田儒来 1，2，熊玮 1，2，孙瑞 1，2 ，程宏峰 1，2
( 1． 武汉科技大学 钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081;
2． 武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430081)
摘 要: 采用离散单元法建立了烧结布料过程中混合料在料仓内和烧结台车上的分布模型，分析了料仓内四种类型粘料对烧结混合料横向分布均匀性的影响。模拟结果表明，粘料会使料仓内混合料的堆高位置和料面倾角发生变化，改变混合料在横向上的分布特征。( 即使不发生粘料，混合料的横向分布也是不均匀的) ; 粘料位置不同，对料仓内混合料的横向粒度分布影响也不同。在混合料下落面中段位置发生粘料时，会减弱混合料的横向偏析，提高横向分布的均匀性; 混合料在烧结台车与料仓内的横向分布特征具有继承性，偏析布料器对混合料横向分布的影响较小。
关键词: 混料仓; 粘料; 横向分布均匀性; 离散单元法
1 前 言
烧结台车横向( 宽度方向) 上的均匀布料是保证料层横断面上垂直烧结速度一致的基本条件，直接影响烧结矿品质的稳定。在影响横向布料均匀性的各因素中，除了布料机的行走方式、混合料仓形状之外，混合料仓粘料也是一个重要的影响因素［1 ～3］ 。
实际生产中可通过加装防粘料衬板防止大部分粘料情况的发生，然而当防粘料衬板老化磨损或生产操作失误时，仍出现料仓粘料。混合料仓粘料产生的原因已经很明确，而且一般认为料仓粘料对纵向上的偏析布料影响不大，但粘料对台车横向布料均匀性的影响还不是很清楚。
本文采用离散单元法( DEM) 建立了烧结台车布料数学模型，对不同类型粘料情况下混合料在料仓内和台车上横向分布情况进行了模拟和分析。
2 模型的建立
2． 1 物理模型
根据涟钢 130 m2 烧结机布料系统建立了布料模型，主要包括梭式布料机、混合料仓、宽皮带给料机、九辊布料器和烧结台车，如图 1 所示。烧结台车的宽度为2 840 mm，如果采用实际尺寸进行仿真模拟会导致计算时间过长，而本研究主要侧重于宽度方向的均匀性，综合考虑计算条件和研究目的，对布料模型高度方向上按1∶1，宽度方向上按 1∶ 2． 84 进行建模。相关生产工艺参数: 梭式布料机皮带速度为 1． 47 m/s，九棍布料器转速为 12． 6 r/min，九棍布料器倾角为 45°，烧结台车行走速度为 1． 0 m/min。
料仓粘料会发生在不同的部位，结合现场观察和有关文献资料［4，5］在模型中设定了四种粘料类型，如图 2 所示。
混合料下落撞击仓壁位置，简称 a 型粘料; 图 2( b) 为蒸汽管凸出引起的梭式布料机运行方向料仓壁面的粘料，位置在料仓中部，简称 b 型粘料; 图 2( c) 为蒸汽管凸出引起的台车运行方向料仓壁面的粘料，位置也在料仓中部，简称 c 型粘料; 图 2( d) 为严重蒸汽管沿壁粘料，环绕料仓中部，简称 d 型粘料。粘料模型为预设几何体模块，a 型粘料为圆盘状，厚 50 mm; b 型粘料和 c型粘料为水滴状，b 型粘料厚 150 mm，c 型粘料厚 180 mm; d 型粘料为 b 型粘料和 c 型粘料的组合形式，呈圆环状。
2． 2 离散元模型
离散单元法是把分析对象看作一系列离散的独立运动的粒子( 单元) ，用步时迭代的方法求解各离散单元的运动方程，继而求得整个分析对象的运动形态，实现对对象运动情况的预测。
