高爐礦焦槽閘門的分析與計算

□ 金文浩

中冶南方工程技術有限公司鋼鐵公司 武漢 430223

1 高爐礦焦槽閘門概況

閘門是工業生產中常用的一種設備,其性能與可靠性直接影響生產的效率。在煉鐵工藝流程中,高爐礦焦槽用于給高爐輸送原燃料,而礦焦槽閘門用于控制各料倉的啟閉及料口下料流量,選擇合適型式及參數的閘門,對保證高爐正常上料,保障高爐正常生產有重要作用。筆者對高爐礦焦槽閘門進行分析和計算。

2 料倉內物料受力模型

料倉內物料受力模型如圖1所示。在高爐料倉距物料頂面高度h處取一塊物料微元,該微元厚度為dh,料倉截面周長為c,料倉截面積為A。在該微元上表面有上部物料產生的豎直向下的壓應力pv,則向下壓力為pvA。微元自身質量為Aρgdh,ρ為物料堆密度,g為重力加速度,取9.81 m/s2。微元下表面受下部物料豎直向上的壓應力為pv+dpv,則向上壓力為(pv+dpv)A。微元側面受物料與壁面之間摩擦力所引起的切應力Sτ,則產生向上的切力為Sτcdh。

▲圖1 料倉內物料受力模型

受力平衡方程為:

pvA+Aρgdh-(pv+dpv)A-Sτcdh=0

(1)

微元內水平應力和豎直壓應力之比為k,稱作側壓力因數:

k=pw/pv

(2)

式中:pw為水平壓應力。

物料與倉壁的摩擦因數μ為與物料本身屬性相關的常數:

μ=Sτ/pw

(3)

由式(1)～式(3),得豎直壓應力微分方程為:

dpv=[ρg-(μkc/A)pv]dh

(4)

當h為0時,pv為0,解式(4)得:

(5)

根據式(2),得：

(6)

側壓力因數k隨物料深度變化,在水平方向上也不是常數,其值在中心區域小,外側大。對于高爐這類淺存倉易流物料工況,可近似認為k為常數,即料倉同一高度截面內,各點處豎直壓應力與水平壓應力均相等。k值估算為:

(7)

式中:θ為物料的內摩擦角。

3 閘門受力分析

高爐礦焦槽最常用的閘門為內翻板閘門和單扇形閘門。選型時,應重點從二者本身的結構特點出發。當閘門關閉、料倉滿料時,若液壓缸內泄或者液壓系統故障導致液壓缸壓力減小,對于單扇形閘門,物料作用在閥板上的壓力由閥板軸支承力抵消,使得閥板不易自動開啟,可避免或者減少撒料。而內翻板閘門則會被物料壓力頂開,造成撒料。內翻板閘門閥板在閘門內翻轉,而單扇形閘門閥板在閘門外翻轉,故單扇形閘門需要更大的安裝空間。若閘門下方皮帶有密閉除塵要求,由于扇形閘門需向外翻轉閥板,需在落料口處除塵罩上預留閥板動作所需的間隙,故會降低除塵效果;由于單扇形閘門閥板在閘門外,故檢修閥板更方便,且單扇形閘門產生閥板卡阻的幾率更低,如發生卡阻,也更容易排除。針對兩種閘門進行受力分析。

3.1 內翻板閘門

對于內翻板閘門,閘門關閉、料倉滿料時,閘門受力最大,主要承受物料壓力及自身質量。由此,對該狀態下閘門受力進行分析計算。

內翻板閘門受力分析如圖2所示。閥板承受物料水平壓力Fw和豎直壓力Fv,還承受自身重力G,三者共同作用產生垂直于閥板的壓力F2,驅動閥板沿閥板軸轉動。同時液壓缸推力F1作用于閥板上,通過連桿驅動閥板沿閥板軸反方向轉動,二者平衡,使閥板保持關閉靜止狀態。

