碳酸钙下注式粉体储料仓设计 1Word文件下载.docx
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1.3物料在料仓中的基本流动形式
1.3.1漏斗流
这种流动有时还称为“核心流动”。
它发生在平底的料仓中或带料斗的料仓中，但由于这种料斗的斜度太小或斗壁太粗糙以至颗粒料难以沿着斗壁滑动，颗粒料是通过不流动料堆中的通道到出口的，这种通道常常是圆锥形的，下部的直径近似等于出口有效面积的最大直径。
当通道从出口处向上伸展时，它的直径逐渐增加。
如果颗粒料在料位差压力下固结时，物料密实且表现出很差的流动特性，那么，有效的流动通道卸空物料后，就会形成穿孔或管道。
情况严重时，物料可以在卸料口上方形成料桥或料拱。
这种流动通道周围的物料可能是不稳定的，在这种情况下，物料将产生一停一开时的流动、脉冲式流动或不平稳的流动。
然而在卸料频率高时，这些脉冲可以导致结构的损坏。
颗粒料连续地从顶表面滑坍下来进入通道，那么料仓就出空了（假定物料没有密实到形成一个稳定的穿孔）。
如果颗粒料从顶部加入，同时又从底部卸出，那么进入的颗粒料将立即经过通道出口。
漏斗流料仓存在以下缺点：
（1）出料口的流速可能不稳定，因为料拱一会儿形成，一会儿碎裂，以致流动通道变得不稳定。
由于流动通道内的应力变化，卸料时粉料的密度变化很大，这可能使安装在卸料口的容积式给料器失效。
（2）料拱或穿孔崩坍时，细粉料可能被充气，并无法控制地倾泄出来。
存在这些情况时，一定要用正压密封卸料装置或给料器。
（3）密实应力下，不流动区留下的颗粒料可以变质或结块。
如果不流动区的物料强度增加到足够大，留在原处不动，那么流动通道泄空物料后，就可以形成一个稳定的穿孔或通道。
（4）沿料仓壁的长度安装的料位指示器置于不流动区的物料下面，因此不能正确指示料仓下部的料位。
对于存贮那些不会结块或不会变质的物料，且卸料口足够大，可防止搭桥或穿孔的许多场合，漏斗流料仓是完全可以满足要求的。
图1.3.1.1贯穿整个料仓的漏斗流
图1.3.1.2有效的流动通道卸空物
图1.3.1.3横跨流动通道形
1.3.2整体流
这种流动发生在带有相当陡峭而光滑的料斗筒仓内，物料从出口的全面积上卸出（为了出现整体流，出口必须全部有效）。
整体流中，流动通道与料仓壁或料斗壁是一致的，全部物料都处于运动状态，并贴着垂直部分的仓壁和收缩的料斗壁滑移，如图1.3.2.1所示。
如果料面高于料斗与圆筒转折处上面某个临界距离，那么料仓垂直部分的物料就可以栓流形式均匀向下运动。
如果料位降到该处以下，那么通道中心处的物料将流得比仓壁处的物料为快。
这个临界料位的高度还不能准确确定，但是，它显然是物料内摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函数。
图1.3.2.1所示的高度对于许多物料都是近似的。
在整体流中，流动所产生的应力作用在整个料斗和垂直部分的仓壁表面上。
与漏斗流料仓相比，整体流料仓具有许多重要的优点：
（1）避免了粉料的不稳定流动、沟流和溢流。
（2）消除了筒仓内的不流动区。
（3）形成了先进先出的流动，最大限度地减少了存贮期间的结块问题、变质问题或偏析问题。
（4）颗粒的偏析被大大地减少或杜绝。
（5）颗粒料的密度在卸料时是常数，料位差对它根本没有影响。
这就有可能用容量式供料装置来很好地控制颗粒料，而且还改善了计量式喂料装置的性能。
