一種煤萬向節(jié)布料器布料規(guī)律物理模擬研究★

陳立勝

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金與建筑工程系， 山東　萊蕪　271100）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

一種煤萬向節(jié)布料器布料規(guī)律物理模擬研究★

陳立勝

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金與建筑工程系， 山東萊蕪271100）

通過物理實(shí)驗(yàn)，研究煤萬向節(jié)布料器對塊煤的布料規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明：隨著料線高度和溜槽角度的增加，爐料的落點(diǎn)位置向遠(yuǎn)離爐中心一側(cè)移動，料流寬度逐漸變寬；隨著加入物料量的增加，所形成的料堆的內(nèi)外堆角逐漸增加，最終形成穩(wěn)定的料堆，內(nèi)外堆角不再變化，且內(nèi)堆角大于外堆角；料堆穩(wěn)定后，內(nèi)堆角隨著料線高度和溜槽角度的增加變化不大，外堆角隨著料線高度的增加和溜槽角度增加變化顯著，特別是料堆在爐墻處形成時(shí)，外堆角變化很大。

COREX熔化氣化爐萬向節(jié)溜槽布料器溜槽角度料線高度料堆形貌

COREX工藝是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的非高爐熔融還原煉鐵新工藝，COREX上部豎爐和下部熔化氣化爐在前期布料過程均涉及到爐頂布料設(shè)備[1]。布料制度是影響COREX工藝順行、高產(chǎn)和低耗的重要調(diào)劑手段[2-7]。通過調(diào)節(jié)布料制度，可直接影響爐內(nèi)徑向爐料分布、料層結(jié)構(gòu)、煤氣流分布等情況。掌握布料規(guī)律及其調(diào)控技術(shù)，是保證COREX下部熔化氣化爐長期處于良好工作狀態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文從物理模擬方面研究了熔化氣化爐布料規(guī)律，考察了煤萬向布料器的溜槽傾角對塊煤布料的影響。

1　混合布料物理實(shí)驗(yàn)

1.1物理實(shí)驗(yàn)裝置

本研究的實(shí)驗(yàn)裝置是在滿足物性相似、幾何相似、初始條件相似的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)發(fā)明的一種熔化氣化爐布料模擬裝置。主要由煤萬向節(jié)布料器、DRI擋板布料器、融化氣化爐主體接料裝置、煤和DRI儲料裝置、激光料面計(jì)裝置等組成[8-9]。

實(shí)驗(yàn)裝置的煤萬向節(jié)布料器主要由垂直下降管和旋轉(zhuǎn)溜槽組成，主要通過調(diào)節(jié)溜槽角度和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)完成將塊煤和部分焦炭分布于爐內(nèi)任意位置的功能。溜槽為可拆卸裝置，布料器上方設(shè)有儲料倉，可根據(jù)螺旋排料器的轉(zhuǎn)速來控制加料速度。煤萬向布料器設(shè)計(jì)圖和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布料器實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，模型尺寸與現(xiàn)場尺寸按照1∶5進(jìn)行等比縮小[1，8-9]。

煤萬向節(jié)布料器運(yùn)轉(zhuǎn)包含溜槽轉(zhuǎn)動和溜槽傾動兩個(gè)功能，通過不同組合來實(shí)現(xiàn)上述的定點(diǎn)布料、單環(huán)布料、多環(huán)布料等布料方式。溜槽轉(zhuǎn)動是通過電機(jī)控制回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)完成的，溜槽傾動是通過液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制帶有滑桿的耳柄完成的，其中電機(jī)速度、液壓驅(qū)動信號都是通過自動控制元件由機(jī)電控制柜界面輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)定完成的。

圖1　物理模擬裝置和萬向布料器實(shí)驗(yàn)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

1.2實(shí)驗(yàn)物料制備和實(shí)驗(yàn)方案確定

本實(shí)驗(yàn)通過人工破碎、篩分等工序?qū)?shí)驗(yàn)物料進(jìn)行制備，現(xiàn)場要求塊煤平均直徑為19～22mm、焦炭平均直徑為25～30mm[1，8-9]。其物料特性如表1所示[2]。

