布料溜槽結(jié)構(gòu)對(duì)料流軌跡及高爐順行影響研究

任孟超，王春香，武妍慧

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095）

高爐無(wú)鐘爐頂布料操作是影響爐內(nèi)煤氣分布、煤氣利用率的重要因素，是確保高爐順行、高效的重要手段。無(wú)鐘爐頂設(shè)備參數(shù)、溜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)、布料過(guò)程中溜槽傾角及轉(zhuǎn)速的變化，都會(huì)使料流軌跡發(fā)生變化。對(duì)于不同的爐料、焦炭與礦石的落點(diǎn)存在很大差異，即使相同的爐料，粒徑不同，料流軌跡也大不相同。同時(shí)，不同溜槽槽面形狀直接影響了礦料在槽內(nèi)運(yùn)行的速度以及運(yùn)行軌跡。為更好地滿足煉鐵工藝要求的精準(zhǔn)布料，從矩形溜槽以及半圓型溜槽兩種結(jié)構(gòu)，以及目前存在的料打料和光面合金復(fù)合層兩種溜槽過(guò)料面形式進(jìn)行料流軌跡研究。本文通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)以及過(guò)料面形狀的溜槽的布料過(guò)程，物料礦料在溜槽內(nèi)的受力及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，研究溜槽布料規(guī)律。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，針對(duì)4150m3高爐進(jìn)行了高爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量。結(jié)合研究測(cè)試結(jié)果，指導(dǎo)實(shí)際高爐的布料操作。

1 模型建立

礦料自料流調(diào)節(jié)閥開啟，以自由落體運(yùn)動(dòng)方式經(jīng)過(guò)下密封閥、波紋補(bǔ)償器、布料器中心喉管落于布料溜槽槽內(nèi)第一落料點(diǎn)區(qū)域。落料碰撞過(guò)程為非彈性碰撞。爐料礦料進(jìn)入溜槽槽面碰撞前速度為V1，V1大小取決于無(wú)鐘爐頂整體設(shè)計(jì)布置參數(shù)，即料流調(diào)節(jié)閥至溜槽落料槽面的豎直高度h0。如圖1 所示?？紤]碰撞因素，進(jìn)入溜槽爐料礦料初速度為：

式中，λ2為速度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

礦料進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的布料溜槽后，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。礦料在旋轉(zhuǎn)的溜槽內(nèi)所受力有重力G、離心力Ft、支撐力FN、摩擦力Ff、科氏力Fk：

圖1 礦料在無(wú)鐘爐頂中的運(yùn)動(dòng)

綜合分析礦料所受力，可以得出礦料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)并非一維的直線運(yùn)動(dòng)，而是沿著溜槽內(nèi)壁做螺旋運(yùn)動(dòng)。圖2 所示為礦料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

圖2 礦料在半圓形溜槽中的運(yùn)動(dòng)

圖2 分別給出了從不同視角(A，B，C)得到的礦料運(yùn)動(dòng)情況。從圖中可以看出，礦料在溜槽內(nèi)不僅沿溜槽縱向運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)在溜槽的截面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，屬于三維運(yùn)動(dòng)。為此，需根據(jù)礦料的受力情況，建立礦料運(yùn)動(dòng)的三維模型，準(zhǔn)確描述礦料的運(yùn)動(dòng)情況。圖2(a)所示為礦料沿溜槽縱向的運(yùn)動(dòng)。礦料運(yùn)動(dòng)所受的力有重力、離心力、科氏力及摩擦力等力的分量，根據(jù)牛頓定律，可以得到礦料沿溜槽縱向運(yùn)動(dòng)的加速度的大小，礦料沿z向的速度為；圖2(b)所示為礦料在溜槽截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。x、y分別表示礦料在x方向和y方向上運(yùn)動(dòng)的距離。礦料所受的力有重力、離心力、科氏力以及摩擦力等力的分量，礦料在溜槽截面內(nèi)沿x、y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在x軸、y軸方向上的加速度分別設(shè)為，礦料在2個(gè)方向上的速度分別為。從圖2(c)中可以看出，礦料在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)（0），并不一定是溜槽的端點(diǎn)，而是整個(gè)溜槽的一部分，為此將礦料在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際長(zhǎng)度稱為溜槽的有效長(zhǎng)度。礦料在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的有效長(zhǎng)度l與溜槽實(shí)際長(zhǎng)度L的關(guān)系為：

