散装物料在储斗内起拱现象分析和破除方法

刘金一(软控股份有限公司，山东 青岛 266000)

散装物料在储斗内起拱现象分析和破除方法

刘金一(软控股份有限公司，山东 青岛 266000)

在橡胶厂密炼工序车间中使用的原材料（炭黑、白炭黑、助剂、补强剂、促进剂等）在储斗储存过程中易出现“起拱架桥”现象，降低了生产效率，毁坏了设备增加维修成本，产品质量受到影响。本文对上述问题给出一定分析和解决措施。

橡胶厂物料；储斗起拱；原因分析；方法；措施

1 流动状态和分析

1.1 原理和分析

本文中的储存容器以典型的锥形储斗为例，以下简称“储斗”。研究对象为橡胶工厂用各种散装原材料，以下简称“物料”。

散装物料储存在垂直方向的容器中主要是靠其自身重力作用而流动。理想的物料流动状态称之为整体流，既在卸料开始时靠近储斗底部排料口处的局部物料层先向下流动，随后储斗内部任何部位的物料整体均匀下沉流动，储斗内无静止区（死角），最终物料会全部排出储斗，这种状态是以物料的“先进先出”的顺序原则流动。见图1(a)。

在工厂实际配料生产中，有些物料并不是整体流动，而呈中心流状态（鼠洞流或漏斗流）。即在卸料开始时只有位于排出口上方顶层的物料先流动，此时外侧四周的物料静止不动，而后这些物料向中心坍塌、滑动、下降，形成中心流动通道，不同的物料其塌陷、自我下落的程度不同，但最终往往不能完全卸料，残余物料在储斗内。这种状态是以物料的“后进先出”的顺序原则流动。见图1(b)。

通常当物料量较少且存于储斗底部时，在其自身重力作用下能够顺畅流动。但随着物料增多储斗有限体积变化，物料间相互挤压，发生位移，颗粒间以及颗粒与内壁之间产生摩擦力加大，流动性就越差，随着储存时间的增长、环境温度、湿度的变化，排料口处的局部物料不断积累摩擦力和表面黏力（剪切力），从而形成层状“固体块”，受锥体结构形状影响，越往下储斗锥体的横截面逐渐缩小，其斜锥面对“固体块”产生阻挡支撑力和摩擦，再加上上层物料的压力，从而形成弧形拱面。一旦形成拱面，在没有破拱措施下，物料就形成了暂时稳定的状态，这个状态表现为物料静止不流动，就是我们所说的“起拱”，也称为“架桥”。见图1(c)。起拱处的物料称为料拱，根据以往实际经验，料拱主要发生在储斗的锥体部分，这部分的物料已被密实至具备了足够的强度来支撑上方被堵塞的物料，从受力角度来分析料拱中物料的密实压力f1比较大，而作用于被堵塞拱桥跟脚上的应力f2较小，这就意味着物料流动性比较差，其受力如图2所示。

用公式来表示流动性因数为：

F=f1/f2

图1 物料流动状态

图2 物料受力状体

其中F为储斗物料的流动因数，从中可以看出F值越小，流动条件就越好，越不容易起拱。图中小方框表示物料受力质点，θ为物料的堆积角，a为锥体斜边与水平面夹角（倾斜角）

物料在储斗内聚集、起拱而又不能自我破拱，则破坏了物料的两种上述流态，它导致物料流动暂时中断，降低了生产效率；有一部分物料在储斗内长期滞留，造成有效容积减小，严重影响了物料流量的均衡性，从而影响了工艺质量。

1.2 起拱原因和分类

造成物料起拱堵塞的原因是多方面的，主要包括固结、黏附、静电、水分、熔化等，除了物料本身的物理特性外，还与储斗结构、外部环境、操作使用等相关，大多数是因为改变了物料表面性质而增加了黏附力所致，大致归纳为下几种类型：

（1）挤压拱：物料受到压缩而减小了空隙率，由本身的密实强度增加而起拱。这种情况在一些颗粒较细的物料中容易发生，例如纳米级氧化锌等，压力越大，越密实。

（2）楔块拱：由于物料颗粒不规则、大小不均或者其他异形杂物造成局部受力平衡而起拱。多见于物料为块状外形或者在原包装中已结块等情况。

（3）黏附固结拱：黏性较强的物料，由于吸潮、熔融或者带静电，不仅黏附储斗内壁，在固结压力的作用下，物料之间也互相黏附结块，形成大体积固块而起拱。例如不溶性硫磺，在掺油的情况下，黏性很强，极易黏附起拱。

（4）气压差拱：当储斗中的物料上下存在气压差或者气压平衡时，物料改变流动状态而起拱。此种情况在有气力输送系统或者除尘系统中出现较多，如图3所示。

图3 起拱类型

2 破拱方法和措施

为了改善和消除起拱问题，在生产中使储斗中的物料能够顺畅的全部流出，我们希望物料都以整体流的方式进行，保证“先进先出”。消除已形成的拱面称为破拱，其原理是建立在消除或削弱成拱物料自由表面上的压应力、物料颗粒间的摩擦力以及物料与仓壁间的摩擦力基础上。在清楚了起拱原因之后，提出以下几种破拱方式：

（1）仓壁流态化喷嘴：在出料口上方的锥体外壁上安装多个高压压缩空气喷嘴，喷嘴伸入储斗内部，通气时在喷嘴周围形成一个“气垫”，将固体物料进行“流态化”，能阻止料拱形成。此法应注意调整气流的压力和流量，避免气流过大造成物料飞扬而影响下游工艺动作，如称量和除尘。

