之一。一旦布料出现偏析，料层局部燃料与水分分布不均，将直接引起烧结过程气流分布紊乱，增大返矿率、降低成品率。
烧结梭式布料皮带机正是实现混合料均匀布入烧结机的核心设备。它通过梭式布料小车在混合料仓上方的往复移动，配合皮带连续输送，实现布料宽度与厚度的均匀控制，为后续烧结过程提供稳定的料层基础。然而，该设备在长期运行中存在两类反复出现、难以根治的瓶颈：一是皮带回程带料形成的机下积料，二是混合料仓格栅粘湿形成的堆料偏析。这两类问题长期依赖人工清理，劳动强度大、安全风险高，且治理效果难以持续。
针对上述痛点，本文在剖析问题成因与现有清扫技术局限的基础上，提出一种无动力多级自清料装置。其核心思路是把梭式布料小车既有的往复动作转化为清料动力，不额外消耗能源，通过多级清料机构与格栅清料结构的协同，实现积料的在线自动清理与物料回收，达到“零能耗、免人工、稳运行”的目标。本文重点阐述该装置的结构设计、工作原理及现场应用效果，并对其技术取舍与推广价值作进一步分析。
2 问题成因与现有技术局限分析
2.1 两类瓶颈问题的成因
第一类问题是皮带回程带料。皮带输送散状物料时，部分物料或粉尘会附着在皮带表面，卸料滚筒难以将其完全卸净，附着料随皮带回程被带至皮带机下方逐渐堆积。对于含水率较高、黏性较大的烧结混合料，这一现象尤为突出。机下积料若不及时清理，不仅造成物料浪费、污染现场环境，严重时还会使物料输送至尾轮、传动部位造成包料，引发皮带跑偏、撕边乃至电机过载烧损等故障，影响生产正常组织。这也是流程作业中长期存在的难点，传统上只能依靠人工高频清理。
第二类问题是混合料仓格栅堆料。下料部位的格栅因混合料粘湿而逐渐积料、结垢，使料仓物料向两侧下料偏析。布料一旦偏析，台车横向料层厚度与成分失衡，会进一步诱发料层透气性不均。相关研究指出，烧结料层中燃料分布是否合理对烧结过程与烧结矿质量有重要影响，靠近台车边缘区域因点火效果差、气流分布不均，本就容易因燃料偏析形成强度较低的返矿[2]；布料偏析无异于加剧了这一“边缘效应”，最终表现为返矿率升高、烧结矿质量波动与产量受限。可见格栅堆料的危害并不止于设备层面，而是沿工艺链向下游传导，放大为质量与产量损失。
2.2 现有清扫技术的适用性局限
目前工业现场常用的皮带清扫器主要包括合金橡胶清扫器、硬质合金刮板清扫器与柔性聚氨酯清扫器等，按安装位置又分为头部、中部与尾部空段清扫器，其作用是减轻皮带过度磨损、降低能耗并减少回程带料。为提升效果，工程上常在头部滚筒处增加清扫器数量、联合使用多级刮板，并通过重锤或弹簧张紧调节刮板与皮带的接触压力。一些集成化的智能回程刮料装置进一步将清扫、输料与控制系统集于一体，可实现回收物料的卸载与无人化值守。这些技术在常规固定式皮带机上已较为成熟。
但就梭式布料皮带机这一特定场景而言，上述方案存在明显的适用性局限。其一，梭式布料机的核心特征是布料小车在料仓上方持续往复运动，清料对象不仅是固定头部滚筒处的回程带料，还包括沿程洒落与料仓开口处格栅堆料，常规固定式头部清扫器难以覆盖。其二，传统人字型自调清扫器多采用自重可调的两侧分料方式，物料分落皮带两侧后仍需人工清理，并不真正实现“回收闭环”，且不适用于现场空间狭小处。其三，集成化智能刮料装置虽功能完善，但需配套动力、输料与控制系统，一次性投入与后续运维成本较高，对一台改造目标明确、预算有限的存量设备而言性价比不足。这就为一种“无动力、低成本、自回收”的专用方案留下了空间——这也是本装置设计的出发点。
3 总体设计思路
