鞍鋼朝陽鋼鐵高爐上料系統下料斗改進實踐

關爽，何天慶，朱明，張式寶，周智超，祝樹海

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

高爐區域上料系統、 水渣系統均采用皮帶上料，運輸的原材料及成品包含焦炭、鐵礦石、水渣等，遇到皮帶轉向需在轉運站設置下料斗進行中轉改向。下料斗是高爐上料、轉運中重要的生產設備，主要功能是將運送的物料按照設定好的方向進行中轉進而將其順利送到指定區域。 下料斗所處的工況環境較為復雜，作業時間長，輸送物料體量大，且長時間受物料的沖刷[1-3]，部分區域還受高溫、有害氣體、粉塵等不同因素的影響，使用壽命極短。

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司為了延長下料斗使用壽命，在設計之初全部設置了內置襯板。 自投產以來，現場先后使用過16Mn、鑄石、304 白鋼等材質的襯板，但或是因為襯板自身連接的缺陷造成磨穿脫落劃傷皮帶，影響整個高爐生產而停用，或是因襯板自身材質問題造價極高且使用時間與自身價值不成正比，高爐設備成本增加而停用。 因此，對高爐下料斗開展了長壽化治理改進實踐，本文對此做一介紹。

1 存在問題

根據生產過程中遇到的實際問題，對現場下料斗襯板及母板磨損后剩余材料形狀進行分析，具體存在問題如下：

（1）合金襯板基本已減薄三分之二以上，沉頭螺栓暴露在料流中，物料的撞擊和料流與襯板的摩擦使螺栓損壞，襯板無有效連接后與母板分離。

（2）由于大部分脫落均是在生產過程中發生的，部分襯板隨物料進入皮帶系統，有些襯板磨損后棱角變得尖銳進而劃傷皮帶，影響高爐上料運料。

（3）由于母板是由普通的Q235B 型鋼板制作，對所受撞擊與摩擦抵抗力較弱，下料斗母板沒有襯板的保護后直接受料流的撞擊和摩擦，通常三天之內就會磨漏造成大面積漏料，影響上料生產。

2 原因分析

高爐上料系統下料斗磨損原因主要包含兩個方面：①料流從皮帶高處墜落撞擊襯板或母板造成磨損；②料流在斗壁流淌過程中與襯板或母板摩擦造成磨損。

下料斗受力分析示意圖見圖1。由圖1 可以看出，皮帶運轉速度越大，料流下墜過程中水平方向的初始速度越大，進而通過動勢能轉換，料流撞擊襯板或母板的力就越大。下料斗倉壁傾斜角越小，料流撞擊倉壁的沖擊力（垂直倉壁沖擊力）越大，順倉壁方向流淌初始力（沿倉壁力）越小，料流在倉壁停留時間越長。同時，物料自身密度及皮帶距下料斗高度也會造成從皮帶到倉壁勢能的變化。

圖1 下料斗受力分析示意圖Fig. 1 Schematic Diagram of Stress Analysis of Discharging Hopper

3 改進措施

3.1 減小物料的初始動能

減小物料的初始動能可以降低物料落在襯板上的沖擊力，作用力減小則沖擊荷載變小，進而降低對襯板及母板的損壞。因此，可以通過調整皮帶運行速度，降低物料水平方向初始動能。 同時，已知重力勢能公式EP=mgh，由于物料質量和重力加速度無法調整，可通過縮小皮帶與下料斗之間的距離，減小物料落在襯板上的勢能。

3.2 增大倉壁傾斜角

為了降低物料下落在襯板表面時作用在上方的垂直作用力，增加沿倉壁方向流淌的初始力，盡量縮短物料與倉壁的接觸時間，進而減小物料對倉壁的摩擦作用，采取增大倉壁傾斜角措施。

下料斗側視圖見圖2。 傾斜角過大，會使得塊狀物料在斗倉壁上跳躍，進而對倉壁造成二次動能傷害，且傾斜角過大，也會造成物料流動速度過快進而堆積，或給下方工序造成較大傷害，故角度的適中選取非常重要。

