高炉矿焦槽闸门的分析与计算
时间：2023-02-08 18:20:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
□ 金文浩
中冶南方工程技术有限公司钢铁公司 武汉 430223
闸门是工业生产中常用的一种设备,其性能与可靠性直接影响生产的效率。在炼铁工艺流程中,高炉矿焦槽用于给高炉输送原燃料,而矿焦槽闸门用于控制各料仓的启闭及料口下料流量,选择合适型式及参数的闸门,对保证高炉正常上料,保障高炉正常生产有重要作用。笔者对高炉矿焦槽闸门进行分析和计算。
料仓内物料受力模型如图1所示。在高炉料仓距物料顶面高度h处取一块物料微元,该微元厚度为dh,料仓截面周长为c,料仓截面积为A。在该微元上表面有上部物料产生的竖直向下的压应力pv,则向下压力为pvA。微元自身质量为Aρgdh,ρ为物料堆密度,g为重力加速度,取9.81 m/s2。微元下表面受下部物料竖直向上的压应力为pv+dpv,则向上压力为(pv+dpv)A。微元侧面受物料与壁面之间摩擦力所引起的切应力Sτ,则产生向上的切力为Sτcdh。
▲图1 料仓内物料受力模型
受力平衡方程为:
pvA+Aρgdh-(pv+dpv)A-Sτcdh=0
(1)
微元内水平应力和竖直压应力之比为k,称作侧压力因数:
k=pw/pv
(2)
式中:pw为水平压应力。
物料与仓壁的摩擦因数μ为与物料本身属性相关的常数:
μ=Sτ/pw
(3)
由式(1)～式(3),得竖直压应力微分方程为:
dpv=[ρg-(μkc/A)pv]dh
(4)
当h为0时,pv为0,解式(4)得:
(5)
根据式(2),得：
(6)
侧压力因数k随物料深度变化,在水平方向上也不是常数,其值在中心区域小,外侧大。对于高炉这类浅存仓易流物料工况,可近似认为k为常数,即料仓同一高度截面内,各点处竖直压应力与水平压应力均相等。k值估算为:
(7)
式中:θ为物料的内摩擦角。
高炉矿焦槽最常用的闸门为内翻板闸门和单扇形闸门。选型时,应重点从二者本身的结构特点出发。当闸门关闭、料仓满料时,若液压缸内泄或者液压系统故障导致液压缸压力减小,对于单扇形闸门,物料作用在阀板上的压力由阀板轴支承力抵消,使得阀板不易自动开启,可避免或者减少撒料。而内翻板闸门则会被物料压力顶开,造成撒料。内翻板闸门阀板在闸门内翻转,而单扇形闸门阀板在闸门外翻转,故单扇形闸门需要更大的安装空间。若闸门下方皮带有密闭除尘要求,由于扇形闸门需向外翻转阀板,需在落料口处除尘罩上预留阀板动作所需的间隙,故会降低除尘效果;由于单扇形闸门阀板在闸门外,故检修阀板更方便,且单扇形闸门产生阀板卡阻的几率更低,如发生卡阻,也更容易排除。针对两种闸门进行受力分析。
3.1 内翻板闸门
对于内翻板闸门,闸门关闭、料仓满料时,闸门受力最大,主要承受物料压力及自身质量。由此,对该状态下闸门受力进行分析计算。
内翻板闸门受力分析如图2所示。阀板承受物料水平压力Fw和竖直压力Fv,还承受自身重力G,三者共同作用产生垂直于阀板的压力F2,驱动阀板沿阀板轴转动。同时液压缸推力F1作用于阀板上,通过连杆驱动阀板沿阀板轴反方向转动,二者平衡,使阀板保持关闭静止状态。
▲图2 内翻板闸门受力分析
闸门排料口处物料水平压力Fw和竖直压力Fv计算为:
Fw=pwabcosα
(8)
Fv=pvabsinα
(9)
式中:a、b分别为闸门倾斜排料口长度、宽度;α为闸门排料口倾斜角度。
垂直阀板的作用力F2为Fw、Fv的合力再加上阀板重力在垂直阀板方向的分力,即:
(10)
根据力矩平衡,有:
F2L2-F1L1=0
(11)
式中:L1为液压缸推力对应力臂;L2为垂直阀板作用力对应力臂。
由此得液压缸推力F1为:
F1=F2L2/L1
(12)
考虑安全因数K1为1.2～1.4,取K1为1.3,于是有:
F1=F2L2K1/L1
(13)
结合式(5)～式(10)、式(13),并将式(5)、式(6)中的高度h替换为闸门阀板中心距料仓顶部高度H,可估算出闸门正常工作所需的液压缸最小推力F1:
(14)
(15)
Fw=pwabcosα
Fv=pvabsinα
F1=F2L2K1/L1
3.2 单扇形闸门
对于单扇形闸门,闸门关闭、料仓满料状态下,闸门开启时受力最大,主要承受物料与阀板内侧的摩擦力、自身质量及转动部位的摩擦力产生的阻力矩作用。由此,对该状态下闸门受力进行分析计算。
阀板承受压力F2作用与内翻板闸门类似,此处不重复叙述。单扇形闸门受力分析如图3所示。当阀门开启时,F2在阀板与物料间产生摩擦力,阀板轴运动副间的摩擦力及阀板重力G产生阻力矩,同时阀板受液压缸推力F1作用产生动力矩,通过连杆驱动阀板沿阀板轴转动。液压缸杆端与阀板铰接轴承处摩擦力相对较小,为便于计算,忽略不计。垂直阀板的作用力F2的分析及计算与内翻板闸门一致。
▲图3 单扇形闸门受力分析
根据力矩平衡方程,有:
M1+M2+GL0-F1L1=0
(16)
