科里奧利原理粉體質(zhì)量計(jì)量秤的應(yīng)用工藝研究

Study on Powder Quality Measurement Scales Using Coriolis Principle

周 嘯，賈桂森，李智紅，金 磊

本文針對水泥廠入窯生料計(jì)量環(huán)節(jié)的工藝特點(diǎn)，對基于科里奧利力學(xué)原理的大流量粉體質(zhì)量計(jì)量秤的應(yīng)用工藝進(jìn)行了深入研究和探討，內(nèi)容涉及穩(wěn)定給料裝備研究、計(jì)量秤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝解決方案等方面。

科里奧利力；粉體物料；計(jì)量秤；應(yīng)用工藝

1 引言

眾所周知，基于科里奧利力學(xué)原理的粉體質(zhì)量計(jì)量秤（以下簡稱科氏力秤），是通過計(jì)量物料的質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)對粉體物料的計(jì)量，其工作原理不同于稱重式計(jì)量設(shè)備?？剖狭Τ泳哂杏?jì)量精度高、量程范圍大、受環(huán)境和人為因素干擾相對較小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水泥、礦業(yè)、化工等工業(yè)粉體計(jì)量領(lǐng)域。目前，可檢索到的科氏力秤文獻(xiàn)資料中，涉及應(yīng)用工藝研究的文獻(xiàn)較少。本研究以科氏力秤在新型干法水泥生產(chǎn)線窯尾生料計(jì)量與控制環(huán)節(jié)的應(yīng)用為平臺，對科氏力秤在物料流量大、給料波動(dòng)大工況下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給料和準(zhǔn)確計(jì)量的工藝技術(shù)進(jìn)行了深入研究和探討。

2 應(yīng)用工藝研究的必要性

毋庸置疑，用于在線連續(xù)計(jì)量的粉體物料計(jì)量設(shè)備，其使用效果都與工藝條件密切相關(guān)，計(jì)量的準(zhǔn)確度和控制精度不僅取決于計(jì)量裝備本身，同時(shí)也取決于工藝層面能否為計(jì)量設(shè)備創(chuàng)造連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的給料條件。以新型干法水泥生產(chǎn)線生料計(jì)量系統(tǒng)為例，在生料由料倉底部卸出的過程中，其流量和穩(wěn)定性受諸多因素影響，如生料容重、細(xì)度、水分等物理特性，稱重倉進(jìn)料過程控制和料位變化，流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式和響應(yīng)速度，倉底和輸送斜槽配套助流風(fēng)量、風(fēng)壓，輸送斜槽長度和斜度等等。實(shí)踐表明，即便在工況正常條件下，瞬時(shí)流量波動(dòng)也常達(dá)到±20%以上。在大型水泥粉磨站外摻混合材等計(jì)量環(huán)節(jié)，也同樣存在類似問題。為保證科氏力秤在上述工況條件下長期計(jì)量的準(zhǔn)確度，需要在穩(wěn)流技術(shù)裝備、科氏力秤結(jié)構(gòu)、基本工藝方案等方面進(jìn)行綜合研究和創(chuàng)新。

3 穩(wěn)流給料裝置和料流緩沖裝置

3.1 專用流量調(diào)節(jié)閥

目前，國內(nèi)大型水泥生產(chǎn)線生料計(jì)量環(huán)節(jié)，基本沿用傳統(tǒng)的電動(dòng)或氣動(dòng)流量閥作為預(yù)給料裝置，采用氣缸或電動(dòng)執(zhí)行器作為流量閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)閥芯轉(zhuǎn)角改變閥門開度，達(dá)到調(diào)節(jié)給料量的目的。由于此類流量閥定位精度低、反應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)滯后，因而不可避免地存在流量調(diào)節(jié)震蕩、給料波動(dòng)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁、執(zhí)行器過熱損毀等問題，直接影響計(jì)量效果和生產(chǎn)安全。如果用在大流量粉體物料計(jì)量環(huán)節(jié)，則表現(xiàn)得更為突出。

