倉儲物料的流動特性及改善措施

李保新 屈 群 張旗東

(上海寶鋼工程技術有限公司，上海201900)

料倉廣泛用于冶金、礦山、化工、水泥、電廠、糧儲和醫(yī)藥等行業(yè)，是生產(chǎn)系統(tǒng)中一個不可或缺的緩沖、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。料倉有金屬、鋼筋混凝土和磚石等結(jié)構。生產(chǎn)中常見的有圓筒、方筒、矩形筒和排倉等形式。其倉儲量因需求的不同而不等，最大的可達幾千噸，儲存的產(chǎn)品更是多種多樣。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，無論什么結(jié)構、什么形式的料倉，都不同程度地存在著物料流動不暢甚至結(jié)拱堵倉現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來一定的影響。

1 倉儲物料的流動特性分析

倉內(nèi)物料的流動性是一個極其復雜的問題，它不僅受到料倉結(jié)構形式、物料品種的影響，也隨著物料粒度組成、粘結(jié)性和含水量等物理性質(zhì)的不同而有很大差別。通常我們把倉內(nèi)物料的流動狀況分為自由流動和非自由流動兩種類型。自由流動形成倉內(nèi)物料的整體流動特征，也是料倉設計、研究領域中所追求和希望的一種理想流動形式。非自由流動形成倉內(nèi)物料的中心流動特征，它擾亂了物料原有整體有序流動層面，在料倉中心形成一個喇叭形的狹窄流動邊界。兩種流動形式起初都是沿著一個橢圓形滑動線在連續(xù)的剪切作用下發(fā)生的，整個卸料過程實質(zhì)上是料拱不斷形成和塌落的擴散過程，如何使這一過程能夠連續(xù)進行而不會中途停止，是保證倉內(nèi)物料由卸料口順暢排出而不發(fā)生結(jié)拱堵倉現(xiàn)象的關鍵。根據(jù)質(zhì)點運動學原理可知，物料中任意質(zhì)點能夠產(chǎn)生自上而下流動的力學條件是：由自身重力所產(chǎn)生的推力必須大于質(zhì)點運動過程中所受到各種阻力之和。有關研究證明，物料流動過程主要受到牽連效應、壓實效應、靜電力和摩擦力等產(chǎn)生的綜合作用影響。牽連效應是由于物料組成中相對較大粒度的顆粒，在流動界面上所產(chǎn)生的相互拉拽作用，其作用力方向始終與物料流動方向相反。壓實效應是由于倉壓和裝料過程中物料所產(chǎn)生的沖擊力，使物料間的縫隙減小、分子間親和力增大，流動界面的抗剪切強度提高，對物料的連續(xù)流動有一定的抑制作用。靜電力和摩擦力分別是指物料間由于摩擦而產(chǎn)生的靜電吸引力和物料間的內(nèi)摩擦力，對于比重較大的物料而言，該力對流動狀況的影響相對較小。另外，在倉儲物料粒度范圍較寬(組成中有較大塊物料)的情況下，自然篩分效應(見圖1a)對物料流動的影響也是不可忽視的。它是裝料或堆料過程中的一種自然現(xiàn)象，即呈現(xiàn)出料堆中部細粒組分和周邊粗粒組分較高的粒度離析現(xiàn)象，它是導致料倉機械卡死、料流停止的重要因素之一。

在不同的流動類型情況下，上述各力的作用效果是不同的，物料流動所受到的作用力也有很大差別。圖1b所示倉內(nèi)物料為整體流動類型，粒度組成較均勻(粉狀料含量低)、表面外在水分低、粘結(jié)度較小，裝料沖擊力和倉壓在物料間所產(chǎn)生的壓實效果不明顯，物料粘結(jié)強度很弱。另外，物料表面間的接觸面積相對較小，靜電和內(nèi)摩擦力對流動的阻力減小，使沿橢圓形滑動線的連續(xù)剪切容易進行。因此，當料倉卸料口打開的一瞬間，立刻就會在卸料口水平面上方形成一個橢圓形料拱，由于物料流動的連續(xù)進行，幾乎在其上方同時形成一個不斷擴大的橢圓形動態(tài)料拱族。這些橢圓形長軸均位于水平方向上，而且隨著料拱的上移橢圓形滑動線不斷變大、變橢(長軸變大、短軸變小)，使物料整體流動邊界幾乎與倉斗內(nèi)壁輪廓線相重合。當料拱族不斷向上擴散達到一定高度時，橢圓形滑動線就會變成有序的水平流動層，一直擴散到物料頂面。由此可見，整體流動狀況下，倉內(nèi)物料的流動是由兩種形式完成的，即在橢圓形料拱族(倉斗以下位置)以上呈現(xiàn)為連續(xù)層的流動，料拱以下處于自由流動狀態(tài)，而這一過程的連續(xù)進行，使倉內(nèi)的物料全部處于活化狀態(tài)，保證了整個卸料過程順暢進行，幾乎不會發(fā)生物料起拱堵倉現(xiàn)象。

