三并罐無料鐘爐頂料流軌跡分析

危丹鋒 胡雪萍 牟 丹 張 良

(中冶南方工程技術有限公司煉鐵分公司 湖北武漢430223)

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·技術分析·

三并罐無料鐘爐頂料流軌跡分析

危丹鋒①胡雪萍 牟 丹 張 良

(中冶南方工程技術有限公司煉鐵分公司 湖北武漢430223)

針對新開發的三并罐無料鐘爐頂，分析爐料從皮帶到料罐的運動過程，探討了不同爐料在爐內的運動軌跡，分析擺動翻板對爐料落點的影響，對三并罐的料罐設計有一定的指導意義。

高爐 三并罐無料鐘爐頂 料流軌跡 擺動翻板

1 前言

高爐無料鐘爐頂在世界各國得到了廣泛的應用，在大型高爐中，估計全世界有無料鐘爐頂的大約有200多座。其中，以我國無料鐘爐頂高爐的數量為最多，幾乎所有新建或大修改造的大高爐都采用無料鐘爐頂。以料罐的布置形式區分，無料鐘爐頂大體上可分為串罐式和并罐式兩種結構。為減小傳統并罐的料流偏析，縮短檢查維護時間，提高裝料能力，適應爐料多樣性的要求，在傳統并罐的基礎上，又發展出新型三罐結構。在三并罐中，為了使料流分別進入三個罐子，在中間添加了擺動翻板。

爐頂料罐的耐磨問題一直制約高爐的安全生產，襯板磨損嚴重時出現料罐本體磨穿灑料的現象；本文對爐料從皮帶到料罐的過程進行分析，建立數學模型，求解出爐料落在料罐內的落點。

2 數學建模

2.1 爐料從皮帶上滑落前的運動分析

當爐料處于θ角度時，對此時沿皮帶表面切向受力和法向受力進行分析：

V—皮帶速度，m/s；

α—皮帶傾角，°；

m—爐料的平均質量，kg；

ρ—爐料的平均密度,kg.m-3；

r—爐料運動半徑,m。

(1)

maτ=mgsinθ-f1FN

(2)

當aτ為零的時候爐料相對皮帶靜止，此時爐料的速度即為皮帶的速度，當aτ≥0時，爐料開始加速下落，當FN=0時，爐料脫離皮帶開始做自由落體運動。

圖1 三并罐無料鐘爐頂示意圖

1-主皮帶; 2-主皮帶頭輪罩; 3-擋板; 4-擺動翻板; 5-上密封閥; 6-料罐

圖2 爐料在皮帶上受力分析圖

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中 v—爐料絕對速度，m/s;v0—爐料初始速度，即為皮帶速度,m/s;θ0—爐料開始下落的初始角度，°;f1—爐料與皮帶的摩擦系數。

2.2爐料到達擋板時的速度

根據公式(1)與公式(8)解出爐料從皮帶分離的速度v1，分離的角度θ1，之后爐料做拋物線運動，不考慮爐料在空氣中受到浮力的影響，根據擋板與主皮帶中心的距離L1可以求出爐料運動到擋板時的速度v2

(9)

(10)

到達擋板之后，由于爐料與擋板發生碰撞，運動速度發生改變

v3=λ1v2y

(11)

式中 λ1—爐料與擋板碰撞速度折算系數。[1]

圖3 爐料在擺動翻板上受力分析

2.3 爐料到達擺動翻板的速度

爐料到達擋板之后垂直下落，在下落的過程中不考慮爐料與擋板之間的摩擦力，根據擺動翻板運動的角度β與擺動翻板中心距皮帶中心之間的距離L2，L3,擺動翻板旋轉中心與受料面的垂直距離L4計算得到爐料到達擺動翻板時速度：

(12)

(13)

b=L3+L4cosβ-tanβ(L2+L4sinβ)

(14)

v5=λ2v4sinβ

(15)

式中 v5—到達擺動翻板碰撞后的速度,m/s；λ2—爐料與擺動翻板碰撞速度折算系數[2]；β—擺動翻板傾斜角度。

2.4 爐料在擺動翻板上的運動分析

爐料落到擺動翻版后,對其運動過程進行分析，得出爐料出擺動翻板的速度

(16)

式中 v6—爐料出擺動翻板時速度,m/s；f2—爐料在擺動翻板上的摩擦系數[1]；L5—擺動翻板上爐料運動的長度，m。

2.5 爐料在料罐內自由落體運動

不考慮空氣阻力對爐料的影響，爐料在三并罐料罐內的運動軌跡為拋物線，其運動的軌跡為拋物線運動，拋物線運動軌跡如下：

x=v6xt

(17)

y=v6yt+0.5gt2

(18)