（6）因为流量得到很好的控制，因此任意水平横截面上的压力将可以预测，并且相对均匀，物料的密实程度和透气性能将是均匀的，流动的边界将可预测，因此可以很有把握地用静态流动条件进行分析。
1.4发展现状和趋势
在生产过程中，由于下列因素的出现。
因此物料在工序间储存显现出一定的必要性。
（1）外界条件的限制
由于受矿山开采、运输以及气候季节性的影响,原料进厂总是间歇性的,因此,厂内必须储存一定量的原料,以备不时之需。
（2）设备检修和停车
为了保证连续生产，各主机设备在检修和停车时，均应考虑有满足下一步工序的足够储存量。
（3）质量均化
进厂的原料或半成品往往不能保证水分、组分或化学成分的十分均匀，须在一定范围内有计划和有控制的储存，使之进一步均化。
（4）设备能力的平衡
一平来讲，各主机设备的加工能力、生产班制和设备利用运转率是不一致的，为了保证上下工序间的匹配和平衡，必须增设各种储料设备来解决。
因此，粉体的储存设备在工业生产中的作用不可小觑。
1.5料仓常见故障
粉体颗粒在运动、成堆或从料仓中卸料时，由于粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面性状等差异，常常产生物料的分级效应和分离效应，使粉体层的组织呈不均质的现象称为偏析。
偏析现象在粒度分布范围宽的自由流动颗粒粉体物料中经常发生，但在粒度小于70um的粉料中却很少见到。
黏性粉料在处理中一般不会偏析，但饱含黏性和非黏性两种成分的粉料可能发生偏析。
偏析会造成物料粒度和成分的变化，从而引起物料质量的变化，可能会给下道工序带来麻烦，严重的会造成产品质量波动和下降。
1.5.1粉体偏析
根据偏析机理，可将粒度偏析分为三种。
（1）附着偏析
粉体进入料仓时，由于一定的落差，在重力沉降过程中，粗料与细料就会分开。
细料附着在仓壁上，当受到外力振动时，该附着料层剥落下来，致使料仓卸料时粒度分布发生前后波动变化。
对粒度在几微米以下的粉料，其沉降速度与布朗运动速度相等，或者对静电感应较强的微粉来说，附着粉料的作用更严重。
（2）填充偏析（渗流偏析）
粉体在仓内以休止角堆积，有堆积锥面上方加入粉体时，粉体沿静止粉体层上的斜面产生重力流动，倘若加料速度慢，则这一流动是时断时续地进行的。
慢慢堆积时，以静态休止角为条件保持平衡。
一旦产生流动时，平衡破坏，粉体流动将要从静态休止角进行到动态休止角时放可停止，达到新的平衡。
由于静止粉体层之上的表面流动粉体层颗粒间有空隙，且处于运动状态，因此，粉体中的细颗粒将透过大颗粒间间隙到达静止粉体层中。
这一现象称为粉体颗粒间的渗流。
这是，流动粉体层类似筛网一样具有筛分作用。
右粉体的落料点开始，沿流动方向的长度设为L，则眼L长度上的力度变化与套筛中的情形相似。
此时，细粒直径大约是粗粒直径的1/10以下。
如果加料速度大于渗流过程中的颗粒流动速度，则填充偏析作用显著减弱。
（3）滚落偏析
一般来说，粗颗粒的滚动摩擦系数小于细颗粒。
因此，粗颗粒沿静止粉体层表面的滚落速度大于细颗粒，由此形成粒度偏析。
1.5.2粉体静态拱
料仓内的物料，由于粉体附着力和摩擦力的作用，在某一料层可以产生向上的支持力，当与上方物料向下的压力达到平衡时，在这一料层下放便成为静平衡，造成料仓内的粉料不能正常卸出，导致不能正常卸出的原因常常是粉体在仓内结成静态拱，静态拱的类型因其形成原因一般有如下四种（图13.23）
