田儒來 1，2，熊瑋 1，2，孫瑞 1，2 ，程宏峰 1，2
( 1． 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081;
2． 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)
摘 要: 采用離散單元法建立了燒結(jié)布料過程中混合料在料倉內(nèi)和燒結(jié)臺車上的分布模型，分析了料倉內(nèi)四種類型粘料對燒結(jié)混合料橫向分布均勻性的影響。模擬結(jié)果表明，粘料會使料倉內(nèi)混合料的堆高位置和料面傾角發(fā)生變化，改變混合料在橫向上的分布特征。( 即使不發(fā)生粘料，混合料的橫向分布也是不均勻的) ; 粘料位置不同，對料倉內(nèi)混合料的橫向粒度分布影響也不同。在混合料下落面中段位置發(fā)生粘料時，會減弱混合料的橫向偏析，提高橫向分布的均勻性; 混合料在燒結(jié)臺車與料倉內(nèi)的橫向分布特征具有繼承性，偏析布料器對混合料橫向分布的影響較小。
關(guān)鍵詞: 混料倉; 粘料; 橫向分布均勻性; 離散單元法
1 前 言
燒結(jié)臺車橫向( 寬度方向) 上的均勻布料是保證料層橫斷面上垂直燒結(jié)速度一致的基本條件，直接影響燒結(jié)礦品質(zhì)的穩(wěn)定。在影響橫向布料均勻性的各因素中，除了布料機(jī)的行走方式、混合料倉形狀之外，混合料倉粘料也是一個重要的影響因素［1 ～3］ 。
實(shí)際生產(chǎn)中可通過加裝防粘料襯板防止大部分粘料情況的發(fā)生，然而當(dāng)防粘料襯板老化磨損或生產(chǎn)操作失誤時，仍出現(xiàn)料倉粘料。混合料倉粘料產(chǎn)生的原因已經(jīng)很明確，而且一般認(rèn)為料倉粘料對縱向上的偏析布料影響不大，但粘料對臺車橫向布料均勻性的影響還不是很清楚。
本文采用離散單元法( DEM) 建立了燒結(jié)臺車布料數(shù)學(xué)模型，對不同類型粘料情況下混合料在料倉內(nèi)和臺車上橫向分布情況進(jìn)行了模擬和分析。
2 模型的建立
2． 1 物理模型
根據(jù)漣鋼 130 m2 燒結(jié)機(jī)布料系統(tǒng)建立了布料模型，主要包括梭式布料機(jī)、混合料倉、寬皮帶給料機(jī)、九輥布料器和燒結(jié)臺車，如圖 1 所示。燒結(jié)臺車的寬度為2 840 mm，如果采用實(shí)際尺寸進(jìn)行仿真模擬會導(dǎo)致計(jì)算時間過長，而本研究主要側(cè)重于寬度方向的均勻性，綜合考慮計(jì)算條件和研究目的，對布料模型高度方向上按1∶1，寬度方向上按 1∶ 2． 84 進(jìn)行建模。相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù): 梭式布料機(jī)皮帶速度為 1． 47 m/s，九棍布料器轉(zhuǎn)速為 12． 6 r/min，九棍布料器傾角為 45°，燒結(jié)臺車行走速度為 1． 0 m/min。
料倉粘料會發(fā)生在不同的部位，結(jié)合現(xiàn)場觀察和有關(guān)文獻(xiàn)資料［4，5］在模型中設(shè)定了四種粘料類型，如圖 2 所示。
混合料下落撞擊倉壁位置，簡稱 a 型粘料; 圖 2( b) 為蒸汽管凸出引起的梭式布料機(jī)運(yùn)行方向料倉壁面的粘料，位置在料倉中部，簡稱 b 型粘料; 圖 2( c) 為蒸汽管凸出引起的臺車運(yùn)行方向料倉壁面的粘料，位置也在料倉中部，簡稱 c 型粘料; 圖 2( d) 為嚴(yán)重蒸汽管沿壁粘料，環(huán)繞料倉中部，簡稱 d 型粘料。粘料模型為預(yù)設(shè)幾何體模塊，a 型粘料為圓盤狀，厚 50 mm; b 型粘料和 c型粘料為水滴狀，b 型粘料厚 150 mm，c 型粘料厚 180 mm; d 型粘料為 b 型粘料和 c 型粘料的組合形式，呈圓環(huán)狀。
