滕 杰 郭 庆 郭柄江 赵 磊 马学东

(1.山东天承矿业有限公司， 山东 莱州 261400； 2.辽宁科技大学机械工程与自动化学院， 辽宁 鞍山 114000)

0 前言

目前高炉布料溜槽的长寿化措施主要有两种：一是溜槽制作选用具有抗冲击及耐磨损性能的材料[1]，但材料防护属于被动防护，且采用高合金钢制造溜槽的造价高昂。二是改进溜槽结构，提出槽内积料的“料打料”及“料磨料”式溜槽[2-3]，使物料在溜槽内形成料垫，依靠料垫的缓冲来减轻料流对溜槽的冲击。但在强大料流的冲击下，料垫的物料颗粒被击飞或积料过少，导致料垫对溜槽本体的防护达不到理想效果。现有积料式布料溜槽的使用寿命仅为6～8个月。为了延长现有积料式布料溜槽的使用寿命，本文针对现有积料式溜槽进行改进，并对积料式溜槽的料垫形成机制及溜槽抗冲击耐磨损特性进行深入的理论研究。

传统的计算方法并不能明确溜槽内料垫的形成机制，也无法量化料流的冲击力，而离散元法以牛顿第二定律为基础，在散体物料输送、颗粒的振动偏析、颗粒冲击的机理研究方面取得了非凡的成绩，并得到了广泛的应用[4-6]。离散元法可量化布料过程中料流的冲击力，明确槽内料垫的形成机制。

综上所述，拟依据粉体力学理论，设计能形成料垫的布料溜槽结构，并采用离散元分析软件模拟所设计溜槽内部的料垫形成情况，最后模拟对比积料式布料溜槽和光板直溜槽的落料，量化两种溜槽所受的料流冲击力以及近壁面颗粒的滑动速度，明确布料溜槽的抗冲击抗磨损评价指标。所做工作可以为高炉布料溜槽的长寿化提供理论参考。

1 料垫形成的定性分析和溜槽的积料结构

1.1 料垫形成的定性分析

如果物料(水分较少的干物料)在一个斜槽上方沿宽度缓慢落料，且落料点的高度较小，落料量适中，则物料在安息角的作用下最终形成三棱锥形的料堆，如图1所示。如果在落料正下方挖一个圆弧坑，在上述落料条件下，物料将积满圆弧坑，且圆弧坑上方也将形成三棱锥形的料堆，如图2所示。

图1 料堆形状

β-斜面倾角；γ-干物料的安息角图2 挖圆弧坑后料堆形状

如果物料在斜槽上方快速落料，且落料点的高度较大，落料颗粒的动能及势能较大，料堆将受到落料颗粒较大的冲击力。当料堆的内摩擦力不足以抵抗落料颗粒的冲击力时，料堆内部的颗粒层将产生剪切滑移，从而导致料堆解体，斜槽的斜面上积不住料。在这种情况下，即使斜槽的斜面存在圆弧坑，斜面也积不住料。

图3 圆弧坑积料受力分析

如上所述，在强大的料流冲击之下，圆弧坑能积住料，却积不满料。圆弧坑的料层与料层之间、料层与圆弧坑壁面之间会产生滑移，因此圆弧坑物料和圆弧坑壁面之间会出现相对运动，最终形成图3的料堆形状。在圆弧坑内，沿料层的流线(即滑移线)取一小料块，并对其进行受力分析，如图3所示。由于物料沿流线滑移，小料块所受的摩擦力方向和料块的运动趋势相反，上层摩擦力Fm1和下层摩擦力Fm2的方向向右。沿坐标系XOY，料块处于不滑移临界状态时的力平衡方程为：

∑Fx=0Fm1+Fm2+p3-p4=0

(1)

∑Fy=0p1+Gcosθ-p2=0

(2)

其中：Fm1=fp1

(3)

Fm2=fp2

(4)