表1　物料特性參數(shù)表

采用煤布料器定點(diǎn)布料和單環(huán)布料方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同檔位（溜槽角度、溜槽與氣化爐軸向的夾角）對料流軌跡、落點(diǎn)位置、料面形狀（包括內(nèi)堆角、外堆角、堆尖位置）等參數(shù)的影響[1，8-9]，見下頁表2。

表2　煤布料器布料實(shí)驗(yàn)方案

1.3實(shí)驗(yàn)步驟確定

檢查儲料倉是否裝料及料線高度等；檢查機(jī)械控制系統(tǒng)，確保其正常運(yùn)行；調(diào)節(jié)圖像采集系統(tǒng)（高速攝影儀）使其成像清晰準(zhǔn)確；檢查并調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需料線高度位置，按照實(shí)驗(yàn)要求，在底部位置鋪設(shè)一定厚度的煤和DRI混合顆粒作為底料；開啟模型機(jī)械機(jī)構(gòu)，調(diào)整溜槽傾角與溜槽轉(zhuǎn)速（或擋板傾角）到預(yù)設(shè)值；調(diào)節(jié)螺旋排料器的轉(zhuǎn)速控制加料速度；打開圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；實(shí)驗(yàn)完畢后保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉圖像采集系統(tǒng)，停止機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；打開激光料面計(jì)，設(shè)定測定頻率，繪制料面形狀；收集顆粒，以備下次實(shí)驗(yàn)使用；分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下次實(shí)驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

影響熔化氣化煤萬向節(jié)布料的因素較多，常用的操作參數(shù)包括批重、布料時(shí)間、溜槽傾角、溜槽轉(zhuǎn)速、料線高度、布料模式等。在實(shí)際生產(chǎn)中，布料批重、布料時(shí)間、溜槽轉(zhuǎn)速等參數(shù)主要受生產(chǎn)效率的影響，因此，主要考察溜槽傾角、料線高度、布料模式等對空區(qū)料流軌跡、落點(diǎn)位置、料堆形狀等參數(shù)的影響情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，考察溜槽傾角在0°、10°、20°、30°時(shí)的布料特征規(guī)律。將定點(diǎn)布料批重設(shè)定為15kg，單環(huán)布料批重設(shè)定為36kg。

2.1操作參數(shù)對定點(diǎn)布料下空區(qū)料流與落點(diǎn)位置的影響

圖2是數(shù)據(jù)處理后不同的料線高度、不同的溜槽角度下料堆在徑向上的截面圖。由圖2可以看出：在同一料線高度下，隨著溜槽角度的增大，落點(diǎn)位置向爐墻位置偏移；在同一角度（除0°之外）下，料線高度越高，物料落點(diǎn)位置越向偏離中心位置一側(cè)移動，堆尖高度越低。

其主要原因是料線高度越高，物料落到料面處的速度就越大，對料面的形成地沖擊力就會越大，導(dǎo)致料堆高度降低。其中，物料質(zhì)量為15 kg，料線高度為0.9 m時(shí)，溜槽角度為0°、10°、20°、25°對應(yīng)的落點(diǎn)位置分別是0、100、280、300 mm；料線高度為1.1 m，溜槽角度為0°、10°、20°、25°時(shí)，對應(yīng)的落點(diǎn)位置分別是0、150、400、430 mm。

圖2　不同料線高度、不同物料質(zhì)量、不同溜槽角度下料堆在徑向上的截面圖

2.2操作參數(shù)對定點(diǎn)布料下料堆性狀的影響

料堆形狀決定著物料在徑向位置的分布情況。圖3為料線高度為0.9 m、1.1 m下的不同溜槽角度的料堆形貌圖。從圖3可以看出，料堆形狀與顆粒自然堆積形狀明顯不同，自然堆積時(shí)形成的料堆多呈圓錐形，布料操作時(shí)，顆粒高速落到料堆表面，對料堆形成較大的沖擊力，料堆堆頂形成小平臺，料堆的內(nèi)外堆角不相等。

