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昆明艾克工業(yè)自動(dòng)化有限公司 2017-12-25 點(diǎn)擊2915次
一、課題背景
長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)粉體的動(dòng)力學(xué)研究一直是空白，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展中存在大量工業(yè)粉體應(yīng)用，由于沒(méi)有類(lèi)似空氣動(dòng)力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)等的專(zhuān)業(yè)理論指導(dǎo)，粉體工程學(xué)中也明顯缺乏系統(tǒng)性的對(duì)應(yīng)理論分析和描述，最終導(dǎo)致全行業(yè)在粉體控制方面嚴(yán)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(dòng)態(tài)力學(xué)特性復(fù)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(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有效處理。特別對(duì)于隨經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展出現(xiàn)的萬(wàn)噸級(jí)粉體大庫(kù)，現(xiàn)實(shí)基本在沒(méi)有明確理論指導(dǎo)下，僅僅憑外圍表淺的認(rèn)知分析和經(jīng)驗(yàn)就推出大量治標(biāo)不治本的技術(shù)方案。如今數(shù)千條水泥旋窯生產(chǎn)線和粉磨站的各種粉體大庫(kù)在多年實(shí)際應(yīng)用中已開(kāi)始積累呈現(xiàn)出日益嚴(yán)重的正常運(yùn)行障礙問(wèn)題，庫(kù)料板結(jié)、偏庫(kù)、沖料、欠料、斷流、甚至完全堵塞等等問(wèn)題越來(lái)越多，進(jìn)而嚴(yán)重影響到各企業(yè)的宏觀營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益。大量事實(shí)充分說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)方案存在明顯缺陷和不足，亟待進(jìn)一步從理論到實(shí)踐的徹底解決。
國(guó)外引進(jìn)的各種粉體氣動(dòng)卸放控制技術(shù)本身就存在理論盲區(qū)。從可搜尋的各種技術(shù)理論與資料來(lái)看，無(wú)論是裝備廠方，還是設(shè)計(jì)單位，其粉體動(dòng)力學(xué)模型要么是模糊不清，要么語(yǔ)焉不詳，要么就是一堆莫名奇妙的公式圖表，從實(shí)際控制效果來(lái)看，基本就是自欺欺人的假設(shè)性推導(dǎo)，既不能驗(yàn)證解釋問(wèn)題，更不能指導(dǎo)解決問(wèn)題，完全脫離了實(shí)際應(yīng)用需要。
二、目標(biāo)樹(shù)立與路線規(guī)劃
基于不斷涌現(xiàn)的粉體控制問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)必須對(duì)粉體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入透徹的理論研究分析，找到能有效解釋和指導(dǎo)粉體控制應(yīng)用的明確理論基礎(chǔ)，進(jìn)而找到可行的技術(shù)解決方法。
根據(jù)曾經(jīng)多年在立窯水泥工業(yè)粉體應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們首先認(rèn)為氣動(dòng)卸放控制是一個(gè)容易誤導(dǎo)問(wèn)題解決的技術(shù)陷阱，輕易用氣將粉體從庫(kù)內(nèi)吹出，會(huì)掩蓋和阻礙我們對(duì)粉體基本力學(xué)特性變化的深入研究分析，麻痹我們對(duì)庫(kù)內(nèi)粉體動(dòng)力學(xué)的形成與作用機(jī)制探尋。
