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昆明艾克工業(yè)自動化有限公司 2017-12-25 點擊2450次
一、課題背景
長期以來，工業(yè)粉體的動力學研究一直是空白，但經濟發(fā)展中存在大量工業(yè)粉體應用，由于沒有類似空氣動力學，流體動力學等的專業(yè)理論指導，粉體工程學中也明顯缺乏系統(tǒng)性的對應理論分析和描述，最終導致全行業(yè)在粉體控制方面嚴重落后于氣體，流體和散固體原料的控制水平。
究其原因，在于粉體因工況等多種外在物理因素變化存在流體與固體間的動態(tài)力學特性復雜變化，難以向氣、液體等單一物理特性容易找到明確穩(wěn)定的動力學數學模型進行有效處理。特別對于隨經濟日益發(fā)展出現的萬噸級粉體大庫，現實基本在沒有明確理論指導下，僅僅憑外圍表淺的認知分析和經驗就推出大量治標不治本的技術方案。如今數千條水泥旋窯生產線和粉磨站的各種粉體大庫在多年實際應用中已開始積累呈現出日益嚴重的正常運行障礙問題，庫料板結、偏庫、沖料、欠料、斷流、甚至完全堵塞等等問題越來越多，進而嚴重影響到各企業(yè)的宏觀營運經濟效益。大量事實充分說明現有技術設計方案存在明顯缺陷和不足，亟待進一步從理論到實踐的徹底解決。
國外引進的各種粉體氣動卸放控制技術本身就存在理論盲區(qū)。從可搜尋的各種技術理論與資料來看，無論是裝備廠方，還是設計單位，其粉體動力學模型要么是模糊不清，要么語焉不詳，要么就是一堆莫名奇妙的公式圖表，從實際控制效果來看，基本就是自欺欺人的假設性推導，既不能驗證解釋問題，更不能指導解決問題，完全脫離了實際應用需要。
二、目標樹立與路線規(guī)劃
基于不斷涌現的粉體控制問題，我們發(fā)現必須對粉體動力學進行深入透徹的理論研究分析，找到能有效解釋和指導粉體控制應用的明確理論基礎，進而找到可行的技術解決方法。
根據曾經多年在立窯水泥工業(yè)粉體應用經驗，我們首先認為氣動卸放控制是一個容易誤導問題解決的技術陷阱，輕易用氣將粉體從庫內吹出，會掩蓋和阻礙我們對粉體基本力學特性變化的深入研究分析，麻痹我們對庫內粉體動力學的形成與作用機制探尋。
因此，我們確定從最基本的粉體流動性，靜動態(tài)力學傳導性，靜動態(tài)力學平衡性著手，以自然庫內粉體存儲與卸放的各種工況展開大量針對性實驗，通過實踐與理論的反復驗證和推導，逐級逐層找出庫內粉體動力學的內在規(guī)律，建立真實系統(tǒng)完整的動力學模型，破解其運行機制，進而對癥下藥，研發(fā)設計出更準確有效的技術解決手段。
三、粉體流動性及其力學傳導性
經過認真研究分析與大量實驗，我們發(fā)現含氣量是導致流動性變化的主要根源，含氣量越高流動性越強。另外發(fā)現同等含氣量下，因外部沖擊引發(fā)的整體激振和顫動存在與否，也會大幅促進流動性的迅速提升或消失。
