馬財(cái)生 任廷志
燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，０６６００４
摘要：針對(duì)高爐布料溜槽的磨損失效，對(duì)溜槽進(jìn)行了抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在分析爐料運(yùn)動(dòng)和溜槽磨損的基礎(chǔ)上，確定采用料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的溜槽結(jié)構(gòu)，并采用離散單元法分析了不同厚度料墊的爐料緩沖效果，根據(jù)高爐裝料制度對(duì)溜槽耐磨襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：溜槽磨損屬于磨料磨損，在爐料沖擊區(qū)域設(shè)置不小于６０ｍｍ厚的料墊，能夠有效分散爐料對(duì)溜槽的沖擊，減少磨料磨損，優(yōu)化后的料磨料式襯板在溜槽底部多儲(chǔ)存了３２．１３％的爐料，溜槽總過(guò)料量增加了１５．５％。
關(guān)鍵詞：布料溜槽；磨料磨損；抗磨損；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
０ 引言
溜槽是無(wú)鐘高爐爐頂布料器的關(guān)鍵部件，通過(guò)控制溜槽的旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)可以靈活地將爐料分布至爐喉，實(shí)現(xiàn)期望的徑向礦焦比，獲得良好的煤氣分布，最大限度地利用煤氣的熱能和化學(xué)能［１－３］?，F(xiàn)代大型高爐的溜槽每日過(guò)料量近萬(wàn)噸，工作環(huán)境惡劣，磨損成為溜槽失效的重要原因，由此導(dǎo)致的高爐生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了高爐生產(chǎn)［４］。因此，改善溜槽的抗磨損性能，延長(zhǎng)溜槽的使用壽命，對(duì)于保障高爐穩(wěn)產(chǎn)順行具有非常重要的意義。
為提高溜槽的抗磨損性能，相關(guān)專(zhuān)家和技術(shù)人員從材質(zhì)和制造工藝兩個(gè)方面進(jìn)行了大量的探索和研究，并取得了許多成果［５－６］。溜槽襯板大量使用昂貴的硬質(zhì)合金和高鉻鑄鐵等耐磨材料，但是溜槽使用壽命偏短的現(xiàn)象仍然普遍存在，這暴露出溜槽在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在不足［７－１０］。此外，高爐裝料制度作為溜槽非材質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的因素，對(duì)溜槽使用壽命也有不可忽略的影響，但是現(xiàn)有的研究都沒(méi)有明確指出如何由高爐爐頂裝料來(lái)指導(dǎo)布料溜槽的抗磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本文分析了爐料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，確定了爐料對(duì)溜槽的作用特點(diǎn)以及磨損形式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的溜槽結(jié)構(gòu)，采用離散單元法模擬了不同厚度的料墊對(duì)下落爐料的緩沖作用，并結(jié)合高爐裝料制度對(duì)料磨料式襯板進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，以提高溜槽的抗磨損性能，延長(zhǎng)溜槽的使用壽命。
１ 布料溜槽的磨損