式中：p1、p2、p3、p4——小料块上、下、左、右所受到的压力，N;

f——摩擦系数；

Fm1、Fm2——小料块上、下所受的摩擦力，N；

G——小料块所受重力，N；

θ——p1、p2与G的夹角，(°)。

为了增加圆弧坑的积料，应增大p3，因此在圆弧坑的左方增加凸起A，可以起到阻料及增大压力的作用，防止小料块滑移。料块所受的压力还与料块所处的深度有关。根据Janssen的研究[7]，薄料层较薄时，底层物料受到的压力大小与深度近似呈正比关系，因此，底层物料所受的压力较大，摩擦力也较大，所以滑移困难，滑移位移很小。另外，料块所受的压力还与料堆上表面所受的颗粒冲击力有关。相比下层物料，上层物料所受冲击力更大，因此上层物料更易发生滑移。

料垫形成是一个复杂的过程，不但与以上各因素有关，还与颗粒的大小、形状以及料槽的倾角大小、宽度、收口形状等因素有关。上述分析仅属于定性分析，但离散元方法可作出定量分析，明确料垫形成的机制。

1.2 溜槽的积料结构

依据以上分析，对原有积料式溜槽进行改进：在溜槽内腔料流冲击区下部设计一个可形成积料坑的内凹大圆弧；为了兼顾溜槽倾动过程槽内积料的减少，在靠近出口一侧增加两道上凸的圆弧筋，目的是进行阻料；溜槽本体的进料侧采用等宽槽道，出料侧采用上翘且收窄的圆锥形槽道，目的是增加槽内积料；溜槽出口为上翘设计，可防止料流的脱流。改进后的溜槽结构如图4所示，具体几何尺寸见表1。

图4 改进后的积料式溜槽出口示意图及 横截面剖视图

2 溜槽布料过程的离散元分析

2.1 布料溜槽的失效形式

高炉布料过程中，布料溜槽的失效形式主要表现为料流冲击区的溜槽底板被击穿及底板磨损。冲击破坏是溜槽破坏的最主要原因，料流冲击区的溜槽底板被击穿的过程如下：近壁面物料颗粒与料流冲击区底板发生剧烈摩擦，冲击区底板逐渐被磨薄，最后在冲击力作用下，底板被击穿。

表1 改进后的积料式溜槽的几何尺寸

根据干摩擦磨损理论，磨损与压力、摩擦副之间的相对滑动速度有关。因此，布料溜槽的磨损不仅与溜槽底板所受的冲击力有关，还与近壁面物料颗粒的流动速度有关。

2.2 离散元模型的构建及参数设定

为了凸显积料式溜槽的积料效果及积料对溜槽底板的保护作用，对积料式溜槽和光板直溜槽进行了离散元对比模拟研究，这两种溜槽的仿真模型如图5所示。对两种几何模型进行模拟时，溜槽的倾角、长度等参数都设为一致。炉料颗粒沿中心喉管下落到溜槽上并在溜槽内流动，然后进入高炉炉腔之中。这两种仿真溜槽模型的尺寸见表2，溜槽材质均为钢。

表2 光板直溜槽和积料式溜槽仿真模型的几何尺寸

1-喉管； 2-溜槽； 3-炉体局部图5 溜槽离散元仿真模型

溜槽抗冲击、耐磨损性能的关键在于溜槽内部是否形成料垫，故选取最难积料的球团矿颗粒。把颗粒模型设为球形，并根据实际球团矿的颗粒尺寸及下料速度，设定颗粒模型的半径为20 mm，球团矿颗粒下料的速度为800 kg/s，溜槽转速设定为7.5 r/min。球团矿颗粒和溜槽模型的物性参数以及球团矿颗粒与球团矿颗粒之间、球团矿颗粒和溜槽之间的接触属性[8]见表3和表4。

