曲線落料管技術(shù)剖析及對傳統(tǒng)落料管優(yōu)化設(shè)計

廖 輝 蘇金輝 陳勝飛 鐘育生 陳鵬河

福建龍凈環(huán)保股份有限公司 龍巖 364000

0 引言

在散料輸送系統(tǒng)中，落料管的作用是將不同空間位置的輸送機(jī)卸料點和裝料點連接起來，物料在落料管中依靠自身動能和重力勢能從落料管入口運動到出口，落料管能否正常工作關(guān)系到整套散料輸送系統(tǒng)能否順暢、連續(xù)、可靠的運行。

隨著散料輸送運用領(lǐng)域的擴(kuò)展，落料管中運送的物料變得多種多樣，不同物料的料性特征相差巨大，力學(xué)表現(xiàn)差異巨大。落料管的接口位置各不相同，從最簡單的同一平面內(nèi)小高差對接到不同平面的空間大高差對接，最大落料高差可達(dá)到50 m以上。這就決定了落料管設(shè)計必須是精細(xì)的定制化設(shè)計，如果設(shè)計不合理，很可能出現(xiàn)堵料、磨損、落料跑偏等問題，直接導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)或破壞性損傷。

另外，物料在落料管轉(zhuǎn)運過程中易出現(xiàn)粉塵無組織排放，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量及運行環(huán)境，有悖安全、文明生產(chǎn)的要求，損害運行人員身心健康。GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限制 化學(xué)有害因素》規(guī)定：煤塵中含有10%及以下游離二氧化硅時，工作場所空氣中含塵濃度總塵不應(yīng)大于4 mg/m3，呼塵不應(yīng)大于2.5 mg/m3，除塵系統(tǒng)向室外排放濃度不應(yīng)大于60 mg/m3。隨著國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和要求的不斷提高，散料輸送的環(huán)保壓力將越來越大，必須采取有效手段降低落料管粉塵污染。

1 落料管技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 落料管技術(shù)簡介

1.1.1 傳統(tǒng)落料管技術(shù)

傳統(tǒng)落料管伴隨帶式輸送機(jī)發(fā)展而來，其設(shè)計理念僅考慮將物料進(jìn)行空間位置的轉(zhuǎn)移，不考慮環(huán)保及耐用性等因素。落料管截面普遍為矩形，截面面積一般參考帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊，根據(jù)輸送機(jī)帶寬進(jìn)行匹配，不考慮該輸送機(jī)實際輸送量以及不同物料特性。落料線路通常按上游卸料點和下游裝料點之間的最短線路設(shè)計，落料傾斜角度越大越好，需要配置緩沖鎖氣器來減少直落物料對下游膠帶的沖擊，如圖1所示。落料段出料口結(jié)構(gòu)和落料管主體一致，未做特殊設(shè)計。傳統(tǒng)落料管的優(yōu)勢是設(shè)計、制造簡單，生產(chǎn)成本通常較低，在行業(yè)內(nèi)依然占據(jù)主流。

圖1 傳統(tǒng)落料管

1.1.2 曲線落料管技術(shù)

如圖2所示，曲線落料管技術(shù)是隨著計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展起來的一種較為新穎的落料管設(shè)計理念，該技術(shù)在國外稱為慣性流動技術(shù)（Inertial Flow Technology IFT），國內(nèi)部分企業(yè)也稱為3-DEM技術(shù)。該技術(shù)的本質(zhì)是采用離散元仿真（Discrete Element Method，DEM）的方法，對物料在落料管中的運行狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)研究，通過調(diào)整落料管截面形態(tài)、落料管轉(zhuǎn)運線路、傾斜角度等參數(shù)，最終實現(xiàn)對落料管內(nèi)物料運動狀態(tài)的有效控制，特別是控制出口物料的流速、粉塵、不跑偏等關(guān)鍵參數(shù)[1]。

圖2 曲線落料管

簡而言之，曲線落料管技術(shù)是在傳統(tǒng)落料管設(shè)計的基礎(chǔ)上，借助離散元仿真的手段，通過調(diào)整落料管形態(tài)，實現(xiàn)物料減速、匯集狀態(tài)，從而達(dá)到了降塵、降噪、減少局部沖擊磨損、減少跑偏等有益效果。