在布料過(guò)程中，溜槽襯板的內(nèi)側(cè)表面與鐵礦石和焦炭的顆?；ハ嗄Σ烈鹆肆锊垡r板材料的逐漸損失，該磨損屬于典型的磨料磨損。按照爐料對(duì)溜槽襯板的具體作用形式，溜槽可以分為沖擊區(qū)域和劃傷區(qū)域。沖擊區(qū)域位于布料器中心喉管的正下方，爐料從料流調(diào)節(jié)閥流出后以一定的速度沖擊溜槽襯板，是溜槽磨漏的主要發(fā)生區(qū)域；爐料在沖擊溜槽襯板后沿著溜槽襯板滑動(dòng)直至脫離溜槽，爐料滑過(guò)的位置存在低應(yīng)力劃傷。
爐料落至溜槽的速度一般在１０ｍ／ｓ以上，在溜槽沖擊區(qū)域內(nèi)形成的正壓力遠(yuǎn)大于爐料流經(jīng)劃傷區(qū)域時(shí)爐料對(duì)襯板的正壓力，造成的磨損更為嚴(yán)重。實(shí)際上，溜槽的磨損失效主要以沖擊區(qū)域的磨漏為主，溜槽部分喪失對(duì)爐料的控制，造成了高爐中心區(qū)域爐料堆積，中心氣流不暢，而高爐邊緣區(qū)域煤氣流發(fā)展旺盛，燒蝕爐墻。因此，當(dāng)前溜槽的抗磨損設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是溜槽的沖擊區(qū)域。
環(huán)形布料是無(wú)鐘高爐的主要布料形式［１１］。如圖１所示，溜槽以恒定的角速度ω１旋轉(zhuǎn)，溜槽傾角為θ２。爐料經(jīng)由中心喉管，沿豎直方向落至溜槽。設(shè)中心喉管壁處的爐料顆粒為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)在溜槽上的豎直投影即為爐料沖擊區(qū)域的邊界。
如圖１中心喉管Ａ－Ａ截面示意圖所示，建立局部坐標(biāo)系ＯＡｘＡｙＡ，爐料顆粒位置的參數(shù)方程為
式中，ｒ 為中心喉管的半徑，ｍ；θ 為爐料顆粒至截面圓心OA的連線(xiàn)與XA軸所成夾角，ｒａｄ。
溜槽的Ｂ－Ｂ豎直截面為橢圓形，建立局部坐標(biāo)系ＯＢｘＢｙＢ，其方程為
式中，Ｒ 為溜槽襯板半徑，ｍ。
令ｙＢ＝ｙＡ，ｚＢ＝ｈ１，代入式（２）中，得
在圖１中，由幾何關(guān)系可知：
式中，ｅ為溜槽轉(zhuǎn)軸距離溜槽襯板內(nèi)側(cè)的距離，ｍ；θ３為Ｃ-Ｃ截面爐料顆粒至截面圓心ＯＣ的連線(xiàn)與ｘＣ軸所成夾角，ｒａｄ。
中心喉管壁處爐料顆粒在溜槽上的投影為
式中，ｌ為爐料顆粒至溜槽始端的距離，ｍ。
將式（３）～ 式（６）代入式（７），采用圖１所示的變量ｌ和θ３表示溜槽爐料豎直下落的邊界，則
從式（８）可以看出，溜槽沖擊的區(qū)域主要與變量Ｒ、ｒ和θ２有關(guān)，其中Ｒ 和ｒ?yàn)樵O(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，θ２為布料工藝參數(shù)。ｌ 的取值滿(mǎn)足ｅｃｏｔθ２ －ｒｃｓｃθ２ ≤ｌ ≤ｅｃｏｔθ２ ＋ｒｃｓｃθ２，θ３的取值滿(mǎn)足－ａｒｃｓｉｎ（ｒ／Ｒ）≤θ３ ≤ａｒｃｓｉｎ（ｒ／Ｒ）。從取值邊界可以觀(guān)察到，θ３的取值范圍與溜槽傾角θ２無(wú)關(guān)，ｌ的最大值和最小值均隨著θ２的減小而增大。由此可以判斷，多環(huán)布料過(guò)程中，溜槽沖擊接觸磨料磨損的主要范圍集中區(qū)域Ｓ 滿(mǎn)足：
式中，θ２ｍｉｎ和θ２ｍａｘ分別為布料制度中溜槽傾角的最小值和最大值，ｒａｄ。
溜槽在上述矩形區(qū)域應(yīng)當(dāng)具備緩沖爐料沖擊的抗磨損性能。
２ 溜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
２．１ 溜槽整體結(jié)構(gòu)
