科里奧利原理粉體質量計量秤的應用工藝研究

科里奧利原理粉體質量計量秤的應用工藝研究

Study on Powder Quality Measurement Scales Using Coriolis Principle

周 嘯，賈桂森，李智紅，金 磊

本文針對水泥廠入窯生料計量環節的工藝特點，對基于科里奧利力學原理的大流量粉體質量計量秤的應用工藝進行了深入研究和探討，內容涉及穩定給料裝備研究、計量秤的結構優化、工藝解決方案等方面。

科里奧利力；粉體物料；計量秤；應用工藝

1 引言

眾所周知，基于科里奧利力學原理的粉體質量計量秤（以下簡稱科氏力秤），是通過計量物料的質量流量實現對粉體物料的計量，其工作原理不同于稱重式計量設備。科氏力秤具有計量精度高、量程范圍大、受環境和人為因素干擾相對較小等特點，被廣泛應用于水泥、礦業、化工等工業粉體計量領域。目前，可檢索到的科氏力秤文獻資料中，涉及應用工藝研究的文獻較少。本研究以科氏力秤在新型干法水泥生產線窯尾生料計量與控制環節的應用為平臺，對科氏力秤在物料流量大、給料波動大工況下，實現穩定給料和準確計量的工藝技術進行了深入研究和探討。

2 應用工藝研究的必要性

毋庸置疑，用于在線連續計量的粉體物料計量設備，其使用效果都與工藝條件密切相關，計量的準確度和控制精度不僅取決于計量裝備本身，同時也取決于工藝層面能否為計量設備創造連續、均勻、穩定的給料條件。以新型干法水泥生產線生料計量系統為例，在生料由料倉底部卸出的過程中，其流量和穩定性受諸多因素影響，如生料容重、細度、水分等物理特性，稱重倉進料過程控制和料位變化，流量調節閥調節方式和響應速度，倉底和輸送斜槽配套助流風量、風壓，輸送斜槽長度和斜度等等。實踐表明，即便在工況正常條件下，瞬時流量波動也常達到±20%以上。在大型水泥粉磨站外摻混合材等計量環節，也同樣存在類似問題。為保證科氏力秤在上述工況條件下長期計量的準確度，需要在穩流技術裝備、科氏力秤結構、基本工藝方案等方面進行綜合研究和創新。

3 穩流給料裝置和料流緩沖裝置

3.1 專用流量調節閥

目前，國內大型水泥生產線生料計量環節，基本沿用傳統的電動或氣動流量閥作為預給料裝置，采用氣缸或電動執行器作為流量閥調節機構，通過調節閥芯轉角改變閥門開度，達到調節給料量的目的。由于此類流量閥定位精度低、反應速度慢、調節滯后，因而不可避免地存在流量調節震蕩、給料波動、調節機構動作頻繁、執行器過熱損毀等問題，直接影響計量效果和生產安全。如果用在大流量粉體物料計量環節，則表現得更為突出。

針對上述問題，我們研發了一種“大流量粉體物料專用流量調節閥”，該流量閥采用伺服電機作為閥芯的調節機構，通過PLC對伺服電機進行變頻調速和可編程控制，實現對閥芯的快速調節和精確定位。當測量值與設定值偏差較大時，伺服電機在高轉速下調節流量閥，快速定位流量閥轉子角度；偏差較小時，伺服電機在低轉速下調節、定位流量閥轉子角度。實際使用效果表明，該調節閥具有定位精確（控制精度＜0.001°）、響應速度快（1～15°/s）、過載保護強等特點，且性能穩定，可靠性高，即便在反復啟停的工作狀態下也很少出現故障。作為計量秤的預給料裝置，專用流量調節閥的研制與開發，為實現連續、均勻、穩定給料，為大流量粉體物料準確計量和精確控制創造了前提條件。

3.2 料流緩沖裝置

料流緩沖裝置起到緩解進倉物料沖擊力，釋放夾裹在粉料流中氣體的作用。

生料從均化庫卸入生料稱重倉的過程中，落料高差產生的沖擊力必然對倉內料層造成擾動，尤其在倉內料位較低時，該沖擊力會穿透料層傳遞到倉底，導致倉底卸料波動，增加穩定給料難度。因此，通常要求稱重倉內料位保持在1/3以上。

此外，生料進倉過程中必然會夾裹一定量的輸送氣體，隨著庫內料位升高，氣體無法及時釋放，在料壓下聚集成帶有一定壓力的不規則氣隙，與物料一起從倉底卸出并通過流量閥，造成脈動沖料或斷料，給倉底穩定卸料帶來困難。

為解決該問題，我們設計開發了一種流量緩沖裝置。該裝置呈通道狀，內設數量不等、布置形式不同、帶有一定傾角的緩沖板。物料進入通道后，沿緩沖板逐級滑落到庫內料面上，使物料沖擊力和夾裹的氣體得到有效釋放和分離，即使倉內料位較低時，進料過程也幾乎沒有負面作用，有效解決了生料進倉過程對計量與控制的影響問題。

4 科氏力秤結構的優化

4.1 整流柵和導料板

從科氏力秤的基本結構可知，物料在重力作用下進入秤體，然后滑落至測量盤內，其間產生的沖擊力必然影響測量盤的平穩回轉，對于大流量科氏力秤，這種影響更為嚴重。為降低沖擊力對測量盤平穩運行的負面影響，在科氏力秤進料口增設整流柵和條狀導料裝置。整流柵呈網格狀，物料穿過整流柵進入秤體，不僅可明顯降低物料的沖擊力，同時可有效消除物料在進料口處形成的渦流現象，起到整理料流的作用。導料裝置可有效降低物料滑落角度，在緩解沖擊力的同時，使物料按要求的流向進入測量盤。整流柵和導料裝置有效降低了進料過程對測量盤平穩運行的影響，對保證計量精度、提高設備可靠性起到了積極作用。以上結構優化，對大流量科氏力秤尤顯重要。

