提高粉体材料计量准确性
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河南通宇集团冶材公司技术部

 

摘要:钢铁冶炼的过程中,保护渣的作用不可替代。在连续铸钢过程中,需将保护渣置于结晶器的钢液面上用以保温、防氧化及非金属杂质落入,所以钢材冶炼质量与保护渣品质的好坏密不可分。

我所在单位是一家以生产连铸结晶器保护渣为主体的公司,为响应国家节能减排、降低污染的号召,陆续建成一批自动化气体输送配料生产线。然而在自动配料过程中,粉体材料经常出现计量失准的情况,超过了配方规定0.5%的计量误差范围。粉体材料自上方储料仓中自然落下流进螺旋给料机中,螺旋给料机经由plc和变频器联合控制再将粉体材料送入最下方的计量斗中称重。在称重数值接近配方设定数值时,plc发出指令,螺旋给料器停止送料并由气动蝶阀锁死螺旋给料机出口,完成自动配料。然而由于粉体材料“料性”不稳定,蝶阀关闭瞬间,材料进入螺旋给料器时多时少,plc无法瞬间判断并输出锁死指令,进而出现材料落入计量斗时不能有效控制误差范围。

造成这种情况的原因是,粉体材料“料性”不稳定,经常出现粉料进入螺旋给料机时多下、少下甚至由于结拱不下或是结拱突然坍塌导致“雪崩”,单位时间内进入螺旋给料机的粉料重量不同,计量临近结束时,Plc在发出蝶阀锁死粉料过程中,由于最终落差粉料重量不确定性,致使计量误差超出规定范围。

通常解决出现此类问题的解决办法是在储料仓下锥段增加气锤。配料过程中,气锤周期性工作敲打储料仓外壁,使仓内材料由于振动自然下落,不会结拱。然而由于材料种类繁多,有些材料通过敲击不会结拱,但有的材料在振动环境下结拱情况会更加严重,同样造成计量失误。所以这个方法不具备有普遍性,解决这个问题并不适用。

现在的解决方案是将气锤替换为破拱气环。配料过程中气环周期性地向仓内粉料注入气体,使材料的流动性增加不会结拱。然而由于配料环境密闭,注入储料仓内的气体就会不可避免的通过螺旋给料机进入计量斗内。由于气体压力作用,计量斗便会承受些许外力,而且粉料加入气体后也会变得像流体一样难以控制。材料虽然变为匀质材料,但计量难度却由固体称重变为流体称重,计量难度也会随之增加。

考虑到上述问题,本文将借助TRIZ等相关理论,将螺旋给料机作为一个系统。通过分析该系统所存在的物理矛盾和技术矛盾以及40个创新发明原理,针对存在的矛盾冲突采取合理的解决办法,为技术创新提供方向。依据备选解决方案,经过优化分析确立最终方案。了产品稳定性。

一、问题描述

自动配料过程中,粉体材料总是出现一些计量失准的情况,超过了配方规定0.5%的计量误差范围。粉体材料自上方储料仓中自然落下流进螺旋给料机中,螺旋给料机经由plc和变频器联合控制再将粉体材料送入最下方的计量斗中称重。在称重数值接近配方设定数值时,plc发出指令,螺旋给料器停止送料并由气动蝶阀锁死螺旋给料机出口,完成自动配料。然而由于粉体材料“料性”不稳定,蝶阀关闭瞬间,材料进入螺旋给料器时多时少,plc无法瞬间判断并输出锁死指令,进而出现材料落入计量斗时不能有效控制误差范围。

通常解决出现此类问题的解决办法是在储料仓下锥段增加气锤。配料过程中,气锤周期性工作敲打储料仓外壁,使仓内材料由于振动自然下落,不会结拱。然而由于材料种类繁多,有些材料通过敲击不会结拱,但有的材料在振动环境下结拱情况会更加严重,同样造成计量失误。所以这个方法不具备有普遍性,放在这里解决问题并不适用。

我们采用三种料性完全不同的材料来验证上述的问题解决办法。分别为萤石粉(流动性强,可塑性极差)、新余硅灰石(流动性一般,可塑性一般)、粘结剂(流动性差,可塑性较强),同样设定配料200kg,并得出了相应数据。

从所得出的数据中我们可以看,流动性好的材料在计量过程中基本都会材料多下的问题,;流动性一般的材料结拱或是破拱几率较小,计量较为精准;而流动性较小的材料计量多半很精确,但偶尔会出现瞬间多下的情况。所以采用气锤振动储料仓的方法利弊掺半,并不能实质解决问题。

二、解题过程

建立系统功能模型,对技术系统中的问题进行描述  

系统中的冲突区域:粉料和螺旋给料机交接部分

具体情况描述:

 (1) :最初系统粉料进入螺旋给料机时料量不稳定。

(2):气动蝶阀封锁物料进行过快,造成振动。

(3):螺旋给料机铰刀间距过大。

(4):计量数据采集后未处理。

 用矛盾分析原理解决:

1. 问题

在自动配料过程中,由于粉体材料的不稳定性,材料在储料仓内因重力作用积压结拱,在称重计量过程接近结束时,气动碟阀锁死进入计量斗物料,经由螺旋给料器送入计量斗内的落差物料不为匀质材料,质量不确定,进而导致计量失准。