本装置以“无动力、自驱动、全回收”为核心设计理念。所谓无动力，是指不引入电机、气缸等独立动力源，而是充分利用梭式布料小车在烧结机上方往返运动这一既有动作作为驱动源，将设备自身的运动转化为清料动力。这一思路的价值在于：既从根本上避免了额外动力系统的投入与能耗，又规避了新增动力设备带来的故障点与维护负担，符合当前钢铁行业绿色低碳、降本增效的总体方向。
在功能实现上，装置分为两套相互独立又彼此协同的结构。一是三级清料机构，针对皮带回程积料，以递进方式分层刮除并回收进混合料仓，避免物料浪费；二是利旧钢丝绳制作的格栅清料结构，并列延伸镶嵌在皮带机头部支架上，借助布料过程的往复运动刷扫格栅，消除堆料与下料偏析。两部分均不依赖外部电力或气动驱动，共同构成完整的无动力自清理系统，分别从“机下”和“格栅上”两个部位实现源头治理。
4 装置结构与工作原理
4.1 三级清料机构
三级清料机构包括运载组件和清理组件，清理组件设置在运载组件上。运载组件即移动的布料小车和运输物料的传送带；清理组件由结构相同、间距设置的第一、第二、第三清理机构组成。采用三级而非单级清理，是经过权衡的设计选择：现场经验表明，单级刮板对黏性混合料往往“一遍刮不净”，需要后级补刮，本装置据此设置三组刮料结构以递进清理形式协作，第一级刮除大部分积料，第二、三级逐级补净，将皮带回程的洒落物料逐层清理并回收进料仓。每组刮料板宽度均大于皮带工作面宽度，从而能够全面收集洒落物料，避免边缘漏刮。
以第一清理机构为例说明其构成。该机构包括相互间距设置的第一主动轮和第一被动轮，二者以转动方式设置在布料小车底部，二者之间设有绳体，绳体两端分别缠绕在主动轮和被动轮上。第一被动轮上设有第一清理板，传送带位于清理板竖直方向上方；清理板底部具有搭接地面与远离地面两种状态，用于刮除并清理积料。
在支承与传动上，机构通过横梁两端竖杆底部的轮子抵接轨道，随小车沿轨道移动；横梁底部的挂杆、挂柱分别支承主动轮与被动轮。其核心巧思在于动作时序的无动力控制：主动轮内设有若干辐条，挂杆上的限位杆可挡住辐条阻止主动轮旋转，从而把小车往返的换向动作转换为清理板的起落，使清料动作与布料行程自然同步——这正是装置“无动力却动作有序”的关键。被动轮上设有可升降的连接杆，清理板安装于其底部，借此实现清理板搭接地面与抬起两种状态的切换。主动轮与被动轮外周分别设凹曲面与凹面以约束绳体、防止脱槽。第二、第三清理机构结构与此完全一致，三级机构依次递进，形成对皮带回程积料的分层、彻底清理。装置整体安装关系及传动剖面分别如图1、图2所示。
图1 多级清料装置整体安装结构示意图
注：1—清理板组件；2—利旧钢丝绳；3—固定压板；4—固定螺栓；5—格栅框架。
图2 三级清料机构传动剖面示意图
注：151、152—皮带机头尾轮；21、202、203—皮带机支架；211—调整装置；212—连接和限位杆；213—被动轮组；22—清理板；3—底座基础及轨道。
4.2 格栅清料结构
格栅清料结构用于解决混合料仓格栅因物料粘湿而堆料的问题。具体方案为：在皮带机大架头部横梁端面制作底板，底板上设置多个并列延伸的嵌槽；将利旧钢丝绳加工成统一标准尺寸的钢丝绳短节，一一对应地嵌入各嵌槽内；再以约束板覆盖在钢丝绳表面，使约束板与底板将钢丝绳夹持其间，并通过螺栓与螺母紧固夹持，形成一排牢固镶嵌于皮带头部支架的钢丝绳清扫结构。
当梭式布料皮带机进行布料时，随着小车往复移动，镶嵌的钢丝绳短节在料仓开口处的格栅上往复刷扫，使格栅上的粘湿堆料被清扫脱落，并通过钢丝绳短节形成的导流槽回收至料仓内部。这一设计的巧妙之处有二：一是同样不需独立动力，借布料行程即可完成清扫；二是采用钢丝绳这种柔性体而非刚性刮板，既能贴合格栅清除粘料，又不易损伤格栅本体，且材料来自废旧利旧，几乎零材料成本。该结构有效避免了格栅堆料引起的下料偏析，从源头上抑制了前述“边缘效应”的恶化，同时免去了人工清理格栅的难题。