烧结布料过程是一个密集颗粒流相互接触碰撞的运动过程，非常适合采用离散单元法进行分析模拟。本文采用基于 Hertz-Mindlin 模型发展而来的 Hertz-Mindlin with JKR ( Johnson-Kendall-Roberts) Cohesion 凝聚力接触模型( 简称 JKR 模型) 建模［6］。JKR 模型修正了经典 Hertz 接触模型仅考虑弹性变形的缺点，将表面能、界面能及其派生的黏着能引入到接触模型中，建立了一种黏结性颗粒接触模型。
烧结混合料的颗粒粒径主要集中在 0 ～8 mm范围内，颗粒数目极其庞大，采用离散单元法对其实际工况进行模拟几乎不可能。为简化仿真操作，缩短计算时间，本文选取 7． 5 mm、15 mm、30mm 三种粒径的颗粒进行仿真模拟。混合料颗粒的物性参数和颗粒间的能量密度分布分别如表 1和表2 所示［7］，计算时间步长为0．000 2 s，总仿真时间为60 s，摩擦系数( 颗粒 －颗粒) 为0．65，摩擦系数( 颗粒 －壁) 为0．65，杨氏模量为 2． 2，泊松比为0．3，滑动摩擦系数为4．0。
3 结果及分析
3． 1 料仓内混合料的料面形状
由于混合料下落轨迹呈抛物线形，在梭式布料机行走到回程末端时会产生落料“死区”，这样落料多的区域料面堆积较高，落料少的区域料面低矮，高位区域的混合料粗颗粒会向低处滚落，导致料仓内混合料横向分布不均匀。当料仓内壁出现粘料时，混合料正常下落轨迹会发生变化，出现颗粒散落面积变大的现象。某些钢厂通过在梭式皮带头轮落料前端焊装挡料板来缓解由于料位起伏导致的横向偏析，取得了一定的效果［8］。根据选取研究对象的实际工作情况，不考虑加装挡板时，各种类型粘料对混合料仓料面形状的影响如图 3 所示。
由图 3( a) 可见，当梭式布料机位于料仓右侧，左端为布料远端，混合料料面左端比右端高，这与文献［1］中所描述的无挡板时的料面形状相同。图 3( b) 和图 3( c) 料面形状与图 3( a) 大致相同，图3( d) 和图3( e) 料面形状则与图3( a)相反。通过 Matlab 图像处理技术对料面斜坡倾角进行了计算，如表 3 可见，不同类型的粘料均会加大料面斜坡倾角，相对于没有发生粘料时混合料在料仓内的料面形状，d 型粘料改变了料面的堆高位置，而且料面倾面也较大，对料面形状的影响最大。通过对料面堆高位置和料面倾角的分析，发现各种类型的粘料均会改变料面的形成过程，对混合料的正常散落分布产生影响，这种影响会改变由于料面不平整所导致的横向偏析。
3． 2 料仓内混合料的横向粒度分布
对混合料沿料仓横向方向上的粒度分布进行分析。混合料仓取样区域宽 1 000 mm，高1 000 mm，长 800 mm，沿 x 轴方向从左到右均匀划分为六个部分，图 4 为取样区域划分示意图。
各区域无量纲质量平均直径d m 如式( 1)所示。
式中: m i 为某区域内第 i 种粒径颗粒的质量，kg;m t 为某区域内颗粒的总质量，kg; m i '为 6 个取样区域内第 i 种粒径颗粒的总质量，kg; m t '为 6 个取样区域内颗粒的总质量，kg; d i 为第 i 种颗粒的粒径 mm。
用平均差 MD 来比较不同类型粘料时颗粒粒度偏析分布的差异，如式( 4) 所示。
料仓内混合料横向粒度分布的计算结果见表 4。
由表 4 可知，不发生粘料时，混合料在料仓内也存在粒度分布不均匀的现象; 当出现 a 型粘料时，料仓内颗粒的横向分布情况与无粘料时基本相同; 当出现 c 型粘料时，颗粒的横向分布情况与无粘料时的趋势相同，但料仓两端( 区域 1和区域6) 颗粒粒度较小，中间( 区域3 和区域4)颗粒粒度较大，不均匀现象突出; 当出现 b 型粘料和 d 型粘料时，颗粒粒度的横向分布较均匀。
