一種煤萬向節布料器布料規律物理模擬研究★

陳立勝

（萊蕪職業技術學院冶金與建筑工程系， 山東　萊蕪　271100）

試（實）驗研究

一種煤萬向節布料器布料規律物理模擬研究★

陳立勝

（萊蕪職業技術學院冶金與建筑工程系， 山東萊蕪271100）

通過物理實驗，研究煤萬向節布料器對塊煤的布料規律。實驗表明：隨著料線高度和溜槽角度的增加，爐料的落點位置向遠離爐中心一側移動，料流寬度逐漸變寬；隨著加入物料量的增加，所形成的料堆的內外堆角逐漸增加，最終形成穩定的料堆，內外堆角不再變化，且內堆角大于外堆角；料堆穩定后，內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，外堆角變化很大。

COREX熔化氣化爐萬向節溜槽布料器溜槽角度料線高度料堆形貌

COREX工藝是最早實現工業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備[1]。布料制度是影響COREX工藝順行、高產和低耗的重要調劑手段[2-7]。通過調節布料制度，可直接影響爐內徑向爐料分布、料層結構、煤氣流分布等情況。掌握布料規律及其調控技術，是保證COREX下部熔化氣化爐長期處于良好工作狀態的關鍵環節。本文從物理模擬方面研究了熔化氣化爐布料規律，考察了煤萬向布料器的溜槽傾角對塊煤布料的影響。

1　混合布料物理實驗

1.1物理實驗裝置

本研究的實驗裝置是在滿足物性相似、幾何相似、初始條件相似的基礎上，自行設計發明的一種熔化氣化爐布料模擬裝置。主要由煤萬向節布料器、DRI擋板布料器、融化氣化爐主體接料裝置、煤和DRI儲料裝置、激光料面計裝置等組成[8-9]。

實驗裝置的煤萬向節布料器主要由垂直下降管和旋轉溜槽組成，主要通過調節溜槽角度和旋轉速度等參數完成將塊煤和部分焦炭分布于爐內任意位置的功能。溜槽為可拆卸裝置，布料器上方設有儲料倉，可根據螺旋排料器的轉速來控制加料速度。煤萬向布料器設計圖和實驗室內布料器實物結構圖如圖1所示，模型尺寸與現場尺寸按照1∶5進行等比縮小[1，8-9]。

煤萬向節布料器運轉包含溜槽轉動和溜槽傾動兩個功能，通過不同組合來實現上述的定點布料、單環布料、多環布料等布料方式。溜槽轉動是通過電機控制回轉支承機構完成的，溜槽傾動是通過液壓驅動系統控制帶有滑桿的耳柄完成的，其中電機速度、液壓驅動信號都是通過自動控制元件由機電控制柜界面輸入參數進行設定完成的。

圖1　物理模擬裝置和萬向布料器實驗實物結構圖

1.2實驗物料制備和實驗方案確定

本實驗通過人工破碎、篩分等工序對實驗物料進行制備，現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　物料特性參數表

采用煤布料器定點布料和單環布料方案進行實驗，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、落點位置、料面形狀（包括內堆角、外堆角、堆尖位置）等參數的影響[1，8-9]，見下頁表2。

表2　煤布料器布料實驗方案

1.3實驗步驟確定

檢查儲料倉是否裝料及料線高度等；檢查機械控制系統，確保其正常運行；調節圖像采集系統（高速攝影儀）使其成像清晰準確；檢查并調節到實驗所需料線高度位置，按照實驗要求，在底部位置鋪設一定厚度的煤和DRI混合顆粒作為底料；開啟模型機械機構，調整溜槽傾角與溜槽轉速（或擋板傾角）到預設值；調節螺旋排料器的轉速控制加料速度；打開圖像采集系統進行數據采集；實驗完畢后保存數據，關閉圖像采集系統，停止機械系統運轉；打開激光料面計，設定測定頻率，繪制料面形狀；收集顆粒，以備下次實驗使用；分析數據，準備下次實驗。

2　實驗結果分析

影響熔化氣化煤萬向節布料的因素較多，常用的操作參數包括批重、布料時間、溜槽傾角、溜槽轉速、料線高度、布料模式等。在實際生產中，布料批重、布料時間、溜槽轉速等參數主要受生產效率的影響，因此，主要考察溜槽傾角、料線高度、布料模式等對空區料流軌跡、落點位置、料堆形狀等參數的影響情況。根據實驗室條件，結合生產實際需要，考察溜槽傾角在0°、10°、20°、30°時的布料特征規律。將定點布料批重設定為15kg，單環布料批重設定為36kg。

2.1操作參數對定點布料下空區料流與落點位置的影響

圖2是數據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，物料落點位置越向偏離中心位置一側移動，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，導致料堆高度降低。其中，物料質量為15 kg，料線高度為0.9 m時，溜槽角度為0°、10°、20°、25°對應的落點位置分別是0、100、280、300 mm；料線高度為1.1 m，溜槽角度為0°、10°、20°、25°時，對應的落點位置分別是0、150、400、430 mm。

圖2　不同料線高度、不同物料質量、不同溜槽角度下料堆在徑向上的截面圖

2.2操作參數對定點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，自然堆積時形成的料堆多呈圓錐形，布料操作時，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移動，料面形狀趨于平坦，料堆的內堆角和外堆角逐漸減小，且外堆角減小程度比內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。當溜槽角度增大到一定程度時，受爐墻的影響，外堆角逐漸減小，隨著爐料的增加，甚至會出現外堆角為0的情況。

2.3操作參數對單環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驗數據繪制的單環布料3D圖。通過觀察可以看出，單環布料的料面形狀呈中間塌陷的火山口形狀，相比定點布料，單環布料時料流寬度更大，顆粒落點位置更靠近爐墻。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　單環布料下0.9 m的料線高度對料堆形貌影響結果圖

從徑向截面來看，截面形狀類似于定點布料徑向料面形狀，當爐料靠近爐壁時，受爐壁的影響，料堆在爐壁處堆積，表面較平坦。與定點布料規律相似，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　單環布料下1.1 m的料線高度對料堆形貌影響結果圖

3　結論

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

2）實驗發現，料堆穩定后，內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，外堆角變化較大。

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

4）本模型實驗能夠為現場COREX熔化氣化爐煤萬向節布料器布料規律提供理論依據，結合生產情況，具有很好的研究價值。

[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].東北大學學學報，2013，34（7）：971-974.

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[8]陳立勝.corex熔化氣化爐混裝布料的物理模擬[C]//2014年全國煉鐵生產技術會暨煉鐵學術年會文集（下）.北京：中國金屬學會，2014：1 210-1 214.

[9]陳立勝，李海峰，羅志國，等.COREX熔化氣化爐新型擋板布料器布料規律的研究[J].南方金屬，2013，194（5）：5-9.

（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

山東省高等學校優秀青年教師國內訪問學者資助項目；萊蕪職業技術學院教師科研項目（2015jsky07）。

陳立勝（1970—），男，工程碩士，從事冶金技術專業教學和科研工作，副教授，東北大學材料與冶金學院國內訪問學者。