針對上述問題，我們研發(fā)了一種“大流量粉體物料專用流量調(diào)節(jié)閥”，該流量閥采用伺服電機(jī)作為閥芯的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過PLC對伺服電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和可編程控制，實(shí)現(xiàn)對閥芯的快速調(diào)節(jié)和精確定位。當(dāng)測量值與設(shè)定值偏差較大時(shí)，伺服電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)流量閥，快速定位流量閥轉(zhuǎn)子角度；偏差較小時(shí)，伺服電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)、定位流量閥轉(zhuǎn)子角度。實(shí)際使用效果表明，該調(diào)節(jié)閥具有定位精確（控制精度＜0.001°）、響應(yīng)速度快（1～15°/s）、過載保護(hù)強(qiáng)等特點(diǎn)，且性能穩(wěn)定，可靠性高，即便在反復(fù)啟停的工作狀態(tài)下也很少出現(xiàn)故障。作為計(jì)量秤的預(yù)給料裝置，專用流量調(diào)節(jié)閥的研制與開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻、穩(wěn)定給料，為大流量粉體物料準(zhǔn)確計(jì)量和精確控制創(chuàng)造了前提條件。

3.2 料流緩沖裝置

料流緩沖裝置起到緩解進(jìn)倉物料沖擊力，釋放夾裹在粉料流中氣體的作用。

生料從均化庫卸入生料稱重倉的過程中，落料高差產(chǎn)生的沖擊力必然對倉內(nèi)料層造成擾動(dòng)，尤其在倉內(nèi)料位較低時(shí)，該沖擊力會穿透料層傳遞到倉底，導(dǎo)致倉底卸料波動(dòng)，增加穩(wěn)定給料難度。因此，通常要求稱重倉內(nèi)料位保持在1/3以上。

此外，生料進(jìn)倉過程中必然會夾裹一定量的輸送氣體，隨著庫內(nèi)料位升高，氣體無法及時(shí)釋放，在料壓下聚集成帶有一定壓力的不規(guī)則氣隙，與物料一起從倉底卸出并通過流量閥，造成脈動(dòng)沖料或斷料，給倉底穩(wěn)定卸料帶來困難。

為解決該問題，我們設(shè)計(jì)開發(fā)了一種流量緩沖裝置。該裝置呈通道狀，內(nèi)設(shè)數(shù)量不等、布置形式不同、帶有一定傾角的緩沖板。物料進(jìn)入通道后，沿緩沖板逐級滑落到庫內(nèi)料面上，使物料沖擊力和夾裹的氣體得到有效釋放和分離，即使倉內(nèi)料位較低時(shí)，進(jìn)料過程也幾乎沒有負(fù)面作用，有效解決了生料進(jìn)倉過程對計(jì)量與控制的影響問題。

4 科氏力秤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 整流柵和導(dǎo)料板

從科氏力秤的基本結(jié)構(gòu)可知，物料在重力作用下進(jìn)入秤體，然后滑落至測量盤內(nèi)，其間產(chǎn)生的沖擊力必然影響測量盤的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)，對于大流量科氏力秤，這種影響更為嚴(yán)重。為降低沖擊力對測量盤平穩(wěn)運(yùn)行的負(fù)面影響，在科氏力秤進(jìn)料口增設(shè)整流柵和條狀導(dǎo)料裝置。整流柵呈網(wǎng)格狀，物料穿過整流柵進(jìn)入秤體，不僅可明顯降低物料的沖擊力，同時(shí)可有效消除物料在進(jìn)料口處形成的渦流現(xiàn)象，起到整理料流的作用。導(dǎo)料裝置可有效降低物料滑落角度，在緩解沖擊力的同時(shí)，使物料按要求的流向進(jìn)入測量盤。整流柵和導(dǎo)料裝置有效降低了進(jìn)料過程對測量盤平穩(wěn)運(yùn)行的影響，對保證計(jì)量精度、提高設(shè)備可靠性起到了積極作用。以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對大流量科氏力秤尤顯重要。

