三并罐无料钟炉顶料流轨迹分析

危丹锋 胡雪萍 牟 丹 张 良

(中冶南方工程技术有限公司炼铁分公司 湖北武汉430223)



·技术分析·

三并罐无料钟炉顶料流轨迹分析

危丹锋①胡雪萍 牟 丹 张 良

(中冶南方工程技术有限公司炼铁分公司 湖北武汉430223)

针对新开发的三并罐无料钟炉顶，分析炉料从皮带到料罐的运动过程，探讨了不同炉料在炉内的运动轨迹，分析摆动翻板对炉料落点的影响，对三并罐的料罐设计有一定的指导意义。

高炉 三并罐无料钟炉顶 料流轨迹 摆动翻板

1 前言

高炉无料钟炉顶在世界各国得到了广泛的应用，在大型高炉中，估计全世界有无料钟炉顶的大约有200多座。其中，以我国无料钟炉顶高炉的数量为最多，几乎所有新建或大修改造的大高炉都采用无料钟炉顶。以料罐的布置形式区分，无料钟炉顶大体上可分为串罐式和并罐式两种结构。为减小传统并罐的料流偏析，缩短检查维护时间，提高装料能力，适应炉料多样性的要求，在传统并罐的基础上，又发展出新型三罐结构。在三并罐中，为了使料流分别进入三个罐子，在中间添加了摆动翻板。

炉顶料罐的耐磨问题一直制约高炉的安全生产，衬板磨损严重时出现料罐本体磨穿洒料的现象；本文对炉料从皮带到料罐的过程进行分析，建立数学模型，求解出炉料落在料罐内的落点。

2 数学建模

2.1 炉料从皮带上滑落前的运动分析

当炉料处于θ角度时，对此时沿皮带表面切向受力和法向受力进行分析：

V—皮带速度，m/s；

α—皮带倾角，°；

m—炉料的平均质量，kg；

ρ—炉料的平均密度,kg.m-3；

r—炉料运动半径,m。

(1)

maτ=mgsinθ-f1FN

(2)

当aτ为零的时候炉料相对皮带静止，此时炉料的速度即为皮带的速度，当aτ≥0时，炉料开始加速下落，当FN=0时，炉料脱离皮带开始做自由落体运动。

图1 三并罐无料钟炉顶示意图

1-主皮带; 2-主皮带头轮罩; 3-挡板; 4-摆动翻板; 5-上密封阀; 6-料罐

图2 炉料在皮带上受力分析图

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中 v—炉料绝对速度，m/s;v0—炉料初始速度，即为皮带速度,m/s;θ0—炉料开始下落的初始角度，°;f1—炉料与皮带的摩擦系数。

2.2炉料到达挡板时的速度

根据公式(1)与公式(8)解出炉料从皮带分离的速度v1，分离的角度θ1，之后炉料做抛物线运动，不考虑炉料在空气中受到浮力的影响，根据挡板与主皮带中心的距离L1可以求出炉料运动到挡板时的速度v2

(9)

(10)

到达挡板之后，由于炉料与挡板发生碰撞，运动速度发生改变

v3=λ1v2y

(11)

式中 λ1—炉料与挡板碰撞速度折算系数。[1]

图3 炉料在摆动翻板上受力分析

2.3 炉料到达摆动翻板的速度

炉料到达挡板之后垂直下落，在下落的过程中不考虑炉料与挡板之间的摩擦力，根据摆动翻板运动的角度β与摆动翻板中心距皮带中心之间的距离L2，L3,摆动翻板旋转中心与受料面的垂直距离L4计算得到炉料到达摆动翻板时速度：

(12)

(13)

b=L3+L4cosβ-tanβ(L2+L4sinβ)

(14)

v5=λ2v4sinβ

(15)

式中 v5—到达摆动翻板碰撞后的速度,m/s；λ2—炉料与摆动翻板碰撞速度折算系数[2]；β—摆动翻板倾斜角度。

2.4 炉料在摆动翻板上的运动分析

炉料落到摆动翻版后,对其运动过程进行分析，得出炉料出摆动翻板的速度

(16)