2． 2 離散元模型
離散單元法是把分析對象看作一系列離散的獨(dú)立運(yùn)動的粒子( 單元) ，用步時迭代的方法求解各離散單元的運(yùn)動方程，繼而求得整個分析對象的運(yùn)動形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對對象運(yùn)動情況的預(yù)測。
燒結(jié)布料過程是一個密集顆粒流相互接觸碰撞的運(yùn)動過程，非常適合采用離散單元法進(jìn)行分析模擬。本文采用基于 Hertz-Mindlin 模型發(fā)展而來的 Hertz-Mindlin with JKR ( Johnson-Kendall-Roberts) Cohesion 凝聚力接觸模型( 簡稱 JKR 模型) 建模［6］。JKR 模型修正了經(jīng)典 Hertz 接觸模型僅考慮彈性變形的缺點(diǎn)，將表面能、界面能及其派生的黏著能引入到接觸模型中，建立了一種黏結(jié)性顆粒接觸模型。
燒結(jié)混合料的顆粒粒徑主要集中在 0 ～8 mm范圍內(nèi)，顆粒數(shù)目極其龐大，采用離散單元法對其實(shí)際工況進(jìn)行模擬幾乎不可能。為簡化仿真操作，縮短計(jì)算時間，本文選取 7． 5 mm、15 mm、30mm 三種粒徑的顆粒進(jìn)行仿真模擬?；旌狭项w粒的物性參數(shù)和顆粒間的能量密度分布分別如表 1和表2 所示［7］，計(jì)算時間步長為0．000 2 s，總仿真時間為60 s，摩擦系數(shù)( 顆粒 －顆粒) 為0．65，摩擦系數(shù)( 顆粒 －壁) 為0．65，楊氏模量為 2． 2，泊松比為0．3，滑動摩擦系數(shù)為4．0。
3 結(jié)果及分析
3． 1 料倉內(nèi)混合料的料面形狀
由于混合料下落軌跡呈拋物線形，在梭式布料機(jī)行走到回程末端時會產(chǎn)生落料“死區(qū)”，這樣落料多的區(qū)域料面堆積較高，落料少的區(qū)域料面低矮，高位區(qū)域的混合料粗顆粒會向低處滾落，導(dǎo)致料倉內(nèi)混合料橫向分布不均勻。當(dāng)料倉內(nèi)壁出現(xiàn)粘料時，混合料正常下落軌跡會發(fā)生變化，出現(xiàn)顆粒散落面積變大的現(xiàn)象。某些鋼廠通過在梭式皮帶頭輪落料前端焊裝擋料板來緩解由于料位起伏導(dǎo)致的橫向偏析，取得了一定的效果［8］。根據(jù)選取研究對象的實(shí)際工作情況，不考慮加裝擋板時，各種類型粘料對混合料倉料面形狀的影響如圖 3 所示。
由圖 3( a) 可見，當(dāng)梭式布料機(jī)位于料倉右側(cè)，左端為布料遠(yuǎn)端，混合料料面左端比右端高，這與文獻(xiàn)［1］中所描述的無擋板時的料面形狀相同。圖 3( b) 和圖 3( c) 料面形狀與圖 3( a) 大致相同，圖3( d) 和圖3( e) 料面形狀則與圖3( a)相反。通過 Matlab 圖像處理技術(shù)對料面斜坡傾角進(jìn)行了計(jì)算，如表 3 可見，不同類型的粘料均會加大料面斜坡傾角，相對于沒有發(fā)生粘料時混合料在料倉內(nèi)的料面形狀，d 型粘料改變了料面的堆高位置，而且料面傾面也較大，對料面形狀的影響最大。通過對料面堆高位置和料面傾角的分析，發(fā)現(xiàn)各種類型的粘料均會改變料面的形成過程，對混合料的正常散落分布產(chǎn)生影響，這種影響會改變由于料面不平整所導(dǎo)致的橫向偏析。
3． 2 料倉內(nèi)混合料的橫向粒度分布
對混合料沿料倉橫向方向上的粒度分布進(jìn)行分析?；旌狭蟼}取樣區(qū)域?qū)?1 000 mm，高1 000 mm，長 800 mm，沿 x 軸方向從左到右均勻劃分為六個部分，圖 4 為取樣區(qū)域劃分示意圖。
各區(qū)域無量綱質(zhì)量平均直徑d m 如式( 1)所示。
