高爐布料溜槽抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

馬財(cái)生 任廷志

燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

高爐布料溜槽抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

馬財(cái)生 任廷志

燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

針對(duì)高爐布料溜槽的磨損失效，對(duì)溜槽進(jìn)行了抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在分析爐料運(yùn)動(dòng)和溜槽磨損的基礎(chǔ)上，確定采用料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的溜槽結(jié)構(gòu)，并采用離散單元法分析了不同厚度料墊的爐料緩沖效果，根據(jù)高爐裝料制度對(duì)溜槽耐磨襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：溜槽磨損屬于磨料磨損，在爐料沖擊區(qū)域設(shè)置不小于60 mm厚的料墊，能夠有效分散爐料對(duì)溜槽的沖擊，減少磨料磨損，優(yōu)化后的料磨料式襯板在溜槽底部多儲(chǔ)存了32.13%的爐料，溜槽總過料量增加了15.5%。

布料溜槽；磨料磨損；抗磨損；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

溜槽是無鐘高爐爐頂布料器的關(guān)鍵部件，通過控制溜槽的旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)可以靈活地將爐料分布至爐喉，實(shí)現(xiàn)期望的徑向礦焦比，獲得良好的煤氣分布，最大限度地利用煤氣的熱能和化學(xué)能[1-3]。現(xiàn)代大型高爐的溜槽每日過料量近萬(wàn)噸，工作環(huán)境惡劣，磨損成為溜槽失效的重要原因，由此導(dǎo)致的高爐生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了高爐生產(chǎn)[4]。因此，改善溜槽的抗磨損性能，延長(zhǎng)溜槽的使用壽命，對(duì)于保障高爐穩(wěn)產(chǎn)順行具有非常重要的意義。

為提高溜槽的抗磨損性能，相關(guān)專家和技術(shù)人員從材質(zhì)和制造工藝兩個(gè)方面進(jìn)行了大量的探索和研究，并取得了許多成果[5-6]。溜槽襯板大量使用昂貴的硬質(zhì)合金和高鉻鑄鐵等耐磨材料，但是溜槽使用壽命偏短的現(xiàn)象仍然普遍存在，這暴露出溜槽在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在不足[7-10]。此外，高爐裝料制度作為溜槽非材質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的因素，對(duì)溜槽使用壽命也有不可忽略的影響，但是現(xiàn)有的研究都沒有明確指出如何由高爐爐頂裝料來指導(dǎo)布料溜槽的抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文分析了爐料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，確定了爐料對(duì)溜槽的作用特點(diǎn)以及磨損形式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的溜槽結(jié)構(gòu)，采用離散單元法模擬了不同厚度的料墊對(duì)下落爐料的緩沖作用，并結(jié)合高爐裝料制度對(duì)料磨料式襯板進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，以提高溜槽的抗磨損性能，延長(zhǎng)溜槽的使用壽命。

1 布料溜槽的磨損

在布料過程中，溜槽襯板的內(nèi)側(cè)表面與鐵礦石和焦炭的顆粒互相摩擦引起了溜槽襯板材料的逐漸損失，該磨損屬于典型的磨料磨損。按照爐料對(duì)溜槽襯板的具體作用形式，溜槽可以分為沖擊區(qū)域和劃傷區(qū)域。沖擊區(qū)域位于布料器中心喉管的正下方，爐料從料流調(diào)節(jié)閥流出后以一定的速度沖擊溜槽襯板，是溜槽磨漏的主要發(fā)生區(qū)域；爐料在沖擊溜槽襯板后沿著溜槽襯板滑動(dòng)直至脫離溜槽，爐料滑過的位置存在低應(yīng)力劃傷。

爐料落至溜槽的速度一般在10 m/s以上，在溜槽沖擊區(qū)域內(nèi)形成的正壓力遠(yuǎn)大于爐料流經(jīng)劃傷區(qū)域時(shí)爐料對(duì)襯板的正壓力，造成的磨損更為嚴(yán)重。實(shí)際上，溜槽的磨損失效主要以沖擊區(qū)域的磨漏為主，溜槽部分喪失對(duì)爐料的控制，造成了高爐中心區(qū)域爐料堆積，中心氣流不暢，而高爐邊緣區(qū)域煤氣流發(fā)展旺盛，燒蝕爐墻。因此，當(dāng)前溜槽的抗磨損設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是溜槽的沖擊區(qū)域。