粉體流動性高低不同會呈現巨大的力學傳導特性差異，流動性越高其受壓膨脹性越強，同時繞流擴張性越強，垂直支撐性越弱。反之流動性越低其受壓膨脹性越低，繞流擴張性越弱，垂直支撐性越強。其中即使高流動性軟料，也因不可壓縮性在動態(tài)大沖變應力作用下，會產生瞬間動態(tài)硬固化力傳導平衡支撐作用。多數情況下粉體處于半流動性狀態(tài)，呈現半繞流半支撐特性。隨庫位升高粉料受壓上升，會加速粉料間隙中含氣的析出上逸而趨于固化。自然靜態(tài)儲存也會隨料重長時間沉積而導致料中含氣逐漸析出上逸，粉體含氣的逸出速度因不同原料磨碎的晶格形狀與細度密切相關，庫內受壓越大逸出越快，直至含氣量達到飽和下限后不再變化，一般底部粉料在長期重壓下自然會形成飽和固態(tài)料，因此滿庫存儲時中下庫位邊壁易形成掛壁滯留效應，若長期不能移動下卸將形成半固化死區(qū)板結，并逐漸增長擴大擠占有效庫容，最終導致偏庫或完全阻塞。
從機械控制運行推動作用看，很明顯，高流動性粉體，動態(tài)均化填充性好，但極易受壓力變化呈現不規(guī)則的前竄運動，即使采用分隔輪式結構控制，對運行間隙的鎖止性也要求極高。高固態(tài)低流動性粉體則動態(tài)均化填充性差，影響料流量的穩(wěn)定輸送，其料壓阻隔性高鎖止性強，同時料面與運動機械摩擦性負荷加大且易磨損；半流動性粉體則綜合了上述兩種極端特性，具有良好的鎖止性和均化填充性，運行機械與料面摩擦力也大幅減少，易于與機械形成流量線性驅動控制關系，是較理想的力學工作特性。
四、庫內粉體拱的存在與應力傳導作用
通過大量實驗觀察和研究，我們發(fā)現粉體在通用圓形立庫存儲或卸放過程中，均存在3種拱的力學平衡與傳導作用。
1、重力拱
上部粉料的垂直重力壓在下部粉體時，因流動性存在會在水平方向產生膨脹應力，當水平擠壓力達到粉體一定硬固度時，遂按自然密度弧形成球面應力平衡拱架層，從而將拱層上部料重全部壓承轉到外部硬固區(qū)，一般為內庫壁。其下部粉料再次由重力疊加一定厚度料層后再受壓膨脹形成另外一級球面拱架層，如此這般，實際自然形成了連續(xù)若干疏密分層的平行半球層疊性的弱重力拱體，并將粉體料重自然分配疊加作用于外環(huán)，從而形成庫底環(huán)壁杯托形高固態(tài)承壓應力結構，正是分層重力如此的自然拱架作用，導致實際中心區(qū)處于低壓非承重區(qū)，也是軟料存儲區(qū)，見圖一。
當某層拱下部出料時，則因任一拱環(huán)部位負壓增大到支撐力部不足而引發(fā)本層拱架破解垮塌崩潰下泄，當緊鄰2兩層拱垮后又會向下因重力擠壓膨脹再次形成新的拱架平衡層，由此造成由下向上的逐級延時性拱架層陷落與再成拱平衡，如同動態(tài)分層拱垮的自動上移飄動，而遠非我們想象的整體性陷落，因此庫壁總承壓力只會呈現連續(xù)拱垮引發(fā)的小幅脈動性沖擊。顯然，庫底出料流量和庫直徑決定了該庫內的整體拱垮周期。當庫下存在硬固性死料區(qū)時粉料只能向活動區(qū)自然產生偏移下卸，其局部性下行依然遵循區(qū)域拱架分層垮落的上述動平衡規(guī)律，見圖一。
正是重力拱的存在與變化，徹底解釋清楚了粉庫內靜態(tài)應力布局與動態(tài)下卸應力變化機制。
圖一
2、收縮拱