式中: m i 為某區(qū)域內(nèi)第 i 種粒徑顆粒的質(zhì)量，kg;m t 為某區(qū)域內(nèi)顆粒的總質(zhì)量，kg; m i '為 6 個取樣區(qū)域內(nèi)第 i 種粒徑顆粒的總質(zhì)量，kg; m t '為 6 個取樣區(qū)域內(nèi)顆粒的總質(zhì)量，kg; d i 為第 i 種顆粒的粒徑 mm。
用平均差 MD 來比較不同類型粘料時顆粒粒度偏析分布的差異，如式( 4) 所示。
料倉內(nèi)混合料橫向粒度分布的計(jì)算結(jié)果見表 4。
由表 4 可知，不發(fā)生粘料時，混合料在料倉內(nèi)也存在粒度分布不均勻的現(xiàn)象; 當(dāng)出現(xiàn) a 型粘料時，料倉內(nèi)顆粒的橫向分布情況與無粘料時基本相同; 當(dāng)出現(xiàn) c 型粘料時，顆粒的橫向分布情況與無粘料時的趨勢相同，但料倉兩端( 區(qū)域 1和區(qū)域6) 顆粒粒度較小，中間( 區(qū)域3 和區(qū)域4)顆粒粒度較大，不均勻現(xiàn)象突出; 當(dāng)出現(xiàn) b 型粘料和 d 型粘料時，顆粒粒度的橫向分布較均勻。
這表明粘料會對顆粒在料倉內(nèi)的運(yùn)動軌跡產(chǎn)生影響，但不一定會加劇顆粒粒度的橫向分布不均勻程度，甚至可能會使粒度分布更均勻。a 型粘料較薄，其對顆粒流的運(yùn)動軌跡影響較小，因此對混合料橫向分布的影響可忽略。b 型和 d 型粘料較厚，對粘料的下落軌跡改變較大，而且一部分顆粒的反彈增大了分散分布面積，從計(jì)算結(jié)果看，這種顆粒的散布現(xiàn)象有利于提高橫向粒度分布的均勻性。
3． 3 臺車橫向混合料的粒度分布
燒結(jié)臺車取樣范圍為寬 1 000 mm、高 500mm、長 400 mm，與料倉一樣沿 x 軸方向從左到右依次劃分為 6 個區(qū)域。表 5 和圖 5 分別為各區(qū)域混合料顆粒的無量綱質(zhì)量平均直徑和各粒徑質(zhì)量比。
由表 5 可見，燒結(jié)臺車上各區(qū)域混合料無量綱平均直徑的分布情況與混合料倉基本相同，不發(fā)生粘料時，混合料在燒結(jié)臺車橫向上存在不均勻分布現(xiàn)象; 出現(xiàn) a 型和 c 型粘料時，橫向偏析情況加重; 出現(xiàn) b 型和 d 型粘料時，橫向偏析減弱，均勻性變好。從圖 5 中各粒級在橫向上的質(zhì)量分布可以看出，a 型和 c 型粘料時偏析情況加重主要是由于臺車上大顆粒的質(zhì)量分布不均勻所造成，左右兩側(cè)尤為明顯，而發(fā)生 b 型和 d 型粘料時，大顆料質(zhì)量分布變得均勻，質(zhì)量差一般在10%以內(nèi)。
對比發(fā)現(xiàn)，不論是否粘料，燒結(jié)臺車與混料倉內(nèi)混合料的橫向分布特征具有繼承關(guān)系，既混合料倉內(nèi)顆粒的不均勻分布會經(jīng)布料工序傳遞到燒結(jié)臺車上，而偏析布料器對這種橫向偏析現(xiàn)象的影響有限，無法改變橫向偏析結(jié)果。b 型和d 型粘料都發(fā)生在料倉混合料下落面中段位置，可以減弱顆粒的橫向偏析，使橫向分布均勻，這可能與混合料顆粒與粘結(jié)料碰撞后，發(fā)生反彈分散分布有關(guān)，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對于如何改善燒結(jié)生產(chǎn)中橫向布料的均勻性具有參考意義。
4 結(jié) 論
(1) 粘料會改變料倉內(nèi)的料面形狀，包括堆高位置和料面傾角，從而對混合料的橫向分布產(chǎn)生影響。
(2) 不同類型的粘料對料倉內(nèi)混合料的橫向分布影響不同，可能會增加或減弱橫向分布的均勻性。
(3) 燒結(jié)臺車上混合料的橫向分布特征與混合料倉內(nèi)類似，偏析布料器對橫向偏析的影響較小。
(4) 粘料發(fā)生在料倉混合料下落面中段位置時，可以減弱顆粒的橫向偏析，提高分布的均勻性。
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