危丹鋒 胡雪萍 牟 丹 張 良

(中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵分公司 湖北武漢430223)

?

·技術(shù)分析·

三并罐無料鐘爐頂料流軌跡分析

危丹鋒①胡雪萍 牟 丹 張 良

(中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵分公司 湖北武漢430223)

針對新開發(fā)的三并罐無料鐘爐頂，分析爐料從皮帶到料罐的運(yùn)動(dòng)過程，探討了不同爐料在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析擺動(dòng)翻板對爐料落點(diǎn)的影響，對三并罐的料罐設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

高爐 三并罐無料鐘爐頂 料流軌跡 擺動(dòng)翻板

1 前言

高爐無料鐘爐頂在世界各國得到了廣泛的應(yīng)用，在大型高爐中，估計(jì)全世界有無料鐘爐頂?shù)拇蠹s有200多座。其中，以我國無料鐘爐頂高爐的數(shù)量為最多，幾乎所有新建或大修改造的大高爐都采用無料鐘爐頂。以料罐的布置形式區(qū)分，無料鐘爐頂大體上可分為串罐式和并罐式兩種結(jié)構(gòu)。為減小傳統(tǒng)并罐的料流偏析，縮短檢查維護(hù)時(shí)間，提高裝料能力，適應(yīng)爐料多樣性的要求，在傳統(tǒng)并罐的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出新型三罐結(jié)構(gòu)。在三并罐中，為了使料流分別進(jìn)入三個(gè)罐子，在中間添加了擺動(dòng)翻板。

爐頂料罐的耐磨問題一直制約高爐的安全生產(chǎn)，襯板磨損嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)料罐本體磨穿灑料的現(xiàn)象；本文對爐料從皮帶到料罐的過程進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型，求解出爐料落在料罐內(nèi)的落點(diǎn)。

2 數(shù)學(xué)建模

2.1 爐料從皮帶上滑落前的運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)爐料處于θ角度時(shí)，對此時(shí)沿皮帶表面切向受力和法向受力進(jìn)行分析：

V—皮帶速度，m/s；

α—皮帶傾角，°；

m—爐料的平均質(zhì)量，kg；

ρ—爐料的平均密度,kg.m-3；

r—爐料運(yùn)動(dòng)半徑,m。

(1)

maτ=mgsinθ-f1FN

(2)

當(dāng)aτ為零的時(shí)候爐料相對皮帶靜止，此時(shí)爐料的速度即為皮帶的速度，當(dāng)aτ≥0時(shí)，爐料開始加速下落，當(dāng)FN=0時(shí)，爐料脫離皮帶開始做自由落體運(yùn)動(dòng)。

圖1 三并罐無料鐘爐頂示意圖

1-主皮帶; 2-主皮帶頭輪罩; 3-擋板; 4-擺動(dòng)翻板; 5-上密封閥; 6-料罐

圖2 爐料在皮帶上受力分析圖

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中 v—爐料絕對速度，m/s;v0—爐料初始速度，即為皮帶速度,m/s;θ0—爐料開始下落的初始角度，°;f1—爐料與皮帶的摩擦系數(shù)。

2.2爐料到達(dá)擋板時(shí)的速度

根據(jù)公式(1)與公式(8)解出爐料從皮帶分離的速度v1，分離的角度θ1，之后爐料做拋物線運(yùn)動(dòng)，不考慮爐料在空氣中受到浮力的影響，根據(jù)擋板與主皮帶中心的距離L1可以求出爐料運(yùn)動(dòng)到擋板時(shí)的速度v2

(9)

(10)

到達(dá)擋板之后，由于爐料與擋板發(fā)生碰撞，運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變

v3=λ1v2y

(11)

式中 λ1—爐料與擋板碰撞速度折算系數(shù)。[1]

圖3 爐料在擺動(dòng)翻板上受力分析

2.3 爐料到達(dá)擺動(dòng)翻板的速度

爐料到達(dá)擋板之后垂直下落，在下落的過程中不考慮爐料與擋板之間的摩擦力，根據(jù)擺動(dòng)翻板運(yùn)動(dòng)的角度β與擺動(dòng)翻板中心距皮帶中心之間的距離L2，L3,擺動(dòng)翻板旋轉(zhuǎn)中心與受料面的垂直距離L4計(jì)算得到爐料到達(dá)擺動(dòng)翻板時(shí)速度：

(12)

(13)

b=L3+L4cosβ-tanβ(L2+L4sinβ)

(14)

v5=λ2v4sinβ

(15)

式中 v5—到達(dá)擺動(dòng)翻板碰撞后的速度,m/s；λ2—爐料與擺動(dòng)翻板碰撞速度折算系數(shù)[2]；β—擺動(dòng)翻板傾斜角度。

2.4 爐料在擺動(dòng)翻板上的運(yùn)動(dòng)分析

爐料落到擺動(dòng)翻版后,對其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，得出爐料出擺動(dòng)翻板的速度

(16)

式中 v6—爐料出擺動(dòng)翻板時(shí)速度,m/s；f2—爐料在擺動(dòng)翻板上的摩擦系數(shù)[1]；L5—擺動(dòng)翻板上爐料運(yùn)動(dòng)的長度，m。

2.5 爐料在料罐內(nèi)自由落體運(yùn)動(dòng)

不考慮空氣阻力對爐料的影響，爐料在三并罐料罐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線，其運(yùn)動(dòng)的軌跡為拋物線運(yùn)動(dòng)，拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡如下：

x=v6xt

(17)

y=v6yt+0.5gt2

(18)