對比圖3中的圖可以看出，在不同的溜槽傾角下，隨著傾角的增大，料堆整體向爐墻一側(cè)移動，料面形狀趨于平坦，料堆的內(nèi)堆角和外堆角逐漸減小，且外堆角減小程度比內(nèi)堆角減小程度更明顯。

隨著溜槽角度的增加，料堆高度逐漸降低，料堆寬度變大，外堆角變小。當(dāng)溜槽角度增大到一定程度時(shí)，受爐墻的影響，外堆角逐漸減小，隨著爐料的增加，甚至?xí)霈F(xiàn)外堆角為0的情況。

2.3操作參數(shù)對單環(huán)布料下料堆性狀的影響

下頁圖4、圖5為通過激光測量中央十字線上的料堆高度獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的單環(huán)布料3D圖。通過觀察可以看出，單環(huán)布料的料面形狀呈中間塌陷的火山口形狀，相比定點(diǎn)布料，單環(huán)布料時(shí)料流寬度更大，顆粒落點(diǎn)位置更靠近爐墻。隨著溜槽傾角的增大，中間塌陷越深，面積越大。

圖3　不同料線高度、不同溜槽角度下的料堆形貌圖

圖4　單環(huán)布料下0.9 m的料線高度對料堆形貌影響結(jié)果圖

從徑向截面來看，截面形狀類似于定點(diǎn)布料徑向料面形狀，當(dāng)爐料靠近爐壁時(shí)，受爐壁的影響，料堆在爐壁處堆積，表面較平坦。與定點(diǎn)布料規(guī)律相似，料線高度越高，對料面的沖擊力越大，形成的料堆高度就會減少。

圖5　單環(huán)布料下1.1 m的料線高度對料堆形貌影響結(jié)果圖

3　結(jié)論

1）隨著料線高度和溜槽角度的增大，爐料的落點(diǎn)位置向遠(yuǎn)離爐中心一側(cè)移動，料流寬度逐漸變寬；隨著加入物料量的增加，所形成的料堆的內(nèi)外堆角逐漸增大，最終形成穩(wěn)定的料堆，內(nèi)外堆角不再變化，且內(nèi)堆角大于外堆角。

2）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，料堆穩(wěn)定后，內(nèi)堆角隨著料線高度和溜槽角度的增大變化不大，外堆角隨著料線高度和溜槽角度的增大變化顯著，特別是料堆在爐墻處形成時(shí)，外堆角變化較大。

3）相比于定點(diǎn)布料，單環(huán)布料時(shí)料流寬度更大，顆粒落點(diǎn)位置更靠近爐墻，料面形狀呈中間塌陷的火山口形。

4）本模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楝F(xiàn)場COREX熔化氣化爐煤萬向節(jié)布料器布料規(guī)律提供理論依據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)情況，具有很好的研究價(jià)值。

[1]陳立勝，羅志國，游洋，等.擋板角度對擋板布料器布料過程的影響[J].東北大學(xué)學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（7）：971-974.

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（編輯：胡玉香）

A Physical Simulation on Charging Rule of Gimbal Distributor

CHEN Lisheng
（Laiwu Vocational and Technical College，Laiwu Shandong 271100）

Through the physical experiment，this paper studied the distributing law of coal gimbal distributor. Conclusion:with the increase of feed line height and flap angle，charge the landing position away from the center of the furnace side，material width becomes wider，with the increase of amount of material added to the，the formed material pile and pile angle gradually increases，and ultimately the formation of stable material pile，inside and outside the stack angle does not change，and stack angle larger than that of the outer pile angle.Stockpile stability，stack angle with the line height and flap angle changed little，stack angle with the line height increased and flap angle varies obviously，especially material pile formed in the furnace wall，pile angle changes a lot.

COREX melter gasifier，gimbal distributor，flap angle，line height，profile of pile

TF557

A

1672-1152（2016）04-0024-05

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.09

2016-06-11

山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師國內(nèi)訪問學(xué)者資助項(xiàng)目；萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師科研項(xiàng)目（2015jsky07）。

陳立勝（1970—），男，工程碩士，從事冶金技術(shù)專業(yè)教學(xué)和科研工作，副教授，東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院國內(nèi)訪問學(xué)者。