基于離散元法螺旋卸料結構與物料出料特征研究

葛俊禮，王 健，徐 寬

(1.河北港口集團港口機械有限公司，河北 秦皇島 066000；2.長城汽車傳動研究院，河北保定 071000；3. 燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

?

基于離散元法螺旋卸料結構與物料出料特征研究

葛俊禮1，王 健2，徐 寬3

(1.河北港口集團港口機械有限公司，河北 秦皇島 066000；2.長城汽車傳動研究院，河北保定 071000；3. 燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

DRI豎爐出料裝置是影響爐內DRI運行行為的重要因素，直接影響產品生產的經濟性和工藝合理性。本文應用離散元法仿真方法，對六種出料結構形式下的物料下降速度分布和填充率進行模擬分析。計算結果表明螺旋出料料結構受料段的葉片外切線與主軸夾角、螺距和螺旋葉片的外徑都是爐底物料運行狀態和填充率的影響因素。出料結構螺距為100 mm、夾角為5°時填充率為50%，出料層速度差最小，數值為0.004 m/s，最滿足物料運行要求。

DRI豎爐；離散單元法；填充率；螺旋卸料

0 前言

螺旋卸料裝置的結構對直接還原鐵的物料運行有著較大影響。出料、布料裝置影響著爐內的物料分布和運動。同層DRI下行速度差越小，DRI順行越流暢，同時爐內的氣流分布越好。近年來，布料裝置的結構是相關技術人員研究的重點之一[1,5]，本文的研究對象為豎爐DRI出料、順行行為與卸料結構的關系。研究中綜合考慮螺旋卸料結構，以離散元為理論基礎，應用離散元分析軟件EDEM對不同卸料結構下的物料的運動行為進行仿真分析，進而研究螺旋卸料結構內的填充率、爐底物料下行速度分布等技術參數間的關系[6, 7]。

1 螺旋卸料結構分析

根據填充料不同，螺旋卸料結構分為受料段、咽喉段和推送段[8]，如圖1所示。物料在受料段處會受到以中心軸為軸心旋轉的螺旋葉片推動作用，物料經咽喉段被送到推送段[9]。其結構的不同直接影響著推送段的填充率，填充率的數值對出料裝置電機功率的選擇有著較大影響[10]。

物料輸送的實際工況決定咽喉段的長度。填充料、零件強度和剛度，是螺旋卸料裝置的設計時考慮的重要因素。

螺旋葉片受料段、咽喉段、推送段的葉片輪廓可由曲線方程組表示，其柱坐標表示公式分別為：

圖1 DRI螺旋卸料設備示意簡圖

受料段：

r1=a

(1)

θ1=360×n1

(2)

z1=n1s1

(3)

咽喉段：

r2=a+s2×tanα1

(4)

θ2=360×n2

(5)

z2=n2×s2

(6)

推送段：

r3=r2+s3×tanα2

(7)

θ3=360×n3

(8)

z3=n3×s3

(9)

式中，r1、r2、r3分別為受料段、咽喉段、推送段的螺旋葉片半徑；n1、n2、n3分別為受料段、咽喉段、推送段螺旋圈數；θ1、θ2、θ3分別為受料段、咽喉段、推送段的螺旋葉片旋轉角度；s1、s2、s3分別為受料段、咽喉段、推送段螺距；α1、α2、α3分別為受料段、咽喉段、推送段螺旋葉片外徑切線與主軸中心線夾角；z1、z2、z3分別為受料段、咽喉段、推送段軸向長度。a的大小由螺旋直徑的經驗根據輸送量大小求得的。

2 建立螺旋卸料離散元模型

本文研究對象DRI豎爐有8套卸料裝置對稱卸料。仿真過程中顆粒的粒徑為8～16 mm，顆粒數為100 000。表1為模擬計算用物理模型。在離散單元法仿真計算中，力-位移定理和牛頓運動定理交替使用[11]。本模型選用的顆粒與幾何體、顆粒之間的相互作用參數如表2所示，顆粒與幾何體的特性參數如表3所示。