这表明粘料会对颗粒在料仓内的运动轨迹产生影响，但不一定会加剧颗粒粒度的横向分布不均匀程度，甚至可能会使粒度分布更均匀。a 型粘料较薄，其对颗粒流的运动轨迹影响较小，因此对混合料横向分布的影响可忽略。b 型和 d 型粘料较厚，对粘料的下落轨迹改变较大，而且一部分颗粒的反弹增大了分散分布面积，从计算结果看，这种颗粒的散布现象有利于提高横向粒度分布的均匀性。
3． 3 台车横向混合料的粒度分布
烧结台车取样范围为宽 1 000 mm、高 500mm、长 400 mm，与料仓一样沿 x 轴方向从左到右依次划分为 6 个区域。表 5 和图 5 分别为各区域混合料颗粒的无量纲质量平均直径和各粒径质量比。
由表 5 可见，烧结台车上各区域混合料无量纲平均直径的分布情况与混合料仓基本相同，不发生粘料时，混合料在烧结台车横向上存在不均匀分布现象; 出现 a 型和 c 型粘料时，横向偏析情况加重; 出现 b 型和 d 型粘料时，横向偏析减弱，均匀性变好。从图 5 中各粒级在横向上的质量分布可以看出，a 型和 c 型粘料时偏析情况加重主要是由于台车上大颗粒的质量分布不均匀所造成，左右两侧尤为明显，而发生 b 型和 d 型粘料时，大颗料质量分布变得均匀，质量差一般在10%以内。
对比发现，不论是否粘料，烧结台车与混料仓内混合料的横向分布特征具有继承关系，既混合料仓内颗粒的不均匀分布会经布料工序传递到烧结台车上，而偏析布料器对这种横向偏析现象的影响有限，无法改变横向偏析结果。b 型和d 型粘料都发生在料仓混合料下落面中段位置，可以减弱颗粒的横向偏析，使横向分布均匀，这可能与混合料颗粒与粘结料碰撞后，发生反弹分散分布有关，此项发现对于如何改善烧结生产中横向布料的均匀性具有参考意义。
4 结 论
(1) 粘料会改变料仓内的料面形状，包括堆高位置和料面倾角，从而对混合料的横向分布产生影响。
(2) 不同类型的粘料对料仓内混合料的横向分布影响不同，可能会增加或减弱横向分布的均匀性。
(3) 烧结台车上混合料的横向分布特征与混合料仓内类似，偏析布料器对横向偏析的影响较小。
(4) 粘料发生在料仓混合料下落面中段位置时，可以减弱颗粒的横向偏析，提高分布的均匀性。
参考文献
［1］ 胡洪天． 提高混合料混匀度及强化布料的措施［J］． 中国冶金，2009，19( 5) : 37 －40．
［2］ 张月． 承钢一号烧结机混合料矿槽改造［C］． 河北: 河北省炼铁技术暨学术年会论文集，河北，2013．
［3］ 梁晓富． 改善烧结布料质量的方法［J］． 山西冶金，2008，31( 2) : 38 －40．
［4］ 杜力． 料仓滞料与料仓形状关系的探讨［J］． 烧结球团，1994，19 ( 4) : 28 －31．
［5］ 颜国庆． 大型贮矿槽粘料清除技术［J］． 烧结球团，1993，18( 5) : 26 －27．
［6］ 胡国明． 颗粒系统的离散元素法分析仿真［M］． 武汉: 武汉理工大学出版社，2010．
［7］ NAKANO M，ABE T，KANO J，et al． DEM Analysis on Size Segregation in Feed Bed of Sintering Machine［J］． ISIJInternational，2012，52( 9) : 1559 －1564．
［8］ 何斌． 改善攀钢 6 号烧结机横向烧结均匀性的措施［J］．烧结球团，2008，33( 6) : 49 －52．