水泥廠黏性物料倉(cāng)的設(shè)計(jì)探究

劉永強(qiáng)

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥廠黏性物料倉(cāng)的設(shè)計(jì)探究

劉永強(qiáng)

中材建設(shè)有限公司（100176）

表1 原料配比及物料水分

在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自破碎至原料配料站各環(huán)節(jié)均出現(xiàn)了不同程度的堵料，特別是在配料站黏土倉(cāng)的堵料情況頻繁發(fā)生制約了原料磨系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此承包商與業(yè)主方共同對(duì)物料進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)情況以及結(jié)合試驗(yàn)的分析建議如下。

1 物料水分

根據(jù)合同數(shù)據(jù),黃黏土的最大水分應(yīng)為20%，黑黏土為40%。流動(dòng)性試驗(yàn)需要在最大物料水分情況下進(jìn)行，因此料樣需要加水達(dá)到合同明確的含水量。

1.1 黃黏土的可流動(dòng)性

1.1.1 流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

可流動(dòng)性通過(guò)環(huán)形剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:可流動(dòng)系數(shù)在1.2左右，屬于非常黏的物料，幾乎不流動(dòng)。

1.1.2 固結(jié)時(shí)間

美軍網(wǎng)絡(luò)空間司令部升級(jí)并非一朝一夕之功，自2009年成立之時(shí)起，就漸有升級(jí)之意。2016年3月，美國(guó)防部長(zhǎng)卡特高調(diào)宣稱“在新的形勢(shì)下，網(wǎng)絡(luò)空間司令部的地位應(yīng)當(dāng)提升”，以此為標(biāo)志，加快了升格步伐。2016年12月，奧巴馬政府批準(zhǔn)的2017財(cái)年“國(guó)防授權(quán)法案”，以正式法規(guī)的形式確定將網(wǎng)絡(luò)空間司令部提升為最高級(jí)別的聯(lián)合作戰(zhàn)司令部。2017年8月，特朗普總統(tǒng)再次發(fā)表聲明，升級(jí)網(wǎng)絡(luò)空間司令部。2018年5月，終于塵埃落定。其中，透露出美軍網(wǎng)絡(luò)空間力量發(fā)展的重要信息。

作為進(jìn)一步評(píng)估物料可流動(dòng)性的參數(shù)，物料在24 h內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的固結(jié)情況也進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)試使用了幾組獨(dú)立的物料試塊，在幾組測(cè)試容器中保持相同的固結(jié)應(yīng)力δ1。物料板結(jié)時(shí)間測(cè)試證明物料的無(wú)側(cè)限屈服強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)有明顯的變化。幾分鐘后就大于了物料的板結(jié)應(yīng)力。當(dāng)無(wú)側(cè)限屈服強(qiáng)度大于物料餓固結(jié)應(yīng)力，在沒(méi)有外部擾動(dòng)的情況下，物料不能從倉(cāng)內(nèi)卸出。

1.1.3 倉(cāng)壁摩擦力

本次試驗(yàn)是基于倉(cāng)體內(nèi)襯樹(shù)脂板（水泥工廠常用樹(shù)脂板）的情形進(jìn)行的。測(cè)試使用的樹(shù)脂板型號(hào)為:TIVAR。

表2 倉(cāng)壁最大摩擦角

倉(cāng)壁的摩擦力嚴(yán)重依賴于作用在倉(cāng)上的法相應(yīng)力。如表2在法相應(yīng)力3 500 Pa的情況下，倉(cāng)壁的摩擦力大。增加法相應(yīng)力至8 000 Pa明顯的減少了倉(cāng)壁的摩擦力。表2列出的料倉(cāng)的摩擦角是料倉(cāng)設(shè)計(jì)的最大值，實(shí)際設(shè)計(jì)倉(cāng)的摩擦角應(yīng)小于表2數(shù)值。