表3 炉料和溜槽模型的物性参数

表4 炉料与溜槽模型的接触属性

3 离散元结果分析

3.1 积料式溜槽积料效果分析

根据以上的参数设定及现场实际情况，对积料式溜槽的两个极限工位——溜槽倾角分别为20°和40°时的布料过程进行了模拟仿真，模拟总时长为12 s，模拟结果如图6所示。由图6可知，在两个极限工位(溜槽倾角为40°和20°)，积料式布料溜槽的炉料都在冲击区下方产生积料，形成料垫。

图6 12 s时积料式溜槽布料过程的模拟结果

图7 冲击区颗粒对溜槽底板产生的平均冲击力的变化曲线

3.2 两种溜槽所受冲击与磨损定量分析

3.2.1 两种溜槽所受冲击力定量分析

高炉炉料沿中心喉管下落至布料溜槽，会对布料溜槽产生较大的冲击，料流下方溜槽冲击区所受的冲击力最大。溜槽倾角分别为40°和20°时，积料式溜槽和光板直溜槽底板所受冲击力的变化曲线如图7所示。

由图7可知，积料式溜槽底板所受的冲击力随时间的增加迅速减小。当溜槽倾角为40°时，积料式布料溜槽底板所受冲击力稳定后(2 s后)，冲击力平均值仅为光板直溜槽的10.1%，冲击力标准差仅为光板直溜槽的2.1%；当溜槽倾角变为20°时，光板直溜槽中炉料颗粒对溜槽底板产生的平均冲击力明显增大，而积料式溜槽底板所受冲击力仅在下料初始阶段明显增大，其余时刻一直维持在一个非常低的数值上，积料式溜槽冲击力稳定后(2 s后) 的平均值仅为光板直溜槽的17.2%，标准差仅为光板直溜槽的3.2%。这说明本文所述的积料式布料溜槽能够大幅减小溜槽底板所受冲击力，且这种能力不会随着溜槽倾角的变化而发生显著改变。

在积料式布料溜槽中，后续下落的颗粒会落在先前下落颗粒形成的料垫上，形成明显的“料打料”效果[9-10]。由于颗粒的碰撞和摩擦引起能量耗散，其冲击强度进一步减弱，最终使积料式布料溜槽底板所受的冲击力大幅减少。但在光板直溜槽中，由于溜槽本身没有积料效果，先前下落的炉料颗粒会迅速离开下落的位置，后续下落的炉料颗粒依然持续直接作用在溜槽底板上，造成溜槽所承受冲击力的波动幅度较大。且当溜槽倾角变小时，溜槽的冲击区距下料口的距离显著增大，物料颗粒在下落过程中获得更多重力势能，造成光板直溜槽底板所受的冲击力进一步增大。

3.2.2 两种溜槽炉料速度分析

在布料过程中，溜槽冲击区的损坏不仅与炉料颗粒对溜槽底板的冲击力有关，还与炉料颗粒和溜槽底板之间的干摩擦行为密切相关。根据滑动轴承摩擦理论，金属摩损率与压力和速度的乘积成正比[11-12]。不同倾角的两种溜槽中炉料颗粒的速度流线图如图8所示。从图8中可以清晰地看到，布料仿真过程中炉料颗粒的运动轨迹和速度分布。炉料在落入溜槽的过程中，重力势能转化为动能，导致颗粒流动速度越来越大；当炉料与溜槽底板接触后，颗粒流动速度减小。值得注意的是，无论溜槽倾角为40°还是20°，积料式布料溜槽的上层炉料颗粒的速度梯度均处于色标的红色区域，表明速度较大；而底层颗粒的速度梯度则处于色标的蓝色区域，表明速度较小。另外，从局部放大图可看出，积料式布料溜槽中，只有上层炉料颗粒形成了连续的速度流线，而底层颗粒的速度流线则呈现明显的散点状。这说明积料式溜槽底层颗粒速度大幅减小，仅料层的上部颗粒具有一定速度，溜槽内形成“料磨料”的效果，从而使炉料颗粒对新型溜槽底板的磨损大为减轻。与溜槽倾角为20°时相比，溜槽倾角为40°时积料式溜槽的积料更多，料层厚度更大，“料磨料”效果更明显，而且物料下落高度更小，根据动能定理，此时冲击区料流流速就更小，料流对溜槽底板的磨损自然也更小。