環(huán)形布料是無鐘高爐的主要布料形式[11]。如圖1所示，溜槽以恒定的角速度ω1旋轉(zhuǎn)，溜槽傾角為θ2。爐料經(jīng)由中心喉管，沿豎直方向落至溜槽。設(shè)中心喉管壁處的爐料顆粒為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)在溜槽上的豎直投影即為爐料沖擊區(qū)域的邊界。

圖1 爐料顆粒落至布料溜槽示意圖Fig.1 Movement of particles falling on the distributing chute

如圖1中心喉管A-A截面示意圖所示，建立局部坐標(biāo)系OAxAyA，爐料顆粒位置的參數(shù)方程為

(1)

式中，r為中心喉管的半徑，m；θ為爐料顆粒至截面圓心OA的連線與xA軸所成夾角，rad。

溜槽的B-B豎直截面為橢圓形，建立局部坐標(biāo)系OBxByB，其方程為

(2)

式中，R為溜槽襯板半徑，m。

令yB=yA，zB=h1，代入式(2)中，得

(3)

在圖1中，由幾何關(guān)系可知：

l1=(e-R)cotθ2

(4)

l2=rcosθ/sinθ2

(5)

sinθ3=rsinθ/R

(6)

式中，e為溜槽轉(zhuǎn)軸距離溜槽襯板內(nèi)側(cè)的距離，m；θ3為C-C截面爐料顆粒至截面圓心OC的連線與xC軸所成夾角，rad。

中心喉管壁處爐料顆粒在溜槽上的投影為

(7)

式中，l為爐料顆粒至溜槽始端的距離，m。

將式(3)～式(6)代入式(7)，采用圖1所示的變量l和θ3表示溜槽爐料豎直下落的邊界，則

(8)

從式(8)可以看出，溜槽沖擊的區(qū)域主要與變量R、r和θ2有關(guān)，其中R和r為設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，θ2為布料工藝參數(shù)。l的取值滿足ecotθ2-rcscθ2≤l≤ecotθ2+rcscθ2，θ3的取值滿足-arcsin(r/R)≤θ3≤arcsin(r/R)。從取值邊界可以觀察到，θ3的取值范圍與溜槽傾角θ2無關(guān)，l的最大值和最小值均隨著θ2的減小而增大。由此可以判斷，多環(huán)布料過程中，溜槽沖擊接觸磨料磨損的主要范圍集中區(qū)域S滿足：

S?{(l,θ3)|l∈[ecotθ2max-rcscθ2max,
ecotθ2min+rcscθ2min],
θ3∈[-arcsin(r/R),arcsin(r/R)]}

(9)

式中，θ2min和θ2max分別為布料制度中溜槽傾角的最小值和最大值，rad。

溜槽在上述矩形區(qū)域應(yīng)當(dāng)具備緩沖爐料沖擊的抗磨損性能。

2 溜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 溜槽整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合爐料在溜槽上的運(yùn)動(dòng)分析以及溜槽的實(shí)際使用現(xiàn)狀可知，溜槽在不同的區(qū)域受到磨料的作用形式和磨損程度存在較大差異。在沖擊區(qū)域，磨料磨損相對(duì)嚴(yán)重，是發(fā)生磨漏的主要位置，溜槽襯板應(yīng)當(dāng)具備緩沖爐料沖擊的作用，以及較高的硬度和沖擊韌性；溜槽出口的劃傷區(qū)域沒有受到爐料的直接沖擊，襯板磨損率相對(duì)較低，應(yīng)保證爐料形成料流且不發(fā)生紊亂，防止布料過程復(fù)雜化。按照上述要求，對(duì)不同磨損區(qū)域分別進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溜槽整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 布料溜槽結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Distributing chute structure