利用龍格-庫(kù)塔法解方程組，可以得到礦料在溜槽末端的速度v。礦料從溜槽出來(lái)后，進(jìn)入高爐內(nèi)的空區(qū)，在空區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。分析礦料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)，需要綜合考慮所受煤氣浮力以及煤氣曳力的作用。文獻(xiàn)[2]已經(jīng)詳細(xì)介紹了礦料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)，考慮文章篇幅，本文不再論述。根據(jù)文獻(xiàn)可以得到礦料的落點(diǎn)半徑。

圖3 礦料在矩形溜槽中的運(yùn)動(dòng)

由于科氏力的作用，礦料會(huì)在溜槽內(nèi)沿著溜槽側(cè)壁運(yùn)動(dòng)，側(cè)壁對(duì)礦料產(chǎn)生摩擦阻力。在半圓形溜槽中，科氏力使礦料沿溜槽切向運(yùn)動(dòng)不同的是由于矩形溜槽側(cè)壁為豎直壁面，壁面會(huì)阻擋礦料的切向運(yùn)動(dòng)，礦料到達(dá)壁面后不再做切向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于矩形溜槽，礦料在溜槽豎直壁面附近沿著溜槽縱向運(yùn)動(dòng)。

2 計(jì)算與分析

為了分析溜槽參數(shù)對(duì)高爐布料過(guò)程中的料流軌跡的影響，以國(guó)內(nèi)某鋼廠4150m3高爐布料設(shè)備參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算。高爐的主要設(shè)備參數(shù)如表1 所示，高爐原燃料的屬性參數(shù)如表2 所示。

無(wú)料鐘爐頂布料溜槽在進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，需要考慮溜槽的長(zhǎng)度和傾動(dòng)距等參數(shù)，布料操作時(shí)可能會(huì)用到不同的料線高度。利用溜槽礦料運(yùn)動(dòng)模型，可以研究參數(shù)變化對(duì)落點(diǎn)的影響。

表1 4150m3 高爐主要參數(shù)

表2 物料的物理屬性

（1）溜槽長(zhǎng)度變化對(duì)礦料落點(diǎn)的影響：設(shè)定同一角度取不同溜槽長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，隨著溜槽長(zhǎng)度的增加，落料半徑隨之增加。爐料礦料空區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短，槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加。

（2）溜槽傾動(dòng)距變化對(duì)礦料落點(diǎn)的影響：溜槽傾動(dòng)距主要決定了溜槽內(nèi)礦料運(yùn)動(dòng)的有效長(zhǎng)度，傾動(dòng)距越大，爐料礦料在溜槽內(nèi)運(yùn)行的有效長(zhǎng)度越短，落料點(diǎn)半徑隨著傾動(dòng)距的增大而縮小。因此，在設(shè)計(jì)和選擇溜槽傾動(dòng)距時(shí)，需要仔細(xì)分析考慮。

（3）料線高度的變化對(duì)落料點(diǎn)的影響：高爐布料過(guò)程中，料線越高，布料半徑越小，爐料礦料空區(qū)運(yùn)行為三維狀態(tài)拋物軌跡，料線越深，落料半徑的增量越小。通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析之外，高爐布料溜槽布料過(guò)程中，布料溜槽槽面形式有料打料結(jié)構(gòu)和光面結(jié)構(gòu)，溜槽布料過(guò)程中，溜槽槽面與爐料礦料之間的磨損形式屬于低應(yīng)力磨料磨損。同時(shí)，伴有沖擊磨料磨損形式。從能量磨損角度分析，光面溜槽使得爐料礦料能量損失較小，礦料運(yùn)動(dòng)形式更為接近，空區(qū)運(yùn)行料流礦料更為集中，溜槽槽面形狀尺寸穩(wěn)定，整個(gè)溜槽服役周期內(nèi)，爐料礦料運(yùn)行軌跡相對(duì)穩(wěn)定，有益于高爐布料操作。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比

