李保新 屈 群 張旗東

(上海寶鋼工程技術(shù)有限公司，上海201900)

料倉廣泛用于冶金、礦山、化工、水泥、電廠、糧儲和醫(yī)藥等行業(yè)，是生產(chǎn)系統(tǒng)中一個不可或缺的緩沖、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。料倉有金屬、鋼筋混凝土和磚石等結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)中常見的有圓筒、方筒、矩形筒和排倉等形式。其倉儲量因需求的不同而不等，最大的可達幾千噸，儲存的產(chǎn)品更是多種多樣。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，無論什么結(jié)構(gòu)、什么形式的料倉，都不同程度地存在著物料流動不暢甚至結(jié)拱堵倉現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來一定的影響。

1 倉儲物料的流動特性分析

倉內(nèi)物料的流動性是一個極其復(fù)雜的問題，它不僅受到料倉結(jié)構(gòu)形式、物料品種的影響，也隨著物料粒度組成、粘結(jié)性和含水量等物理性質(zhì)的不同而有很大差別。通常我們把倉內(nèi)物料的流動狀況分為自由流動和非自由流動兩種類型。自由流動形成倉內(nèi)物料的整體流動特征，也是料倉設(shè)計、研究領(lǐng)域中所追求和希望的一種理想流動形式。非自由流動形成倉內(nèi)物料的中心流動特征，它擾亂了物料原有整體有序流動層面，在料倉中心形成一個喇叭形的狹窄流動邊界。兩種流動形式起初都是沿著一個橢圓形滑動線在連續(xù)的剪切作用下發(fā)生的，整個卸料過程實質(zhì)上是料拱不斷形成和塌落的擴散過程，如何使這一過程能夠連續(xù)進行而不會中途停止，是保證倉內(nèi)物料由卸料口順暢排出而不發(fā)生結(jié)拱堵倉現(xiàn)象的關(guān)鍵。根據(jù)質(zhì)點運動學(xué)原理可知，物料中任意質(zhì)點能夠產(chǎn)生自上而下流動的力學(xué)條件是：由自身重力所產(chǎn)生的推力必須大于質(zhì)點運動過程中所受到各種阻力之和。有關(guān)研究證明，物料流動過程主要受到牽連效應(yīng)、壓實效應(yīng)、靜電力和摩擦力等產(chǎn)生的綜合作用影響。牽連效應(yīng)是由于物料組成中相對較大粒度的顆粒，在流動界面上所產(chǎn)生的相互拉拽作用，其作用力方向始終與物料流動方向相反。壓實效應(yīng)是由于倉壓和裝料過程中物料所產(chǎn)生的沖擊力，使物料間的縫隙減小、分子間親和力增大，流動界面的抗剪切強度提高，對物料的連續(xù)流動有一定的抑制作用。靜電力和摩擦力分別是指物料間由于摩擦而產(chǎn)生的靜電吸引力和物料間的內(nèi)摩擦力，對于比重較大的物料而言，該力對流動狀況的影響相對較小。另外，在倉儲物料粒度范圍較寬(組成中有較大塊物料)的情況下，自然篩分效應(yīng)(見圖1a)對物料流動的影響也是不可忽視的。它是裝料或堆料過程中的一種自然現(xiàn)象，即呈現(xiàn)出料堆中部細粒組分和周邊粗粒組分較高的粒度離析現(xiàn)象，它是導(dǎo)致料倉機械卡死、料流停止的重要因素之一。