a)自然篩分現(xiàn)象 b)整體流動 c)中心流動

糧儲行業(yè)中大豆、玉米、谷物等糧倉，建筑行業(yè)中干燥的大顆粒黃砂、粒度均勻的石子等建材儲存?zhèn)}，以及冶金、水泥行業(yè)中形狀規(guī)則的燒結(jié)產(chǎn)品、熟料等儲存?zhèn)}，其倉內(nèi)物料的流動形式都屬于整體流動類型，卸料過程十分順暢，幾乎不會發(fā)生起拱堵倉現(xiàn)象。

但在實際生產(chǎn)過程中，倉儲物料完全滿足整體流動條件的情況是很少的，常常是既有一定比例的粉狀成分也有一些塊狀成分，是一種具有一定的粘性、含有一定水分的混合體，此種情況下物料間牽連效應、壓實效應以及靜電、內(nèi)摩擦力的作用就會變得十分明顯。特別是物料堆放高度(倉壓)較大時，尤為突出，從而導致倉內(nèi)物料出現(xiàn)如圖1c所示的一種新型流動形式——中心流動。該狀況下物料流動條件惡化、阻力增大。當料口開始卸料時，卸料口水平面上方雖然也能形成一個不斷向上擴展的橢圓形料拱族，但與整體流動狀態(tài)相比，這些橢圓形滑動線的位置卻發(fā)生了90°變化，其長軸改為垂直方向，使卸料口上方不斷向物料橫向擴大的流動邊界受到一定的限制，在料倉中心形成一個自下而上的喇叭形流動邊界，各橫斷面的直徑相對變小。同時，由于倉壓所產(chǎn)生的壓實應力作用，導致物料結(jié)實，形成板塊，橢圓形滑動線上的剪切阻力加大。另外，物料的流動邊界發(fā)生在物料之間，界面上的大顆粒物料的拉拽以及靜電、內(nèi)摩擦力的作用會使滑動阻力加劇，導致不斷形成和塌落的動態(tài)料拱難以連續(xù)進行。尤其是在重倉長時間停止卸料后，再次打開卸料口的一瞬間，穩(wěn)定性料拱極易形成。

實際生產(chǎn)中使用的料倉大多屬于中心流動類型，例如冶金、煤炭、礦山生產(chǎn)中廣泛運用的礦石、燃料、生石灰等儲存?zhèn)}，卸料過程中經(jīng)常發(fā)生起拱堵倉現(xiàn)象。

另外，在倉儲物料流動分析中，自然篩分效應所導致的物料粒度離析現(xiàn)象也不可忽視，特別是物料粒度組成范圍較寬、頂部單點裝料的情況下，將出現(xiàn)大塊物料從錐形料堆的頂部滾向靠近倉內(nèi)壁的部位，形成料堆中部細粒組分和周邊粗粒組分較高的粒度不均勻狀況。當倉內(nèi)物料為整體流動狀態(tài)時，裝料所產(chǎn)生的粒度離析現(xiàn)象可在物料流動的再混合過程中予以緩解。但物料為中心流動狀況時，再混合作用消失，卸料后期大塊物料聚集在倉斗內(nèi)，極易發(fā)生機械性卡死現(xiàn)象，形成堅固的料拱致使料流停止。這種情況在礦石、原煤、焦炭和石灰石等儲倉中時有發(fā)生。離析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，一方面可解釋為是物料在自由降落過程中，同時有水平分速度(刮板機、皮帶輸送機斜置溜槽裝料)或者是料倉物料流引起的空氣流朝向四周倉壁方向，大粒度物料受風力面積較大，相對滾動阻力小之緣故。另一方面，不同粒度物料顆粒的彈性不同以及料堆表面上不同位置的篩分效應不同，也是導致物料產(chǎn)生離析現(xiàn)象的主要原因。