1.2 曲線落料管運用現(xiàn)狀

近10年來，曲線落料管技術(shù)在國內(nèi)得到逐步推廣，更多的企業(yè)在設(shè)備改造和新建項目中都愿意嘗試該技術(shù)，國內(nèi)參與到該項產(chǎn)品競爭的企業(yè)也越來越多。然而根據(jù)使用效果的反饋，各曲線落料管工程應(yīng)用效果參差不齊，甚至同一企業(yè)的同類型產(chǎn)品在同一項目中的效果也好壞不一。曲線落料管的運用目前存在缺乏物料準(zhǔn)確標(biāo)定、缺乏應(yīng)用領(lǐng)域限定、設(shè)計質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題。

1.3 曲線落料管對傳統(tǒng)落料管的優(yōu)化設(shè)計啟示

曲線落料管相對于傳統(tǒng)落料管綜合性能有所進(jìn)步，如果將其部分技術(shù)引入傳統(tǒng)落料管設(shè)計，可獲得一種價格相對低，性能滿足當(dāng)今需求的改進(jìn)型落料管產(chǎn)品。

從設(shè)計理念看，傳統(tǒng)落料管應(yīng)融入對物料運動狀態(tài)進(jìn)行控制的思想，物料在管內(nèi)減速、匯集狀態(tài)運行，落料管的截面積應(yīng)根據(jù)實際工況決定，減少料流誘導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)生粉塵[2]。

1）頭部漏斗設(shè)計 落料管應(yīng)控制物料拋出后與漏斗壁板的撞擊夾角，通過調(diào)整漏斗寬度、壁板傾角等參數(shù)，減小物料對漏斗的撞擊。

2）落料管中段設(shè)計 應(yīng)通過合理布置落料管傾角等方式，控制物料在落料管內(nèi)運動速度，避免過快引起粉塵，過滿引起堵料。同時落料管截面可采取6邊形結(jié)構(gòu)，使物料呈現(xiàn)匯集狀態(tài)。

3）落料管出口設(shè)計 傳統(tǒng)落料管應(yīng)參考曲線落料管采用特殊設(shè)計，使物料對齊下游輸送帶，并使物料出口運動矢量接近輸送帶運行矢量，減小物料對輸送帶的磨損。

3 落料管常見故障與應(yīng)對設(shè)計措施

3.1 防堵料設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

落料管防堵料設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)是控制落料管截面積和物料流速，保證在最惡劣工況下，截面積依然可以保證足夠的物料通過。堵料最容易發(fā)生部位是物料在撞擊壁面后由于其運行方向改變，運動速度降低，導(dǎo)致物料在局部堆積堵料[3]。

落料管最小截面面積為

式中：Q為輸送機(jī)設(shè)計運量；v為物料在落料管內(nèi)撞擊后的運行流速；γ為物料運動時的堆積密度；k為料流截面填充系數(shù)，取值0.35左右。

如圖3所示，物料在管內(nèi)撞擊后的流速v由物料與壁面的摩擦角和壁面的傾斜角度決定，即

圖3 料流速度

式中：v1是料流在撞擊前的速度，θ是進(jìn)入物料相對落料管表面的夾角，φ是物料與溜槽的滑動摩擦角，α是落料管壁面的傾斜角度。

為求取v1，應(yīng)根據(jù)物料從滾筒處拋出后水平分速度vx和拋物線圖形得到物料自由下落高度為H，則豎直方向速度為

某改造項目落料管尺寸為700 mm×700 mm,輸送物料為焦炭，落料管傾角為35°，業(yè)主反映當(dāng)實際運量大于180 t/h時即發(fā)生堵料。根據(jù)本文理論計算式，得到當(dāng)焦炭的安息角為35°時落料管的理論最大運量為172.8 t/h。采用離散元軟件進(jìn)行建模分析，以180 t/h作為輸入條件，仿真顯示物料在撞擊處發(fā)生動能損失，局部物料速度降低為0并開始堆積，出口質(zhì)量流量低于入口質(zhì)量流量，現(xiàn)有條件下該落料難以超過180 t/h的運量。如圖4所示。