4.2 雙向結構測量盤及其高耐磨覆層

科氏力秤測量盤通過傳動軸在電機驅動下勻速水平回轉。測量盤內設有徑向布置的測量葉片，用于捕捉進入盤內的物料，并將物料對葉片產生的反作用力傳遞給測量結構，實現對粉體流量的測量。長期以來，測量葉片被設計成截面呈矩形的單片體，我們稱之為單向結構測量盤。這種形式測量盤必須按要求的方向回轉，且不可更改。如果人為改變轉向，則會在等同流量下得到不同的測量結果。因為物料運動軌跡隨測量盤轉向改變而改變，產生的反作用力也隨之改變。

為解決計量結果受測量盤轉向影響問題，我們研制了一種雙向結構測量盤，將測量葉片設計成扇形截面的棱柱體，形成兩個對稱的工作面。測量盤葉片采用這種結構形式，正/反轉均不影響計量結果，提高了計量秤可操控性。同時，當測量葉片的一個工作面磨損失效時，可通過調整電機的轉向，使另一個工作面投入使用，有效延長了測量盤的使用壽命。

針對粉體物料對測量盤的磨蝕和粘附問題，我們應用真空熔結技術，采用自有配方，對計量秤測量盤表面進行復合處理，獲得洛氏硬度HRC＞68、且韌性優良的高耐磨層，并將其磨制成呈鏡面狀態，解決了測量盤快速磨蝕和微細粉料粘附測量盤的難題。

5 工藝方案及參數優化

5.1 空氣輸送斜槽采用“深槽厚料小角度”設計方案

在流量調節閥與計量秤之間設有空氣輸送斜槽，生料經過斜槽后進入計量裝置，是新型干法水泥生產線生料計量系統普遍采用的設計方案。設置空氣輸送斜槽不僅僅是出于工藝布置考慮，更重要的是，料流在通過斜槽的過程中得到整理，使粉料均勻、穩定、連續地進入計量秤。實踐表明，由于空氣輸送斜槽的結構尺寸、安裝角度、風量、風壓等工藝參數選擇不當，發生斜槽內堆料、斷料、沖料，給生料計量與控制造成困難的案例很多。

輸送斜槽采用“窄槽厚料小角度”的設計思想是在實踐基礎上形成的。“窄槽厚料”是指在不改變通過能力、不影響輸送效果的前提下，通過改變現行輸送斜槽的結構尺寸，減小斜槽寬度，加大深度，達到增加斜槽內料層厚度的目的。實踐表明，斜槽內合理的料層厚度，有助于物料均勻、穩定地通過輸送斜槽，為生料計量與控制創造了條件。“小角度”是針對斜槽安裝角度而言，角度過大會導致物料運動速度過快，料流難以控制，同時會加大對計量設備的沖擊，影響計量準確度；角度過小則無法滿足物料通過量要求。此外，斜槽長度選擇要合理，過長會導致反饋調節速度慢，影響控制準確度，太短則起不到整理和穩定料流的作用，斜槽長度通常應選擇在0.8～1.5m之間。由離心風機為斜槽提供輸送用風，合理選擇斜槽風機風量和風壓，適當控制收塵器風量，也是系統優化的必備條件。

5.2 優化倉底助流用風參數

為使生料從稱重倉側（或倉底）順利卸出，并提供連續穩定的料流，倉側（或倉底）通常設有充氣箱作為助流裝置，以完成粉料的正常輸送。經驗表明，氣源由羅茨風機提供較為合理，風壓和風量要依據儲庫（倉）結構形式、庫容、高徑比、物料種類、特性及臺時產量和操作習慣等進行合理選擇。生產中單位面積充氣量，具體選擇上應有所區別。為了滿足不同工藝方案要求，應該在充氣管路上設置風量調節閥，以便根據現場工況合理調節風量。

6 結語

我們從事科氏力粉體質量計量秤研究，起始于上世紀90年代后期，迄今已有十幾年經驗。目前，相關技術產品不僅廣泛用于水泥行業入窯煤粉、水泥生料、成品水泥、粉煤灰、礦渣粉、電石渣、鋼渣粉、火山灰、窯灰等各種粉體物料在線計量與控制環節，同時跨行業進入鋼鐵、礦業、氧化鋁、化工等其他工業領域。據不完全統計，已有1200余臺套科氏力秤計量系統進入市場，其中50余臺套出口國外。在科里奧利力學原理粉體質量計量領域，我國的研發能力和技術裝備水平已處于世界領先行列。

在科氏力秤研發與應用過程中，我們深切體會到，每一項技術創新產品的成功市場化，都與相關聯應用工藝研究相伴相隨。在遵循計量技術裝備服從于工藝條件和工藝要求這一基準原則的同時，積極展開相關聯工藝對計量過程影響的研究，包括對配套裝備（如給料裝置、輸送設備、儲料裝備等）、工藝參數（物料特性、氣源、風源及風量、風壓等）、物料進庫和出料過程（儲存、卸料、助流、除塵等）等進行同步研究，為科氏力秤在線計量與控制系統創造理想的工藝條件，達到均勻、穩定給料，準確計量，實時有效調節的運行效果。經驗表明：在線計量技術裝備研究，必須與相關聯應用工藝研究有機結合，對于偏重裝備開發，忽視客觀工藝研究的創新理念，我們認為是不可取的。

TQ172.614.2

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1001-6171（2013）05-0048-03

建材（合肥）機電工程技術有限公司，安徽 合肥 230051；

2013-06-07； 編輯：趙 蓮