圖4 工程測(cè)試

為了驗(yàn)證以上數(shù)學(xué)模型以及磨損形式對(duì)應(yīng)能量分析，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)布料數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖片如圖4所示。新溜槽更換后，對(duì)其進(jìn)行了校核，結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果表明，新溜槽與實(shí)測(cè)傾角誤差隨著溜槽傾角減少而減小，大角度誤差大，誤差區(qū)間為0.5°～2.0°。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，修正設(shè)定與實(shí)測(cè)傾角擬合線，以減少誤差。根據(jù)實(shí)測(cè)碰撞點(diǎn)，修正計(jì)算公式，確定不同料線極限角度，見(jiàn)表4。

表3 新溜槽傾角校核數(shù)據(jù)

表4 不同料線極限角度數(shù)據(jù)表

根據(jù)布料實(shí)測(cè)結(jié)果，修正料帶寬度計(jì)算公式，得出不同傾角、不同料線的焦炭、礦石料流寬度分別見(jiàn)表5、6。

通過(guò)上表得出，料線越淺，料流寬度越窄；料線越深，料流寬度越大；越靠近邊緣，料流寬度越大；越靠近中心，料流寬度越窄，且靠近中心達(dá)到一定程度后料流寬度幾乎不變。根據(jù)軌跡實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行布料檔位劃分，按11 檔對(duì)1.5m 料線焦炭與礦石分布進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果見(jiàn)表7。

該劃分是建立在測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)等面積法劃分的檔位，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檔位角差控制思路，設(shè)定合理的布料檔位。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同料線情況下落點(diǎn)補(bǔ)償角度（包括礦石和焦炭）進(jìn)行分析，得到不同料線范圍料線變化1.0 米，對(duì)應(yīng)焦炭與礦石的變化見(jiàn)表8。

以上結(jié)果表明，在爐喉區(qū)域料線變化0.3 米左右角度變化1°。隨著料線越來(lái)越深，補(bǔ)償角度逐漸減小，料線低于5.0 米，料線每變化1.0 米，料面每變化1.0米角度變化0.5°左右。

表5 不同傾角、不同料線焦炭料流寬度，單位：m

表6 不同傾角、不同料線礦石料流寬度，單位：m

表7 布料檔位劃分結(jié)果

表8 料線變化

4 結(jié)語(yǔ)

溜槽內(nèi)礦料運(yùn)動(dòng)直接影響拋出溜槽時(shí)的料流寬度。溜槽長(zhǎng)度、溜槽傾動(dòng)距以及溜槽轉(zhuǎn)速等都會(huì)對(duì)礦料的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生影響，最終影響料流寬度。選擇溜槽參數(shù)時(shí)，需要考慮各參數(shù)之間的協(xié)同性。對(duì)比半圓型溜槽和矩形溜槽礦料運(yùn)動(dòng)，爐料礦料在矩形溜槽內(nèi)不能做切線運(yùn)動(dòng)，科氏力增加爐料的摩擦阻力，布料過(guò)程中的料流寬度比半圓形溜槽小。料線增加會(huì)增加爐料礦料運(yùn)行落點(diǎn)半徑，不同料線高度、落點(diǎn)半徑增加不同，高爐操作時(shí)，料線越深，料線高度變化時(shí)造成的落點(diǎn)增量越小。光面溜槽布料爐料礦料運(yùn)行沖擊能量折損較少，穩(wěn)定的溜槽槽面獲得相對(duì)穩(wěn)定的礦料落料半徑，益于高爐布料操作。實(shí)踐證明，與帶筋板隔網(wǎng)料打料溜槽相比，平底方形溜槽布料更加穩(wěn)定，利用高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定順行，為技經(jīng)指標(biāo)的逐步提升創(chuàng)造良好的條件。