新型鋅液流量控制器的研制與應用

林國新

（廣東中金嶺南設備科技有限公司，廣東 韶關 512023）

韶關冶煉廠采用精餾法生產精鋅，液體粗鋅從熔化爐加入鉛塔的流量是一個非常重要的參數。粗鋅液的穩定與否，是影響精餾塔壽命以及產品產量和質量的重要因素之一。粗鋅液流量的不穩定，可能會產生以下三種不良后果：①影響塔盤壽命。②影響精餾質量。③發生沖塔頂的惡性事故。以上三種情況的發生都會影響生產的正常運行，甚至危及員工的生命安全。

1 歷史狀況

改進前，精餾車間的鋅液流量控制采用過兩種方法。一種是人工控制兩重石墨錐，通過調節石墨錐的升降高度來控制流量的大小，這種方法具有結構簡單、操作方便和成本低廉等特性，但是其料量控制完全靠手工調整，料量控制水平受人為因素影響較大，難以實現自動控制。另一種方法是采用自反饋重錘平衡式加料控制器(圖1)，該流量控制器對料量的控制比較直觀，靈敏度比較好且可以調整，能實現對料量的自動控制；但是該流量控制器的結構比較復雜，安裝所需的空間較大，所需的零部件較多，而且部分零部件在高溫的環境下容易失效，從而導致整套系統失靈，流量得不到良好的控制，加上零部件需要經常更換，大大增大了生產成本。

圖1 自反饋重錘平衡式加料控制器結構示意圖

2 理論依據

根據新型鋅液流量控制器的結構特點，該控制器涉及到流體力學的一個理論—孔口自由出流。

容器側壁開一孔，孔的形狀規則，液體自孔口流入另一部分液體中，這種流動稱為孔口出流。當液體經孔口出流直接與大氣接觸，稱為自由出流，如圖2所示。孔口的直徑d小于孔口前水頭H的1/10，為小孔出流。當孔口具有尖銳的邊緣，且器壁厚度不影響孔口出流形狀和出流條件，即壁厚〈3d時，稱為薄壁孔口。

圖2 孔口出流示意圖

根據流體力學理論，得出下式：

Q=εAψ（2gH）1/2=μA（2gH）1/2

式中:μ—流量系數；μ＝εψ；A-孔口直徑；ε-收縮系數；ψ-流速系數。

上式為薄壁圓形小孔口定常水頭自由出流流量計算的基本關系式。反映孔口出流能力與作用水頭間的基本關系是Q與H01/2或H1/2成比例，這個規律適合任何形式的孔口出流，但隨著孔口形狀的不同，阻力不同，斷面收縮不同，則ψ與ε將有所不同，亦即流量系數μ不是常數，所以，可以判斷在自由出流的情況下，流量與孔口的尺寸大小，流體的種類以及液位的高度等因素有關，可表示為Q=f(H、d、v)。其中H為有效液位，d為孔口的直徑，v為流體的運動粘度。

在實際應用過程中，我們認為在加控器內的鋅液的物理特性保持不變，孔口的開口形狀及大小也確定了，那么出口的體積、流量就只與液位高度H有關。

3 結構、工作原理及性能特點

根據原鋅液流量控制器的缺陷，確定改進后的新型鋅液流量控制器必須具備結構簡單、流量控制靈敏、易于實現自動控制等性能。

經過不斷摸索和試驗，我們依據以上特點研制了新型的鋅液流量控制器，并且在精餾工段的熔化爐后的加控器上安裝使用了新型的鋅液流量控制器，使得鋅液以恒定的流量從熔化爐流入鉛塔。

新型的鋅液流量控制器如圖3所示。該控制器主要有橫桿、三角塊、浮塊、碳化硅棒、錐套等部件組成。

工作原理：正常情況下，整個體系處于平衡狀態。當加控器的液面變低時，則表明流入加控器的料量偏小，浮塊的浮力瞬間變小，浮塊向下運動，通過杠桿作用和重力作用，左邊的碳化硅棒向上抬起，碳化硅棒與杯口的間隙增大，使料量增大，加控器的液面逐漸增高，直到整個體系回到平衡狀態，鋅液流量恢復至設置水平。同理，當加控器的液面變高時，則表明流入加控器的料量偏大，浮塊的浮力瞬間增大，浮塊向上運動，在杠桿作用和左邊的自身重力的作用下，碳化硅棒壓下，碳化硅棒與杯口的間隙減小，使料量減小，加控器的液面逐漸降低，直到整個體系回到平衡狀態，鋅液流量恢復至設置水平。

圖3 新型鋅液流量控制器結構示意圖

體系處于平衡時的公式如下：G2L2=(G1-F)L1

G2：左邊碳化硅棒及套的重量；G1：右邊浮塊的重量；F：浮塊的浮力。

性能特點：①可以調整入塔料量。當工藝需要改變入塔料量時，可以通過改變浮塊的高度，使平衡狀態有不同的值，得到不同的加料量。在生產過程中，不斷進行生產實踐，可以得到最佳的入塔料量。②通用性強，通過改變橫桿的尺寸，可以使鋅液流量控制器適用于各種尺寸不同的加控器。③結構簡單，安裝空間小，便于安裝拆卸。

4 應用對比

自反饋重錘平衡式加料控制器和新型鋅液流量控制器都能實現料量恒定的流入鉛塔，且能實現自動控制。由于現場環境的限制，在熔化爐向鉛塔加料的過程中，我們使用是新型的鋅液流量控制器，因為在此過程中，我們強調的是加料過程中料量的恒定，避免料量的波動對塔盤造成影響。而自反饋重錘平衡式加料控制器我們則應用在鋅錠澆鑄系統上，在此過程中，我們要求的是流入每個鋅錠模的精鋅液體的流量（質量）接近一致，自反饋重錘平衡式加料控制器的精確控制性能最能滿足這個要求。

5 結語

經過一段時間的生產實踐，證明了新型的鋅液流量控制器具有一定的優良特性，適用于精餾塔的加料過程控制。現在，該裝置已經推廣應用于全車間的所有爐塔，且應用情況良好，很好地解決了加料控制的問題。