在物料流動特性分析過程中，壓實效應的作用是一個非常重要的因素，它取決于物料的高度、粘度和濕度等物理特性。圖2a所示為不同流動狀況下倉壓與物料高度之間的關系曲線，曲線Ⅰ是整體流動狀況下的情況，倉壓始終與物料高度成正比，且隨著物料高度的增加倉壓顯著上升。曲線Ⅱ是中心流動狀況下的情況，雖然在O-A段內(nèi)倉壓與物料高度也成正比關系，但隨著物料高度的增加倉壓上升的速率明顯變緩，當物料達到一定高度后倉壓逐漸趨于一恒定值，任憑物料再升高倉壓也不再變化。圖3所示為不同流動類型下倉壓與物料壓實應力之間的關系曲線。整體流動狀況下(曲線Ⅰ)物料高度的增加，對壓實應力的影響很小，而中心流動狀況下(曲線Ⅱ)卻不同，在一定的高度范圍內(nèi)，壓實應力隨物料高度的增加而增加，當超出某一高度范圍后壓實應力幾乎不再變化。因此，可以得出以下結(jié)論：倉內(nèi)物料在整體流動狀況下，倉壓的增大有利于物料流動；而在中心流動狀況下，倉壓的增大阻礙物料流動，容易產(chǎn)生料流停滯堵倉現(xiàn)象。

圖2 倉壓與物料高度的關系Figure 2 Relationship between storehouse pressure and material height

圖3 倉壓與物料壓實應力的關系Figure 3 Relationship between storehouse pressure and material compaction stress

2 料倉結(jié)構形式對物料流動性的影響

料倉所儲存物料的物理性質(zhì)決定以后，如何選擇適合其流動特性的倉體結(jié)構形式，是倉體設計、研究中的一個非常重要的任務。目前，實際生產(chǎn)中使用的料倉形式很多，但最常用的為圓筒、方筒和矩形筒倉，其主要結(jié)構形式基本上由上部倉體和下部倉斗兩部分組成，上部倉體結(jié)構形式對倉內(nèi)物料的流動影響較小，而下部倉斗的結(jié)構形式對其影響是十分顯著的。一般來說，倉內(nèi)物料顆粒利用自身重力以最短的路徑，能夠從進料口達到卸料口的倉斗截面形狀是比較理想的，即希望卸料口盡量大，但過分加大卸料口幾何尺寸會受到倉口給料設備的制約。從倉斗橫截面收縮率理論角度分析，當上部物料逐漸接近卸料口(咽喉部位)時，倉斗水平截面收縮率應逐漸變小，對于倉斗縱截面母線而言，自上而下斜率的變化率逐漸變小，對物料的流動有利。圖4為四種不同形式的倉斗截面母線，a為雙曲線形，b為指數(shù)形，c為直線形，d為拋物線形。由上述理論判斷倉斗縱截面母線設計成雙曲線或指數(shù)形是比較合理的。然而采用雙曲線、指數(shù)等縱截面形式的倉斗，會給倉斗的施工建設帶來一定的困難。因此，倉斗縱截面母線常采用直線形，即圓臺形或棱臺形倉斗。

圖4 倉斗母線Figure 4 Bunker bus

倉斗傾斜角(截面母線與水平面之夾角)對物料的流動狀況影響較大，設計時應予以充分考慮。從理論上講只要傾斜角度大于等于物料和倉內(nèi)壁的摩擦角，即可保證倉內(nèi)物料全部卸空。但由于物料中各種不利因素的影響，實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，倉斗傾斜角與物料和倉內(nèi)壁摩擦角接近時，物料很容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，在設計倉斗最小傾斜角時，建議至少應比物料和倉內(nèi)壁的摩擦角大15°以上。另外，由于棱臺倉斗四角處存在傾角折減問題，且易發(fā)生內(nèi)壁角處掛料現(xiàn)象，建議設計時對棱臺倉斗四角進行圓弧處理，同時在倉斗最小傾斜角選擇時應比物料和倉內(nèi)壁的摩擦角大20°以上，通常塊狀物料≥45°，混合物料≥55°。

對于圓筒、方筒和矩形筒料倉，倉斗應盡可能采用如圖5所示的偏心式或偏心多口結(jié)構形式。圖5a為偏心式倉斗，組成倉斗四個面的傾斜角度各不相同，不利于流動中穩(wěn)定拱的形成，與此同時其中一個面與卸料口垂直布置，沿垂直壁流動的物料和倉內(nèi)壁的摩擦力相對較小(壓實、牽連效應的作用小)，流動速度快，對物料的連續(xù)流動具有促進作用，有效地抑制了穩(wěn)定拱的形成。圖5b為偏心多口倉斗，組成倉斗的四個面中有幾個與卸料口垂直，物料流動情況與圖5a基本相同，同時由于多個卸料口同倉布置，物料所形成的交叉流動邊界相對較寬，倉內(nèi)物料接近整體流動形式。如對物料流動性要求較高的火力發(fā)電廠使用的燃料倉，多采用上述結(jié)構形式。

a)偏心式倉斗 b)偏心多口倉斗

在卸料口截面面積相同的情況下，卸料口幾何形狀不同，卸料能力也有一些差別，通常以圓形為最大，方形次之，橢圓形再次之，矩形最小。

3 改善倉儲物料流動狀況的措施

利用機械輔助方法改善倉內(nèi)物料的流動狀況，也是一種非常有效的方法，它不僅可以用于新建料倉，而且也適用于舊料倉的改造。目前，實際生產(chǎn)中運用的方法很多，都可以使倉內(nèi)物料的流動狀況不同程度的得到改善，下面介紹幾種經(jīng)實踐檢驗很有效的方法。

