高爐礦焦槽閘門的分析與計算

□ 金文浩

中冶南方工程技術(shù)有限公司鋼鐵公司 武漢 430223

1 高爐礦焦槽閘門概況

閘門是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種設(shè)備,其性能與可靠性直接影響生產(chǎn)的效率。在煉鐵工藝流程中,高爐礦焦槽用于給高爐輸送原燃料,而礦焦槽閘門用于控制各料倉的啟閉及料口下料流量,選擇合適型式及參數(shù)的閘門,對保證高爐正常上料,保障高爐正常生產(chǎn)有重要作用。筆者對高爐礦焦槽閘門進(jìn)行分析和計算。

2 料倉內(nèi)物料受力模型

料倉內(nèi)物料受力模型如圖1所示。在高爐料倉距物料頂面高度h處取一塊物料微元,該微元厚度為dh,料倉截面周長為c,料倉截面積為A。在該微元上表面有上部物料產(chǎn)生的豎直向下的壓應(yīng)力pv,則向下壓力為pvA。微元自身質(zhì)量為Aρgdh,ρ為物料堆密度,g為重力加速度,取9.81 m/s2。微元下表面受下部物料豎直向上的壓應(yīng)力為pv+dpv,則向上壓力為(pv+dpv)A。微元側(cè)面受物料與壁面之間摩擦力所引起的切應(yīng)力Sτ,則產(chǎn)生向上的切力為Sτcdh。

▲圖1 料倉內(nèi)物料受力模型

受力平衡方程為:

pvA+Aρgdh-(pv+dpv)A-Sτcdh=0

(1)

微元內(nèi)水平應(yīng)力和豎直壓應(yīng)力之比為k,稱作側(cè)壓力因數(shù):

k=pw/pv

(2)

式中:pw為水平壓應(yīng)力。

物料與倉壁的摩擦因數(shù)μ為與物料本身屬性相關(guān)的常數(shù):

μ=Sτ/pw

(3)

由式(1)～式(3),得豎直壓應(yīng)力微分方程為:

dpv=[ρg-(μkc/A)pv]dh

(4)

當(dāng)h為0時,pv為0,解式(4)得:

(5)

根據(jù)式(2),得：

(6)

側(cè)壓力因數(shù)k隨物料深度變化,在水平方向上也不是常數(shù),其值在中心區(qū)域小,外側(cè)大。對于高爐這類淺存?zhèn)}易流物料工況,可近似認(rèn)為k為常數(shù),即料倉同一高度截面內(nèi),各點處豎直壓應(yīng)力與水平壓應(yīng)力均相等。k值估算為:

(7)

式中:θ為物料的內(nèi)摩擦角。

3 閘門受力分析

高爐礦焦槽最常用的閘門為內(nèi)翻板閘門和單扇形閘門。選型時,應(yīng)重點從二者本身的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)。當(dāng)閘門關(guān)閉、料倉滿料時,若液壓缸內(nèi)泄或者液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致液壓缸壓力減小,對于單扇形閘門,物料作用在閥板上的壓力由閥板軸支承力抵消,使得閥板不易自動開啟,可避免或者減少撒料。而內(nèi)翻板閘門則會被物料壓力頂開,造成撒料。內(nèi)翻板閘門閥板在閘門內(nèi)翻轉(zhuǎn),而單扇形閘門閥板在閘門外翻轉(zhuǎn),故單扇形閘門需要更大的安裝空間。若閘門下方皮帶有密閉除塵要求,由于扇形閘門需向外翻轉(zhuǎn)閥板,需在落料口處除塵罩上預(yù)留閥板動作所需的間隙,故會降低除塵效果;由于單扇形閘門閥板在閘門外,故檢修閥板更方便,且單扇形閘門產(chǎn)生閥板卡阻的幾率更低,如發(fā)生卡阻,也更容易排除。針對兩種閘門進(jìn)行受力分析。

3.1 內(nèi)翻板閘門

對于內(nèi)翻板閘門,閘門關(guān)閉、料倉滿料時,閘門受力最大,主要承受物料壓力及自身質(zhì)量。由此,對該狀態(tài)下閘門受力進(jìn)行分析計算。

內(nèi)翻板閘門受力分析如圖2所示。閥板承受物料水平壓力Fw和豎直壓力Fv,還承受自身重力G,三者共同作用產(chǎn)生垂直于閥板的壓力F2,驅(qū)動閥板沿閥板軸轉(zhuǎn)動。同時液壓缸推力F1作用于閥板上,通過連桿驅(qū)動閥板沿閥板軸反方向轉(zhuǎn)動,二者平衡,使閥板保持關(guān)閉靜止?fàn)顟B(tài)。