1.2 混合料的流動(dòng)性測(cè)定

根據(jù)合同規(guī)定黃黏土和黑黏土按照70%:30%混合使用。根據(jù)黃黏土的測(cè)試數(shù)據(jù)以及評(píng)估的測(cè)試結(jié)果，黃黏土的可流動(dòng)性已經(jīng)很差，可以預(yù)見(jiàn)黑黏土的可流動(dòng)性同樣非常差。在混合料測(cè)試中僅測(cè)試了固結(jié)應(yīng)力為20 kPa情況下的物料可流動(dòng)特性參數(shù)如表3。

表3 黃黏土及混合料的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

從表3可以看出物料的可流動(dòng)性系數(shù)ffc≈1.0，物料不具備流動(dòng)性。因此兩種黏土混合料幾乎不具備流動(dòng)性。

2 卸料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

基于上述試驗(yàn)報(bào)告，倉(cāng)的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)Jenike法（物料流動(dòng)倉(cāng)所需要的最大角度以及倉(cāng)內(nèi)物料不起拱所需要的最小卸料口尺寸）進(jìn)行演算。對(duì)于不同類型的倉(cāng)要求如下:

倉(cāng)壁的摩擦力試驗(yàn)表明倉(cāng)壁的摩擦角與倉(cāng)壁的法相應(yīng)力相關(guān)。倉(cāng)的下部倉(cāng)壁的法相應(yīng)力與此位置的倉(cāng)徑為比例關(guān)系，意味著倉(cāng)徑在此位置若縮小則此位置倉(cāng)的法相應(yīng)力也成比例的縮小。試驗(yàn)測(cè)得對(duì)應(yīng)位置倉(cāng)壁摩擦力的增加對(duì)應(yīng)著此位置倉(cāng)壁法相應(yīng)力的減小。越小的倉(cāng)體錐角需要越小的出料口尺寸。

圖1 軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)（左）圖2平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)（中）圖3平面非對(duì)稱結(jié)構(gòu)（右）

Θax:倉(cāng)錐體與倉(cāng)柱體夾角,如圖1。

Θeb:楔形體與垂直面的夾角，出口長(zhǎng)寬比大于等于3，如圖2。

Θea：非對(duì)稱結(jié)構(gòu)楔形體與垂直面的最大夾角，出口長(zhǎng)寬比大于3，如圖3。

3 當(dāng)前料倉(cāng)的改進(jìn)建議

3.1 當(dāng)前料倉(cāng)分析

圖4的料倉(cāng)是專門(mén)為黏性物料卸料設(shè)計(jì)的，曾成功應(yīng)用于其他項(xiàng)目水分為20%的黏土。

圖4 FER項(xiàng)目所應(yīng)用的黏土倉(cāng)形式

由于黃黏土嚴(yán)重的時(shí)間固結(jié)特性，儲(chǔ)倉(cāng)應(yīng)為連續(xù)卸料倉(cāng)形式。連續(xù)卸料倉(cāng)需要光潔陡峭的倉(cāng)壁以及足夠大的出料口尺寸以避免起拱現(xiàn)象?；叶肺膊颗c倉(cāng)體的夾角Θax為20度，對(duì)于物料流動(dòng)來(lái)說(shuō)過(guò)于平緩。Θax應(yīng)至少為13度(基于高分子樹(shù)脂板UHMW內(nèi)襯的數(shù)據(jù))，如果為不銹鋼內(nèi)襯，這個(gè)角度應(yīng)該更小。

灰斗側(cè)板與倉(cāng)體的夾角Θeb為20度，滿足設(shè)計(jì)的要求。但是不滿足卸料方向需要逐步加大能力的原則（卸出物料的容積需要沿著出料口長(zhǎng)度方向逐步增加）。在板喂稱或皮帶秤作為倉(cāng)底卸料設(shè)備的情況下，倉(cāng)出料口的寬度應(yīng)沿著卸料方向逐步加寬，加寬應(yīng)為以倉(cāng)底尾端為起點(diǎn)，向卸料方向?qū)ΨQ加寬3～5度。如果出料口沒(méi)有沿出料方向加寬，在使用板喂稱的情形下則僅會(huì)在倉(cāng)卸料口前端卸料，不會(huì)出現(xiàn)整個(gè)出料口卸料的情形。