在圖2中，溜槽在沖擊區(qū)域采用料磨料式襯板結(jié)構(gòu)，即溜槽內(nèi)側(cè)安裝有若干平行的耐磨板。爐料落至溜槽后首先填充耐磨板形成的空腔，后續(xù)爐料將沖擊已形成的料墊，從而有效分散爐料對(duì)溜槽的直接沖擊。這種結(jié)構(gòu)解決了襯板材料難以同時(shí)具備高硬度和高韌性的問題，符合具有爐料沖擊的抗磨損設(shè)計(jì)要求。在料磨料式襯板結(jié)構(gòu)的下部則采用光面式溜槽襯板，有利于爐料集中成料流。

2.2 料墊厚度對(duì)爐料沖擊的影響

在磨料磨損中，磨損量分別與接觸物體之間的正壓力和滑動(dòng)距離成正比[12]。聚集在布料溜槽內(nèi)部的料墊對(duì)溜槽襯板產(chǎn)生抗磨損保護(hù)作用，主要表現(xiàn)在料墊作為緩沖介質(zhì)避免了運(yùn)動(dòng)爐料對(duì)溜槽襯板的直接沖擊，爐料的動(dòng)能通過顆粒之間的互相碰撞得以削弱，與溜槽襯板直接接觸的爐料顆粒運(yùn)動(dòng)速度較小，單位時(shí)間的滑動(dòng)距離較短。為了衡量物體表面磨料磨損的劇烈程度，定義物體表面與相接觸顆粒之間的正壓力N和相對(duì)滑動(dòng)速度vr的乘積為磨損速率評(píng)估指標(biāo)η：

η=Nvr

(10)

下面通過離散單元法模擬爐料對(duì)物體表面的沖擊行為。模擬采用的物料為燒結(jié)礦，視密度為2100 kg/m3，粒度分布與生產(chǎn)保持一致，其中粒度小于5 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.63%，5～10 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.74%，10～25 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.93%，25～40 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.70%。爐料以11.28 m/s的速度落下，流量為98.44 kg/s。設(shè)置三塊相同的鋼制槽形板位于料流正下方，長(zhǎng)為0.5 m，寬為0.2 m，通過邊部的側(cè)板形成不同厚度的料墊。通過EDEM軟件建立的模型如圖3所示。

選取中部鋼槽為研究對(duì)象，模擬獲得該鋼槽底板受到的正壓力，以及直接與鋼板接觸顆粒在平行底板方向的滑動(dòng)速率平均值，定義兩者的乘積為磨損速率評(píng)估系數(shù)。在模擬試驗(yàn)中，分別設(shè)定鋼槽底板與鉛垂線的夾角分別為30°、45°和60°，通過EDEM軟件模擬獲得的不同厚度的料墊對(duì)鋼槽磨損的影響如圖4所示。

圖4 料墊厚度對(duì)鋼槽磨損的影響Fig.4 Effect of burden layer thickness on the wear of steel groove

在圖4中，不同鋼槽傾角下的爐料沖擊模擬試驗(yàn)均表明沒有料墊緩沖的鋼槽受到了爐料的直接沖擊，磨損速率快；隨著料墊厚度的增加，磨損速率急劇下降；當(dāng)料墊厚度大于60 mm之后，磨損速率較小且相對(duì)穩(wěn)定。因此，在布料溜槽的易磨損部分設(shè)置大于60 mm的料墊就能夠?qū)α锊郛a(chǎn)生良好的抗磨損保護(hù)作用。

2.3 料磨料溜槽襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

溜槽襯板磨漏通常先出現(xiàn)在中心喉管軸線下方的較小區(qū)域，隨后不斷擴(kuò)大，溜槽底部的磨損最為嚴(yán)重。取經(jīng)過溜槽軸線的豎直截面進(jìn)行溜槽抗磨損設(shè)計(jì)分析，如圖5所示。

圖5 溜槽耐磨板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of chute liner with wear resistance plates