（2）仓壁空气炮：也叫空气助流器，是以突然瞬间喷出的压缩气体的强烈气流，以超过一马赫的速度直接冲入贮存散体物料的闭塞故障区，这种突然释放的膨胀冲击波，克服了物料的静摩擦，使容器内的物料又一次恢复流动。此装置具有结构简单，使用安全方便，冲击力大、安全、自动控制、操作方便，不损伤储斗等优点。但在实际使用过程中注意噪音影响，控制空气消耗量。

（3）仓壁振动敲击器：在外仓壁设置振动器，振动器分电动和气动型，振动力带动物料和储斗一起振动，造成颗粒间的相对滑动，减少物料对内壁的黏附。具体使用时要结合物料的黏附程度，选择间歇或连续、手动或自动控制。根据以往经验，对于黏性大的物料使用敲击式气锤比往复式高频振动器效果好。

（4）防黏内套和气缸助推：在储斗内部固定一个外形相似、与内壁贴实的内套，内套采用防静电光滑材料以减轻黏料，设置1~3支气缸交替推捣内套物料，物料一旦起拱结块通过气缸推力马上破坏。由于内套为非金属聚合物材质，且长期与化学药品接触容易被腐蚀和老化，关注内套疲劳破损，定期更换。

（5）改变原料的物理形态和预处理措施:物料颗粒越小，其分子间作用力累积越大，越容易带静电，易黏附的纳米级粉末物料使用造粒设备制成较大颗粒形态；在原包装中已聚集结块的物料要提前粉碎、筛分处理；已经吸潮的物料要充分干燥后投入使用。

（6）软体结构储斗：钢制储斗其锥体是起拱的主要部位，将锥斗设计为软体材质，无固定形状，消除加重起拱的斜面要素，再加以必要的外力助流可以起到较好效果。

（7）合理设计下料口尺寸和锥体结构：过小的卸料口势必影响物料流通，容易堵塞起拱。要使仓内物料具有良好的流动性，下料口有效面积应大于或者等于物料在仓内起拱和破拱时形成的最大块（或堵塞料柱）尺寸，设计时以下料口尺寸尽量大为好。物料因本身的堆积角而停止流动，锥斗斜面倾斜角应至少大于物料堆积角才能保证物流不静止。卸料口应设计为偏向结构，具有铅垂或非对称璧面，以减少垂直方向的压力，消除拱脚的作用。圆锥体储斗比方椎体储斗能更好的防止起拱形成。

（8）降低储斗内壁面摩擦阻力：采用摩擦阻力小的材料，喷涂防黏涂料，表面抛光，避免储斗内部异形附加结构等措施，对于储仓直筒段与锥体段不宜采用直尖边过渡，应采用圆滑转角过渡以降低阻力，如图4所示。

（9）改流体破拱装置：在储斗底部易起拱位置加装一个圆锥体，圆锥体与内壁保持一定间隙，形成环形通道，较为密实的物料或拱块到达锥顶时即破碎，从改流体与内壁之间的环形通道卸下，如图5所示。

在设计此装置时要重点考虑锥体的锥度、位置、环形下料通道的尺寸以及下料口的尺寸，以实现合理配比，保证下料通畅。

图4 圆滑转角

图5 改流体结构

（10）机械搅拌器：对于黏性很大，流动性很差的物料，储存条件不好的情况下，应该采用强制干预破拱方式。

此装置主要由搅拌轴、叶片组成，由气缸或电机驱动，实现搅拌杆的周向转动或往复上下运动，直接将拱面打破，如图6所示。

图6 机械强制干预

另外，对于黏性易起拱物料使用螺旋给料器较振动给料器效果好。

可在给料器上部进料口处设置破拱装置或专用的破拱阀定位在容易起拱位置，直接对起拱局部区域进行作用，给料的同时进行破拱。

还可以在储斗下料口使用圆盘刮板给料机，刮板上带有伸入储仓内部的破拱杆，随刮板下料时同时动作。

（11）生产管理方面：储斗起拱是多方面因素造成的，除了要考虑物料本身特性、设备结构外，工厂的厂房条件、工作环境、生产工艺、操作习惯等都会加重物料起拱。在生产调度中，用户需要合理掌握物料的储存量以及每班次消耗量，保证每班用多少量补充多少量原则，不致于因物料存放时间过长，而造成压缩起拱，一般物料的暂时储存不超过10 h为宜。对于黏性大、比重大、易起拱的个别物料要采取每班次少补料、多次补料的原则。有条件的客户要对物料的吸潮情况、融化情况、结块情况进行监控，一旦出现不好状况要及时采取改善措施。

3 结论

物料起拱问题已经严重困扰了橡胶厂配料工序的正产生产流程，本文从实践中总结经验结合理论分析并列举了多种改善处理方法，上述方法需要结合不同的物料、不同的工况或单独使用或多种结合使用，目的是提高生产效率，改善产品质量。希望本文能够给设备研发工作者、工厂生产人员、工艺人员以及维护人员以启发和借鉴。

Phenomenon analysis and elimination means of bulk material bridging in storage daybin

Phenomenon analysis and elimination means of bulk material bridging in storage daybin

Liu Jinyi
（MESNAC Co.LTD., Qingdao 266000, Shandong, China）

The raw materials used in mixing process of rubber plant are possible to form arch bridging, this problem will reduce production effi ciency, do some damage to equipment and increase maintenance cost, and product quality will be infl uenced. This article gives some analysis and solutions.

materials; bridging; reason analysis; means and solutions

TQ330.61

1009-797X(2016)21-0047-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.21.010

(R-03)

刘金一（1982-），男，工程师，2004年毕业于青岛科技大学，长期从事橡胶机械研发设计和项目管理工作。

2016-05-13