散裝物料在儲斗內起拱現象分析和破除方法

劉金一(軟控股份有限公司，山東 青島 266000)

散裝物料在儲斗內起拱現象分析和破除方法

劉金一(軟控股份有限公司，山東 青島 266000)

在橡膠廠密煉工序車間中使用的原材料（炭黑、白炭黑、助劑、補強劑、促進劑等）在儲斗儲存過程中易出現“起拱架橋”現象，降低了生產效率，毀壞了設備增加維修成本，產品質量受到影響。本文對上述問題給出一定分析和解決措施。

橡膠廠物料；儲斗起拱；原因分析；方法；措施

1 流動狀態和分析

1.1 原理和分析

本文中的儲存容器以典型的錐形儲斗為例，以下簡稱“儲斗”。研究對象為橡膠工廠用各種散裝原材料，以下簡稱“物料”。

散裝物料儲存在垂直方向的容器中主要是靠其自身重力作用而流動。理想的物料流動狀態稱之為整體流，既在卸料開始時靠近儲斗底部排料口處的局部物料層先向下流動，隨后儲斗內部任何部位的物料整體均勻下沉流動，儲斗內無靜止區（死角），最終物料會全部排出儲斗，這種狀態是以物料的“先進先出”的順序原則流動。見圖1(a)。

在工廠實際配料生產中，有些物料并不是整體流動，而呈中心流狀態（鼠洞流或漏斗流）。即在卸料開始時只有位于排出口上方頂層的物料先流動，此時外側四周的物料靜止不動，而后這些物料向中心坍塌、滑動、下降，形成中心流動通道，不同的物料其塌陷、自我下落的程度不同，但最終往往不能完全卸料，殘余物料在儲斗內。這種狀態是以物料的“后進先出”的順序原則流動。見圖1(b)。

通常當物料量較少且存于儲斗底部時，在其自身重力作用下能夠順暢流動。但隨著物料增多儲斗有限體積變化，物料間相互擠壓，發生位移，顆粒間以及顆粒與內壁之間產生摩擦力加大，流動性就越差，隨著儲存時間的增長、環境溫度、濕度的變化，排料口處的局部物料不斷積累摩擦力和表面黏力（剪切力），從而形成層狀“固體塊”，受錐體結構形狀影響，越往下儲斗錐體的橫截面逐漸縮小，其斜錐面對“固體塊”產生阻擋支撐力和摩擦，再加上上層物料的壓力，從而形成弧形拱面。一旦形成拱面，在沒有破拱措施下，物料就形成了暫時穩定的狀態，這個狀態表現為物料靜止不流動，就是我們所說的“起拱”，也稱為“架橋”。見圖1(c)。起拱處的物料稱為料拱，根據以往實際經驗，料拱主要發生在儲斗的錐體部分，這部分的物料已被密實至具備了足夠的強度來支撐上方被堵塞的物料，從受力角度來分析料拱中物料的密實壓力f1比較大，而作用于被堵塞拱橋跟腳上的應力f2較小，這就意味著物料流動性比較差，其受力如圖2所示。

用公式來表示流動性因數為：

F=f1/f2

圖1 物料流動狀態

圖2 物料受力狀體

其中F為儲斗物料的流動因數，從中可以看出F值越小，流動條件就越好，越不容易起拱。圖中小方框表示物料受力質點，θ為物料的堆積角，a為錐體斜邊與水平面夾角（傾斜角）

物料在儲斗內聚集、起拱而又不能自我破拱，則破壞了物料的兩種上述流態，它導致物料流動暫時中斷，降低了生產效率；有一部分物料在儲斗內長期滯留，造成有效容積減小，嚴重影響了物料流量的均衡性，從而影響了工藝質量。

1.2 起拱原因和分類

造成物料起拱堵塞的原因是多方面的，主要包括固結、黏附、靜電、水分、熔化等，除了物料本身的物理特性外，還與儲斗結構、外部環境、操作使用等相關，大多數是因為改變了物料表面性質而增加了黏附力所致，大致歸納為下幾種類型：