布料過程中，相鄰耐磨板1和耐磨板2之間形成料墊。當(dāng)θ2≥α?xí)r，取耐磨板1與溜槽基體連接處M0在豎直方向上存儲(chǔ)爐料的厚度Δd；當(dāng)θ2<α?xí)r，取耐磨板1頂部位置M1在豎直方向上的料墊厚度Δd，即

(11)

式中，h為耐磨板在溜槽底部的高度，m；Δl為耐磨板的間距，m；γ為爐料在溜槽內(nèi)的堆角，rad；α為溜槽耐磨板與溜槽軸線的夾角，rad。

為充分起到緩沖作用，需要滿足：

Δd≥[d]

(12)

式中，[d]為爐料在耐磨板之間空腔內(nèi)的最小許可厚度，m。

由式(11)可以看出，α過小，則需要縮小Δl，防止耐磨板受爐料直接沖擊而磨損，且儲(chǔ)料量偏少；α過大，則耐磨板不易儲(chǔ)存爐料形成料墊，且儲(chǔ)存的爐料在溜槽旋轉(zhuǎn)過程中容易流失。在磨損最為嚴(yán)重的溜槽豎直截面，耐磨板儲(chǔ)存的爐料越多，則緩沖作用相應(yīng)越強(qiáng)。因此，選擇合適的夾角α對(duì)于溜槽抗磨損設(shè)計(jì)具有重要意義。在圖5所示的截面圖上，相鄰兩個(gè)耐磨板之間的儲(chǔ)料面積S2為

(13)

對(duì)式(13)求導(dǎo)，得

(14)

令dS2/dα=0，即可獲得單環(huán)布料情況下S2的極值以及相應(yīng)的溜槽耐磨板與溜槽軸線的夾角。

對(duì)于多環(huán)布料，溜槽傾動(dòng)設(shè)定n0個(gè)固定的擋位，第i個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的溜槽傾角為θ2i。由式(14)可知，S2最大值所對(duì)應(yīng)的α角隨溜槽傾角θ2發(fā)生變化。為獲得合理的α傾角，建立有關(guān)α傾角的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：

(15)

(16)

對(duì)于更換溜槽的高爐，溜槽傾角擋位的權(quán)重取一段工作時(shí)間段內(nèi)溜槽在第i個(gè)擋位的布料頻率，即溜槽在該擋位布料周數(shù)與布料總周數(shù)的比值；對(duì)于尚未生產(chǎn)使用的高爐，溜槽傾角擋位的權(quán)重取設(shè)計(jì)的常規(guī)布料工藝中溜槽在第i個(gè)擋位的布料頻率。物料屬性權(quán)重反映了不同物料對(duì)溜槽磨損的影響程度，在高爐布料過程中，物料的磨損主要體現(xiàn)在物料與耐磨襯板硬度的比值上，取：

(17)

式中，ε為物料的相對(duì)磨損率；Ha為物料顆粒的硬度；Hm為耐磨襯板的硬度；K1和K2為兩個(gè)系數(shù)，取K1=1.5，K2=0.9。

在優(yōu)化模型中，物料屬性權(quán)重采用相對(duì)磨損率，物料顆粒即為礦石顆粒和焦炭顆粒。

該優(yōu)化問題屬于約束最優(yōu)化問題，采用復(fù)合形法即可求解獲得最優(yōu)的α值。

3 應(yīng)用實(shí)例

以鞍鋼有效容積為2580 m3的高爐為例，采用串罐式無鐘爐頂。在布料過程中，爐料脫離料流調(diào)節(jié)閥出口時(shí)速度為1.293 m/s，中心喉管半徑r=0.4 m，溜槽半徑R=0.45 m，溜槽底距溜槽回轉(zhuǎn)中心距離e=0.81 m，溜槽長(zhǎng)度為4 m，料流調(diào)節(jié)閥至溜槽回轉(zhuǎn)中心的距離為h0=6.4 m，燒結(jié)礦批重40 t(分兩次布料)，堆密度1900 kg/m3，焦炭批重11.6 t(分兩次布料)，密度550 kg/m3，單次布料圈數(shù)12 r，單次布料時(shí)間90 s。統(tǒng)計(jì)高爐90日內(nèi)的布料操作，得到溜槽在各個(gè)溜槽傾角擋位布料的頻率如表1所示。

