科里奥利原理粉体质量计量秤的应用工艺研究

科里奥利原理粉体质量计量秤的应用工艺研究

Study on Powder Quality Measurement Scales Using Coriolis Principle

周 啸，贾桂森，李智红，金 磊

本文针对水泥厂入窑生料计量环节的工艺特点，对基于科里奥利力学原理的大流量粉体质量计量秤的应用工艺进行了深入研究和探讨，内容涉及稳定给料装备研究、计量秤的结构优化、工艺解决方案等方面。

科里奥利力；粉体物料；计量秤；应用工艺

1 引言

众所周知，基于科里奥利力学原理的粉体质量计量秤（以下简称科氏力秤），是通过计量物料的质量流量实现对粉体物料的计量，其工作原理不同于称重式计量设备。科氏力秤具有计量精度高、量程范围大、受环境和人为因素干扰相对较小等特点，被广泛应用于水泥、矿业、化工等工业粉体计量领域。目前，可检索到的科氏力秤文献资料中，涉及应用工艺研究的文献较少。本研究以科氏力秤在新型干法水泥生产线窑尾生料计量与控制环节的应用为平台，对科氏力秤在物料流量大、给料波动大工况下，实现稳定给料和准确计量的工艺技术进行了深入研究和探讨。

2 应用工艺研究的必要性

毋庸置疑，用于在线连续计量的粉体物料计量设备，其使用效果都与工艺条件密切相关，计量的准确度和控制精度不仅取决于计量装备本身，同时也取决于工艺层面能否为计量设备创造连续、均匀、稳定的给料条件。以新型干法水泥生产线生料计量系统为例，在生料由料仓底部卸出的过程中，其流量和稳定性受诸多因素影响，如生料容重、细度、水分等物理特性，称重仓进料过程控制和料位变化，流量调节阀调节方式和响应速度，仓底和输送斜槽配套助流风量、风压，输送斜槽长度和斜度等等。实践表明，即便在工况正常条件下，瞬时流量波动也常达到±20%以上。在大型水泥粉磨站外掺混合材等计量环节，也同样存在类似问题。为保证科氏力秤在上述工况条件下长期计量的准确度，需要在稳流技术装备、科氏力秤结构、基本工艺方案等方面进行综合研究和创新。

3 稳流给料装置和料流缓冲装置

3.1 专用流量调节阀

目前，国内大型水泥生产线生料计量环节，基本沿用传统的电动或气动流量阀作为预给料装置，采用气缸或电动执行器作为流量阀调节机构，通过调节阀芯转角改变阀门开度，达到调节给料量的目的。由于此类流量阀定位精度低、反应速度慢、调节滞后，因而不可避免地存在流量调节震荡、给料波动、调节机构动作频繁、执行器过热损毁等问题，直接影响计量效果和生产安全。如果用在大流量粉体物料计量环节，则表现得更为突出。

针对上述问题，我们研发了一种“大流量粉体物料专用流量调节阀”，该流量阀采用伺服电机作为阀芯的调节机构，通过PLC对伺服电机进行变频调速和可编程控制，实现对阀芯的快速调节和精确定位。当测量值与设定值偏差较大时，伺服电机在高转速下调节流量阀，快速定位流量阀转子角度；偏差较小时，伺服电机在低转速下调节、定位流量阀转子角度。实际使用效果表明，该调节阀具有定位精确（控制精度＜0.001°）、响应速度快（1～15°/s）、过载保护强等特点，且性能稳定，可靠性高，即便在反复启停的工作状态下也很少出现故障。作为计量秤的预给料装置，专用流量调节阀的研制与开发，为实现连续、均匀、稳定给料，为大流量粉体物料准确计量和精确控制创造了前提条件。

3.2 料流缓冲装置

料流缓冲装置起到缓解进仓物料冲击力，释放夹裹在粉料流中气体的作用。

生料从均化库卸入生料称重仓的过程中，落料高差产生的冲击力必然对仓内料层造成扰动，尤其在仓内料位较低时，该冲击力会穿透料层传递到仓底，导致仓底卸料波动，增加稳定给料难度。因此，通常要求称重仓内料位保持在1/3以上。

此外，生料进仓过程中必然会夹裹一定量的输送气体，随着库内料位升高，气体无法及时释放，在料压下聚集成带有一定压力的不规则气隙，与物料一起从仓底卸出并通过流量阀，造成脉动冲料或断料，给仓底稳定卸料带来困难。

为解决该问题，我们设计开发了一种流量缓冲装置。该装置呈通道状，内设数量不等、布置形式不同、带有一定倾角的缓冲板。物料进入通道后，沿缓冲板逐级滑落到库内料面上，使物料冲击力和夹裹的气体得到有效释放和分离，即使仓内料位较低时，进料过程也几乎没有负面作用，有效解决了生料进仓过程对计量与控制的影响问题。

4 科氏力秤结构的优化

4.1 整流栅和导料板

从科氏力秤的基本结构可知，物料在重力作用下进入秤体，然后滑落至测量盘内，其间产生的冲击力必然影响测量盘的平稳回转，对于大流量科氏力秤，这种影响更为严重。为降低冲击力对测量盘平稳运行的负面影响，在科氏力秤进料口增设整流栅和条状导料装置。整流栅呈网格状，物料穿过整流栅进入秤体，不仅可明显降低物料的冲击力，同时可有效消除物料在进料口处形成的涡流现象，起到整理料流的作用。导料装置可有效降低物料滑落角度，在缓解冲击力的同时，使物料按要求的流向进入测量盘。整流栅和导料装置有效降低了进料过程对测量盘平稳运行的影响，对保证计量精度、提高设备可靠性起到了积极作用。以上结构优化，对大流量科氏力秤尤显重要。