对比积料式溜槽与光板直溜槽的炉料颗粒运动轨迹可知，炉料在光板直溜槽中沿着直板运动，其轨迹为一条直线；而在积料式溜槽的积料区，炉料沿着溜槽圆弧壁运动，其轨迹为弧线。在出口处，积料式溜槽的炉料轨迹为抛物线，而且其轨迹整体比光板直溜槽的轨迹松散，更利于均匀布料。

图8 物料颗粒的流动速度流线图

图9 冲击区近底板颗粒的平均速度变化曲线

为了定量分析冲击区底板的颗粒速度，作出了冲击区颗粒的速度变化曲线，如图9所示。从图9中可以看出，随着溜槽倾角的减小，两种溜槽冲击区的平均速度均有所增大，但积料式溜槽近底板颗粒的速度增幅远小于光板直溜槽的速度增幅，仅为后者的17.9%。此外，在溜槽倾角为40°时，积料式溜槽近底板的颗粒速度稳定后(2 s后)，速度平均值仅为光板直溜槽的33.4%；当溜槽倾角为20°时，积料式溜槽近底板的平均速度仅为光板直溜槽的29.1%。这进一步说明积料式布料溜槽具有良好的抗冲击及耐磨损能力，从而使溜槽的使用寿命得到延长。

4 积料效果的试验验证

试验所用的积料式溜槽模型与真实溜槽的尺寸比例为1∶25，采用光敏树脂材料3D打印而成；支架材料选用铝合金；料罐采用生活中的可乐瓶改造而成；炉料用粗砂颗粒代替，颗粒平均半径为1 mm。该试验在积料式溜槽处于静止状态下进行，旨在验证积料式溜槽是否可以在积料区形成料垫，并观察溜槽出口处的炉料颗粒分布。图10为新型积料式布料溜槽模型在溜槽倾角为40° 和20°时的积料效果。

图10 新型积料式布料溜槽积料效果试验

由图10可知，无论溜槽倾角为40°还是20°，积料布料溜槽都具有良好的积料效果，且形成了稳定的料垫，料垫的形成范围及形状与离散元模拟结果具有较好的一致性。此外，在试验过程中可以看到，后续粗砂颗粒下落至溜槽内时，粗砂颗粒仅在料层的上部形成了料流，近底板的颗粒几乎静止不动，这进一步说明离散元模拟的正确性。

5 结论

本文依据粉体力学理论设计了积料式布料溜槽，形成了具有两圆弧一直线、两道阻料筋的内腔结构。依靠其内腔结构，炉料在落料时可在内腔产生积料，形成料垫，并由此形成显著的“料打料”和“料磨料”效果，进而大幅提升溜槽本体的抗冲击及耐磨损性能，最终实现溜槽的长寿化。

1) 经离散元分析，当溜槽倾角为40°时，积料式布料溜槽的底板所受冲击力仅为光板直溜槽的10.1%，冲击区颗粒的滑动速度仅为光板直溜槽的33.4%；当溜槽倾角为20°时，积料式布料溜槽的底板所受冲击力仅为光板直溜槽的17.2%，近底板颗粒的滑动速度仅为光板直溜槽的29.1%。

2) 采用与实际溜槽1∶25比例制作的试验溜槽模型进行料垫形成的试验。试验结果表明，积料式溜槽具有良好的积料效果，料垫的形成范围及形状与离散元模拟结果具有较好的一致性，从而验证了离散元模拟的正确性。

3) 积料式溜槽形成的料垫不仅提升了溜槽本体的抗冲击及耐磨损性能，同时也减轻了物料颗粒所受的冲击力，有利于保证物料颗粒的完整性。

4) 积料式溜槽是一款长寿化溜槽，在炼铁高炉布料作业、煤矿的洗煤分选作业中均具有广泛的应用前景。