5 现场应用与效益分析
5.1 运行与工艺效果
该装置在烧结现场投入应用后，实现了梭式布料皮带机机下及格栅上积料的100%自动清理，无需人工干预。在工艺层面，由于消除了格栅堆料导致的下料偏析，烧结物料供应趋于稳定，料层透气性得到改善，有效提高了烧结矿产量；这与通过工艺与设备优化改善料层透气性进而实现提质降耗、节能增产的实践规律相一致。混合料回收率达到98%，显著减少了物料浪费。装置运行稳定，结构简单，维护成本低。从作业安全看，装置从根本上消除了人工清料作业中的机械伤害隐患，实现本质安全，并优化改善了作业条件。
5.2 经济与社会效益
经济效益方面，应用后年产量提高约0.5%，创造产量效益约150万元；同时年节约人工成本约32万元、减少物料浪费约2万元，三项合计年创经济效益约184万元。而装置总投入仅约5000元，主要用于清料板、调节和导向轮以及废旧钢丝绳等钢铁材料的加工，投入产出比十分突出。需要指出的是，这种“小投入、大产出”并非偶然，而是源于无动力设计避免了昂贵的动力与控制系统、利旧材料压低了制造成本两方面的叠加。除直接经济效益外，装置还提升了本质安全水平、促进了物料回收利用，对同行业相关设备的绿色低碳运维具有示范意义。
6 创新点与推广价值
综合来看，本装置的创新点与优势可归纳为五个方面。其一，无动力创新：依托布料小车往返动作驱动，零能耗运行，从源头降低运维成本，并减少了新增动力设备的故障风险。其二，多级清料结构优化：三级递进清理针对黏性混合料“一遍难净”的特点，逐级补刮、清理彻底，配合宽于皮带工作面的刮料板全面收集洒落物料。其三，替代人工清料：免除高频人工作业，降低劳动强度，消除安全隐患，契合钢铁行业减人增安的趋势。其四，废旧物资利用：利旧钢丝绳制作格栅清扫结构，体现绿色低碳与节约理念。其五，可推广性强：结构简单、安装便捷、投入低廉，不仅适用于烧结混合料梭式布料皮带机，也可推广应用于各类往复式布料设备及存在回程带料、格栅堆料问题的同类输送场合，便于在同行业快速复制。
从更宏观的视角看，该成果的意义不止于解决一台设备的具体问题。在钢铁行业推进高端化、智能化、绿色化转型的背景下，设备运维正从“事后人工处置”向“源头自动治理”演进。本装置以极低的成本，把一个长期依赖人工、且暗藏安全风险的环节，转变为随设备运行自动完成的稳定工序，正是这一转型方向在基层设备上的具体体现。其设计理念——充分挖掘设备既有动作的可利用价值、以利旧材料替代外购、以机械巧思替代动力堆砌——对于大型烧结设备的低成本可靠性改造与稳定运行同样具有借鉴意义[5]。后续若在此基础上进一步加装积料量或清理状态的简易传感监测，将清料工况数据接入设备点检与健康管理系统，则可由“自动清理”向“状态可视、按需清理”延伸，与设备预测性维护、数字孪生等方向衔接。
7 结束语
本文针对烧结梭式布料皮带机长期存在的机下积料与格栅堆料难题，在分析问题成因与现有清扫技术局限的基础上，设计了一种以布料小车往复运动为动力源的无动力多级自清料装置。该装置通过三级递进式清料机构与利旧钢丝绳格栅清料结构的协同作用，实现了积料的在线自动清理与高效回收，有效解决了布料偏析、物料浪费、人工清理强度大及安全风险高等问题，实现了减员增效与产质量提升的多重目标。该成果具有零能耗、低投入、易推广等突出优势，为烧结设备的绿色低碳运维与降本增效提供了一种可复制、可推广的技术方案，也充分体现了一线职工立足岗位、创新创效的实践精神。
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