▲圖2 內(nèi)翻板閘門受力分析

閘門排料口處物料水平壓力Fw和豎直壓力Fv計算為:

Fw=pwabcosα

(8)

Fv=pvabsinα

(9)

式中:a、b分別為閘門傾斜排料口長度、寬度;α為閘門排料口傾斜角度。

垂直閥板的作用力F2為Fw、Fv的合力再加上閥板重力在垂直閥板方向的分力,即:

(10)

根據(jù)力矩平衡,有:

F2L2-F1L1=0

(11)

式中:L1為液壓缸推力對應(yīng)力臂;L2為垂直閥板作用力對應(yīng)力臂。

由此得液壓缸推力F1為:

F1=F2L2/L1

(12)

考慮安全因數(shù)K1為1.2～1.4,取K1為1.3,于是有:

F1=F2L2K1/L1

(13)

結(jié)合式(5)～式(10)、式(13),并將式(5)、式(6)中的高度h替換為閘門閥板中心距料倉頂部高度H,可估算出閘門正常工作所需的液壓缸最小推力F1:

(14)

(15)

Fw=pwabcosα

Fv=pvabsinα

F1=F2L2K1/L1

3.2 單扇形閘門

對于單扇形閘門,閘門關(guān)閉、料倉滿料狀態(tài)下,閘門開啟時受力最大,主要承受物料與閥板內(nèi)側(cè)的摩擦力、自身質(zhì)量及轉(zhuǎn)動部位的摩擦力產(chǎn)生的阻力矩作用。由此,對該狀態(tài)下閘門受力進(jìn)行分析計算。

閥板承受壓力F2作用與內(nèi)翻板閘門類似,此處不重復(fù)敘述。單扇形閘門受力分析如圖3所示。當(dāng)閥門開啟時,F2在閥板與物料間產(chǎn)生摩擦力,閥板軸運(yùn)動副間的摩擦力及閥板重力G產(chǎn)生阻力矩,同時閥板受液壓缸推力F1作用產(chǎn)生動力矩,通過連桿驅(qū)動閥板沿閥板軸轉(zhuǎn)動。液壓缸桿端與閥板鉸接軸承處摩擦力相對較小,為便于計算,忽略不計。垂直閥板的作用力F2的分析及計算與內(nèi)翻板閘門一致。

▲圖3 單扇形閘門受力分析

根據(jù)力矩平衡方程,有:

M1+M2+GL0-F1L1=0

(16)

式中:M1為閥板與物料間產(chǎn)生摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;M2為閥板軸摩擦副間的摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;L0為閥板重力的阻力臂。

M1=μ1F2r1

(17)

式中:μ1為閥板與物料間的摩擦因數(shù);r1為扇形閥板內(nèi)側(cè)半徑。

M2=μ2F2r2

(18)

式中:μ2為閥板軸摩擦副間的摩擦因數(shù);r2為閥板軸的半徑。

考慮安全因數(shù)K1為1.2～1.4,取K1為1.3,由式(16)～式(18)得:

F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1

(19)

結(jié)合式(5)～式(10)、式(19),并將式(5)、式(6)中高度h替換為閘門閥板中心距物料頂部料面高度H,可估算出閘門正常工作所需的液壓缸最小推力F1:

Fw=pwabcosα

Fv=pvabsinα

F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1

對于內(nèi)翻板閘門,設(shè)計時一般為液壓缸無桿腔得壓,油缸伸出時對應(yīng)閘門關(guān)閉動作,而對于單扇形閘門為無桿腔得壓,液壓缸伸出時對應(yīng)閘門開啟動作。這樣可以保證上述兩種閘門在受力最大狀態(tài)時,均為液壓缸無桿腔得壓,液壓缸推力最大,可降低液壓系統(tǒng)工作壓力及液壓缸直徑。

液壓缸所需最小壓力D計算為:

(20)

式中:D為液壓缸無桿腔直徑。

4 料流速度計算

閘門的出料速度與閘門料口尺寸、物料間黏附力及物料內(nèi)摩擦角等有關(guān)。

高爐礦焦槽一般采用傾斜放料方式,主要是為了使物料離開落料口時產(chǎn)生沿皮帶方向的水平分速度,既可減小對皮帶的沖擊,又可減少物料堆積,有效避免撒料。

當(dāng)垂直于閘門放料口的水力半徑R大于等于物料臨界水力半徑Re時,有:

(21)