（1）擠壓拱：物料受到壓縮而減小了空隙率，由本身的密實強度增加而起拱。這種情況在一些顆粒較細的物料中容易發生，例如納米級氧化鋅等，壓力越大，越密實。

（2）楔塊拱：由于物料顆粒不規則、大小不均或者其他異形雜物造成局部受力平衡而起拱。多見于物料為塊狀外形或者在原包裝中已結塊等情況。

（3）黏附固結拱：黏性較強的物料，由于吸潮、熔融或者帶靜電，不僅黏附儲斗內壁，在固結壓力的作用下，物料之間也互相黏附結塊，形成大體積固塊而起拱。例如不溶性硫磺，在摻油的情況下，黏性很強，極易黏附起拱。

（4）氣壓差拱：當儲斗中的物料上下存在氣壓差或者氣壓平衡時，物料改變流動狀態而起拱。此種情況在有氣力輸送系統或者除塵系統中出現較多，如圖3所示。

圖3 起拱類型

2 破拱方法和措施

為了改善和消除起拱問題，在生產中使儲斗中的物料能夠順暢的全部流出，我們希望物料都以整體流的方式進行，保證“先進先出”。消除已形成的拱面稱為破拱，其原理是建立在消除或削弱成拱物料自由表面上的壓應力、物料顆粒間的摩擦力以及物料與倉壁間的摩擦力基礎上。在清楚了起拱原因之后，提出以下幾種破拱方式：

（1）倉壁流態化噴嘴：在出料口上方的錐體外壁上安裝多個高壓壓縮空氣噴嘴，噴嘴伸入儲斗內部，通氣時在噴嘴周圍形成一個“氣墊”，將固體物料進行“流態化”，能阻止料拱形成。此法應注意調整氣流的壓力和流量，避免氣流過大造成物料飛揚而影響下游工藝動作，如稱量和除塵。

（2）倉壁空氣炮：也叫空氣助流器，是以突然瞬間噴出的壓縮氣體的強烈氣流，以超過一馬赫的速度直接沖入貯存散體物料的閉塞故障區，這種突然釋放的膨脹沖擊波，克服了物料的靜摩擦，使容器內的物料又一次恢復流動。此裝置具有結構簡單，使用安全方便，沖擊力大、安全、自動控制、操作方便，不損傷儲斗等優點。但在實際使用過程中注意噪音影響，控制空氣消耗量。

（3）倉壁振動敲擊器：在外倉壁設置振動器，振動器分電動和氣動型，振動力帶動物料和儲斗一起振動，造成顆粒間的相對滑動，減少物料對內壁的黏附。具體使用時要結合物料的黏附程度，選擇間歇或連續、手動或自動控制。根據以往經驗，對于黏性大的物料使用敲擊式氣錘比往復式高頻振動器效果好。

（4）防黏內套和氣缸助推：在儲斗內部固定一個外形相似、與內壁貼實的內套，內套采用防靜電光滑材料以減輕黏料，設置1~3支氣缸交替推搗內套物料，物料一旦起拱結塊通過氣缸推力馬上破壞。由于內套為非金屬聚合物材質，且長期與化學藥品接觸容易被腐蝕和老化，關注內套疲勞破損，定期更換。

（5）改變原料的物理形態和預處理措施:物料顆粒越小，其分子間作用力累積越大，越容易帶靜電，易黏附的納米級粉末物料使用造粒設備制成較大顆粒形態；在原包裝中已聚集結塊的物料要提前粉碎、篩分處理；已經吸潮的物料要充分干燥后投入使用。