結(jié)合當(dāng)前的使用情況建議首先對(duì)倉(cāng)的卸料口進(jìn)行改造，然后在具備條件的情況下對(duì)倉(cāng)體進(jìn)行改造。

3.2 倉(cāng)出料口的改造建議

結(jié)合以上分析，在保持卸料板喂稱不變的情況下對(duì)倉(cāng)的出料口改造建議如下:

方案1:出料口寬度按照3、4度放射角加寬，此方案內(nèi)襯為UHMW。方案沒(méi)有對(duì)料倉(cāng)灰斗形狀進(jìn)行修改，因此還會(huì)出現(xiàn)料漏斗形卸料的情況。倉(cāng)內(nèi)起拱的發(fā)生幾率會(huì)降低，但仍不能避免，如圖5。

方案2:出料口寬度按照5度放射角加寬:

圖5 料倉(cāng)出料口的修改建議1

圖6 料倉(cāng)出料口的修改建議2

3.3 料倉(cāng)的修改建議

黏土卸料倉(cāng)需要為連續(xù)卸料倉(cāng)，并且錐體與倉(cāng)體的夾角Θax需要小于等于13度,因此建議倉(cāng)的形狀調(diào)整為矩形倉(cāng)，這樣倉(cāng)灰斗與倉(cāng)體的夾角Θeb可以加大到22度。建議的倉(cāng)外形如圖7。

圖7 建議的料倉(cāng)修改簡(jiǎn)圖

灰斗的高度以及倉(cāng)的整體高度與原設(shè)計(jì)一致。從圖7可以看出Θeb為20度,小于規(guī)定的22度。這個(gè)倉(cāng)可以視為一個(gè)可連續(xù)卸料倉(cāng)，但物料在倉(cāng)內(nèi)堆積后仍可能會(huì)有起拱的情況發(fā)生。此倉(cāng)還需要配置助流裝置，建議助流裝置為空氣炮。如果黏土在倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)達(dá)到1 d，則建議整個(gè)灰斗高度都布置空氣炮，但空氣炮能否破除倉(cāng)內(nèi)所有位置的起拱還不能肯定。

最好的解決方案就是保持倉(cāng)內(nèi)物料始終處于流動(dòng)的狀態(tài)，這就要求倉(cāng)內(nèi)不存料即作為通過(guò)式倉(cāng)使用。

3.4 對(duì)于料倉(cāng)使用混合料的意見(jiàn)

上述倉(cāng)出料口以及倉(cāng)體的修改建議是針對(duì)黃黏土的，如果使用黃黏土及黑黏土的混合料，物料的流動(dòng)特性將變得更為困難。即便使用通過(guò)式倉(cāng)，倉(cāng)出料口的尺寸以及板喂稱的寬度仍難以滿足要求，倉(cāng)灰斗的角度需要進(jìn)一步加大，同時(shí)倉(cāng)內(nèi)物料的固結(jié)時(shí)間效應(yīng)也會(huì)更為明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

FER項(xiàng)目黏性物料的處理問(wèn)題在項(xiàng)目前期沒(méi)有得到充分的認(rèn)識(shí)，無(wú)論是業(yè)主方還是承包方均沒(méi)有在項(xiàng)目前期進(jìn)行物料的可流動(dòng)性試驗(yàn)。在試運(yùn)行階段物料從破碎到配料各個(gè)環(huán)節(jié)均出現(xiàn)了制約工廠連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。項(xiàng)目的實(shí)踐和試驗(yàn)結(jié)果均證明當(dāng)前的設(shè)計(jì)和設(shè)備配置（特別是配料站儲(chǔ)倉(cāng)）不能達(dá)到兩種高黏濕物料混合使用的目的。這里提示我們物料試驗(yàn)的重要性，并給出了黏性物料倉(cāng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性建議。