表1 方案Ⅰ～Ⅵ的物理模型參數

表2 幾何體、顆粒之間的相互作用參數表

表3 顆粒與幾何體特性參數表

3 結果與分析

應用離散元仿真計算軟件對幾種參數差異的的螺旋卸料過程進行計算，得到差異參數、填充率和物料運行規律之間關系。圖2為仿真計算結果。

3.1 螺旋結構與填充率的關系

圖2為仿真分析卸料結果，可得各個方案的填充率。方案Ⅰ～Ⅵ出料結構推送區填充率分別為100%、90%、80%、100%、60%、50%。 分析圖2知，方案Ⅰ參數下物料的填充率是100%，有以下缺點：(1)由于大的填充率，裝置重新啟動時，對電機功率和扭矩扭矩有較高要求。(2)填充率過大易造成裝置內物料卡料，甚至造成螺旋軸損壞或電機燒損。(3)高填充率下造成物料相互擠壓破碎，降低DRI的成品率。

圖2 各方案物理模型與EDEM模擬結果圖

螺旋葉片外徑是填充率的重要影響因素。對比圖2中方案Ⅰ、Ⅳ結果可知，受料段有相同外徑的螺旋葉片時具有相同的填充率。對比方案Ⅰ、Ⅳ和其余方案，具有不同外徑的受料段螺旋葉片時，對應的填充率也會不同。方案Ⅱ、Ⅲ受料段的α為7°和5°，由表4可知，具有夾角越小，填充率越大，反之越小。方案Ⅲ、Ⅵ螺距分別為200 mm和100 mm，對應的填充率為80%和50%，可知填充率也受到受料段螺距的的影響，螺距小時填充率小，反之越大。

3.2 螺旋結構與爐內物料運行規律關系

爐內同層物料運行速度偏差是衡量物料運行狀態合理與否的重要標準。經過離散元仿真模擬可知，爐內出料層物料運動規律受到出料結構參數的影響。應用EDEM軟件對直接還原爐的對稱剖分模型進行工況仿真計算，在豎爐內高度方向上800 mm位置處截取厚度為20 mm的一個橫斷截面體，提取該處顆粒的物料下降速度數據，如圖3所示。

圖3 顆粒的下降速度曲線圖

方案ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ速度差/m·s-10.0330.0080.0060.010.0050.004

圖3所示為仿真分析的不同參數下直接還原爐內同一位置物料的下降速度曲線。通過對出料結構參數的優化擬達到爐內各層顆粒相同的運行狀態，從而盡可能實現DRI活塞流模式運行。由圖3中所示，橫坐標300～400 mm的位置時，DRI爐底部顆粒流出的最大速度位置為出料口和爐內中心之間。同時處在爐壁和爐內中心處的顆粒具有相對較小的運行速度。分析圖3、表4可得，具有最簡單主軸結構的方案Ⅰ，在徑向距中心430 mm位置，具有最大的下行速度，數值為0.018 m/s，爐內顆粒運行速度差最大。方案Ⅰ物料向下運行時，處在中心處的顆粒運行有向上趨勢，這種不合理的顆粒運行方式將導致顆粒分布不均勻，增大堆積密度差，直接影響爐內氣流分布。爐內300～500 mm處的空隙率增大，而中心位置處的空隙率減小，由于壓力作用，空隙率小的位置氣體流通不暢，而會由空隙率較大的中心處快速流過，造成還原爐內的物料反應進度的不一致。采用變螺旋外徑葉片的方案Ⅱ、Ⅲ，在距中心450 mm處有最大速度。采用變螺距、螺旋直徑的方案Ⅴ、Ⅵ，速度最大值與其它不同，出現位置距離中心距離350 mm處。對比方案Ⅰ、Ⅲ，受料段螺旋葉片外徑影響物料運行。具有為5°的螺旋葉片外徑的方案Ⅲ，對比等外徑的方案Ⅰ，方案Ⅲ有速度差較小，物料出料運行情況更加合理。由表4可知，受料段均采用變外徑螺旋葉片的方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ，尤其是同時采用小螺距的方案Ⅵ，具有最小的物料運行速度差，其數值為0.004 m/s，該方案的模擬結果也是最滿足生產工藝要求的。