在不同的流動類型情況下，上述各力的作用效果是不同的，物料流動所受到的作用力也有很大差別。圖1b所示倉內(nèi)物料為整體流動類型，粒度組成較均勻(粉狀料含量低)、表面外在水分低、粘結(jié)度較小，裝料沖擊力和倉壓在物料間所產(chǎn)生的壓實效果不明顯，物料粘結(jié)強度很弱。另外，物料表面間的接觸面積相對較小，靜電和內(nèi)摩擦力對流動的阻力減小，使沿橢圓形滑動線的連續(xù)剪切容易進行。因此，當(dāng)料倉卸料口打開的一瞬間，立刻就會在卸料口水平面上方形成一個橢圓形料拱，由于物料流動的連續(xù)進行，幾乎在其上方同時形成一個不斷擴大的橢圓形動態(tài)料拱族。這些橢圓形長軸均位于水平方向上，而且隨著料拱的上移橢圓形滑動線不斷變大、變橢(長軸變大、短軸變小)，使物料整體流動邊界幾乎與倉斗內(nèi)壁輪廓線相重合。當(dāng)料拱族不斷向上擴散達到一定高度時，橢圓形滑動線就會變成有序的水平流動層，一直擴散到物料頂面。由此可見，整體流動狀況下，倉內(nèi)物料的流動是由兩種形式完成的，即在橢圓形料拱族(倉斗以下位置)以上呈現(xiàn)為連續(xù)層的流動，料拱以下處于自由流動狀態(tài)，而這一過程的連續(xù)進行，使倉內(nèi)的物料全部處于活化狀態(tài)，保證了整個卸料過程順暢進行，幾乎不會發(fā)生物料起拱堵倉現(xiàn)象。

a)自然篩分現(xiàn)象 b)整體流動 c)中心流動

糧儲行業(yè)中大豆、玉米、谷物等糧倉，建筑行業(yè)中干燥的大顆粒黃砂、粒度均勻的石子等建材儲存?zhèn)}，以及冶金、水泥行業(yè)中形狀規(guī)則的燒結(jié)產(chǎn)品、熟料等儲存?zhèn)}，其倉內(nèi)物料的流動形式都屬于整體流動類型，卸料過程十分順暢，幾乎不會發(fā)生起拱堵倉現(xiàn)象。

但在實際生產(chǎn)過程中，倉儲物料完全滿足整體流動條件的情況是很少的，常常是既有一定比例的粉狀成分也有一些塊狀成分，是一種具有一定的粘性、含有一定水分的混合體，此種情況下物料間牽連效應(yīng)、壓實效應(yīng)以及靜電、內(nèi)摩擦力的作用就會變得十分明顯。特別是物料堆放高度(倉壓)較大時，尤為突出，從而導(dǎo)致倉內(nèi)物料出現(xiàn)如圖1c所示的一種新型流動形式——中心流動。該狀況下物料流動條件惡化、阻力增大。當(dāng)料口開始卸料時，卸料口水平面上方雖然也能形成一個不斷向上擴展的橢圓形料拱族，但與整體流動狀態(tài)相比，這些橢圓形滑動線的位置卻發(fā)生了90°變化，其長軸改為垂直方向，使卸料口上方不斷向物料橫向擴大的流動邊界受到一定的限制，在料倉中心形成一個自下而上的喇叭形流動邊界，各橫斷面的直徑相對變小。同時，由于倉壓所產(chǎn)生的壓實應(yīng)力作用，導(dǎo)致物料結(jié)實，形成板塊，橢圓形滑動線上的剪切阻力加大。另外，物料的流動邊界發(fā)生在物料之間，界面上的大顆粒物料的拉拽以及靜電、內(nèi)摩擦力的作用會使滑動阻力加劇，導(dǎo)致不斷形成和塌落的動態(tài)料拱難以連續(xù)進行。尤其是在重倉長時間停止卸料后，再次打開卸料口的一瞬間，穩(wěn)定性料拱極易形成。

實際生產(chǎn)中使用的料倉大多屬于中心流動類型，例如冶金、煤炭、礦山生產(chǎn)中廣泛運用的礦石、燃料、生石灰等儲存?zhèn)}，卸料過程中經(jīng)常發(fā)生起拱堵倉現(xiàn)象。