圖4 某改造項目的堵料離散元分析

3.2 防磨損設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 明確被輸送物料的磨琢特性

物料和與落料管壁面作相對運動時，壁面將被磨損，可以理解為物料顆粒造成落料管壁面的劃傷和碎片脫落。其磨損速度與物料磨琢性、物料運動狀態(tài)、落料管壁面材料等因素相關(guān)。

根據(jù)GB 50431—2008《帶式輸送機(jī)工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，物料磨琢性可分為4個等級：非磨琢性（代碼5）、磨琢性（代碼6）、磨琢性強(qiáng)（代碼7）、非常鋒利（代碼8）。如常規(guī)電廠內(nèi)輸送的煤炭磨琢性為代碼6，而鋼廠內(nèi)輸送的焦炭、水渣的磨琢性為代碼7。

3.2.2 明確落料管的耐磨材料性能[4-6]

1）低合金結(jié)構(gòu)鋼Q355 與舊牌號16Mn的耐磨性能一致，廣泛應(yīng)用于電廠輸煤系統(tǒng)，制作安裝簡便，性價比高，缺點是耐磨損性能一般，通常只用于磨損代碼不大于6的物料運輸中，或設(shè)計成料打料形式。例如惠州和鄂爾多斯某輸煤均采用了16 mm厚度的Q355鋼板作為耐磨襯板，實際反饋使用效果良好。

2）高錳鋼 常見型號為ZGMn13，材料具有較高韌性和強(qiáng)度，適用于沖擊較大、物料硬度較高的場所，在物料沖擊下，其表面出現(xiàn)加工硬化傾向，產(chǎn)生數(shù)倍于碳素鋼的耐磨性能。該材質(zhì)不適用于輸煤系統(tǒng)。例如河北某鋼鐵項目，輸送焦炭、鐵礦石，耐磨材料采用16 mm厚度的ZGMn13作為耐磨襯板。

3）新型耐磨鋼板 國內(nèi)生產(chǎn)的NM系列鋼板是一種低合金高強(qiáng)度耐磨鋼，制造、安裝、維修成本較低，但是其焊接需要預(yù)熱，焊后需要保溫。NM360鋼板其使用壽命約達(dá)到Q355的2.9倍，抗拉強(qiáng)度大于1 100 MPa。此外還有NM400/NM450/NM500可供選擇，其耐磨性能和力學(xué)性能逐級提高。例如安徽某輸煤管帶項目，配置10 mm厚度NM360耐磨襯板。

4）堆焊耐磨襯板 用普通鋼板作為基板，在其表面采用埋弧自動焊，堆焊高硬度、高鉻合金的耐磨焊絲制造而成。鉻含量達(dá)25%～30%，抗磨損和抗沖擊綜合耐磨性能優(yōu)異，可用于磨琢性代碼為7的物料輸送。缺點是切割困難，焊接時僅有一側(cè)基板可供焊接。例如廣東某項目輸送物料為水渣，配置堆焊耐磨襯板（10+10 mm)，使用效果良好。

5）陶瓷耐磨襯板 以氧化鋁為主要原料，經(jīng)過高溫焙燒而成特種剛玉，對一般材料的磨損和腐蝕有極高的抵抗力，可達(dá)到Q355襯板耐磨性能的數(shù)十倍，可用于磨琢性代碼為7的物料輸送。缺點是采購價格高，制作安裝不變。在沖擊工況下容易破碎，導(dǎo)致耐磨性能喪失。常采用膠水粘貼的固定方式，長期使用后易脫落。

3.2.3 合理控制物料在管內(nèi)運動狀態(tài)

控制物料運動狀態(tài)是減少局部破損的有效手段。設(shè)物料在與壁面碰撞前具有初始動能E1，碰撞后物料動能E2，則碰撞前后動能改變量E1-E2中的絕大部分能量將轉(zhuǎn)移到落料管上，造成局部磨損。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)預(yù)判物料運動路線以及物料與落料管的撞擊位置，并采用以下3種手段優(yōu)化耐磨設(shè)計：