式中:M1为阀板与物料间产生摩擦力产生的阻力矩;M2为阀板轴摩擦副间的摩擦力产生的阻力矩;L0为阀板重力的阻力臂。
M1=μ1F2r1
(17)
式中:μ1为阀板与物料间的摩擦因数;r1为扇形阀板内侧半径。
M2=μ2F2r2
(18)
式中:μ2为阀板轴摩擦副间的摩擦因数;r2为阀板轴的半径。
考虑安全因数K1为1.2～1.4,取K1为1.3,由式(16)～式(18)得:
F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1
(19)
结合式(5)～式(10)、式(19),并将式(5)、式(6)中高度h替换为闸门阀板中心距物料顶部料面高度H,可估算出闸门正常工作所需的液压缸最小推力F1:
Fw=pwabcosα
Fv=pvabsinα
F1=K1(μ1F2r1+μ2F2r2+GL0)/L1
对于内翻板闸门,设计时一般为液压缸无杆腔得压,油缸伸出时对应闸门关闭动作,而对于单扇形闸门为无杆腔得压,液压缸伸出时对应闸门开启动作。这样可以保证上述两种闸门在受力最大状态时,均为液压缸无杆腔得压,液压缸推力最大,可降低液压系统工作压力及液压缸直径。
液压缸所需最小压力D计算为:
(20)
式中:D为液压缸无杆腔直径。
闸门的出料速度与闸门料口尺寸、物料间黏附力及物料内摩擦角等有关。
高炉矿焦槽一般采用倾斜放料方式,主要是为了使物料离开落料口时产生沿皮带方向的水平分速度,既可减小对皮带的冲击,又可减少物料堆积,有效避免撒料。
当垂直于闸门放料口的水力半径R大于等于物料临界水力半径Re时,有:
(21)
式中:v为沿闸门出料口流出的物料平均速度;λ为放料因数;τ0为物料初始抗剪强度。
λ与物料的干燥程度、形状大小及是否规则有关系,流动性越好,λ越大。对于高炉矿焦槽,物料一般为烧结矿、焦炭、块矿杂矿,λ取0.4。
矿焦槽闸门倾斜放料口均为矩形,有:
(22)
式中:d为物料标准块度。
(23)
当R小于Re时,有:
(24)
沿闸门出料口流出的物料流量Q为:
Q=60ρabv×10-3
(25)
设计选型时应注意:
Qg≤Q≤Qp
(26)
式中:Qg为满足工艺生产的最大物料供应流量,由生产工艺决定;Qp为闸门下部皮带输送机能承受的最大物料流量,由物料属性和皮带输送机的能力决定。
5.1 基本参数设定
笔者以2 000 m3级高炉最常用的800 mm×800 mm内翻板闸门和单扇形闸门为例,进行受力及物料流量计算。高炉矿焦槽常用物料属性参数见表1。
表1 高炉矿焦槽常用物料属性参数
料仓及闸门尺寸参数见表2。
表2 料仓及闸门尺寸参数表
5.2 阀门受力计算
分别对内翻板闸门和单扇形闸门进行受力计算,结果分别见表3、表4。
表3 内翻板闸门受力计算结果
表4 单扇形闸门受力计算结果
由上述计算结果可知,对于内翻板闸门,当料仓物料为球团矿或块矿时,阀门受力最大,液压油压力最大,故按该压力来确定液压系统工作压力。液压系统工作压力应不小于11.3 MPa,建议设定为12 MPa～13 MPa为宜。对于单扇形闸门,当料仓物料为块矿时,阀门受力最大,液压油压力最高,故按该压力来确定液压系统工作压力。液压系统的工作压力应不小于10.8 MPa,建议设定为11.5 MPa～12.5 MPa为宜。
5.3 闸门料速计算
分别计算闸门排料口水力半径及物料临界水力半径,结果见表5。
表5 闸门排料口水力半径及物料临界水力半径计算结果
故烧结矿、球团矿、块矿、杂矿应选用式(21)估算物料流量,焦炭应选用式(24)估算物料流量,计算结果见表6。
表6 闸门物料流量计算结果
由上述计算结果可知,由于物料本身流动性、堆密度等参数不同,同样的闸门,不同物料的物料流量差别很大。在设计时,为了减少闸门规格,增强闸门的适用性,一般在闸门上设手动调节装置,通过手轮调节闸门内调节板的开度,进而调节闸门实际排料口尺寸,达到调节物料流量的目的。
由上述分析、计算可以看出,料仓和闸门的结构尺寸以及物料属性对闸门的受力和物料流量影响很大。参照上述800 mm×800 mm闸门,设定物料为烧结矿,仅改变料仓截面积,其余参数不变,计算垂直阀板的作用力,将结果绘制成曲线图,如图4所示。由图4可知,随着料仓截面积增大,垂直阀板作用力增大,但增大的趋势逐渐减小。当料仓截面积增大至一定值时,垂直阀板作用力趋于稳定。
▲图4 垂直阀板作用力随料仓截面积变化曲线
同样,参照上述800 mm×800 mm闸门,设定物料为烧结矿,仅改变料面高度,其余参数不变,计算垂直闸板作用力,将结果绘制成曲线图,如图5所示。由图5可知,随着料面高度增大,垂直阀板作用力增大,当料面高度增大至一定值时,垂直阀板作用力趋于稳定。
▲图5 垂直阀板作用力随料仓高度变化曲线
若需增大料流速度,除了增大阀门料口尺寸及阀门倾斜角外,还可增大物料的干燥度、提高形状的规则度,减小物料平均块度等,以增加物料的流动性。
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