因此，我們確定從最基本的粉體流動(dòng)性，靜動(dòng)態(tài)力學(xué)傳導(dǎo)性，靜動(dòng)態(tài)力學(xué)平衡性著手，以自然庫(kù)內(nèi)粉體存儲(chǔ)與卸放的各種工況展開(kāi)大量針對(duì)性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)踐與理論的反復(fù)驗(yàn)證和推導(dǎo)，逐級(jí)逐層找出庫(kù)內(nèi)粉體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，建立真實(shí)系統(tǒng)完整的動(dòng)力學(xué)模型，破解其運(yùn)行機(jī)制，進(jìn)而對(duì)癥下藥，研發(fā)設(shè)計(jì)出更準(zhǔn)確有效的技術(shù)解決手段。
三、粉體流動(dòng)性及其力學(xué)傳導(dǎo)性
經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究分析與大量實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)含氣量是導(dǎo)致流動(dòng)性變化的主要根源，含氣量越高流動(dòng)性越強(qiáng)。另外發(fā)現(xiàn)同等含氣量下，因外部沖擊引發(fā)的整體激振和顫動(dòng)存在與否，也會(huì)大幅促進(jìn)流動(dòng)性的迅速提升或消失。
粉體流動(dòng)性高低不同會(huì)呈現(xiàn)巨大的力學(xué)傳導(dǎo)特性差異，流動(dòng)性越高其受壓膨脹性越強(qiáng)，同時(shí)繞流擴(kuò)張性越強(qiáng)，垂直支撐性越弱。反之流動(dòng)性越低其受壓膨脹性越低，繞流擴(kuò)張性越弱，垂直支撐性越強(qiáng)。其中即使高流動(dòng)性軟料，也因不可壓縮性在動(dòng)態(tài)大沖變應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生瞬間動(dòng)態(tài)硬固化力傳導(dǎo)平衡支撐作用。多數(shù)情況下粉體處于半流動(dòng)性狀態(tài)，呈現(xiàn)半繞流半支撐特性。隨庫(kù)位升高粉料受壓上升，會(huì)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(chǔ)存也會(huì)隨料重長(zhǎng)時(shí)間沉積而導(dǎo)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(xì)度密切相關(guān)，庫(kù)內(nèi)受壓越大逸出越快，直至含氣量達(dá)到飽和下限后不再變化，一般底部粉料在長(zhǎng)期重壓下自然會(huì)形成飽和固態(tài)料，因此滿庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)中下庫(kù)位邊壁易形成掛壁滯留效應(yīng)，若長(zhǎng)期不能移動(dòng)下卸將形成半固化死區(qū)板結(jié)，并逐漸增長(zhǎng)擴(kuò)大擠占有效庫(kù)容，最終導(dǎo)致偏庫(kù)或完全阻塞。
從機(jī)械控制運(yùn)行推動(dòng)作用看，很明顯，高流動(dòng)性粉體，動(dòng)態(tài)均化填充性好，但極易受壓力變化呈現(xiàn)不規(guī)則的前竄運(yùn)動(dòng)，即使采用分隔輪式結(jié)構(gòu)控制，對(duì)運(yùn)行間隙的鎖止性也要求極高。高固態(tài)低流動(dòng)性粉體則動(dòng)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(qiáng)，同時(shí)料面與運(yùn)動(dòng)機(jī)械摩擦性負(fù)荷加大且易磨損；半流動(dòng)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(yùn)行機(jī)械與料面摩擦力也大幅減少，易于與機(jī)械形成流量線性驅(qū)動(dòng)控制關(guān)系，是較理想的力學(xué)工作特性。
四、庫(kù)內(nèi)粉體拱的存在與應(yīng)力傳導(dǎo)作用
通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)觀察和研究，我們發(fā)現(xiàn)粉體在通用圓形立庫(kù)存儲(chǔ)或卸放過(guò)程中，均存在3種拱的力學(xué)平衡與傳導(dǎo)作用。
1、重力拱