表1 基本布料制度

考慮礦石和焦炭極少在第7～10這4個(gè)擋位進(jìn)行布料，因此選擇第1～6這6個(gè)擋位下的爐料沖擊區(qū)域作為主要抗磨損區(qū)域。根據(jù)式(8)、式(9)進(jìn)行計(jì)算，獲得的不同擋位的溜槽磨損區(qū)域如圖6所示。

圖6 爐料沖擊的磨損區(qū)域Fig.6 Abrasive wear area with impact

由圖6可知，在不同擋位下，爐料沖擊溜槽的區(qū)域近似扇形，隨著溜槽傾角變小，磨損區(qū)域整體下移，且沿著溜槽軸線方向的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，其中擋位6形成的磨損區(qū)域較擋位1形成的磨損區(qū)域在溜槽軸線方向上長(zhǎng)度增加23.96%。在設(shè)定的布料制度下，磨損區(qū)域?yàn)椴煌瑩跷幌聽t料沖擊接觸磨料磨損區(qū)域的并集，沿爐料滑動(dòng)方向呈現(xiàn)逐漸變窄的趨勢(shì)。圖6所示的矩形虛線框即為料磨料式襯板的合理設(shè)定位置，S?{(l,θ3)|l∈[0.149,1.661]m,θ3∈[-1.095,1.095]rad}。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，優(yōu)化后的布料溜槽服役23個(gè)月，過料總量達(dá)670萬(wàn)噸，較相同結(jié)構(gòu)但未進(jìn)行優(yōu)化的布料溜槽過料總量增加了15.5%，是普通光面式溜槽過料總量的2.5～4.6倍，取得了良好的使用效果。

4 結(jié)論

(1)高爐布料溜槽的磨損屬于磨料磨損，位于中心喉管正下方的磨損區(qū)域發(fā)生爐料沖擊，沖擊區(qū)域沿溜槽軸線方向由寬漸窄，磨損劇烈，其他區(qū)域的溜槽襯板僅發(fā)生低應(yīng)力劃傷，磨損相對(duì)較輕。

(2)在爐料沖擊區(qū)域設(shè)置料墊能夠有效緩沖爐料對(duì)溜槽襯板的沖擊，料墊的厚度應(yīng)不小于60mm，且料墊越厚，溜槽的抗磨損性能越佳。

(3)高爐布料溜槽宜采用料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在沖擊區(qū)域，料磨料式襯板聚集爐料形成料墊，經(jīng)過對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，在溜槽底部的爐料儲(chǔ)存量增加了32.13%，有效分散了爐料對(duì)溜槽的直接沖擊，溜槽在劃傷區(qū)域采用光面式襯板結(jié)構(gòu)，有利于集中爐料形成料流。

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(編輯 王旻玥)

Structure Design and Optimization of Distributing Chutes in Blast Furnace for Wear Resistance

MA Caisheng REN Tingzhi

National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

The structure of distributing chute in blast furnace was designed and optimized to improve the wear resistant performance. Based on the characteristics of the burden motions and the chute wear conditions, the combination of the burden accumulation liner and the smooth liner was applied. Then the buffer effects of the piled burden layer cushions with different thicknesses were simulated by using discrete element method, and the parameters of the chute liner were optimized to match the burden charging operations. The results show that the abrasive wear is the main cause of the chute wear failure, the burden layer piled at the bottom of the chute may effectively disperse the burden impacts on the chute and reduce the abrasive wear, and plied burden thicknesses of no less than 60 mm are recommended. The burden piled at the bottom of the optimized chute liner increases 32.13%, and the total burden passing through the chute may increase 15.5%.

distributing chute; abrasive wear; wear resistance; structure design

2016-03-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAF15B01)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016203339)

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.03.001

馬財(cái)生，男，1987年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)橐苯饳C(jī)械設(shè)計(jì)及智能化。任廷志(通信作者)，男，1960年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail:rtz@ysu.edu.cn。