另外，在倉儲物料流動分析中，自然篩分效應(yīng)所導(dǎo)致的物料粒度離析現(xiàn)象也不可忽視，特別是物料粒度組成范圍較寬、頂部單點裝料的情況下，將出現(xiàn)大塊物料從錐形料堆的頂部滾向靠近倉內(nèi)壁的部位，形成料堆中部細粒組分和周邊粗粒組分較高的粒度不均勻狀況。當(dāng)倉內(nèi)物料為整體流動狀態(tài)時，裝料所產(chǎn)生的粒度離析現(xiàn)象可在物料流動的再混合過程中予以緩解。但物料為中心流動狀況時，再混合作用消失，卸料后期大塊物料聚集在倉斗內(nèi)，極易發(fā)生機械性卡死現(xiàn)象，形成堅固的料拱致使料流停止。這種情況在礦石、原煤、焦炭和石灰石等儲倉中時有發(fā)生。離析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，一方面可解釋為是物料在自由降落過程中，同時有水平分速度(刮板機、皮帶輸送機斜置溜槽裝料)或者是料倉物料流引起的空氣流朝向四周倉壁方向，大粒度物料受風(fēng)力面積較大，相對滾動阻力小之緣故。另一方面，不同粒度物料顆粒的彈性不同以及料堆表面上不同位置的篩分效應(yīng)不同，也是導(dǎo)致物料產(chǎn)生離析現(xiàn)象的主要原因。

在物料流動特性分析過程中，壓實效應(yīng)的作用是一個非常重要的因素，它取決于物料的高度、粘度和濕度等物理特性。圖2a所示為不同流動狀況下倉壓與物料高度之間的關(guān)系曲線，曲線Ⅰ是整體流動狀況下的情況，倉壓始終與物料高度成正比，且隨著物料高度的增加倉壓顯著上升。曲線Ⅱ是中心流動狀況下的情況，雖然在O-A段內(nèi)倉壓與物料高度也成正比關(guān)系，但隨著物料高度的增加倉壓上升的速率明顯變緩，當(dāng)物料達到一定高度后倉壓逐漸趨于一恒定值，任憑物料再升高倉壓也不再變化。圖3所示為不同流動類型下倉壓與物料壓實應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。整體流動狀況下(曲線Ⅰ)物料高度的增加，對壓實應(yīng)力的影響很小，而中心流動狀況下(曲線Ⅱ)卻不同，在一定的高度范圍內(nèi)，壓實應(yīng)力隨物料高度的增加而增加，當(dāng)超出某一高度范圍后壓實應(yīng)力幾乎不再變化。因此，可以得出以下結(jié)論：倉內(nèi)物料在整體流動狀況下，倉壓的增大有利于物料流動；而在中心流動狀況下，倉壓的增大阻礙物料流動，容易產(chǎn)生料流停滯堵倉現(xiàn)象。

圖2 倉壓與物料高度的關(guān)系Figure 2 Relationship between storehouse pressure and material height

圖3 倉壓與物料壓實應(yīng)力的關(guān)系Figure 3 Relationship between storehouse pressure and material compaction stress

2 料倉結(jié)構(gòu)形式對物料流動性的影響

料倉所儲存物料的物理性質(zhì)決定以后，如何選擇適合其流動特性的倉體結(jié)構(gòu)形式，是倉體設(shè)計、研究中的一個非常重要的任務(wù)。目前，實際生產(chǎn)中使用的料倉形式很多，但最常用的為圓筒、方筒和矩形筒倉，其主要結(jié)構(gòu)形式基本上由上部倉體和下部倉斗兩部分組成，上部倉體結(jié)構(gòu)形式對倉內(nèi)物料的流動影響較小，而下部倉斗的結(jié)構(gòu)形式對其影響是十分顯著的。一般來說，倉內(nèi)物料顆粒利用自身重力以最短的路徑，能夠從進料口達到卸料口的倉斗截面形狀是比較理想的，即希望卸料口盡量大，但過分加大卸料口幾何尺寸會受到倉口給料設(shè)備的制約。從倉斗橫截面收縮率理論角度分析，當(dāng)上部物料逐漸接近卸料口(咽喉部位)時，倉斗水平截面收縮率應(yīng)逐漸變小，對于倉斗縱截面母線而言，自上而下斜率的變化率逐漸變小，對物料的流動有利。圖4為四種不同形式的倉斗截面母線，a為雙曲線形，b為指數(shù)形，c為直線形，d為拋物線形。由上述理論判斷倉斗縱截面母線設(shè)計成雙曲線或指數(shù)形是比較合理的。然而采用雙曲線、指數(shù)等縱截面形式的倉斗，會給倉斗的施工建設(shè)帶來一定的困難。因此，倉斗縱截面母線常采用直線形，即圓臺形或棱臺形倉斗。