在不改變倉體結(jié)構情況下采取改善倉儲物料流動狀況的措施見圖6。圖6a是在倉斗內(nèi)易發(fā)生堵塞的位置增設一個圓形傘狀嵌入體，嵌入體可采用耐磨金屬材料制作。其主要目的是承擔上部倉壓，削弱卸料口附近較大壓實力的作用，同時在其周邊形成一個較大的環(huán)狀料流口，使流動邊界顯著變大。倉體上部物料趨于整體流動形式，嵌入體下部空間無倉壓，物料處于自由流動狀態(tài)，對防止物料的結(jié)拱堵塞具有良好的效果。

圖6b為矩形倉體與隔間倉斗的復合式料倉，其主要原理與圖6a基本相同。中間三角形分料器承擔了上部的主要倉壓，卸料口上部的物料活化處于自由流動狀態(tài)。

圖6c、圖6d分別為中間螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料倉。該形式的料倉很早就曾有運用，當時是為了防止裝料過程中物料粒級降低(破碎)而開發(fā)的，但經(jīng)過多年的使用發(fā)現(xiàn)，該形式的料倉幾乎很少發(fā)生結(jié)拱堵倉現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，中間螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料倉大幅度地減弱了裝料沖擊所產(chǎn)生的壓實力作用，有效地防止了倉內(nèi)物料的粒度離析。溜槽承受了大部分倉壓，使下部倉斗內(nèi)的物料活化，為物料的流動創(chuàng)造了極好的條件。

在料倉不同位置布置一些改善物料流動性的裝置，詳見圖7。圖7a是在倉斗內(nèi)易發(fā)生堵塞的位置布置一至兩臺螺旋破拱裝置，旋轉(zhuǎn)軸上的螺旋葉片左、右旋布置。當發(fā)生堵倉時，啟動馬達使倉斗內(nèi)兩邊的物料同時向中間部位輸送，強大的擠壓應力迫使料拱坍塌，物料重新恢復流動。

圖7b所示為鏈板式破拱器。它是在料倉頂部設置一個鏈輪傳動機構，鏈板條由倉頂一直垂向卸料口上方易結(jié)拱區(qū)域。當物料發(fā)生堵塞停止流動時，鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈板條的擾動使已結(jié)實的物料再次活化。

a)傘形嵌入體 b)隔間復合倉 c)內(nèi)螺旋溜槽 d)外螺旋溜槽

a)螺旋破拱裝置 b)鏈板破拱器 c)電磁激振器或振動電機 d)助流器或“空氣炮”

圖7c所示為利用電磁激振器或振動電機助流的一種方法。它是將高頻振動傳遞給物料，使其具有較大的動能克服流動中的阻力，同時也可以降低物料的結(jié)實強度，促進物料的流動。振動裝置的安裝位置應盡可能接近易堵塞區(qū)域，建議安裝在卸料口上方、倉斗1/3高度的水平斷面上。激振器的數(shù)量可根據(jù)倉斗的大小而定，該方法只限于鋼結(jié)構倉斗。

圖7d所示為利用壓縮空氣助流器或“空氣炮”改善物料流動的一種方法。助流器是在倉斗壁周圍易結(jié)拱區(qū)域設置一些壓縮空氣(0.5 MPa～0.7 MPa)噴射槍，在整個卸料過程中連續(xù)噴射，使倉斗內(nèi)壁與物料間形成一氣墊，減小物料流動阻力?！翱諝馀凇狈ㄅc助流器布置形式類似，但要求壓縮空氣的壓力較大，而且必須在每一個“空氣炮”爆破噴嘴附近設置一個儲氣罐。當物料發(fā)生堵塞停止流動時，利用脈沖控制進行間歇氣體爆破，依靠其沖擊能量達到破拱目的。

上述各項措施可根據(jù)倉儲物料的實際情況靈活選擇，對于成分較復雜的物料建議幾項措施聯(lián)合使用，以獲得最佳改善效果。

4 結(jié)束語

關于倉儲物料堵倉問題，一直是一項世界性研究課題，許多科技工作者曾為此付出長期不懈的努力，創(chuàng)造出各種適合物料流動的倉體結(jié)構形式和輔助措施，使倉儲物料流動狀況得到極大的改善，但到目前為止還不能說這一“頑癥”已徹底根除，還需要我們進一步的研究和努力。