▲圖2 內翻板閘門受力分析

閘門排料口處物料水平壓力Fw和豎直壓力Fv計算為:

Fw=pwabcosα

(8)

Fv=pvabsinα

(9)

式中:a、b分別為閘門傾斜排料口長度、寬度;α為閘門排料口傾斜角度。

垂直閥板的作用力F2為Fw、Fv的合力再加上閥板重力在垂直閥板方向的分力,即:

(10)

根據力矩平衡,有:

F2L2-F1L1=0

(11)

式中:L1為液壓缸推力對應力臂;L2為垂直閥板作用力對應力臂。

由此得液壓缸推力F1為:

F1=F2L2/L1

(12)

考慮安全因數K1為1.2～1.4,取K1為1.3,于是有:

F1=F2L2K1/L1

(13)

結合式(5)～式(10)、式(13),并將式(5)、式(6)中的高度h替換為閘門閥板中心距料倉頂部高度H,可估算出閘門正常工作所需的液壓缸最小推力F1:

(14)

(15)

Fw=pwabcosα

Fv=pvabsinα

F1=F2L2K1/L1

3.2 單扇形閘門

對于單扇形閘門,閘門關閉、料倉滿料狀態下,閘門開啟時受力最大,主要承受物料與閥板內側的摩擦力、自身質量及轉動部位的摩擦力產生的阻力矩作用。由此,對該狀態下閘門受力進行分析計算。

閥板承受壓力F2作用與內翻板閘門類似,此處不重復敘述。單扇形閘門受力分析如圖3所示。當閥門開啟時,F2在閥板與物料間產生摩擦力,閥板軸運動副間的摩擦力及閥板重力G產生阻力矩,同時閥板受液壓缸推力F1作用產生動力矩,通過連桿驅動閥板沿閥板軸轉動。液壓缸桿端與閥板鉸接軸承處摩擦力相對較小,為便于計算,忽略不計。垂直閥板的作用力F2的分析及計算與內翻板閘門一致。

▲圖3 單扇形閘門受力分析

根據力矩平衡方程,有:

M1+M2+GL0-F1L1=0

(16)

式中:M1為閥板與物料間產生摩擦力產生的阻力矩;M2為閥板軸摩擦副間的摩擦力產生的阻力矩;L0為閥板重力的阻力臂。

M1=μ1F2r1

(17)

式中:μ1為閥板與物料間的摩擦因數;r1為扇形閥板內側半徑。

M2=μ2F2r2

(18)

式中:μ2為閥板軸摩擦副間的摩擦因數;r2為閥板軸的半徑。

考慮安全因數K1為1.2～1.4,取K1為1.3,由式(16)～式(18)得:

F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1

(19)

結合式(5)～式(10)、式(19),并將式(5)、式(6)中高度h替換為閘門閥板中心距物料頂部料面高度H,可估算出閘門正常工作所需的液壓缸最小推力F1:

Fw=pwabcosα

Fv=pvabsinα

F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1

對于內翻板閘門,設計時一般為液壓缸無桿腔得壓,油缸伸出時對應閘門關閉動作,而對于單扇形閘門為無桿腔得壓,液壓缸伸出時對應閘門開啟動作。這樣可以保證上述兩種閘門在受力最大狀態時,均為液壓缸無桿腔得壓,液壓缸推力最大,可降低液壓系統工作壓力及液壓缸直徑。

液壓缸所需最小壓力D計算為:

(20)

式中:D為液壓缸無桿腔直徑。

4 料流速度計算

閘門的出料速度與閘門料口尺寸、物料間黏附力及物料內摩擦角等有關。

高爐礦焦槽一般采用傾斜放料方式,主要是為了使物料離開落料口時產生沿皮帶方向的水平分速度,既可減小對皮帶的沖擊,又可減少物料堆積,有效避免撒料。

當垂直于閘門放料口的水力半徑R大于等于物料臨界水力半徑Re時,有:

(21)