式中:v為沿閘門出料口流出的物料平均速度;λ為放料因數(shù);τ0為物料初始抗剪強(qiáng)度。

λ與物料的干燥程度、形狀大小及是否規(guī)則有關(guān)系,流動性越好,λ越大。對于高爐礦焦槽,物料一般為燒結(jié)礦、焦炭、塊礦雜礦,λ取0.4。

礦焦槽閘門傾斜放料口均為矩形,有:

(22)

式中:d為物料標(biāo)準(zhǔn)塊度。

(23)

當(dāng)R小于Re時,有:

(24)

沿閘門出料口流出的物料流量Q為:

Q=60ρa(bǔ)bv×10-3

(25)

設(shè)計選型時應(yīng)注意:

Qg≤Q≤Qp

(26)

式中:Qg為滿足工藝生產(chǎn)的最大物料供應(yīng)流量,由生產(chǎn)工藝決定;Qp為閘門下部皮帶輸送機(jī)能承受的最大物料流量,由物料屬性和皮帶輸送機(jī)的能力決定。

5 閘門計算舉例

5.1 基本參數(shù)設(shè)定

筆者以2 000 m3級高爐最常用的800 mm×800 mm內(nèi)翻板閘門和單扇形閘門為例,進(jìn)行受力及物料流量計算。高爐礦焦槽常用物料屬性參數(shù)見表1。

表1 高爐礦焦槽常用物料屬性參數(shù)

料倉及閘門尺寸參數(shù)見表2。

表2 料倉及閘門尺寸參數(shù)表

5.2 閥門受力計算

分別對內(nèi)翻板閘門和單扇形閘門進(jìn)行受力計算,結(jié)果分別見表3、表4。

表3 內(nèi)翻板閘門受力計算結(jié)果

表4 單扇形閘門受力計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知,對于內(nèi)翻板閘門,當(dāng)料倉物料為球團(tuán)礦或塊礦時,閥門受力最大,液壓油壓力最大,故按該壓力來確定液壓系統(tǒng)工作壓力。液壓系統(tǒng)工作壓力應(yīng)不小于11.3 MPa,建議設(shè)定為12 MPa～13 MPa為宜。對于單扇形閘門,當(dāng)料倉物料為塊礦時,閥門受力最大,液壓油壓力最高,故按該壓力來確定液壓系統(tǒng)工作壓力。液壓系統(tǒng)的工作壓力應(yīng)不小于10.8 MPa,建議設(shè)定為11.5 MPa～12.5 MPa為宜。

5.3 閘門料速計算

分別計算閘門排料口水力半徑及物料臨界水力半徑,結(jié)果見表5。

表5 閘門排料口水力半徑及物料臨界水力半徑計算結(jié)果

故燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦、雜礦應(yīng)選用式(21)估算物料流量,焦炭應(yīng)選用式(24)估算物料流量,計算結(jié)果見表6。

表6 閘門物料流量計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知,由于物料本身流動性、堆密度等參數(shù)不同,同樣的閘門,不同物料的物料流量差別很大。在設(shè)計時,為了減少閘門規(guī)格,增強(qiáng)閘門的適用性,一般在閘門上設(shè)手動調(diào)節(jié)裝置,通過手輪調(diào)節(jié)閘門內(nèi)調(diào)節(jié)板的開度,進(jìn)而調(diào)節(jié)閘門實際排料口尺寸,達(dá)到調(diào)節(jié)物料流量的目的。

6 結(jié)論

由上述分析、計算可以看出,料倉和閘門的結(jié)構(gòu)尺寸以及物料屬性對閘門的受力和物料流量影響很大。參照上述800 mm×800 mm閘門,設(shè)定物料為燒結(jié)礦,僅改變料倉截面積,其余參數(shù)不變,計算垂直閥板的作用力,將結(jié)果繪制成曲線圖,如圖4所示。由圖4可知,隨著料倉截面積增大,垂直閥板作用力增大,但增大的趨勢逐漸減小。當(dāng)料倉截面積增大至一定值時,垂直閥板作用力趨于穩(wěn)定。

▲圖4 垂直閥板作用力隨料倉截面積變化曲線

同樣,參照上述800 mm×800 mm閘門,設(shè)定物料為燒結(jié)礦,僅改變料面高度,其余參數(shù)不變,計算垂直閘板作用力,將結(jié)果繪制成曲線圖,如圖5所示。由圖5可知,隨著料面高度增大,垂直閥板作用力增大,當(dāng)料面高度增大至一定值時,垂直閥板作用力趨于穩(wěn)定。

▲圖5 垂直閥板作用力隨料倉高度變化曲線

若需增大料流速度,除了增大閥門料口尺寸及閥門傾斜角外,還可增大物料的干燥度、提高形狀的規(guī)則度,減小物料平均塊度等,以增加物料的流動性。