图13.23静态拱的类型
（1）压缩拱
粉体因受料仓压力的作用，使固结强度增加而导致结拱。
（2）楔形拱
块状物料因形状不规则相互齿合达到力平衡，在孔口形成架桥。
（3）黏结黏附拱
黏结性强的粉料因含水分，吸潮或静电吸附作用而增强粉料与仓壁的黏附所致。
（4）气压平衡拱
若料仓卸料装置气密较差，导致大量空气从底部漏入仓内，则当料层上下气体压力达到平衡时就会形成料拱。
生产中常见的旋风筒因下料管不能形成良好的料封作用而导致旋风筒堵塞也属气压平衡拱。
1.6防止或减少粉体偏析、结拱的方法
防止结拱的措施（又称助流活化措施）主要有以下途径：
改善料仓（斗）的几何形状及其尺寸，如加大卸料口、采用偏心卸料口、减小料仓料斗的顶角等；
降低料仓内粉体压力；
是仓壁光滑，减小料仓壁摩擦阻力；
采用助流装置。
如空气炮清堵器、仓壁振大器、振动漏斗和仓内搅拌器等。
1.6.1防止偏析的措施
整体流料仓有利于消除偏析。
料仓构造可采用以下方法：
①细高料仓法，即在相同料仓容积条件下，采用直径较小而高度越大的料仓，有利于减轻堆积粉料的程度。
②在料仓中采用垂直挡板将直径大的料仓分隔成若干个小料仓，构成若干个细高料仓的组合型式。
③在料仓中设置中央孔管，即使落料点固定不变，但由于官壁上不规则地开有若干个窗孔，分体由不同的窗孔进入料仓不同的位置，实际上就是在不断地改变落料点，收到多点装料的效果。
④采用侧孔卸料，粉体从料仓侧面的垂直孔内卸出，可获得比较均一的料流。
也可采用在卸料口加设改流体以改变流型的方法，减轻漏斗流对偏析的强化作用。
1.6.2常用的破拱措施
常用的破拱措施有机械搅拌、机械振动和气动等方法。
①机械搅拌法：
采用人力或机械搅拌件直接插入斗内，破坏料拱。
②机械振动法：
采用电磁式或超声波式振动器振动斗壁的某一局部，破坏料拱。
大型漏斗可做成3段,采用柔性联接,中段可整体振动,这种漏斗称为振动漏斗。
③气动法：
将压缩空气直接喷射在粉末物料内部（不适用于易燃物料），或在斗壁内装设气囊使气囊间歇鼓胀收缩,对粉末物料产生横向推力,消除料拱。
由于物料特性以及料层厚度、压实度和存放时间等因素多变，外力破拱措施的效果并不稳定，应与防拱措施结合采用。
对于大块矿石产生的机械性卡咬起拱，可采用小型雷管伸入卸料口爆振，使料拱崩塌，但须采取安全防护措施。
如粘性物料容易形成粘性的料拱；
大块矿石易在卸料口形成机械性卡咬的料拱。
二、结构设计
2.1简介：
料仓的组成
2.1.1筒仓
筒仓的平面形状有正方形、矩形、多边形和圆形等。
圆形筒仓的仓壁受力合理，因而在地基勘察和基础设计时都应特别注意，用料经济，所以应用最广。
当储存的物料品种单一或储量较小时，用独立仓或单列布置。
当储存的物料品种较多或储量大时，则布置成群仓。
筒仓之间的空间称星仓，亦可供利用。
2.1.2卸料漏斗
卸料漏斗用来传递或引导散状物料流动方向的小容积料仓。
料斗的设计对于料仓功能的好坏是非常重要的，料斗改变了料仓中物料的流动方向，同时料斗构造和形式决定了物料流向卸料口方向的收缩能力，图13.22为几种常见料斗的形状，通常的形状是与圆形料斗仓结合使用的圆锥形料斗，加大卸料口的尺寸、采用下半顶角及偏心料斗均不易产生结拱、有利于物料的流动。
在图13.22中，符着性粉体的排出容易程度顺序由易到难为（c）>
（b）>
（a）>
（d）>
（e）。
根据漏斗的斗壁类型，可分为直线型、抛物线型和对数曲线型等。
①直线型漏斗结构简单，使用普遍。