4 結論

(1)螺旋卸料受料段的葉片外徑是填充率的影響因素之一。當該區域的葉片外徑夾角越小，填充率越大，反之越小。受料段螺距也是填充率的影響因素，采用小螺距時，卸料裝置內填充率小，反之填充率越大。當受料段為夾角為5°、螺距為100 mm時的物料填充率為50%時，物料出料較滿足生產工藝要求。

(2)豎爐內物料下行同層速度差受料段螺旋葉片外徑影響。對比幾種工況，當螺距為100 mm、夾角為5°時，具有最小的物料運行同層速度差，其數值為0.004 m/s，該工況較滿足爐內顆粒順行要求。

[1] 李強,劉棟梁,張麗娟，等. COREX-3000豎爐爐頂布料過程的DEM仿真[J]. 東北大學學報(自然科學版). 2012, 33(06): 848-851.

[2] 蔡九菊,董輝,傅巍.豎式移動床顆粒流動的研究[J]. 東北大學學報(自然科學版). 2007,28(11): 1599-1603.

[3] Zareiforoush H, Komarizadeh M H, Alizadeh M R, et al. Screw Conveyors Power and Throughput Analysis during Horizontal Handling of Paddy Grains[J]. Journal of Agricultural Science. 2010, 2(02):147-157.

[4] Roberts A W. The influence of granular vortex motion on the volumetric performance of enclosed screw conveyors[J]. Powder Technology. 1999, 104(1):56-67.

[5] 錢良豐,王成玉.優化COREX-3000豎爐布料的實踐[J]. 寶鋼技術. 2011,(06): 18-23.

[6] Dalstra M, Stavaras P, Melsen B. EFFECT OF SCREW THREAD DESIGN ON THE LOAD TRANSFER OF ORTHODONTIC MINI-SCREWS[J]. Journal of Biomechanics. 2012, 45.

[7] Owen P J, Cleary P W. Prediction of screw conveyor performance using the Discrete Element Method (DEM)[J]. Powder Technology. 2009, 193(3):274-288.

[8] 夏國榮,江梅.粘性物料高溫輸送機[J]. 化工礦物與加工. 2009,38(11): 28-29.

[9] 鐘少振,王旭,楊立坤,等.高溫水冷螺旋輸送機的設計與應用[J]. 冶金設備. 2010,(06): 56-58.

[10] Fernandez J W, Cleary P W, Mcbride W. Effect of screw design on hopper drawdown of spherical particles in a horizontal screw feeder[J]. Chemical Engineering Science. 2011, 66(22):5585-5601.

[11] 鄭珊. 離散單元法及其在粉末高速壓制成形模擬中的應用[D].長沙:中南大學, 2008:36-75.

Study of screw conveyor structure and material dischargingcharacteristics based on discrete element method

GE Jun-li1，WANG Jian2，XU Kuan3

(1.Hebei Port Group Port Machinery Co., Ltd., Qinhuangdao 066000, China；2.Great Wall MotorTransmission Research Institude，Baoding 071000, China；3. National Engineering Research Center forEquipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China)

The structure characteristics of the Direct Reduction Iron (DRI) shaft furnace discharging equipment has an important influence on discharging and materials smooth operation in the furnace, it directly affects the rationality and the economic benefit of DRI production process. Using the distinct element method software EDEM, the filling rates and solid material velocity of six different spiral discharging structures are studied in the work. The results found that the diameter of spiral blade, pitch and the angle of blade outside tangent with conveyor main shaft in the feed zone have an influence on the filling rate and the velocity of solid material in furnace bottom. When the angle is 5° and the smallest pitch is 100 mm, the smallest material layer down velocity difference is 0.004 m/s, and the filling rates of the screw conveyor is 50% .This meet the requirements of the smooth operation in the shaft furnace.

DRI shaft furnace;discrete element method;spiral discharge;filling rate

2016-06-18；

2016-09-20

葛俊禮(1985-)，男，博士，河北港口集團港口機械有限公司研發部。研究和工作方向：港口設備，直接還原鐵工藝和設備。

TF321.1

A

1001-196X(2017)04-0043-04