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高炉布料溜槽抗磨损结构设计及优化

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高炉布料溜槽抗磨损结构设计及优化

发布日期:2019-05-13 编辑:客服 点击:

  溜槽是无钟高炉炉顶布料器的关键部件,通过控制溜槽的旋转和倾动可以灵活地将炉料分布至炉喉,实现希望的径向矿焦比,获得良好的煤气分布,Z大限度地利用煤气的热能和化学能。现代大型高炉的溜槽每日过料量近万吨,工作环境恶劣,磨损成为溜槽失效的重要原因,由此导致的高炉生产事故时有发生,严重影响了高炉生产。因此,改善溜槽的抗磨损性能,延长溜槽的使用寿命,对于保障高炉稳产顺行具有非常重要的意义。

  

  为提高溜槽的抗磨损性能,相关专家和技术人员从材质和制造工艺两个方面进行了大量的探索和研究,并取得了许多成果。溜槽衬板大量使用昂贵的硬质合金和高铬铸铁等耐磨材料,但是溜槽使用寿命偏短的现象仍然普遍存在,这暴露出溜槽在结构设计方面存在不足。此外,高炉装料制度作为溜槽非材质和结构方面的因素,对溜槽使用寿命也有不可忽略的影响,但是现有的研究都没有明确指出如何由高炉炉顶装料来引导布料溜槽的抗磨损结构设计。

  

  本文分析了炉料在溜槽内的运动,确定了炉料对溜槽的作用特点以及磨损形式,并在此基础上设计了料磨料式和光面式衬板相结合的溜槽结构,采用离散单元法模拟了不同厚度的料垫对下落炉料的缓冲作用,并结合高炉装料制度对料磨料式衬板进行结构参数的优化,以提高溜槽的抗磨损性能,延长溜槽的使用寿命。

  

  1 布料溜槽的磨损

  

  在布料过程中,银河99yh娱乐网址衬板的内侧表面与铁矿石和焦炭的颗粒互相摩擦引起了溜槽衬板材料的逐渐损失,该磨损属于典型的磨料磨损。按照炉料对溜槽衬板的具体作用形式,溜槽可以分为冲击区域和划伤区域。冲击区域位于布料器中心喉管的正下方,炉料从料流调节阀流出后以一定的速度冲击溜槽衬板,是溜槽磨漏的主要发生区域;炉料在冲击溜槽衬板后沿着溜槽衬板滑动直至脱离溜槽,炉料滑过的位置存在低应力划伤。

  

  炉料落至溜槽的速度一般在10m/s以上,在溜槽冲击区域内形成的正压力远大于炉料流经划伤区域时炉料对衬板的正压力,造成的磨损更为严重。实际上,溜槽的磨损失效主要以冲击区域的磨漏为主,溜槽部分丧失对炉料的控制,造成了高炉中心区域炉料堆积,中心气流不畅,而高炉边缘区域煤气流发展旺盛,烧蚀炉墙。因此,当前溜槽的抗磨损设计主要针对的是溜槽的冲击区域。

  

  环形布料是无钟高炉的主要布料形式溜槽以恒定的角速度ω1旋转,溜槽倾角为θ2。炉料经由中心喉管,沿竖直方向落至溜槽。设中心喉管壁处的炉料颗粒为质点,质点在溜槽上的竖直投影即为炉料冲击区域的边界。

  

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  溜槽在上述矩形区域应当具备缓冲炉料冲击的抗磨损性能。

  

  2 溜槽结构设计与优化

  

  2.1 溜槽整体结构

  

  结合炉料在溜槽上的运动分析以及溜槽的实际使用现状可知,溜槽在不同的区域受到磨料的作用形式和磨损程度存在较大差异。在冲击区域,磨料磨损相对严重,是发生磨漏的主要位置,溜槽衬板应当具备缓冲炉料冲击的作用,以及较高的硬度和冲击韧性;溜槽出口的划伤区域没有受到炉料的直接冲击,衬板磨损率相对较低,应保证炉料形成料流且不发生紊乱,防止布料过程复杂化。按照上述要求,对不同磨损区域分别进行有针对性的结构设计,

  

  溜槽在冲击区域采用料磨料式衬板结构,即溜槽内侧安装有若干平行的耐磨板。炉料落至溜槽后首先填充耐磨板形成的空腔,后续炉料将冲击已形成的料垫,从而有效分散炉料对溜槽的直接冲击。这种结构解决了衬板材料难以同时具备高硬度和高韧性的问题,符合具有炉料冲击的抗磨损设计要求。在料磨料式衬板结构的下部则采用光面式溜槽衬板,有利于炉料集中成料流。

  

  2.2 料垫厚度对炉料冲击的影响

  

  在磨料磨损中,磨损量分别与接触物体之间的正压力和滑动距离成正比。聚集在布料溜槽内部的料垫对溜槽衬板产生抗磨损保护作用,主要表现在料垫作为缓冲介质避免了运动炉料对溜槽衬板的直接冲击,炉料的动能通过颗粒之间的互相碰撞得以削弱,与溜槽衬板直接接触的炉料颗粒运动速度较小,单位时间的滑动距离较短。为了衡量物体表面磨料磨损的剧烈程度,定义物体表面与相接触颗粒之间的正压力N 和相对滑动速度υr的乘积为磨损速率评估指标η:

  

  选取中部钢槽为研究对象,模拟获得该钢槽底板受到的正压力,以及直接与钢板接触颗粒在平行底板方向的滑动速率平均值,定义两者的乘积为磨损速率评估系数。在模拟试验中,分别设定钢槽底板与铅垂线的夹角分别为30°、45°和60°,通过EDEM App模拟获得的不同厚度的料垫对钢槽磨损的影响。

  

  不同钢槽倾角下的炉料冲击模拟试验均表明没有料垫缓冲的钢槽受到了炉料的直接冲击,磨损速率快;随着料垫厚度的增加,磨损速率急剧下降;当料垫厚度大于60mm 之后,磨损速率较小且相对稳定。因此,在布料溜槽的易磨损部分设置大于60mm 的料垫就能够对溜槽产生良好的抗磨损保护作用。

  

  2.3 料磨料溜槽衬板结构优化

  

  溜槽衬板磨漏通常先出现在中心喉管轴线下方的较小区域,随后不断扩大,溜槽底部的磨损Z为严重。取经过溜槽轴线的竖直截面进行溜槽抗磨损设计分析。

  

  对于更换溜槽的高炉,溜槽倾角挡位的权重取一段工作时间段内溜槽在第i个挡位的布料频率,即溜槽在该挡位布料周数与布料总周数的比值;对于尚未生产使用的高炉,溜槽倾角挡位的权重取设计的常规布料工艺中溜槽在第i个挡位的布料频率。物料属性权重反映了不同物料对溜槽磨损的影响程度,在高炉布料过程中,物料的磨损主要体现在物料与耐磨衬板硬度的比值上,

  

  在优化模型中,物料属性权重采用相对磨损率,物料颗粒即为矿石颗粒和焦炭颗粒。

  

  该优化问题属于约束Z优化问题,采用复合形法即可求解获得Z优的α 值。

  

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