上部粉料的垂直重力壓在下部粉體時(shí)，因流動(dòng)性存在會(huì)在水平方向產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)水平擠壓力達(dá)到粉體一定硬固度時(shí)，遂按自然密度弧形成球面應(yīng)力平衡拱架層，從而將拱層上部料重全部壓承轉(zhuǎn)到外部硬固區(qū)，一般為內(nèi)庫(kù)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(jí)球面拱架層，如此這般，實(shí)際自然形成了連續(xù)若干疏密分層的平行半球?qū)盈B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(kù)底環(huán)壁杯托形高固態(tài)承壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)，正是分層重力如此的自然拱架作用，導(dǎo)致實(shí)際中心區(qū)處于低壓非承重區(qū)，也是軟料存儲(chǔ)區(qū)，見(jiàn)圖一。
當(dāng)某層拱下部出料時(shí)，則因任一拱環(huán)部位負(fù)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(dāng)緊鄰2兩層拱垮后又會(huì)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(jí)延時(shí)性拱架層陷落與再成拱平衡，如同動(dòng)態(tài)分層拱垮的自動(dòng)上移飄動(dòng)，而遠(yuǎn)非我們想象的整體性陷落，因此庫(kù)壁總承壓力只會(huì)呈現(xiàn)連續(xù)拱垮引發(fā)的小幅脈動(dòng)性沖擊。顯然，庫(kù)底出料流量和庫(kù)直徑?jīng)Q定了該庫(kù)內(nèi)的整體拱垮周期。當(dāng)庫(kù)下存在硬固性死料區(qū)時(shí)粉料只能向活動(dòng)區(qū)自然產(chǎn)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(dòng)平衡規(guī)律，見(jiàn)圖一。
正是重力拱的存在與變化，徹底解釋清楚了粉庫(kù)內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力布局與動(dòng)態(tài)下卸應(yīng)力變化機(jī)制。
圖一
2、收縮拱
粉料在庫(kù)底出口形成的動(dòng)態(tài)收縮拱作用，由于出口環(huán)四周粉料同時(shí)向中心匯聚收縮，從而在環(huán)出口區(qū)域自動(dòng)形成立體空心圓柱狀拱結(jié)區(qū)，出口垂直中心無(wú)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(qiáng)， 越向上隨硬固度降低，收縮拱強(qiáng)度變?nèi)跬鈹U(kuò)，當(dāng)出料流量越大，形成的收縮度越大，呈現(xiàn)出強(qiáng)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(nèi)，往往會(huì)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(kuò)大形成漏斗狀，出口卸料時(shí)在漏斗區(qū)內(nèi)的重力拱依然會(huì)形成瓶頸性層疊拱垮移動(dòng)作用，自然形成限流性漏斗流，見(jiàn)圖一。我們?cè)?/span>3米高6噸水泥實(shí)驗(yàn)小庫(kù)出口加裝20噸液壓油缸嘗試破拱助卸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)收縮拱不僅阻力強(qiáng)大，且具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)快速自生性，無(wú)法用外力強(qiáng)行破解，從而搞清收縮拱實(shí)際是影響粉庫(kù)出料的最大阻礙因素。
3、對(duì)沖拱
庫(kù)內(nèi)上部料重通過(guò)重力拱作用于沿庫(kù)邊壁，形成的環(huán)形合成料下壓力在庫(kù)底工作面產(chǎn)生以法線為參照的重力反射對(duì)沖應(yīng)力作用，通過(guò)與對(duì)向及側(cè)向的自然擠壓形成杠桿式應(yīng)力平衡拱，一般產(chǎn)生在帶較大錐度的庫(kù)底工作面部分，形成對(duì)中上部粉料的重力支撐和料流阻隔，見(jiàn)圖二，對(duì)沖平衡拱在下部走空時(shí)自然會(huì)造成負(fù)壓增大，在與拱上部料壓共同作用下，大于拱架力時(shí)會(huì)引發(fā)較大的垮塌性沖擊，但很快又會(huì)再次因?qū)_力的存在而迅速恢復(fù)硬固成拱阻，最終形成大周期拱垮震蕩，形成對(duì)出口料壓的沖擊性波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，即使是新打入庫(kù)的高流動(dòng)性軟料，也會(huì)形成較強(qiáng)的對(duì)沖平衡拱，只有在其拱上庫(kù)位足夠高位重壓之下才會(huì)被壓垮消解改善。