直线斗壁与水平截面之间的倾角θ为定值，斗内物料在自重作用下向卸料口流动时漏斗截面急剧收缩，物料颗粒的排列急剧变化并在流动过程中互相挤擦，产生很大的内摩擦阻力，物料与斗壁之间也有摩擦阻力。
这两种阻力的叠加，在卸料口上方形成一个阻力集中的区段，使物料的卸出速度减缓。
当这些阻力和物料的重力相平衡时，物料就不能自流卸出而起拱堵塞。
因此直线型漏斗大多装有破拱设备，借助外力破除料拱以保证卸料作业。
②抛物线型漏斗容积较大，但斗壁倾角θ随截面的收缩而减小，起拱堵塞情况比直线型漏斗更为严重，较少使用。
③对数曲线型漏斗斗壁倾角θ随截面的收缩而增大，截面收缩率为一常数，卸料性能较好，不易发生起拱堵塞现象，不需要设置破拱装置；
但容积较小，占用高度较大。
为简化制造工艺，将对数曲线型斗壁简化成多级折线斗壁，防拱效果也较好。
防止起拱堵塞的措施还有很多，如适当增大卸料口的尺寸；
尽量采用圆形截面的偏心漏斗，因圆形截面不易挂料，偏心漏斗两侧的阻力大小不等就不易形成平衡的料拱；
漏斗壁镶衬不锈钢板、塑料板、铸石和瓷砖等光滑材料，以减少摩擦阻力；
控制粘性物料在仓内存放的时间，以减少压实的程度；
采用导料器等。
2.1.3闸门
闸门是控制卸料漏斗卸料流量的开闭装置。
闸门的种类很多,主要有板式、槽式、链式、爪形和扇形等。
板式闸门构造简单，但要承受物料压力，开闭阻力较大，大多用于控制松散小粒物料。
扇形闸门刚性较好，但占用高度较大，大多用于轻质物料。
由双扇形组成的颚式或复式闸门，大多用于中块物料。
大块物料可采用链式或爪形闸门。
如要求卸料流量持续稳定，应使用给料机控制。
如要精确计量或按一定比例配料，则应增设称量设备。
2.2粉体压力计算计算原理
2.2.1内摩擦角
在粉体层中，当粉体所受作用力小于颗粒间的作用力时，粉体层保持静止不动，当作用力达到某极限值时，粉体层将突然出现崩坏，该崩坏前后的状态称为极限应力状态。
这一极限应力状态是由一对压应力和剪应力组成。
即在粉体任意面上加一垂直应力，并逐渐增加该层面的剪应力，当剪应力达到某一值是，粉体层将沿此面滑移。
实验表明，粉体开始滑移时。
滑移面上的剪应力
是正应力
的函数：
2.2.1.1
当粉体开始滑移时，若滑移面上的剪应力
与正应力
成正比
2.2.1.2
式2.2.1.2称为库仑定律，其中μ是粉体的摩擦系数，又称内摩擦系数，C是初抗剪强度。
初抗剪强度等于零的粉体为无附着性的粉体。
对于无附着性的粉体，库仑定律为
2.2.1.3
式（2.2.1.3）两边同乘以粉体滑移面的面积得到力形式的库仑定律为
2.2.1.4
这一关系式等同于物体在平面或斜面运动（如图1所示）的摩擦定律，故库仑摩擦系数通常写为
2.2.1.5
式中：
ф即为粉体的内摩擦角。
图1物体在平面或斜面上的远动示意图图2内摩擦角测量示意图
图2式粉体内摩擦角的测量示意图，该装置由上、下两个盛粉体的圆盒组成，将粉体填充其中，在上盖对其施加垂直方向的作用力N，再在上盒施加水平方向的作用力（剪力）F，当F小于粉体所能承受的最大剪力时，两盒处于平衡状态。
当F达到粉体所能承受的最大剪力时，即达到极限应力状态，粉体开始流动，即两盒有相对位移。
改变垂直作用力N，重复上述实验，即可得到N所对应粉体能承受的最大剪力。
这样就可得到一系列使两盒间粉体开始流动时的F和N的临界值。
将F和N初一两盒的截面积，就可得到一系列使两盒间粉体开始流动时的剪应力（
）和正应力（