粉料在庫底出口形成的動態(tài)收縮拱作用，由于出口環(huán)四周粉料同時向中心匯聚收縮，從而在環(huán)出口區(qū)域自動形成立體空心圓柱狀拱結區(qū)，出口垂直中心無收縮形成軟料通道，底部收粉料的硬固度越大，形成的拱架越強， 越向上隨硬固度降低，收縮拱強度變弱外擴，當出料流量越大，形成的收縮度越大，呈現出強烈的連續(xù)的料流 自鎖性阻塞作用。由于重力拱的作用，出口中心上部的非收縮通道內，往往會向上逐步發(fā)展，形成中心性管道收縮拱上移，其中的軟料區(qū)逐步擴大形成漏斗狀，出口卸料時在漏斗區(qū)內的重力拱依然會形成瓶頸性層疊拱垮移動作用，自然形成限流性漏斗流，見圖一。我們曾在3米高6噸水泥實驗小庫出口加裝20噸液壓油缸嘗試破拱助卸實驗，發(fā)現收縮拱不僅阻力強大，且具有強烈的結構快速自生性，無法用外力強行破解，從而搞清收縮拱實際是影響粉庫出料的最大阻礙因素。
3、對沖拱
庫內上部料重通過重力拱作用于沿庫邊壁，形成的環(huán)形合成料下壓力在庫底工作面產生以法線為參照的重力反射對沖應力作用，通過與對向及側向的自然擠壓形成杠桿式應力平衡拱，一般產生在帶較大錐度的庫底工作面部分，形成對中上部粉料的重力支撐和料流阻隔，見圖二，對沖平衡拱在下部走空時自然會造成負壓增大，在與拱上部料壓共同作用下，大于拱架力時會引發(fā)較大的垮塌性沖擊，但很快又會再次因對沖力的存在而迅速恢復硬固成拱阻，最終形成大周期拱垮震蕩，形成對出口料壓的沖擊性波動。實驗表明，即使是新打入庫的高流動性軟料，也會形成較強的對沖平衡拱，只有在其拱上庫位足夠高位重壓之下才會被壓垮消解改善。
對沖平衡拱主要由于錐形庫低的重力反射對接形成，人們往往會誤認為大錐角庫底設計可形成重力自然流動下卸力，殊不知反而會形成對沖性平衡拱導致自鎖性阻礙，事實上只要采取平底庫或小于10度的錐度設計就可自然避開化解。
圖二
很明顯，重力拱的存在導致庫內重力的非均衡邊緣化分布支撐和相應的粉料自然分層固態(tài)化分布，以及逐級小幅拱垮下卸運動方式，遠常人想象的均勻分布支撐和整體連續(xù)下卸方式。
對沖平衡拱是阻礙下料的有害拱，但可通過避免采用大錐度庫底設計而直接避開。
收縮拱才是阻礙下料的核心因素，由于庫料向出口的必然收縮運動，該拱具有持續(xù)高強自鎖性，是解決連續(xù)穩(wěn)定卸料的關鍵所在。
五、常見粉庫的氣動卸放處理作用
現實應用中，明顯在缺乏對粉體庫內的力學分布及運動變化明晰了解的情況下，選擇了較為局部的技術路徑與手段來處理卸放控制需要。
一是直接采用空庫，在庫底用錐狀出口吹入空氣助卸，庫口下接入各種給料設備進行卸放控制。常見有轉子稱，螺旋稱，流量閘加沖量計等幾種類型。
二是在庫內設置減壓錐，力圖改變庫壁堆積死區(qū)過大的弊病，在庫底鋪滿風送氣槽陣及分區(qū)管路，通過大功率羅茨風機和循環(huán)分配器，對庫內進行循環(huán)掃描式吹氣卸料，再在庫口下接入各種給料設備進行卸放控制，常見也是轉子稱，螺旋稱，流量閘加沖量計等幾種類型。
三是采用更復雜的中分反錐型蛋殼庫方式，在外環(huán)庫壁內設置氣動裝置，實施6-8點多路氣動閘控制的匯聚式卸放控制，多冠以充分均化的技術理由，一般在生料庫采用。
事實上，無論采用那種庫底卸放工作方式，均不能改變上部粉體的3種自然成拱作用，均需采用吹入空氣進行強制破拱消除阻塞，然而空氣運動具有兩大基本特性，一是走軟不走硬，無論采取何種吹氣布局設計，在庫底部高固硬料區(qū)極易產生向中心軟料區(qū)的匯聚性川流通道，少量空氣向上逸出部分也會自然匯聚到中間上部軟料區(qū)，而不可能導向邊高目標固化死料區(qū)；二是空氣內含水分與粉體發(fā)生冷熱交互時產生冷凝水會逐步在死料區(qū)滲透累計，形成固化板結。