對(duì)沖平衡拱主要由于錐形庫(kù)低的重力反射對(duì)接形成，人們往往會(huì)誤認(rèn)為大錐角庫(kù)底設(shè)計(jì)可形成重力自然流動(dòng)下卸力，殊不知反而會(huì)形成對(duì)沖性平衡拱導(dǎo)致自鎖性阻礙，事實(shí)上只要采取平底庫(kù)或小于10度的錐度設(shè)計(jì)就可自然避開(kāi)化解。
圖二
很明顯，重力拱的存在導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)重力的非均衡邊緣化分布支撐和相應(yīng)的粉料自然分層固態(tài)化分布，以及逐級(jí)小幅拱垮下卸運(yùn)動(dòng)方式，遠(yuǎn)常人想象的均勻分布支撐和整體連續(xù)下卸方式。
對(duì)沖平衡拱是阻礙下料的有害拱，但可通過(guò)避免采用大錐度庫(kù)底設(shè)計(jì)而直接避開(kāi)。
收縮拱才是阻礙下料的核心因素，由于庫(kù)料向出口的必然收縮運(yùn)動(dòng)，該拱具有持續(xù)高強(qiáng)自鎖性，是解決連續(xù)穩(wěn)定卸料的關(guān)鍵所在。
五、常見(jiàn)粉庫(kù)的氣動(dòng)卸放處理作用
現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，明顯在缺乏對(duì)粉體庫(kù)內(nèi)的力學(xué)分布及運(yùn)動(dòng)變化明晰了解的情況下，選擇了較為局部的技術(shù)路徑與手段來(lái)處理卸放控制需要。
一是直接采用空庫(kù)，在庫(kù)底用錐狀出口吹入空氣助卸，庫(kù)口下接入各種給料設(shè)備進(jìn)行卸放控制。常見(jiàn)有轉(zhuǎn)子稱(chēng)，螺旋稱(chēng)，流量閘加沖量計(jì)等幾種類(lèi)型。
二是在庫(kù)內(nèi)設(shè)置減壓錐，力圖改變庫(kù)壁堆積死區(qū)過(guò)大的弊病，在庫(kù)底鋪滿風(fēng)送氣槽陣及分區(qū)管路，通過(guò)大功率羅茨風(fēng)機(jī)和循環(huán)分配器，對(duì)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)掃描式吹氣卸料，再在庫(kù)口下接入各種給料設(shè)備進(jìn)行卸放控制，常見(jiàn)也是轉(zhuǎn)子稱(chēng)，螺旋稱(chēng)，流量閘加沖量計(jì)等幾種類(lèi)型。
三是采用更復(fù)雜的中分反錐型蛋殼庫(kù)方式，在外環(huán)庫(kù)壁內(nèi)設(shè)置氣動(dòng)裝置，實(shí)施6-8點(diǎn)多路氣動(dòng)閘控制的匯聚式卸放控制，多冠以充分均化的技術(shù)理由，一般在生料庫(kù)采用。
事實(shí)上，無(wú)論采用那種庫(kù)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(jìn)行強(qiáng)制破拱消除阻塞，然而空氣運(yùn)動(dòng)具有兩大基本特性，一是走軟不走硬，無(wú)論采取何種吹氣布局設(shè)計(jì)，在庫(kù)底部高固硬料區(qū)極易產(chǎn)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(huì)自然匯聚到中間上部軟料區(qū)，而不可能導(dǎo)向邊高目標(biāo)固化死料區(qū)；二是空氣內(nèi)含水分與粉體發(fā)生冷熱交互時(shí)產(chǎn)生冷凝水會(huì)逐步在死料區(qū)滲透累計(jì)，形成固化板結(jié)。
所以氣動(dòng)卸料技術(shù)本質(zhì)就屬于頭重腳輕的非穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根本無(wú)法形成平衡同步的整體流，新建庫(kù)會(huì)隨著使用時(shí)間推移，往往必然因氣動(dòng)工作斜槽的自然阻塞或損傷，產(chǎn)生底部料區(qū)出氣量不規(guī)則變化而引發(fā)各種隨機(jī)漏斗流復(fù)合體，容易造成庫(kù)內(nèi)形成累積性積結(jié)固化偏流結(jié)構(gòu)，死料區(qū)的長(zhǎng)期增長(zhǎng)積累則導(dǎo)致全庫(kù)料硬化縮容乃至阻塞性限流斷料。