）的临界值。
通过线性回归就可得到粉体的库仑摩擦系数μ和初抗剪强度C，由式（2.2.1.2）和式（2.2.1.5）可得到粉体的内摩擦角фi。
2.2.2壁摩擦角
图3圆筒形容器里粉体压力
壁面摩擦角是粉体与壁面之间的摩擦角，具有重要的实用特性。
它的测量方法和剪切试验完全一样。
剪切箱体的下箱用壁面材料代替，再拉它上面装满了粉体的上箱，测量拉力即可求得。
滑动角是在某材料的斜面上放上粉体，再慢慢地使其倾斜，当粉体滑动时，板面和水平面所形成的夹角。
2.2.3Janssen公式
液体容器中，压力与液体的深度成正比，同一水平面上的压力相等，而且，帕斯卡原理和连通管原理成立。
但是，对于粉体容器却完全不同。
为此作如下假定：
（1）容器内的粉体层处于极限应力状态；
（2）同一水平面的铅垂压力相等；
（3）粉体的物性和填充状态均一。
因此，内摩擦系数为常数。
对于图3所示的圆筒形容器里的粉体，取很薄的一层ABCD来进行研究，当作用于这个圆片上的力处于平衡时，有
2.2.3.6
式中，D为圆筒形容器的直径；
μw为粉体和圆筒内壁的摩擦系数；
ρB为粉体的填充密度；
k是比例常数，即把垂直应力σv变换为水平应力σh的重要常数，利用前述的莫尔圆的包络线为直线时，两应力垂直的性质，可以求出作为内摩擦角为фi的函数的二应力的关系式。
这个关系式如下：
2.2.3.7
将式（13-6）整理后得
积分之
得
根据边界条件可知，当h=0时，p=0，故得积分常数
。
因此得在深度为h时，粉体的铅垂压力p与h的关系式（2.2.3.8）。
2.2.3.8
可得铅垂压力p的表达式为
图4筒仓内粉体压力分布
2.2.3.9
式（2.2.3.9）称为Janssen公式。
对于棱柱形容器，设横截面积为F，周长为U，可以F/U置换上式中的D/4。
由式（2.2.3.9）可知p按指数曲线变化，如图4所示。
当
时，
，即当粉体填充高度达到一定值后。
p趋于常数值，这一现象称为粉体压力饱和现象。
例如，一般
=（0.35～0.90）。
如到
=0.5，h/D=6，则
=0.9502，也就是说，当h=6D时，粉体层的压力已达到最大压力
的95%。
测定表明，大型筒仓的静压同Janssen理论大致相同，但卸料时的压力有显著的脉动，离筒仓下部约1/3高度处，壁面受到冲击、反复荷载的作用，其最大压力可达静压的3～4倍。
这一动态超压现象，将使大型筒仓产生变形或破坏，设计时必须加以考虑。
如粉体层的上表面作用有外载荷p0即当h=0，p=p0时，式（2.2.3.9）变成
2.2.3.10
料斗的压力
（a）（b）
图5料斗内粉体压力分析
倒锥形料斗的粉体压力可参照Janssen法进行推导。
如图5（a）所示，以圆锥顶点为起点，取单元体部分粉体沿铅垂方向力平衡。
图5（b）为水平压力kp和铅垂压力p沿圆锥壁垂直方向的分解图。
与壁面垂直方向单位面积上的压力为
沿壁面单位长度上的摩擦力为
因此，单元体部分粉体沿铅垂方向的力平衡为
变形后为
上式同除以
得
令
图6料斗铅垂方向的粉体压力分布
则
2.2.1.11
当y=H时，p=0，
≠1，解此微分方程式得
2.2.1.12
若
，则
2.2.1.13
图6为
0.5，1，2，5时按式（2.2.1.12）计算所得到的料斗压力分布图。
（上方有料层时，按Janssen公式求得），
≠1时，则
2.2.1.14
2.2.1.15
2.3结构尺寸设计
要求：
储存量为5000kg。