所以氣動卸料技術本質就屬于頭重腳輕的非穩(wěn)定系統(tǒng)結構設計，根本無法形成平衡同步的整體流，新建庫會隨著使用時間推移，往往必然因氣動工作斜槽的自然阻塞或損傷，產生底部料區(qū)出氣量不規(guī)則變化而引發(fā)各種隨機漏斗流復合體，容易造成庫內形成累積性積結固化偏流結構，死料區(qū)的長期增長積累則導致全庫料硬化縮容乃至阻塞性限流斷料。
運用本文提出的3種粉體拱的形成與運動作用原理，讀者可自行分析推導出各種氣動卸料方式庫內的應力形成與流動性變化分布發(fā)展情況，本文不再深入贅述。
六、太極錐的設計原理及力學作用
有了上述庫內拱的存在和流動性分布的了解，我們在庫中間出口上針對性設計了太極錐，將單點水平出料改變?yōu)榄h(huán)形多層多點垂直環(huán)側入出料方式，通過多點進料的收縮度降低大大弱化各進口拱收縮強度，同時使太極錐在水平與垂直方向均自動形成陰陽受力交錯破拱結構。當太極錐底下控制裝置驅動走料后，在錐內上部料重與下部運轉機械拖動雙重作用下，錐內粉料開始下卸并產生負壓內吸作用，同時錐外粉料在庫料重合成應力向心推動擠壓下，里應外合形成自動剪切破拱入料補填，根據分層高低固性不同實現環(huán)形多點料口的自動平衡補進，最終形成流量自適應滿填充卸放。
圖三
一旦由太極錐破除收縮拱，重力拱產生的分布式向心推力正好自動形成自平衡整體流作用，使全庫無死區(qū)均衡下卸，見圖三，并因巨大的庫壓力集中作用于庫壁和底部，其重力推動的下卸過程便自然完成了令人頭疼不已的清庫任務。
圖四
采用太極錐卸料，應保持中高料位運行，方可保證上部足夠庫料合成重壓自然推動庫底高固料參與混合形成平衡整體流，根本消除死區(qū)的存在，若自然卸空，庫內環(huán)壁將形成一定的自然堆積殘存尾料區(qū)，但不會形成死料堆積區(qū)，見圖四，一旦新料進入，均將被循環(huán)遞補推出。
圖五
由于太極錐的存在，錐外粉料會依據垂直方向上先低后高的順序分層進入錐內，從而合成多層高中硬度同心環(huán)自平衡滿填充混合體，從其底部卸出之料的自然混合均化度明顯高于氣動底層混合料，見圖五，且其混合流動性處于半流動狀態(tài)，有利于后續(xù)機械輸送控制。
七、結論
本文通過大量理論到實踐的推導驗證總結提煉而來，在幾十套不同庫型不同原料不同流量的實際生產應用中均能有效解釋問題并指導獲得問題解決，從事實上徹底證明了粉庫內粉體動力學的系統(tǒng)生成機制和靜動態(tài)力學作用原理，從以極其精簡的太極錐技術方案，使一直困擾工業(yè)粉體卸放的百年難題獲得了完美徹底的解決。
由于本文基于昆明艾克工業(yè)自動化有限公司獨家發(fā)明專利技術成果的部分首次公開解密，旨在加快最新科技進步成果的推廣應用，促進廣大工業(yè)粉體用戶的技術改造價值提升的全面認知，在達成技術原理答疑解惑的目的下，期望大家尊重本公司合法權益進行有效合作應用，全面實現共贏，特別提醒廣大同業(yè)遵紀守法，真正支持國家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略。若有擅自盜用本技術成果進行使用并造成經濟損失者，將被嚴厲追訴巨大的經濟賠償和法律責任。