4.2 雙向結(jié)構(gòu)測量盤及其高耐磨覆層

科氏力秤測量盤通過傳動(dòng)軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速水平回轉(zhuǎn)。測量盤內(nèi)設(shè)有徑向布置的測量葉片，用于捕捉進(jìn)入盤內(nèi)的物料，并將物料對葉片產(chǎn)生的反作用力傳遞給測量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對粉體流量的測量。長期以來，測量葉片被設(shè)計(jì)成截面呈矩形的單片體，我們稱之為單向結(jié)構(gòu)測量盤。這種形式測量盤必須按要求的方向回轉(zhuǎn)，且不可更改。如果人為改變轉(zhuǎn)向，則會在等同流量下得到不同的測量結(jié)果。因?yàn)槲锪线\(yùn)動(dòng)軌跡隨測量盤轉(zhuǎn)向改變而改變，產(chǎn)生的反作用力也隨之改變。

為解決計(jì)量結(jié)果受測量盤轉(zhuǎn)向影響問題，我們研制了一種雙向結(jié)構(gòu)測量盤，將測量葉片設(shè)計(jì)成扇形截面的棱柱體，形成兩個(gè)對稱的工作面。測量盤葉片采用這種結(jié)構(gòu)形式，正/反轉(zhuǎn)均不影響計(jì)量結(jié)果，提高了計(jì)量秤可操控性。同時(shí)，當(dāng)測量葉片的一個(gè)工作面磨損失效時(shí)，可通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使另一個(gè)工作面投入使用，有效延長了測量盤的使用壽命。

針對粉體物料對測量盤的磨蝕和粘附問題，我們應(yīng)用真空熔結(jié)技術(shù)，采用自有配方，對計(jì)量秤測量盤表面進(jìn)行復(fù)合處理，獲得洛氏硬度HRC＞68、且韌性優(yōu)良的高耐磨層，并將其磨制成呈鏡面狀態(tài)，解決了測量盤快速磨蝕和微細(xì)粉料粘附測量盤的難題。

5 工藝方案及參數(shù)優(yōu)化

5.1 空氣輸送斜槽采用“深槽厚料小角度”設(shè)計(jì)方案

在流量調(diào)節(jié)閥與計(jì)量秤之間設(shè)有空氣輸送斜槽，生料經(jīng)過斜槽后進(jìn)入計(jì)量裝置，是新型干法水泥生產(chǎn)線生料計(jì)量系統(tǒng)普遍采用的設(shè)計(jì)方案。設(shè)置空氣輸送斜槽不僅僅是出于工藝布置考慮，更重要的是，料流在通過斜槽的過程中得到整理，使粉料均勻、穩(wěn)定、連續(xù)地進(jìn)入計(jì)量秤。實(shí)踐表明，由于空氣輸送斜槽的結(jié)構(gòu)尺寸、安裝角度、風(fēng)量、風(fēng)壓等工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，發(fā)生斜槽內(nèi)堆料、斷料、沖料，給生料計(jì)量與控制造成困難的案例很多。

輸送斜槽采用“窄槽厚料小角度”的設(shè)計(jì)思想是在實(shí)踐基礎(chǔ)上形成的?！罢酆窳稀笔侵冈诓桓淖兺ㄟ^能力、不影響輸送效果的前提下，通過改變現(xiàn)行輸送斜槽的結(jié)構(gòu)尺寸，減小斜槽寬度，加大深度，達(dá)到增加斜槽內(nèi)料層厚度的目的。實(shí)踐表明，斜槽內(nèi)合理的料層厚度，有助于物料均勻、穩(wěn)定地通過輸送斜槽，為生料計(jì)量與控制創(chuàng)造了條件?！靶〗嵌取笔轻槍π辈郯惭b角度而言，角度過大會導(dǎo)致物料運(yùn)動(dòng)速度過快，料流難以控制，同時(shí)會加大對計(jì)量設(shè)備的沖擊，影響計(jì)量準(zhǔn)確度；角度過小則無法滿足物料通過量要求。此外，斜槽長度選擇要合理，過長會導(dǎo)致反饋調(diào)節(jié)速度慢，影響控制準(zhǔn)確度，太短則起不到整理和穩(wěn)定料流的作用，斜槽長度通常應(yīng)選擇在0.8～1.5m之間。由離心風(fēng)機(jī)為斜槽提供輸送用風(fēng)，合理選擇斜槽風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓，適當(dāng)控制收塵器風(fēng)量，也是系統(tǒng)優(yōu)化的必備條件。