2.3.1高度直径的计算
根据ρ=m/V，ρ=2.93g/cm3,算得粉料的体积为1.706m3粉料所占体积为料仓体积的80%，得出料仓的体积为2.125m3，设定料仓的高度与直径之比为1.5，算得h=1.827m，d=1.218m
取内摩擦角为38°
，物料与设备筒壁间的摩擦系数（μ）为0.34，离筒仓下部约1/3高度处，壁面受到冲击、反复荷载的作用，其最大压力可达静压的3～4倍，因此将1/3高度以上的部位成为δ1部分，将1/3高度以下的部位成为δ2部分。
料仓筒体各段长度（对应于壁厚）：
H1为：
0.609，H2为：
1.218,选择材料为高锰钢，在δ1部分为4mm，在δ2部分为5mm，在锥体部分为5mm。
2.4应力校核
2.4.1轴向应力计算
摩擦力、物料轴向压力及气相压力产生的轴向应力
环型支撑以上部分产生压应力
对δ1部分：
公式：
σZ1=∑Pi-if/（πDiδ1e）+P2Di/（4δ1e）=10.87685417MPa
对δ2部分：
σZ1=∑Pi-if/（πDiδ2e）+P2Di/（4δ2e）=14.50247222MPa
环型支撑以下部分产生拉应力
此处只在δ1部分：
σz1'
=（Pv+P2）Di/（4δ1eφ）=92.41830065MPa
2.4.2料仓顶部载荷在仓筒中产生的轴向应力
仅在环型支撑以上部分产生压应力
σZ2=（（m1+m2）g+Ws）/（πDiδ1e）=0.237720289MPa
σZ2=（（m1+m2）g+Ws）/（πDiδ2e）=0.316960385MPa
m1：
料仓顶盖质量为954Kg
m2：
附加设备质量400Kg
Ws：
雪载荷,此处不考虑N
2.4.3由最大弯矩在仓筒中产生的轴向应力
σz3=32Do1MI-IE/（π（Do1^4-Di^4））=4.117049623MPa
σz3=32Do2MI-IE/（π（Do2^4-Di^4））=5.492853793MPa
2.4.4周向应力
σθ=PhDi/（2δ1eφ）=37.87471751MPa
σθ=PhDi/（2δ2eφ）=5.998220292MPa
2.4.5应力组合
轴向应力组合
支座以上部分：
σ∑z=σz1+σz2+σz3=15.23162408MPa
支座以下部分：
σ∑z=σz1+σz2+σz=396.53535028MPa
σ∑z=σz1+σz2+σz3=20.3122864MPa
轴向应力与周向应力组合
σ＝（σ∑z^2+σθ^2-σ∑zσθ）^0.5=84.24558717MPa
σ＝（σ∑z^2+σθ^2-σ∑zσθ）^0.5=18.07567584MPa
2.4.6仓筒材料的许用轴向压应力[σ]cr按下式计算
[σ]cr＝min（B，0.9σs）=25MPa
[σ]cr＝min（B，0.9σs）=19.06924035MPa
设计温度下材料的屈服强度σs值为135MPa
B值按以下方法计算
A=0.094δ1e/Do=0.000210448
A=0.094δ2e/Do=0.000158032
由δ1部分的A值，得B值为25MPa
由δ2部分的A值，按下式计算B=（2/3）AE=19.06924035MPa
2.4.7料仓锥体部分应力计算
锥体大端的应力计算
周向应力公式：
σθ＝Di（Pn+P2）/（2
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