（6）軟體結構儲斗：鋼制儲斗其錐體是起拱的主要部位，將錐斗設計為軟體材質，無固定形狀，消除加重起拱的斜面要素，再加以必要的外力助流可以起到較好效果。

（7）合理設計下料口尺寸和錐體結構：過小的卸料口勢必影響物料流通，容易堵塞起拱。要使倉內物料具有良好的流動性，下料口有效面積應大于或者等于物料在倉內起拱和破拱時形成的最大塊（或堵塞料柱）尺寸，設計時以下料口尺寸盡量大為好。物料因本身的堆積角而停止流動，錐斗斜面傾斜角應至少大于物料堆積角才能保證物流不靜止。卸料口應設計為偏向結構，具有鉛垂或非對稱璧面，以減少垂直方向的壓力，消除拱腳的作用。圓錐體儲斗比方椎體儲斗能更好的防止起拱形成。

（8）降低儲斗內壁面摩擦阻力：采用摩擦阻力小的材料，噴涂防黏涂料，表面拋光，避免儲斗內部異形附加結構等措施，對于儲倉直筒段與錐體段不宜采用直尖邊過渡，應采用圓滑轉角過渡以降低阻力，如圖4所示。

（9）改流體破拱裝置：在儲斗底部易起拱位置加裝一個圓錐體，圓錐體與內壁保持一定間隙，形成環形通道，較為密實的物料或拱塊到達錐頂時即破碎，從改流體與內壁之間的環形通道卸下，如圖5所示。

在設計此裝置時要重點考慮錐體的錐度、位置、環形下料通道的尺寸以及下料口的尺寸，以實現合理配比，保證下料通暢。

圖4 圓滑轉角

圖5 改流體結構

（10）機械攪拌器：對于黏性很大，流動性很差的物料，儲存條件不好的情況下，應該采用強制干預破拱方式。

此裝置主要由攪拌軸、葉片組成，由氣缸或電機驅動，實現攪拌桿的周向轉動或往復上下運動，直接將拱面打破，如圖6所示。

圖6 機械強制干預

另外，對于黏性易起拱物料使用螺旋給料器較振動給料器效果好。

可在給料器上部進料口處設置破拱裝置或專用的破拱閥定位在容易起拱位置，直接對起拱局部區域進行作用，給料的同時進行破拱。

還可以在儲斗下料口使用圓盤刮板給料機，刮板上帶有伸入儲倉內部的破拱桿，隨刮板下料時同時動作。

（11）生產管理方面：儲斗起拱是多方面因素造成的，除了要考慮物料本身特性、設備結構外，工廠的廠房條件、工作環境、生產工藝、操作習慣等都會加重物料起拱。在生產調度中，用戶需要合理掌握物料的儲存量以及每班次消耗量，保證每班用多少量補充多少量原則，不致于因物料存放時間過長，而造成壓縮起拱，一般物料的暫時儲存不超過10 h為宜。對于黏性大、比重大、易起拱的個別物料要采取每班次少補料、多次補料的原則。有條件的客戶要對物料的吸潮情況、融化情況、結塊情況進行監控，一旦出現不好狀況要及時采取改善措施。

3 結論

物料起拱問題已經嚴重困擾了橡膠廠配料工序的正產生產流程，本文從實踐中總結經驗結合理論分析并列舉了多種改善處理方法，上述方法需要結合不同的物料、不同的工況或單獨使用或多種結合使用，目的是提高生產效率，改善產品質量。希望本文能夠給設備研發工作者、工廠生產人員、工藝人員以及維護人員以啟發和借鑒。

Phenomenon analysis and elimination means of bulk material bridging in storage daybin

Phenomenon analysis and elimination means of bulk material bridging in storage daybin

Liu Jinyi
（MESNAC Co.LTD., Qingdao 266000, Shandong, China）

The raw materials used in mixing process of rubber plant are possible to form arch bridging, this problem will reduce production effi ciency, do some damage to equipment and increase maintenance cost, and product quality will be infl uenced. This article gives some analysis and solutions.

materials; bridging; reason analysis; means and solutions

TQ330.61

1009-797X(2016)21-0047-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.21.010

(R-03)

劉金一（1982-），男，工程師，2004年畢業于青島科技大學，長期從事橡膠機械研發設計和項目管理工作。

2016-05-13