2. 现有解决方案

方案一:在储料仓下锥段增加气锤。配料过程中,气锤周期性工作敲打储料仓外壁,使仓内材料由于振动自然下落,不会结拱。然而由于材料种类繁多,流动性较好的材料通过敲击不会结拱,但有的比如粘结剂、碳酸锂这类流动性较差且容易粘结的材料在振动环境下结拱情况会变得更加严重,同样造成计量失误。

方案二:将储料仓下锥段原有的气锤改为气环破拱装置。在自动配料的过程中,气环间歇性向储料仓内注入气体,用以增加粉料的流动性防止物料结拱,使进入螺旋给料器的粉料能够像流体一样,近似达到匀质状态,计量接近结束气动蝶阀锁死物料,经由螺旋给料器送入计量斗内的落差物料质量一定,进一步缩小计量误差。

3. 现有解决方案的缺点

物料由粉体变为流体,不可控性加大。

计量环境密封,破拱装置注入的气体会间接进入计量斗内,对计量斗形成外力冲击,影响计量精度。

设备繁琐程度增加。

4. 定义技术冲突

方案一矛盾(物理矛盾):

在储料仓下锥段增加气锤时,配料过程中气锤周期性工作敲打储料仓外壁,使仓内材料由于振动自然下落,流动性较好,不会结拱。然而由于材料种类繁多,有些材料通过敲击不会结拱,但有的材料在振动环境下流动性变差,结拱情况会更加严重。这中间存在物理矛盾,即我们既希望材料的流动性好,能够快速进入螺旋给料器;又希望材料的流动性较差,在材料进入计量斗时方便计量称重。

方案二矛盾(技术矛盾):

改善的参数:物体产生的有害因素。

恶化的参数:测量精度。

发明问题确定

1.针对方案一物理矛盾可采用时间分离原理,时间分离原理包括的发明原理有10预先作用,15动态特性;

2.针对方案二技术矛盾查询发明原理有:3局部质量,33均质性,26复制

考虑经济技术可行性,采用的创新原理为:

03. 局部质量原理

15. 动态特性原理

10. 预先作用原理

方案1:

利用动态特性原理,调整物体或环境的性能,使其在工作的各阶段达到最优状态。应用在此处,把锁料的气动蝶阀由原来的一次性机械关闭改为多次操作来关闭,每次只关闭一点;这样就可以避免蝶阀在锁料过程中一次性锁死,造成下料不足。每次只关闭一点,进入计量斗内的材料就会细化分割,进而减小落差物料的质量,提升计量精度。

方案2:

利用局部质量原理,由于每种材料的料性不同,粘结程度不同,我们可以把原有的将原来的等距螺旋改造为变距螺旋。通过改变螺旋的轴距使下料更为稳定。流动性较好的材料所采用的的螺旋轴距变小,如此一来,螺旋给料器每转动一圈,送入计量斗内的粉料便会变少,通过细化物料提高计量精度。

方案3:

利用预先作用原理。预先对物体(全部或至少部分施加必要的改变)。应用到此处,我们可以通过加装装置使物料在储料仓内不会结拱,同时不至于像采用气环破拱那样使物料进入螺旋给料机时呈流动状态,具备不可控性。即采用刮板机周期转动拨动物料,使储料仓内物料不会结拱,并且可以匀速的将粉体材料送入螺旋给料机内,使螺旋给料机内料量一定进而增加配料精度。

按照物质-场分析及76个标准解,得到解决方案如下:

方案一:增加装置粉体材料始终稳定为固体。在储料仓和螺旋给料机之间增加一道装置,使粉体材料能始终稳定为近似固体状态,方便估算落差物料的体积和质量,以精确计量。

方案二:增加装置粉体材料始终稳定为流体。在储料仓和螺旋给料机之间增加一道装置,使粉体材料在储料仓和螺旋给料机时流动性变得更强,持续稳定,方便估算落差物料的质量,以精确计量。

方案三:增加直径更细的螺旋给料机。在原有的大直径螺旋给料机后段增加小直径的螺旋给料装置,使材料在螺旋给料机内部时更加稳定,方便提高计量精度。

方案四:通入气体改善料性。在储料仓内加装气化装置,通过引入气流进入储料仓内部改变材料物理特性,使材料料性变得更加有利于计量。

三、最终方案

在储料仓和螺旋给料机之间加装统一的刮板机,为刮板机提供的动力并入螺旋给料机。即配料启动,刮板机随螺旋给料机同步转动,拨动储料仓底部的物料,同时储料仓内物料在重力和刮板机作用下不会结拱,能够像流体一样源源不断的送入螺旋给料机。并且由于材料中不掺杂气体则进入螺旋给料机内的材料为匀质粉状材料,单位体积材料的质量一定,所以不会存在之前说到的物料进入计量斗时一会儿进的多,一会儿进的少情况,便于控制落差物料,提高粉体材料计量的准确度。

四、创新点

通过设计使用该刮板机提高了粉体材料计量的准确度。