結(jié)合爐料在溜槽上的運(yùn)動(dòng)分析以及溜槽的實(shí)際使用現(xiàn)狀可知，溜槽在不同的區(qū)域受到磨料的作用形式和磨損程度存在較大差異。在沖擊區(qū)域，磨料磨損相對(duì)嚴(yán)重，是發(fā)生磨漏的主要位置，溜槽襯板應(yīng)當(dāng)具備緩沖爐料沖擊的作用，以及較高的硬度和沖擊韌性；溜槽出口的劃傷區(qū)域沒(méi)有受到爐料的直接沖擊，襯板磨損率相對(duì)較低，應(yīng)保證爐料形成料流且不發(fā)生紊亂，防止布料過(guò)程復(fù)雜化。按照上述要求，對(duì)不同磨損區(qū)域分別進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溜槽整體結(jié)構(gòu)如圖２所示。
在圖２中，溜槽在沖擊區(qū)域采用料磨料式襯板結(jié)構(gòu)，即溜槽內(nèi)側(cè)安裝有若干平行的耐磨板。爐料落至溜槽后首先填充耐磨板形成的空腔，后續(xù)爐料將沖擊已形成的料墊，從而有效分散爐料對(duì)溜槽的直接沖擊。這種結(jié)構(gòu)解決了襯板材料難以同時(shí)具備高硬度和高韌性的問(wèn)題，符合具有爐料沖擊的抗磨損設(shè)計(jì)要求。在料磨料式襯板結(jié)構(gòu)的下部則采用光面式溜槽襯板，有利于爐料集中成料流。
２．２ 料墊厚度對(duì)爐料沖擊的影響
在磨料磨損中，磨損量分別與接觸物體之間的正壓力和滑動(dòng)距離成正比［１２］。聚集在布料溜槽內(nèi)部的料墊對(duì)溜槽襯板產(chǎn)生抗磨損保護(hù)作用，主要表現(xiàn)在料墊作為緩沖介質(zhì)避免了運(yùn)動(dòng)爐料對(duì)溜槽襯板的直接沖擊，爐料的動(dòng)能通過(guò)顆粒之間的互相碰撞得以削弱，與溜槽襯板直接接觸的爐料顆粒運(yùn)動(dòng)速度較小，單位時(shí)間的滑動(dòng)距離較短。為了衡量物體表面磨料磨損的劇烈程度，定義物體表面與相接觸顆粒之間的正壓力Ｎ 和相對(duì)滑動(dòng)速度υｒ的乘積為磨損速率評(píng)估指標(biāo)η：
下面通過(guò)離散單元法模擬爐料對(duì)物體表面的沖擊行為。模擬采用的物料為燒結(jié)礦，視密度為２１００ｋｇ／ｍ３，粒度分布與生產(chǎn)保持一致，其中粒度小于５ｍｍ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２．６３％，５～１０ｍｍ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為３１．７４％，１０～２５ｍｍ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為５７．９３％，２５～４０ｍｍ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７．７０％。爐料以１１．２８ｍ／ｓ的速度落下，流量為９８．４４ｋｇ／ｓ。設(shè)置三塊相同的鋼制槽形板位于料流正下方，長(zhǎng)為０．５ｍ，寬為０．２ｍ，通過(guò)邊部的側(cè)板形成不同厚度的料墊。通過(guò)ＥＤＥＭ 軟件建立的模型如圖３所示。
選取中部鋼槽為研究對(duì)象，模擬獲得該鋼槽底板受到的正壓力，以及直接與鋼板接觸顆粒在平行底板方向的滑動(dòng)速率平均值，定義兩者的乘積為磨損速率評(píng)估系數(shù)。在模擬試驗(yàn)中，分別設(shè)定鋼槽底板與鉛垂線(xiàn)的夾角分別為３０°、４５°和６０°，通過(guò)ＥＤＥＭ 軟件模擬獲得的不同厚度的料墊對(duì)鋼槽磨損的影響如圖４所示。
在圖４中，不同鋼槽傾角下的爐料沖擊模擬試驗(yàn)均表明沒(méi)有料墊緩沖的鋼槽受到了爐料的直接沖擊，磨損速率快；隨著料墊厚度的增加，磨損速率急劇下降；當(dāng)料墊厚度大于６０ｍｍ 之后，磨損速率較小且相對(duì)穩(wěn)定。因此，在布料溜槽的易磨損部分設(shè)置大于６０ｍｍ 的料墊就能夠?qū)α锊郛a(chǎn)生良好的抗磨損保護(hù)作用。
２．３ 料磨料溜槽襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化
