孫劉恒^１ ，陳培榮^２

（ 1．中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京210019  ；

2．福建三鋼閔光股份有限公司，福建 三明365000）

摘要：高爐布料溜槽是無(wú)鐘高爐爐頂裝料設(shè)備中的核心部件之一；針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)中常用的半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽，分別建立了布料三維數(shù)學(xué)模型。基于實(shí)際高爐參數(shù)，計(jì)算分析了兩種型式溜槽對(duì)并罐式無(wú)鐘高爐布料過(guò)程影響，結(jié)果表明相比半圓形截面溜槽，矩形截面溜槽布料時(shí)料流寬度較小，更加集中，在料面上圓周落點(diǎn)分布及流量分布更為均勻。

關(guān)鍵詞：裝料設(shè)備；無(wú)鐘高爐；布料；半圓形截面溜槽；矩形截面溜槽

1 概 　 述

旋轉(zhuǎn)布料溜槽是無(wú)鐘高爐爐頂裝料設(shè)備中的核心部件之一，對(duì)控制和調(diào)節(jié)爐內(nèi)爐料分布起著決定性作用，因此國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)無(wú)鐘高爐溜槽布料規(guī)律進(jìn)行了大量研究，其中通過(guò)布料數(shù)學(xué)模型研究布料規(guī)律是重要研究手段之一^［1-4］。

自無(wú)鐘高爐爐頂應(yīng)用以來(lái)，半圓形截面（或弧形截面）布料溜槽在生產(chǎn)應(yīng)用中占據(jù)著主導(dǎo)地位，隨著布料裝備的發(fā)展，溜槽結(jié)構(gòu)型式也變得多樣化，其中矩形截面溜槽在生產(chǎn)中愈加被廣泛采用，兩種型式溜槽示意圖如圖1所示。溜槽結(jié)構(gòu)型式的差異必然導(dǎo)致布料規(guī)律的不同，目前已有的研究大多局限于半圓形截面溜槽的布料機(jī)理，而對(duì)矩形截面溜槽布料規(guī)律研究較少，尤其對(duì)于在復(fù)雜的并罐式無(wú)鐘爐頂布料過(guò)程中兩者布料規(guī)律差異認(rèn)識(shí)存在不足^［5］。

本文通過(guò)分析爐料顆粒在布料溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，分別建立半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽布料的三維數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)比分析了并罐式無(wú)鐘布料過(guò)程中兩種型式溜槽對(duì)應(yīng)的爐料運(yùn)動(dòng)及分布行為，為溜槽設(shè)計(jì)選型和生產(chǎn)操作提供理論指導(dǎo)。

2 建立布料數(shù)學(xué)模型

2.1半圓形截面溜槽

在高爐多環(huán)布料過(guò)程中，可通過(guò)溜槽自身圓周旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)將爐料布至爐內(nèi)指定位置。通過(guò)分析爐料在溜槽非慣性系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，其受到的作用力主要包括：1）重力mg；2）支持力F_N；3）摩擦力F_f==_μF_N ；4）牽引慣性力F_e，其中又可分為由動(dòng)參考系運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力F_e，1=-ma_P，由溜槽非勻速傾動(dòng)產(chǎn)生的慣性力F_e，2=-ma_t×r₂，由溜槽水平圓周旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F_e，3=-mω₁×（ω₁×r₁）由溜槽傾動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F_e,₄=-mω_２×（ω₂×r₂）；5）科氏慣性力，又可分為由溜槽水平圓周旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力F_C,₁=-2_m（ω₂×v）和由溜槽傾動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力F_C,₁=-2_m（ω₂×v）。

以上式中 μ 為爐料摩擦系數(shù)；ω₁ ，ω₂分別為溜槽水平圓周旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角速度（rad/S）；a_t為溜槽傾動(dòng)角加速度rad/S²）；r₁，r₂分別為爐料顆粒距溜槽水平圓周旋轉(zhuǎn)中心軸和傾動(dòng)中心軸的矢徑（m）；v為爐料顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。

對(duì)于半圓形截面溜槽，爐料顆粒在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不僅沿其軸向向末端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在溜槽橫截面上也發(fā)生圓周偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可將爐料復(fù)合運(yùn)動(dòng)分解為軸向運(yùn)動(dòng)和圓周切向運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行分析。圖2為爐料顆粒在半圓形截面溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立爐料運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程，并將作用力分別沿溜槽軸向（長(zhǎng)度方向）和截面圓周切向進(jìn)行分解。

在溜槽軸向方向上，爐料顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為

式中a為溜槽傾角（°）；θ為爐料在溜槽橫截面上圓周偏轉(zhuǎn)角度（°）；e為溜槽傾動(dòng)距（m）； Ｒ 為溜槽橫截面半徑（m）；m為爐料質(zhì)量（kg）。

2.2矩形截面溜槽

對(duì)于矩形截面溜槽，根據(jù)爐料運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可將爐料顆粒復(fù)合運(yùn)動(dòng)分解為沿溜槽長(zhǎng)度方向（x方向）和寬度方向（y方向）的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)分解過(guò)程如圖3所示。