圖4 倉斗母線Figure 4 Bunker bus

倉斗傾斜角(截面母線與水平面之夾角)對物料的流動狀況影響較大，設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮。從理論上講只要傾斜角度大于等于物料和倉內(nèi)壁的摩擦角，即可保證倉內(nèi)物料全部卸空。但由于物料中各種不利因素的影響，實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，倉斗傾斜角與物料和倉內(nèi)壁摩擦角接近時，物料很容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，在設(shè)計倉斗最小傾斜角時，建議至少應(yīng)比物料和倉內(nèi)壁的摩擦角大15°以上。另外，由于棱臺倉斗四角處存在傾角折減問題，且易發(fā)生內(nèi)壁角處掛料現(xiàn)象，建議設(shè)計時對棱臺倉斗四角進行圓弧處理，同時在倉斗最小傾斜角選擇時應(yīng)比物料和倉內(nèi)壁的摩擦角大20°以上，通常塊狀物料≥45°，混合物料≥55°。

對于圓筒、方筒和矩形筒料倉，倉斗應(yīng)盡可能采用如圖5所示的偏心式或偏心多口結(jié)構(gòu)形式。圖5a為偏心式倉斗，組成倉斗四個面的傾斜角度各不相同，不利于流動中穩(wěn)定拱的形成，與此同時其中一個面與卸料口垂直布置，沿垂直壁流動的物料和倉內(nèi)壁的摩擦力相對較小(壓實、牽連效應(yīng)的作用小)，流動速度快，對物料的連續(xù)流動具有促進作用，有效地抑制了穩(wěn)定拱的形成。圖5b為偏心多口倉斗，組成倉斗的四個面中有幾個與卸料口垂直，物料流動情況與圖5a基本相同，同時由于多個卸料口同倉布置，物料所形成的交叉流動邊界相對較寬，倉內(nèi)物料接近整體流動形式。如對物料流動性要求較高的火力發(fā)電廠使用的燃料倉，多采用上述結(jié)構(gòu)形式。

a)偏心式倉斗 b)偏心多口倉斗

在卸料口截面面積相同的情況下，卸料口幾何形狀不同，卸料能力也有一些差別，通常以圓形為最大，方形次之，橢圓形再次之，矩形最小。

3 改善倉儲物料流動狀況的措施

利用機械輔助方法改善倉內(nèi)物料的流動狀況，也是一種非常有效的方法，它不僅可以用于新建料倉，而且也適用于舊料倉的改造。目前，實際生產(chǎn)中運用的方法很多，都可以使倉內(nèi)物料的流動狀況不同程度的得到改善，下面介紹幾種經(jīng)實踐檢驗很有效的方法。

在不改變倉體結(jié)構(gòu)情況下采取改善倉儲物料流動狀況的措施見圖6。圖6a是在倉斗內(nèi)易發(fā)生堵塞的位置增設(shè)一個圓形傘狀嵌入體，嵌入體可采用耐磨金屬材料制作。其主要目的是承擔(dān)上部倉壓，削弱卸料口附近較大壓實力的作用，同時在其周邊形成一個較大的環(huán)狀料流口，使流動邊界顯著變大。倉體上部物料趨于整體流動形式，嵌入體下部空間無倉壓，物料處于自由流動狀態(tài)，對防止物料的結(jié)拱堵塞具有良好的效果。