溜槽襯板磨漏通常先出現(xiàn)在中心喉管軸線(xiàn)下方的較小區(qū)域，隨后不斷擴(kuò)大，溜槽底部的磨損最為嚴(yán)重。取經(jīng)過(guò)溜槽軸線(xiàn)的豎直截面進(jìn)行溜槽抗磨損設(shè)計(jì)分析，如圖５所示。
布料過(guò)程中，相鄰耐磨板１和耐磨板２之間形成料墊。當(dāng)θ２ ≥α 時(shí)，取耐磨板１與溜槽基體連接處Ｍ０在豎直方向上存儲(chǔ)爐料的厚度Δｄ；當(dāng)θ２＜α時(shí)，取耐磨板１頂部位置Ｍ１在豎直方向上的料墊厚度Δｄ，即
式中，ｈ 為耐磨板在溜槽底部的高度，ｍ；Δｌ為耐磨板的間距，ｍ；γ 為爐料在溜槽內(nèi)的堆角，ｒａｄ；α 為溜槽耐磨板與溜槽軸線(xiàn)的夾角，ｒａｄ。
為充分起到緩沖作用，需要滿(mǎn)足：
式中，［ｄ］為爐料在耐磨板之間空腔內(nèi)的最小許可厚度，ｍ。
由式（１１）可以看出，α過(guò)小，則需要縮小Δｌ，防止耐磨板受爐料直接沖擊而磨損，且儲(chǔ)料量偏少；α過(guò)大，則耐磨板不易儲(chǔ)存爐料形成料墊，且儲(chǔ)存的爐料在溜槽旋轉(zhuǎn)過(guò)程中容易流失。在磨損最為嚴(yán)重的溜槽豎直截面，耐磨板儲(chǔ)存的爐料越多，則緩沖作用相應(yīng)越強(qiáng)。因此，選擇合適的夾角α 對(duì)于溜槽抗磨損設(shè)計(jì)具有重要意義。在圖５所示的截面圖上，相鄰兩個(gè)耐磨板之間的儲(chǔ)料面積Ｓ２為
對(duì)式（１３）求導(dǎo)，得
令ｄＳ２／ｄα＝０，即可獲得單環(huán)布料情況下Ｓ２的極值以及相應(yīng)的溜槽耐磨板與溜槽軸線(xiàn)的夾角。
對(duì)于多環(huán)布料，溜槽傾動(dòng)設(shè)定ｎ０個(gè)固定的擋位，第ｉ個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的溜槽傾角為θ２ｉ。由式（１４）可知，Ｓ２最大值所對(duì)應(yīng)的α角隨溜槽傾角θ２發(fā)生變化。為獲得合理的α 傾角，建立有關(guān)α 傾角的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：
式中，κＯ１ｉ、κＣ１ｉ分別為布礦石和焦炭時(shí)第ｉ個(gè)溜槽傾角擋位的權(quán)重，ｉ＝１，２，…，ｎ０；κＯ２１、κＣ２２分別為礦石和焦炭對(duì)應(yīng)的物料屬性權(quán)重。
對(duì)于更換溜槽的高爐，溜槽傾角擋位的權(quán)重取一段工作時(shí)間段內(nèi)溜槽在第ｉ個(gè)擋位的布料頻率，即溜槽在該擋位布料周數(shù)與布料總周數(shù)的比值；對(duì)于尚未生產(chǎn)使用的高爐，溜槽傾角擋位的權(quán)重取設(shè)計(jì)的常規(guī)布料工藝中溜槽在第ｉ個(gè)擋位的布料頻率。物料屬性權(quán)重反映了不同物料對(duì)溜槽磨損的影響程度，在高爐布料過(guò)程中，物料的磨損主要體現(xiàn)在物料與耐磨襯板硬度的比值上，取：
式中，ε為物料的相對(duì)磨損率；Ｈａ為物料顆粒的硬度；Ｈｍ為耐磨襯板的硬度；Ｋ１和Ｋ２為兩個(gè)系數(shù)，?。?sub>１ ＝１．５，Ｋ２ ＝０．９。
在優(yōu)化模型中，物料屬性權(quán)重采用相對(duì)磨損率，物料顆粒即為礦石顆粒和焦炭顆粒。
該優(yōu)化問(wèn)題屬于約束最優(yōu)化問(wèn)題，采用復(fù)合形法即可求解獲得最優(yōu)的α 值。
３ 應(yīng)用實(shí)例