式中:v為沿閘門出料口流出的物料平均速度;λ為放料因數;τ0為物料初始抗剪強度。

λ與物料的干燥程度、形狀大小及是否規則有關系,流動性越好,λ越大。對于高爐礦焦槽,物料一般為燒結礦、焦炭、塊礦雜礦,λ取0.4。

礦焦槽閘門傾斜放料口均為矩形,有:

(22)

式中:d為物料標準塊度。

(23)

當R小于Re時,有:

(24)

沿閘門出料口流出的物料流量Q為:

Q=60ρabv×10-3

(25)

設計選型時應注意:

Qg≤Q≤Qp

(26)

式中:Qg為滿足工藝生產的最大物料供應流量,由生產工藝決定;Qp為閘門下部皮帶輸送機能承受的最大物料流量,由物料屬性和皮帶輸送機的能力決定。

5 閘門計算舉例

5.1 基本參數設定

筆者以2 000 m3級高爐最常用的800 mm×800 mm內翻板閘門和單扇形閘門為例,進行受力及物料流量計算。高爐礦焦槽常用物料屬性參數見表1。

表1 高爐礦焦槽常用物料屬性參數

料倉及閘門尺寸參數見表2。

表2 料倉及閘門尺寸參數表

5.2 閥門受力計算

分別對內翻板閘門和單扇形閘門進行受力計算,結果分別見表3、表4。

表3 內翻板閘門受力計算結果

表4 單扇形閘門受力計算結果

由上述計算結果可知,對于內翻板閘門,當料倉物料為球團礦或塊礦時,閥門受力最大,液壓油壓力最大,故按該壓力來確定液壓系統工作壓力。液壓系統工作壓力應不小于11.3 MPa,建議設定為12 MPa～13 MPa為宜。對于單扇形閘門,當料倉物料為塊礦時,閥門受力最大,液壓油壓力最高,故按該壓力來確定液壓系統工作壓力。液壓系統的工作壓力應不小于10.8 MPa,建議設定為11.5 MPa～12.5 MPa為宜。

5.3 閘門料速計算

分別計算閘門排料口水力半徑及物料臨界水力半徑,結果見表5。

表5 閘門排料口水力半徑及物料臨界水力半徑計算結果

故燒結礦、球團礦、塊礦、雜礦應選用式(21)估算物料流量,焦炭應選用式(24)估算物料流量,計算結果見表6。

表6 閘門物料流量計算結果

由上述計算結果可知,由于物料本身流動性、堆密度等參數不同,同樣的閘門,不同物料的物料流量差別很大。在設計時,為了減少閘門規格,增強閘門的適用性,一般在閘門上設手動調節裝置,通過手輪調節閘門內調節板的開度,進而調節閘門實際排料口尺寸,達到調節物料流量的目的。

6 結論

由上述分析、計算可以看出,料倉和閘門的結構尺寸以及物料屬性對閘門的受力和物料流量影響很大。參照上述800 mm×800 mm閘門,設定物料為燒結礦,僅改變料倉截面積,其余參數不變,計算垂直閥板的作用力,將結果繪制成曲線圖,如圖4所示。由圖4可知,隨著料倉截面積增大,垂直閥板作用力增大,但增大的趨勢逐漸減小。當料倉截面積增大至一定值時,垂直閥板作用力趨于穩定。

▲圖4 垂直閥板作用力隨料倉截面積變化曲線

同樣,參照上述800 mm×800 mm閘門,設定物料為燒結礦,僅改變料面高度,其余參數不變,計算垂直閘板作用力,將結果繪制成曲線圖,如圖5所示。由圖5可知,隨著料面高度增大,垂直閥板作用力增大,當料面高度增大至一定值時,垂直閥板作用力趨于穩定。

▲圖5 垂直閥板作用力隨料倉高度變化曲線

若需增大料流速度,除了增大閥門料口尺寸及閥門傾斜角外,還可增大物料的干燥度、提高形狀的規則度,減小物料平均塊度等,以增加物料的流動性。