運(yùn)用本文提出的3種粉體拱的形成與運(yùn)動(dòng)作用原理，讀者可自行分析推導(dǎo)出各種氣動(dòng)卸料方式庫(kù)內(nèi)的應(yīng)力形成與流動(dòng)性變化分布發(fā)展情況，本文不再深入贅述。
六、太極錐的設(shè)計(jì)原理及力學(xué)作用
有了上述庫(kù)內(nèi)拱的存在和流動(dòng)性分布的了解，我們?cè)趲?kù)中間出口上針對(duì)性設(shè)計(jì)了太極錐，將單點(diǎn)水平出料改變?yōu)榄h(huán)形多層多點(diǎn)垂直環(huán)側(cè)入出料方式，通過(guò)多點(diǎn)進(jìn)料的收縮度降低大大弱化各進(jìn)口拱收縮強(qiáng)度，同時(shí)使太極錐在水平與垂直方向均自動(dòng)形成陰陽(yáng)受力交錯(cuò)破拱結(jié)構(gòu)。當(dāng)太極錐底下控制裝置驅(qū)動(dòng)走料后，在錐內(nèi)上部料重與下部運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械拖動(dòng)雙重作用下，錐內(nèi)粉料開(kāi)始下卸并產(chǎn)生負(fù)壓內(nèi)吸作用，同時(shí)錐外粉料在庫(kù)料重合成應(yīng)力向心推動(dòng)擠壓下，里應(yīng)外合形成自動(dòng)剪切破拱入料補(bǔ)填，根據(jù)分層高低固性不同實(shí)現(xiàn)環(huán)形多點(diǎn)料口的自動(dòng)平衡補(bǔ)進(jìn)，最終形成流量自適應(yīng)滿填充卸放。
圖三
一旦由太極錐破除收縮拱，重力拱產(chǎn)生的分布式向心推力正好自動(dòng)形成自平衡整體流作用，使全庫(kù)無(wú)死區(qū)均衡下卸，見(jiàn)圖三，并因巨大的庫(kù)壓力集中作用于庫(kù)壁和底部，其重力推動(dòng)的下卸過(guò)程便自然完成了令人頭疼不已的清庫(kù)任務(wù)。
圖四
采用太極錐卸料，應(yīng)保持中高料位運(yùn)行，方可保證上部足夠庫(kù)料合成重壓自然推動(dòng)庫(kù)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(kù)內(nèi)環(huán)壁將形成一定的自然堆積殘存尾料區(qū)，但不會(huì)形成死料堆積區(qū)，見(jiàn)圖四，一旦新料進(jìn)入，均將被循環(huán)遞補(bǔ)推出。
圖五
由于太極錐的存在，錐外粉料會(huì)依據(jù)垂直方向上先低后高的順序分層進(jìn)入錐內(nèi)，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(dòng)底層混合料，見(jiàn)圖五，且其混合流動(dòng)性處于半流動(dòng)狀態(tài)，有利于后續(xù)機(jī)械輸送控制。
七、結(jié)論
本文通過(guò)大量理論到實(shí)踐的推導(dǎo)驗(yàn)證總結(jié)提煉而來(lái)，在幾十套不同庫(kù)型不同原料不同流量的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中均能有效解釋問(wèn)題并指導(dǎo)獲得問(wèn)題解決，從事實(shí)上徹底證明了粉庫(kù)內(nèi)粉體動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)生成機(jī)制和靜動(dòng)態(tài)力學(xué)作用原理，從以極其精簡(jiǎn)的太極錐技術(shù)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(dòng)化有限公司獨(dú)家發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)成果的部分首次公開(kāi)解密，旨在加快最新科技進(jìn)步成果的推廣應(yīng)用，促進(jìn)廣大工業(yè)粉體用戶(hù)的技術(shù)改造價(jià)值提升的全面認(rèn)知，在達(dá)成技術(shù)原理答疑解惑的目的下，期望大家尊重本公司合法權(quán)益進(jìn)行有效合作應(yīng)用，全面實(shí)現(xiàn)共贏，特別提醒廣大同業(yè)遵紀(jì)守法，真正支持國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略。若有擅自盜用本技術(shù)成果進(jìn)行使用并造成經(jīng)濟(jì)損失者，將被嚴(yán)厲追訴巨大的經(jīng)濟(jì)賠償和法律責(zé)任。