以鞍鋼有效容積為２５８０ｍ３ 的高爐為例，采用串罐式無(wú)鐘爐頂。在布料過(guò)程中，爐料脫離料流調(diào)節(jié)閥出口時(shí)速度為１．２９３ｍ／ｓ，中心喉管半徑ｒ＝０．４ｍ，溜槽半徑Ｒ ＝０．４５ｍ，溜槽底距溜槽回轉(zhuǎn)中心距離ｅ＝０．８１ｍ，溜槽長(zhǎng)度為４ｍ，料流調(diào)節(jié)閥至溜槽回轉(zhuǎn)中心的距離為ｈ０＝６．４ｍ，燒結(jié)礦批重４０ｔ（分兩次布料），堆密度１９００ｋｇ／ｍ３，焦炭批重１１．６ｔ（分兩次布料），密度５５０ｋｇ／ｍ３，單次布料圈數(shù)１２ｒ，單次布料時(shí)間９０ｓ。統(tǒng)計(jì)高爐９０日內(nèi)的布料操作，得到溜槽在各個(gè)溜槽傾角擋位布料的頻率如表１所示。
考慮礦石和焦炭極少在第７～１０這４個(gè)擋位進(jìn)行布料，因此選擇第１～６這６個(gè)擋位下的爐料沖擊區(qū)域作為主要抗磨損區(qū)域。根據(jù)式（８）、式（９）進(jìn)行計(jì)算，獲得的不同擋位的溜槽磨損區(qū)域如圖６所示。
由圖６可知，在不同擋位下，爐料沖擊溜槽的區(qū)域近似扇形，隨著溜槽傾角變小，磨損區(qū)域整體下移，且沿著溜槽軸線(xiàn)方向的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，其中擋位６形成的磨損區(qū)域較擋位１形成的磨損區(qū)域在溜槽軸線(xiàn)方向上長(zhǎng)度增加２３．９６％。在設(shè)定的布料制度下，磨損區(qū)域?yàn)椴煌瑩跷幌聽(tīng)t料沖擊接觸磨料磨損區(qū)域的并集，沿爐料滑動(dòng)方向呈現(xiàn)逐漸變窄的趨勢(shì)。圖６所示的矩形虛線(xiàn)框即為料磨料式襯板的合理設(shè)定位置，Ｓ⊆｛（ｌ，θ３）｜ｌ ∈［０．１４９，１．６６１］ｍ，θ３ ∈ ［－１．０９５，１．０９５］ｒａｄ｝。
在表１所示的布料制度下，根據(jù)料墊厚度對(duì)爐料沖擊的影響，設(shè)定［ｄ］＝０．０６ｍ，耐磨板的高度ｈ＝０．１ｍ，耐磨板的間距Δｌ＝０．２ｍ，溜槽襯板使用高鉻鑄鐵，礦石和焦炭的物料屬性權(quán)重κＯ２１＝０．４６，κＣ２２＝０．１２，爐料在溜槽內(nèi)的堆角γ ＝０．４２４ｒａｄ。按照式（１５）中的目標(biāo)函數(shù)和式（１６）中的約束條件進(jìn)行優(yōu)化，獲得溜槽耐磨板與溜槽中心軸線(xiàn)的夾角α＝１．４５２ｒａｄ，較常規(guī)設(shè)計(jì)α＝０．８７２ｒａｄ時(shí)多儲(chǔ)存３２．１３％ 的爐料，有益于減小爐料對(duì)溜槽襯板的沖擊作用。
在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，優(yōu)化后的布料溜槽服役２３個(gè)月，過(guò)料總量達(dá)６７０萬(wàn)噸，較相同結(jié)構(gòu)但未進(jìn)行優(yōu)化的布料溜槽過(guò)料總量增加了１５．５％，是普通光面式溜槽過(guò)料總量的２．５～４．６倍，取得了良好的使用效果。
４ 結(jié)論
（１）高爐布料溜槽的磨損屬于磨料磨損，位于中心喉管正下方的磨損區(qū)域發(fā)生爐料沖擊，沖擊區(qū)域沿溜槽軸線(xiàn)方向由寬漸窄，磨損劇烈，其他區(qū)域的溜槽襯板僅發(fā)生低應(yīng)力劃傷，磨損相對(duì)較輕。
（２）在爐料沖擊區(qū)域設(shè)置料墊能夠有效緩沖爐料對(duì)溜槽襯板的沖擊，料墊的厚度應(yīng)不小于６０ｍｍ，且料墊越厚，溜槽的抗磨損性能越佳。
（３）高爐布料溜槽宜采用料磨料式和光面式襯板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在沖擊區(qū)域，料磨料式襯板聚集爐料形成料墊，經(jīng)過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，在溜槽底部的爐料儲(chǔ)存量增加了３２．１３％，有效分散了爐料對(duì)溜槽的直接沖擊，溜槽在劃傷區(qū)域采用光面式襯板結(jié)構(gòu)，有利于集中爐料形成料流。
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