圖6b為矩形倉體與隔間倉斗的復(fù)合式料倉，其主要原理與圖6a基本相同。中間三角形分料器承擔(dān)了上部的主要倉壓，卸料口上部的物料活化處于自由流動狀態(tài)。

圖6c、圖6d分別為中間螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料倉。該形式的料倉很早就曾有運用，當(dāng)時是為了防止裝料過程中物料粒級降低(破碎)而開發(fā)的，但經(jīng)過多年的使用發(fā)現(xiàn)，該形式的料倉幾乎很少發(fā)生結(jié)拱堵倉現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，中間螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料倉大幅度地減弱了裝料沖擊所產(chǎn)生的壓實力作用，有效地防止了倉內(nèi)物料的粒度離析。溜槽承受了大部分倉壓，使下部倉斗內(nèi)的物料活化，為物料的流動創(chuàng)造了極好的條件。

在料倉不同位置布置一些改善物料流動性的裝置，詳見圖7。圖7a是在倉斗內(nèi)易發(fā)生堵塞的位置布置一至兩臺螺旋破拱裝置，旋轉(zhuǎn)軸上的螺旋葉片左、右旋布置。當(dāng)發(fā)生堵倉時，啟動馬達使倉斗內(nèi)兩邊的物料同時向中間部位輸送，強大的擠壓應(yīng)力迫使料拱坍塌，物料重新恢復(fù)流動。

圖7b所示為鏈板式破拱器。它是在料倉頂部設(shè)置一個鏈輪傳動機構(gòu)，鏈板條由倉頂一直垂向卸料口上方易結(jié)拱區(qū)域。當(dāng)物料發(fā)生堵塞停止流動時，鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈板條的擾動使已結(jié)實的物料再次活化。

a)傘形嵌入體 b)隔間復(fù)合倉 c)內(nèi)螺旋溜槽 d)外螺旋溜槽

a)螺旋破拱裝置 b)鏈板破拱器 c)電磁激振器或振動電機 d)助流器或“空氣炮”

圖7c所示為利用電磁激振器或振動電機助流的一種方法。它是將高頻振動傳遞給物料，使其具有較大的動能克服流動中的阻力，同時也可以降低物料的結(jié)實強度，促進物料的流動。振動裝置的安裝位置應(yīng)盡可能接近易堵塞區(qū)域，建議安裝在卸料口上方、倉斗1/3高度的水平斷面上。激振器的數(shù)量可根據(jù)倉斗的大小而定，該方法只限于鋼結(jié)構(gòu)倉斗。

圖7d所示為利用壓縮空氣助流器或“空氣炮”改善物料流動的一種方法。助流器是在倉斗壁周圍易結(jié)拱區(qū)域設(shè)置一些壓縮空氣(0.5 MPa～0.7 MPa)噴射槍，在整個卸料過程中連續(xù)噴射，使倉斗內(nèi)壁與物料間形成一氣墊，減小物料流動阻力?！翱諝馀凇狈ㄅc助流器布置形式類似，但要求壓縮空氣的壓力較大，而且必須在每一個“空氣炮”爆破噴嘴附近設(shè)置一個儲氣罐。當(dāng)物料發(fā)生堵塞停止流動時，利用脈沖控制進行間歇氣體爆破，依靠其沖擊能量達到破拱目的。

上述各項措施可根據(jù)倉儲物料的實際情況靈活選擇，對于成分較復(fù)雜的物料建議幾項措施聯(lián)合使用，以獲得最佳改善效果。

4 結(jié)束語

關(guān)于倉儲物料堵倉問題，一直是一項世界性研究課題，許多科技工作者曾為此付出長期不懈的努力，創(chuàng)造出各種適合物料流動的倉體結(jié)構(gòu)形式和輔助措施，使倉儲物料流動狀況得到極大的改善，但到目前為止還不能說這一“頑癥”已徹底根除，還需要我們進一步的研究和努力。