1）通過調(diào)整落料管傾斜角度或減小物料自由落體加速的距離，以降低物料的運動速度，從而降低其初始動能E1。

2）通過改變壁板的空間位置，減小物料與壁板撞擊時的夾角，使料流運動更加順暢，從而提高碰撞后物料動能E2。

3）合理布置落料管線路，將物料對落料管的局部集中磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閷φ麠l線路的均勻磨損[7]。對于無法避免的集中磨損區(qū)域，應(yīng)采用更高規(guī)格的耐磨材料或設(shè)計料打料形式。

關(guān)于料流對落料管的磨損情況，可借鑒曲線落料管設(shè)計手段，通過離散元軟件建模仿真，讀取落料管局部的切向累計力和法向累計力進(jìn)而判斷。

某焦炭輸送項目設(shè)計采用襯板為16 mm厚度的Q355材料，物料從頭部滾筒拋出后近似自由落體下落，運動距離約4 m，設(shè)計過程未對材料耐磨性能進(jìn)行分析，由于物料初始動能較大，物料自身磨琢性較強(qiáng)，導(dǎo)致局部沖擊磨損集中，運行時間不足1個月就出現(xiàn)了破損，如圖5所示。從側(cè)面反映了耐磨損設(shè)計的重要性。

圖5 落料管磨損分析示意圖

3.3 防落料跑偏設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上下游輸送機(jī)的相對位置，落料管轉(zhuǎn)運物料的方向可能處于0°～180°范圍內(nèi)，當(dāng)物料轉(zhuǎn)運方向不在同一立面時，物料大多數(shù)情況要經(jīng)過一定角度偏轉(zhuǎn)，如果料流在管內(nèi)經(jīng)過轉(zhuǎn)彎后的離心力未得到有效抵消，物料仍保持轉(zhuǎn)彎前運動趨勢，其受合力方向與落料管出口方向不重合，從而導(dǎo)致落料不對中，輸送帶截面上載荷不均勻，極易導(dǎo)致輸送帶跑偏[8]，如圖6所示。

圖6 落料管落料對中分析

為解決此問題，落料管出口的結(jié)構(gòu)形式必須經(jīng)過特別設(shè)計。《CEMA》中稱該結(jié)構(gòu)為engineered loading spoon，國內(nèi)廠商稱其為接料匙、承料匙、布料溜槽等，其普遍的結(jié)構(gòu)特征有以下4點，可供傳統(tǒng)落料管優(yōu)化設(shè)計參考。

1）落料出口寬度收縮，強(qiáng)制限定物料落入輸送帶的中心位置。落料出口應(yīng)保證有較長的一段距離對齊輸送帶方向，使物料有充足距離對齊下游膠帶。

2）落料出口采用向前擴(kuò)容的設(shè)計，可避免由于出口收縮導(dǎo)致出口截面積過小。另一方面增加誘導(dǎo)氣流活動空間，當(dāng)物料沖擊膠帶時，高速氣流可在擴(kuò)容空間內(nèi)減速減壓，避免氣流直接從導(dǎo)料槽邊緣噴出產(chǎn)生污染。

3）落料出口傾斜角度逐漸減小，目的是改變料流的運動方向，盡量使料流運動方向接近膠帶運行方向，減小物料對膠帶的豎直方向沖擊。

4）控制落料出口到膠帶面的距離，避免物料離開落料管口后做長距離、不受控的自由落體運動，落料管出口到膠帶理論中心面的距離控制在150～200 mm范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)落料管的綜合性能無法滿足當(dāng)前市場的需求，相比較曲線落料管著重考慮了料流的運動狀態(tài)可控性，其設(shè)計理念更加符合環(huán)境友好型社會的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)落料管的設(shè)計過程中，可以部分借鑒曲線落料管的技術(shù)，針對堵料、磨損、落料跑偏等現(xiàn)象采取相應(yīng)措施，使傳統(tǒng)落料管整體性能有較大提升，填補(bǔ)了曲線落料管和傳統(tǒng)落料管之間的空白。從已執(zhí)行的項目來看，傳統(tǒng)落料管優(yōu)化后取得的效果令人滿意。