根據(jù)爐料運(yùn)動(dòng)受力特點(diǎn)，可將運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為兩個(gè)階段：“階段1”為爐料顆粒從在溜槽內(nèi)落點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)至側(cè)壁的過(guò)程，此時(shí)顆粒同時(shí)沿x方向和y方向運(yùn)動(dòng)；“階段2 ”為顆粒碰撞溜槽側(cè)壁后不再發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)，僅沿側(cè)壁向溜槽末端進(jìn)行x方向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。其中，“階段1”為爐料運(yùn)動(dòng)必經(jīng)階段，而“階段2”過(guò)程在溜槽轉(zhuǎn)速較小時(shí)可能不存在，即爐料始終未碰撞側(cè)壁即已流出溜槽。

基于爐料顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力綜合分析，“階段1”過(guò)程中爐料顆粒沿x方向和y方向的運(yùn)動(dòng)方程分別為：

3布料規(guī)律對(duì)比分析

為了對(duì)比分析半圓形截面溜槽與矩形截面溜槽布料的差異性，基于某并罐式無(wú)鐘高爐爐頂實(shí)際的設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，計(jì)算了布料過(guò)程中爐料運(yùn)動(dòng)及分布狀況。

由于溜槽內(nèi)型截面形狀的差異，爐料從中心喉管落至溜槽內(nèi)的落點(diǎn)分布也會(huì)有所差異，造成溜槽內(nèi)爐料初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異。圖4為 a=30°布料時(shí)爐料在半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽內(nèi)的落點(diǎn)軌跡分布二維投影形狀。圖中x方向?yàn)榱锊坶L(zhǎng)度方向，y方向?yàn)榱锊蹖挾确较颍梢?jiàn)半圓形截面溜槽內(nèi)爐料落點(diǎn)軌跡投影形狀為非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，而矩形截面溜槽內(nèi)的落點(diǎn)形狀為橢圓形，且兩者在x方向和y方向最大落點(diǎn)距離均相同，分別為 0.5m和0.25m 。由此可見(jiàn)，溜槽型式差異造成了爐料在溜槽內(nèi)初始落點(diǎn)分布的差異，并將導(dǎo)致?tīng)t料在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)歷程的不同，從而對(duì)整個(gè)料流軌跡和爐內(nèi)料面上爐料落點(diǎn)分布產(chǎn)生影響。

溜槽型式除了影響爐料在溜槽內(nèi)初始落點(diǎn)分布及運(yùn)動(dòng)歷程，對(duì)溜槽出口處的初始料流寬度也有影響，圖5給出了半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽布料角度依次取27°，30°，33°和35°時(shí)溜槽出口處的初始料流寬度數(shù)值。從圖中可見(jiàn)，除在較小角度a=27°布料時(shí)矩形截面溜槽出口處料流寬度稍大于半圓形截面溜槽出口處料流寬度，在a=30°，33°和35°等較大角度布料時(shí)矩形截面溜槽對(duì)應(yīng)料流寬度均小于半圓形截面溜槽，且隨布料角度增大，前者增幅較小，后者增幅較大，兩者差值不斷增大。由此可知，矩形截面溜槽布料有利于減小料流寬度，使得料流更加集中，半圓形截面溜槽采用不同檔位布料時(shí)料流寬度波動(dòng)較大。

在整個(gè)布料過(guò)程中，前序環(huán)節(jié)的差異必將導(dǎo)致最終爐內(nèi)爐料分布的差異。圖6 進(jìn)一步給出了半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽布料時(shí)焦炭在爐內(nèi)料面上的落點(diǎn)以及瞬時(shí)流量圓周分布狀況。從圖6（a）可知，采用矩形截面溜槽布料時(shí)焦炭平均落點(diǎn)半徑約為3.01m，半圓形截面溜槽對(duì)應(yīng)的平均落點(diǎn)半徑約為3.36m ；兩者均顯示出明顯的圓周分布不均勻性，但半圓形截面溜槽布料時(shí)落點(diǎn)半徑最大值與最小值差值高達(dá)0.79m ，而矩形截面溜槽僅為0.20ｍ ，表明矩形截面溜槽布料過(guò)程中爐內(nèi)爐料落點(diǎn)圓周偏心遠(yuǎn)小于半圓形截面溜槽。

從圖6（b）中料面上焦炭瞬時(shí)流量圓周分布可看出，矩形截面溜槽布料時(shí)瞬時(shí)流量圓周分布曲線與平均流量曲線較為接近，而半圓形截面溜槽對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量分布曲線偏差較大，表明矩形截面溜槽布料也有利于減小爐料流量的圓周偏心。

4結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)中常用的半圓形截面溜槽和矩形截面溜槽，基于布料過(guò)程受力分析，分別建立了兩種型式溜槽布料三維綜合數(shù)學(xué)模型，深入解析了溜槽布料過(guò)程中爐料運(yùn)動(dòng)分布機(jī)理。

2）利用建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了兩種型式溜槽布料差異性，結(jié)果表明：爐料在半圓形截面溜槽內(nèi)落點(diǎn)軌跡投影形狀為非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，而在矩形截面溜槽內(nèi)的落點(diǎn)形狀為橢圓形；矩形截面溜槽布料有利于減小料流寬度，使得料流更加集中，而半圓形截面溜槽布料時(shí)在不同檔位料流寬度差異較大；半圓形截面溜槽布料時(shí)爐料圓周平均落點(diǎn)半徑略大于矩形截面溜槽，且落點(diǎn)半徑圓周偏差遠(yuǎn)高于后者，此外其爐料流量圓周分布不均勻程度也顯著高于后者，表明矩形截面溜槽布料更有利于減小爐料圓周分布偏心。