式中 v6—炉料出摆动翻板时速度,m/s；f2—炉料在摆动翻板上的摩擦系数[1]；L5—摆动翻板上炉料运动的长度，m。

2.5 炉料在料罐内自由落体运动

不考虑空气阻力对炉料的影响，炉料在三并罐料罐内的运动轨迹为抛物线，其运动的轨迹为抛物线运动，抛物线运动轨迹如下：

x=v6xt

(17)

y=v6yt+0.5gt2

(18)

3 仿真模型验证

因并罐和三并罐无钟炉顶的上料设备类似，故本文的数学模型和分析结果同样适用于并罐炉顶。根据数学模型，笔者在Matlab中开发了相应的计算程序。为了验证仿真模型的正确性，笔者对武钢某高炉并罐无料钟炉顶进行了详细的了解，将并罐无料钟炉顶参数带入仿真模型中进行计算，计算结果对比如下：

表1 计算结果对比表

L6—炉料在挡板落点到头轮中心线垂直距离，m；

L7—炉料在料罐落点到头轮中心线垂直距离，m。

从上面可以看出，建立的仿真模型与武钢提供的结果相近，计算结果的误差率在10%左右，建立的仿真模型能够正确的反映炉料从主皮带头轮到料罐的料流轨迹。

4 仿真分析

4.1 不同炉料颗粒对炉料轨迹的影响

以中冶南方新开发的三并罐作为仿真计算的模型。在计算中颗粒密度必须取颗粒度表观密度，而不是常用的炉料堆积密度，自然状态下表观密度比真实密度小，比堆积密度要大[3]。

在matlab中编写程序，计算出不同炉料颗粒在炉内运动的角度与速度，在模型计算中，炉料速度折算系数λ2与摆动翻板的结构，材质，摆动翻板的角度有很大的关系，焦炭取0.9998-0.0097β，矿石取0.9713-0.0145β。计算结果如表3所示[4]。

表2 不同炉料颗粒的属性

表3 三并罐无料钟炉顶参数

表4 不同炉料颗粒的计算结果

图4 不同炉料的运动轨迹

针对不同的摆动翻板长度，在matlab中计算出相应的料流轨迹。如图6所示。

从数据可以看出，烧结矿与球团矿撞到摆动翻板后速度变化较大，焦炭速度变化较小。矿石与焦炭的落点均在料罐的下锥段，料罐在设计过程中，针对料罐的下锥段可以设计成类似布料溜槽的鱼鳞衬板，形成料打料的形式，降低对衬板的磨损，提高衬板寿命。

图5 不同摆动翻版角度的料流轨迹

图6 不同摆动翻版长度的料流轨迹

4.2 摆动翻板对炉料轨迹的影响

针对不同的摆动翻板角度，在matlab中计算出相应的料流轨迹。如图5所示，当角度较小时，炉料抛出的水平距离远，撞击部位在料罐的上部，当角度大时，炉料抛出得水平距离近，撞击部位在料罐的下部。

摆动翻版的长度加长，炉料在摆动翻版上运行时间变长，水平方向位移增加，炉料冲击料罐的上部，摆动翻版的长度不能过长，同时也不能过短，容易导致炉料直接冲击上料闸，选择合适的摆动翻版的长度与角度的组合对料流轨迹有重要的影响。

5 结论

对炉料从皮带到料罐的运动过程进行了计算，分析了不同炉料的运动轨迹和摆动翻板的角度对炉料运动轨迹的影响。在进行三并罐的设计过程中，通过计算出料流轨迹，指导料罐的结构设计，合理布置不同厚度衬板的位置，延长了设备的使用寿命，并减少了事故的发生。本文所述的计算方法和结论，同样适用于普通并罐无钟炉顶。

[1]王平.无料钟料流运动轨迹数学模拟[J].钢铁研究学报，2006,Vol.18(5)：5-9.

[2]毕学工，丁金发.无钟高炉装料装置内炉料运动的数字模拟[A].中国金属学会.第七届全国大高炉炼铁学术会议论文集[C].北京：冶金工业出版社，2006:138-142.

[3]朱清天，程树森.高炉料流轨迹的数学模型[J].北京科技大学学报,2007,Vol.29(9):932-936.

[4]邱家用，高征铠，张建良等.无料钟炉顶高炉中炉料流动轨迹的模拟[J].过程工程学报，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

危丹锋，男，1986年出生，2011年毕业于中南大学机械工程学院，硕士，工程师，现从事钢铁冶金设备及液压系统设计

TF321.3

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.007

2013-09-10)