5.2 優(yōu)化倉底助流用風(fēng)參數(shù)

為使生料從稱重倉側(cè)（或倉底）順利卸出，并提供連續(xù)穩(wěn)定的料流，倉側(cè)（或倉底）通常設(shè)有充氣箱作為助流裝置，以完成粉料的正常輸送。經(jīng)驗(yàn)表明，氣源由羅茨風(fēng)機(jī)提供較為合理，風(fēng)壓和風(fēng)量要依據(jù)儲庫（倉）結(jié)構(gòu)形式、庫容、高徑比、物料種類、特性及臺時(shí)產(chǎn)量和操作習(xí)慣等進(jìn)行合理選擇。生產(chǎn)中單位面積充氣量，具體選擇上應(yīng)有所區(qū)別。為了滿足不同工藝方案要求，應(yīng)該在充氣管路上設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，以便根據(jù)現(xiàn)場工況合理調(diào)節(jié)風(fēng)量。

6 結(jié)語

我們從事科氏力粉體質(zhì)量計(jì)量秤研究，起始于上世紀(jì)90年代后期，迄今已有十幾年經(jīng)驗(yàn)。目前，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品不僅廣泛用于水泥行業(yè)入窯煤粉、水泥生料、成品水泥、粉煤灰、礦渣粉、電石渣、鋼渣粉、火山灰、窯灰等各種粉體物料在線計(jì)量與控制環(huán)節(jié)，同時(shí)跨行業(yè)進(jìn)入鋼鐵、礦業(yè)、氧化鋁、化工等其他工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有1200余臺套科氏力秤計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)入市場，其中50余臺套出口國外。在科里奧利力學(xué)原理粉體質(zhì)量計(jì)量領(lǐng)域，我國的研發(fā)能力和技術(shù)裝備水平已處于世界領(lǐng)先行列。

在科氏力秤研發(fā)與應(yīng)用過程中，我們深切體會到，每一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品的成功市場化，都與相關(guān)聯(lián)應(yīng)用工藝研究相伴相隨。在遵循計(jì)量技術(shù)裝備服從于工藝條件和工藝要求這一基準(zhǔn)原則的同時(shí)，積極展開相關(guān)聯(lián)工藝對計(jì)量過程影響的研究，包括對配套裝備（如給料裝置、輸送設(shè)備、儲料裝備等）、工藝參數(shù)（物料特性、氣源、風(fēng)源及風(fēng)量、風(fēng)壓等）、物料進(jìn)庫和出料過程（儲存、卸料、助流、除塵等）等進(jìn)行同步研究，為科氏力秤在線計(jì)量與控制系統(tǒng)創(chuàng)造理想的工藝條件，達(dá)到均勻、穩(wěn)定給料，準(zhǔn)確計(jì)量，實(shí)時(shí)有效調(diào)節(jié)的運(yùn)行效果。經(jīng)驗(yàn)表明：在線計(jì)量技術(shù)裝備研究，必須與相關(guān)聯(lián)應(yīng)用工藝研究有機(jī)結(jié)合，對于偏重裝備開發(fā)，忽視客觀工藝研究的創(chuàng)新理念，我們認(rèn)為是不可取的。

TQ172.614.2

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1001-6171（2013）05-0048-03

建材（合肥）機(jī)電工程技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230051；

2013-06-07； 編輯：趙 蓮