4.2 双向结构测量盘及其高耐磨覆层

科氏力秤测量盘通过传动轴在电机驱动下匀速水平回转。测量盘内设有径向布置的测量叶片，用于捕捉进入盘内的物料，并将物料对叶片产生的反作用力传递给测量结构，实现对粉体流量的测量。长期以来，测量叶片被设计成截面呈矩形的单片体，我们称之为单向结构测量盘。这种形式测量盘必须按要求的方向回转，且不可更改。如果人为改变转向，则会在等同流量下得到不同的测量结果。因为物料运动轨迹随测量盘转向改变而改变，产生的反作用力也随之改变。

为解决计量结果受测量盘转向影响问题，我们研制了一种双向结构测量盘，将测量叶片设计成扇形截面的棱柱体，形成两个对称的工作面。测量盘叶片采用这种结构形式，正/反转均不影响计量结果，提高了计量秤可操控性。同时，当测量叶片的一个工作面磨损失效时，可通过调整电机的转向，使另一个工作面投入使用，有效延长了测量盘的使用寿命。

针对粉体物料对测量盘的磨蚀和粘附问题，我们应用真空熔结技术，采用自有配方，对计量秤测量盘表面进行复合处理，获得洛氏硬度HRC＞68、且韧性优良的高耐磨层，并将其磨制成呈镜面状态，解决了测量盘快速磨蚀和微细粉料粘附测量盘的难题。

5 工艺方案及参数优化

5.1 空气输送斜槽采用“深槽厚料小角度”设计方案

在流量调节阀与计量秤之间设有空气输送斜槽，生料经过斜槽后进入计量装置，是新型干法水泥生产线生料计量系统普遍采用的设计方案。设置空气输送斜槽不仅仅是出于工艺布置考虑，更重要的是，料流在通过斜槽的过程中得到整理，使粉料均匀、稳定、连续地进入计量秤。实践表明，由于空气输送斜槽的结构尺寸、安装角度、风量、风压等工艺参数选择不当，发生斜槽内堆料、断料、冲料，给生料计量与控制造成困难的案例很多。

输送斜槽采用“窄槽厚料小角度”的设计思想是在实践基础上形成的。“窄槽厚料”是指在不改变通过能力、不影响输送效果的前提下，通过改变现行输送斜槽的结构尺寸，减小斜槽宽度，加大深度，达到增加斜槽内料层厚度的目的。实践表明，斜槽内合理的料层厚度，有助于物料均匀、稳定地通过输送斜槽，为生料计量与控制创造了条件。“小角度”是针对斜槽安装角度而言，角度过大会导致物料运动速度过快，料流难以控制，同时会加大对计量设备的冲击，影响计量准确度；角度过小则无法满足物料通过量要求。此外，斜槽长度选择要合理，过长会导致反馈调节速度慢，影响控制准确度，太短则起不到整理和稳定料流的作用，斜槽长度通常应选择在0.8～1.5m之间。由离心风机为斜槽提供输送用风，合理选择斜槽风机风量和风压，适当控制收尘器风量，也是系统优化的必备条件。

5.2 优化仓底助流用风参数

为使生料从称重仓侧（或仓底）顺利卸出，并提供连续稳定的料流，仓侧（或仓底）通常设有充气箱作为助流装置，以完成粉料的正常输送。经验表明，气源由罗茨风机提供较为合理，风压和风量要依据储库（仓）结构形式、库容、高径比、物料种类、特性及台时产量和操作习惯等进行合理选择。生产中单位面积充气量，具体选择上应有所区别。为了满足不同工艺方案要求，应该在充气管路上设置风量调节阀，以便根据现场工况合理调节风量。

6 结语

我们从事科氏力粉体质量计量秤研究，起始于上世纪90年代后期，迄今已有十几年经验。目前，相关技术产品不仅广泛用于水泥行业入窑煤粉、水泥生料、成品水泥、粉煤灰、矿渣粉、电石渣、钢渣粉、火山灰、窑灰等各种粉体物料在线计量与控制环节，同时跨行业进入钢铁、矿业、氧化铝、化工等其他工业领域。据不完全统计，已有1200余台套科氏力秤计量系统进入市场，其中50余台套出口国外。在科里奥利力学原理粉体质量计量领域，我国的研发能力和技术装备水平已处于世界领先行列。

在科氏力秤研发与应用过程中，我们深切体会到，每一项技术创新产品的成功市场化，都与相关联应用工艺研究相伴相随。在遵循计量技术装备服从于工艺条件和工艺要求这一基准原则的同时，积极展开相关联工艺对计量过程影响的研究，包括对配套装备（如给料装置、输送设备、储料装备等）、工艺参数（物料特性、气源、风源及风量、风压等）、物料进库和出料过程（储存、卸料、助流、除尘等）等进行同步研究，为科氏力秤在线计量与控制系统创造理想的工艺条件，达到均匀、稳定给料，准确计量，实时有效调节的运行效果。经验表明：在线计量技术装备研究，必须与相关联应用工艺研究有机结合，对于偏重装备开发，忽视客观工艺研究的创新理念，我们认为是不可取的。

TQ172.614.2

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1001-6171（2013）05-0048-03

建材（合肥）机电工程技术有限公司，安徽 合肥 230051；

2013-06-07； 编辑：赵 莲