新型锌液流量控制器的研制与应用

林国新

（广东中金岭南设备科技有限公司，广东 韶关 512023）

韶关冶炼厂采用精馏法生产精锌，液体粗锌从熔化炉加入铅塔的流量是一个非常重要的参数。粗锌液的稳定与否，是影响精馏塔寿命以及产品产量和质量的重要因素之一。粗锌液流量的不稳定，可能会产生以下三种不良后果：①影响塔盘寿命。②影响精馏质量。③发生冲塔顶的恶性事故。以上三种情况的发生都会影响生产的正常运行，甚至危及员工的生命安全。

1 历史状况

改进前，精馏车间的锌液流量控制采用过两种方法。一种是人工控制两重石墨锥，通过调节石墨锥的升降高度来控制流量的大小，这种方法具有结构简单、操作方便和成本低廉等特性，但是其料量控制完全靠手工调整，料量控制水平受人为因素影响较大，难以实现自动控制。另一种方法是采用自反馈重锤平衡式加料控制器(图1)，该流量控制器对料量的控制比较直观，灵敏度比较好且可以调整，能实现对料量的自动控制；但是该流量控制器的结构比较复杂，安装所需的空间较大，所需的零部件较多，而且部分零部件在高温的环境下容易失效，从而导致整套系统失灵，流量得不到良好的控制，加上零部件需要经常更换，大大增大了生产成本。

图1 自反馈重锤平衡式加料控制器结构示意图

2 理论依据

根据新型锌液流量控制器的结构特点，该控制器涉及到流体力学的一个理论—孔口自由出流。

容器侧壁开一孔，孔的形状规则，液体自孔口流入另一部分液体中，这种流动称为孔口出流。当液体经孔口出流直接与大气接触，称为自由出流，如图2所示。孔口的直径d小于孔口前水头H的1/10，为小孔出流。当孔口具有尖锐的边缘，且器壁厚度不影响孔口出流形状和出流条件，即壁厚〈3d时，称为薄壁孔口。

图2 孔口出流示意图

根据流体力学理论，得出下式：

Q=εAψ（2gH）1/2=μA（2gH）1/2

式中:μ—流量系数；μ＝εψ；A-孔口直径；ε-收缩系数；ψ-流速系数。

上式为薄壁圆形小孔口定常水头自由出流流量计算的基本关系式。反映孔口出流能力与作用水头间的基本关系是Q与H01/2或H1/2成比例，这个规律适合任何形式的孔口出流，但随着孔口形状的不同，阻力不同，断面收缩不同，则ψ与ε将有所不同，亦即流量系数μ不是常数，所以，可以判断在自由出流的情况下，流量与孔口的尺寸大小，流体的种类以及液位的高度等因素有关，可表示为Q=f(H、d、v)。其中H为有效液位，d为孔口的直径，v为流体的运动粘度。

在实际应用过程中，我们认为在加控器内的锌液的物理特性保持不变，孔口的开口形状及大小也确定了，那么出口的体积、流量就只与液位高度H有关。

3 结构、工作原理及性能特点

根据原锌液流量控制器的缺陷，确定改进后的新型锌液流量控制器必须具备结构简单、流量控制灵敏、易于实现自动控制等性能。

经过不断摸索和试验，我们依据以上特点研制了新型的锌液流量控制器，并且在精馏工段的熔化炉后的加控器上安装使用了新型的锌液流量控制器，使得锌液以恒定的流量从熔化炉流入铅塔。

新型的锌液流量控制器如图3所示。该控制器主要有横杆、三角块、浮块、碳化硅棒、锥套等部件组成。

工作原理：正常情况下，整个体系处于平衡状态。当加控器的液面变低时，则表明流入加控器的料量偏小，浮块的浮力瞬间变小，浮块向下运动，通过杠杆作用和重力作用，左边的碳化硅棒向上抬起，碳化硅棒与杯口的间隙增大，使料量增大，加控器的液面逐渐增高，直到整个体系回到平衡状态，锌液流量恢复至设置水平。同理，当加控器的液面变高时，则表明流入加控器的料量偏大，浮块的浮力瞬间增大，浮块向上运动，在杠杆作用和左边的自身重力的作用下，碳化硅棒压下，碳化硅棒与杯口的间隙减小，使料量减小，加控器的液面逐渐降低，直到整个体系回到平衡状态，锌液流量恢复至设置水平。

图3 新型锌液流量控制器结构示意图

体系处于平衡时的公式如下：G2L2=(G1-F)L1

G2：左边碳化硅棒及套的重量；G1：右边浮块的重量；F：浮块的浮力。

性能特点：①可以调整入塔料量。当工艺需要改变入塔料量时，可以通过改变浮块的高度，使平衡状态有不同的值，得到不同的加料量。在生产过程中，不断进行生产实践，可以得到最佳的入塔料量。②通用性强，通过改变横杆的尺寸，可以使锌液流量控制器适用于各种尺寸不同的加控器。③结构简单，安装空间小，便于安装拆卸。

4 应用对比

自反馈重锤平衡式加料控制器和新型锌液流量控制器都能实现料量恒定的流入铅塔，且能实现自动控制。由于现场环境的限制，在熔化炉向铅塔加料的过程中，我们使用是新型的锌液流量控制器，因为在此过程中，我们强调的是加料过程中料量的恒定，避免料量的波动对塔盘造成影响。而自反馈重锤平衡式加料控制器我们则应用在锌锭浇铸系统上，在此过程中，我们要求的是流入每个锌锭模的精锌液体的流量（质量）接近一致，自反馈重锤平衡式加料控制器的精确控制性能最能满足这个要求。

5 结语

经过一段时间的生产实践，证明了新型的锌液流量控制器具有一定的优良特性，适用于精馏塔的加料过程控制。现在，该装置已经推广应用于全车间的所有炉塔，且应用情况良好，很好地解决了加料控制的问题。