3 仿真模型驗(yàn)證

因并罐和三并罐無鐘爐頂?shù)纳狭显O(shè)備類似，故本文的數(shù)學(xué)模型和分析結(jié)果同樣適用于并罐爐頂。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，筆者在Matlab中開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，筆者對武鋼某高爐并罐無料鐘爐頂進(jìn)行了詳細(xì)的了解，將并罐無料鐘爐頂參數(shù)帶入仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對比如下：

表1 計(jì)算結(jié)果對比表

L6—爐料在擋板落點(diǎn)到頭輪中心線垂直距離，m；

L7—爐料在料罐落點(diǎn)到頭輪中心線垂直距離，m。

從上面可以看出，建立的仿真模型與武鋼提供的結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果的誤差率在10%左右，建立的仿真模型能夠正確的反映爐料從主皮帶頭輪到料罐的料流軌跡。

4 仿真分析

4.1 不同爐料顆粒對爐料軌跡的影響

以中冶南方新開發(fā)的三并罐作為仿真計(jì)算的模型。在計(jì)算中顆粒密度必須取顆粒度表觀密度，而不是常用的爐料堆積密度，自然狀態(tài)下表觀密度比真實(shí)密度小，比堆積密度要大[3]。

在matlab中編寫程序，計(jì)算出不同爐料顆粒在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度與速度，在模型計(jì)算中，爐料速度折算系數(shù)λ2與擺動(dòng)翻板的結(jié)構(gòu)，材質(zhì)，擺動(dòng)翻板的角度有很大的關(guān)系，焦炭取0.9998-0.0097β，礦石取0.9713-0.0145β。計(jì)算結(jié)果如表3所示[4]。

表2 不同爐料顆粒的屬性

表3 三并罐無料鐘爐頂參數(shù)

表4 不同爐料顆粒的計(jì)算結(jié)果

圖4 不同爐料的運(yùn)動(dòng)軌跡

針對不同的擺動(dòng)翻板長度，在matlab中計(jì)算出相應(yīng)的料流軌跡。如圖6所示。

從數(shù)據(jù)可以看出，燒結(jié)礦與球團(tuán)礦撞到擺動(dòng)翻板后速度變化較大，焦炭速度變化較小。礦石與焦炭的落點(diǎn)均在料罐的下錐段，料罐在設(shè)計(jì)過程中，針對料罐的下錐段可以設(shè)計(jì)成類似布料溜槽的魚鱗襯板，形成料打料的形式，降低對襯板的磨損，提高襯板壽命。

圖5 不同擺動(dòng)翻版角度的料流軌跡

圖6 不同擺動(dòng)翻版長度的料流軌跡

4.2 擺動(dòng)翻板對爐料軌跡的影響

針對不同的擺動(dòng)翻板角度，在matlab中計(jì)算出相應(yīng)的料流軌跡。如圖5所示，當(dāng)角度較小時(shí)，爐料拋出的水平距離遠(yuǎn)，撞擊部位在料罐的上部，當(dāng)角度大時(shí)，爐料拋出得水平距離近，撞擊部位在料罐的下部。

擺動(dòng)翻版的長度加長，爐料在擺動(dòng)翻版上運(yùn)行時(shí)間變長，水平方向位移增加，爐料沖擊料罐的上部，擺動(dòng)翻版的長度不能過長，同時(shí)也不能過短，容易導(dǎo)致爐料直接沖擊上料閘，選擇合適的擺動(dòng)翻版的長度與角度的組合對料流軌跡有重要的影響。

5 結(jié)論

對爐料從皮帶到料罐的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同爐料的運(yùn)動(dòng)軌跡和擺動(dòng)翻板的角度對爐料運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。在進(jìn)行三并罐的設(shè)計(jì)過程中，通過計(jì)算出料流軌跡，指導(dǎo)料罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理布置不同厚度襯板的位置，延長了設(shè)備的使用壽命，并減少了事故的發(fā)生。本文所述的計(jì)算方法和結(jié)論，同樣適用于普通并罐無鐘爐頂。

[1]王平.無料鐘料流運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模擬[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006,Vol.18(5)：5-9.

[2]畢學(xué)工，丁金發(fā).無鐘高爐裝料裝置內(nèi)爐料運(yùn)動(dòng)的數(shù)字模擬[A].中國金屬學(xué)會(huì).第七屆全國大高爐煉鐵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京：冶金工業(yè)出版社，2006:138-142.

[3]朱清天，程樹森.高爐料流軌跡的數(shù)學(xué)模型[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,Vol.29(9):932-936.

[4]邱家用，高征鎧，張建良等.無料鐘爐頂高爐中爐料流動(dòng)軌跡的模擬[J].過程工程學(xué)報(bào)，2011,Vol.11(3):368-375.

Analysis the Burden Trajectory with Three Hoppers Bell-Less Top

Wei Danfeng Hu Xueping Mu Dan Zhang Liang

(Iron-making Division of WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

For the new development three hoppers bell-less top, analysis the burden trajectory from the belt to the bucket, explore the burden trajectory for the different burden in the BF, and analysis the influence of swing flap for the bell less top equipment for the burden trajectory, the article has certain significance on the design of the three hoppers bell-less top.

Blast furnace Three hopper bell-less top Burden trajectory Swing flap

危丹鋒，男，1986年出生，2011年畢業(yè)于中南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，碩士，工程師，現(xiàn)從事鋼鐵冶金設(shè)備及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TF321.3

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.007

2013-09-10)