圖2 下料斗側視圖Fig. 2 Side View of Discharging Hopper

眾所周知，料倉壁傾斜度至少要等于或大于物料的休止角，即要大于斜面上方的物料處于沿斜面下滑的臨界狀態時與水平面所成的最小角度。 由于現場條件有限，實驗儀器設備能力不足，故采用傾斜試驗法對所涉及的運輸物料依次進行測試，求出每種物料近似的休止角，再根據物料形狀、粒徑、含水率等模擬出每種物料的實際休止角。 現場試驗以每次增加3°～5°的進度逐漸增大傾斜角，通過每次試驗1 周的設備觀測，評價得出焦炭、鐵礦、水渣等物料的傾斜角在35°～50°較為適宜。

3.3 調整襯板、倉壁形式

由于物料在高處落到襯板上跳躍的問題沒有因為角度的變化得到明顯改善，因此考慮調整襯板、倉壁形式以進一步解決問題。圍繞“如何更改襯板使物料與襯板接觸點較少，怎樣使物料盡量厚的堆積向下流動減少與倉壁接觸面積，怎樣更改襯板柔性使物料到達襯板不再有跳躍”三個問題，提出了“料磨料”形式。 下料斗改造后示意圖見圖3。 通過在母板上敷一層普通鋼板對母板起到保護作用，在鋼板上方焊接100～150 mm 高、8 mm 厚肋板，間距200 mm 左右[4]，使物料在運輸期間先堆積在肋板之間，后面的物料進入漏斗首先接觸停留在斗壁上方的物料，即通過堆積的物料去保護斗倉壁的母板；再將漏斗調整為上寬下窄式，隨著物料向下流動，物料厚度增大，與斗倉接觸面積減小，有效改善對斗壁模板的磨損。

圖3 下料斗改造后示意圖Fig. 3 Schematic Diagram of Discharging Hopper after Transformation

4 實施效果

（1）通過調整皮帶與下料斗的高度及皮帶運行速度，減小了物料的初始作用力和與倉壁接觸的時間，為保護下料斗創造了外部條件。

（2）取消了襯板的鋪設，利用切割后的廢舊鋼板，以儲物倉的形式分格焊接到倉壁上；用所運輸的物料取代原有襯板，以“料磨料”工況取代料磨襯板工況，相當于“襯板”隨時換新，不再有磨損情況的發生。

（3）由于肋條滿焊于鋼板上，只有肋條上方與物料接觸，摩擦面積小，使用壽命長，損壞性小，避免了改進前襯板掉落撕裂皮帶的風險。

（4）由于肋條儲存的堆料松散，避免了物料砸在斗壁上跳躍的情況，且由于物料的掩埋，物料在下流過程中與肋板接觸面積很小，如顆粒較小的水渣，幾乎可以忽略對肋板的磨損。

5 效益計算

高爐上料系統共有下料漏斗13 個，返焦返礦運行漏斗12 個，水渣運輸系統下料漏斗5 個，溜槽2 個，下料漏斗規格不一，受料面積均在4～10 m2。對改進前后，下料斗消耗費用進行測算。

（1）改進前費用

根據歷年更換襯板維修記錄統計，下料漏斗受料面積約為192 m2左右，以價格較便宜但使用周期短的16Mn 鋼板襯板為替換備品計算，厚20 mm襯板使用周期為一個月，鋼制襯板年更換量約為360 t，高耐磨16Mn 鋼板價格約5 500 元/t，故材料年消耗費用約為198 萬元；人工更換所有襯板一次費用約為2 000 元，年人工費用約為2.4 萬元。 因此，改進前下料斗年消耗費用約為200.4 萬元。

（2）改進后費用

采用公司廢鋼料廠軋廢的鋼板，廢鋼價格約為600 元/t，每年更換一次，年消耗鋼板約9 t，年費用約為0.54 萬元，年人工費用約為0.3 萬元，下料斗年消耗費用約為0.84 萬元。

綜合上述計算，高爐上料系統下料斗改進后，年維護費用降低約200 萬元。

6 結語

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司煉鐵廠上料系統下料斗壽命短，襯板和母板磨損嚴重，通過采取縮小皮帶與下料斗之間的距離以減小物料初始動能，增大倉壁傾斜角至35°～50°和調整襯板、倉壁為“料磨料”形式等措施，有效減少了對下料斗襯板的磨損，降低了襯板掉落撕裂皮帶的風險，延長了下料斗使用壽命，年維護費用降低約200 萬元，值得參考和借鑒。