3 仿真模型驗證

因并罐和三并罐無鐘爐頂的上料設備類似，故本文的數學模型和分析結果同樣適用于并罐爐頂。根據數學模型，筆者在Matlab中開發了相應的計算程序。為了驗證仿真模型的正確性，筆者對武鋼某高爐并罐無料鐘爐頂進行了詳細的了解，將并罐無料鐘爐頂參數帶入仿真模型中進行計算，計算結果對比如下：

表1 計算結果對比表

L6—爐料在擋板落點到頭輪中心線垂直距離，m；

L7—爐料在料罐落點到頭輪中心線垂直距離，m。

從上面可以看出，建立的仿真模型與武鋼提供的結果相近，計算結果的誤差率在10%左右，建立的仿真模型能夠正確的反映爐料從主皮帶頭輪到料罐的料流軌跡。

4 仿真分析

4.1 不同爐料顆粒對爐料軌跡的影響

以中冶南方新開發的三并罐作為仿真計算的模型。在計算中顆粒密度必須取顆粒度表觀密度，而不是常用的爐料堆積密度，自然狀態下表觀密度比真實密度小，比堆積密度要大[3]。

在matlab中編寫程序，計算出不同爐料顆粒在爐內運動的角度與速度，在模型計算中，爐料速度折算系數λ2與擺動翻板的結構，材質，擺動翻板的角度有很大的關系，焦炭取0.9998-0.0097β，礦石取0.9713-0.0145β。計算結果如表3所示[4]。

表2 不同爐料顆粒的屬性

表3 三并罐無料鐘爐頂參數

表4 不同爐料顆粒的計算結果

圖4 不同爐料的運動軌跡

針對不同的擺動翻板長度，在matlab中計算出相應的料流軌跡。如圖6所示。

從數據可以看出，燒結礦與球團礦撞到擺動翻板后速度變化較大，焦炭速度變化較小。礦石與焦炭的落點均在料罐的下錐段，料罐在設計過程中，針對料罐的下錐段可以設計成類似布料溜槽的魚鱗襯板，形成料打料的形式，降低對襯板的磨損，提高襯板壽命。

圖5 不同擺動翻版角度的料流軌跡

圖6 不同擺動翻版長度的料流軌跡

4.2 擺動翻板對爐料軌跡的影響

針對不同的擺動翻板角度，在matlab中計算出相應的料流軌跡。如圖5所示，當角度較小時，爐料拋出的水平距離遠，撞擊部位在料罐的上部，當角度大時，爐料拋出得水平距離近，撞擊部位在料罐的下部。

擺動翻版的長度加長，爐料在擺動翻版上運行時間變長，水平方向位移增加，爐料沖擊料罐的上部，擺動翻版的長度不能過長，同時也不能過短，容易導致爐料直接沖擊上料閘，選擇合適的擺動翻版的長度與角度的組合對料流軌跡有重要的影響。

5 結論

對爐料從皮帶到料罐的運動過程進行了計算，分析了不同爐料的運動軌跡和擺動翻板的角度對爐料運動軌跡的影響。在進行三并罐的設計過程中，通過計算出料流軌跡，指導料罐的結構設計，合理布置不同厚度襯板的位置，延長了設備的使用壽命，并減少了事故的發生。本文所述的計算方法和結論，同樣適用于普通并罐無鐘爐頂。

[1]王平.無料鐘料流運動軌跡數學模擬[J].鋼鐵研究學報，2006,Vol.18(5)：5-9.

[2]畢學工，丁金發.無鐘高爐裝料裝置內爐料運動的數字模擬[A].中國金屬學會.第七屆全國大高爐煉鐵學術會議論文集[C].北京：冶金工業出版社，2006:138-142.

[3]朱清天，程樹森.高爐料流軌跡的數學模型[J].北京科技大學學報,2007,Vol.29(9):932-936.

[4]邱家用，高征鎧，張建良等.無料鐘爐頂高爐中爐料流動軌跡的模擬[J].過程工程學報，2011,Vol.11(3):368-375.

Analysis the Burden Trajectory with Three Hoppers Bell-Less Top

Wei Danfeng Hu Xueping Mu Dan Zhang Liang

(Iron-making Division of WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

For the new development three hoppers bell-less top, analysis the burden trajectory from the belt to the bucket, explore the burden trajectory for the different burden in the BF, and analysis the influence of swing flap for the bell less top equipment for the burden trajectory, the article has certain significance on the design of the three hoppers bell-less top.

Blast furnace Three hopper bell-less top Burden trajectory Swing flap

危丹鋒，男，1986年出生，2011年畢業于中南大學機械工程學院，碩士，工程師，現從事鋼鐵冶金設備及液壓系統設計

TF321.3

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.007

2013-09-10)