Крупность руды, мм

 

Рис. 7.1. Зависимость угла естественного откоса от крупности руды.

 

 

8. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫПУСКА

ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

8.1. Постоянство расхода сыпучего материала

 

При истечении сыпучего материала из выпускного отверстия, в первую очередь, при открывании затвора в движение приходят частицы сыпучего материала или куски руды, расположенные непосред­ственно у выпускного отверстия. Затем постепенно приходят в движение слои сыпучего материала, расположенные выше.

Истечение сыпучих тел из отверстия может быть:

- непрерывным, например, шихты из бункеров на аглофабрике;

- дискретным (отдельными дозами), что обусловливается осо­бенностями технологического процесса; например, выпуск шихтовых материалов из расходных бункеров в системах шихтоподачи.

Незави­симо от этого закономерности истечения остаются неизменными.

Исследуя свободное истечение сыпучих тел из отверстий установили постоянство расхода, т.е. объема сыпучего материала, вытекающего в единицу вре­мени из отверстия данного диаметра.

Расход сыпучей массы не зависит от высоты слоя над отверстием, т.е. выпуск сыпучих тел подчиняется иным законам, чем истечение жидкостей.

Средняя скорость истечения сыпучего материала из отверстия воз­растает прямо пропорционально увеличению диаметра отверстия.

При выпуске материала из отверстия, расположенного у стенки (пересекающей отверстие по диаметру), расход материала умень­шается в два раза соответственно сокращению площади сечения.

Физическая сущность независимости расхода сыпучего мате­риала от высоты его слоя, т.е. от давления, действующего на вы­пускаемый материал, заключается в следующем.

При выпуске сыпучего материала над выпускным отверстием образуются мгно­венно разрушающиеся (динамические) своды, препятствующие передаче давления вышележащих слоев внутрь поверхности, огра­ниченной этими сводами. В отличие от обычных, естественно обра­зующихся в сыпучем теле разгружающихся сводов, в этом случае нет статического равновесия. На поверхности «динамического» свода происходит непрерывное замещение частиц, одни выпадают с нижней стороны, а другие приходят на их место.

Опытами установлено, что образовавшиеся своды разрушаются не одновременно. Разрушению вышележащих сводов предшеству­ет разрушение нижележащих. Время существования свода зави­сит от величины его пролета, уменьшающегося по мере приближе­ния к выпускному отверстию.

С уменьшением угла внутреннего трения сыпучего материала величина пролета «динамического» свода увеличивается и расход сыпучего материала возрастает.

Условия непрерывности процесса истечения сыпучего материа­ла из выпускного отверстия характеризуются его критическим диаметром d_кр, при котором разрушение граничного слоя сводчатой структуры не происходит и образовавшийся статический свод преграждает доступ частиц материала к выпускному отвер­стию.

Для идеальных сыпучих материалов основным фактором, вли­яющим на величину d_кр, является гранулометрический состав.

В зависимости от гранулометрического состава сыпучей массы величина изменяется по некоторому закону, описываемому эмпирическим уравнением

d_кр = А × е ^{В × δ} , (8.1)

где А и В - постоянные (А = 4,63; В = 0,224); δ - наибольший размер средней частицы сыпучей массы, мм; е - основание натуральных логарифмов.

Приведенная эмпирическая формула справедлива для вели­чин d, колеблющихся в пределах от 0,5 до 10 мм.

Величину расхода сыпучего материала, можно определить из уравнения

G = 3600 × с × ρ_нас × F × R, (8.2)

где с – постоянная, зависящая от физических свойств сыпучего материала; F – площадь сечения выпускного отверстия; ρ_нас – объемный вес сыпучего материала; R – гидравлический радиус выпускного отверстия.

Было установлено: на величину расхода материала не оказывает влияния изменение величины коэффициента плотности укладки. Это объясняется тем, что с началом движения частиц плотность укладки сыпучего ма­териала в области «динамического» свода принимает критическое значение, неизменное в течение всего процесса истечения.

90о 60о 30о

При выпуске сыпучих материалов из отверстий воронкообраз­ной формы величина расхода их зависит от угла наклона воронки. Наибольший его расход достигается при угле наклона стенок воронки, равного 75°, наи­меньший при 45°. При углах наклона воронки 30, 60 и 90^о величина расхода сыпучего мате риала находится примерно в оди­наковых пределах (рис. 8.1).

45о

Доза выпуска, гр. Доза выпуска, гр.

Рис. 8.1.Влияние угла откоса воронки на скорость истечения сыпучего материала: а - мелкий песок фракции 0,0-1 мм; б - несортированный песок (рядовой) фракции зависит от угла откоса воронки.

 

При выпуске сыпучих материалов, однородных по своему гранулометрическому составу и одинаковых углах откоса воронки, постоянство расхода сохраняется.

При выпуске сыпучих материа­лов, неоднородных по своему гранулометрическому составу (не­сортированных), по мере истечения расход увеличивается. Это явление обусловлено фильтрацией мелких частиц сыпучего материала во время выпуска. Ситовый анализ последо­вательных доз выпуска подтвердил постепенное увеличение со­держания мелких фракций.

Опыты показали, что из­менение условий образования сводов над выпускным отверстием заметно влияет на величину расхода сыпучего материала.

По мере уменьшения расстояния от выпускного отверстия до боковой стенки величина расхода возрастает, достигая своего максимума при касании отверстия с боковой стенкой. При таком положении отверстия расход примерно на 10 % больше по срав­нению с тем, который наблюдают при выпуске сыпучего материала.

8.2. Эллипсоид выпуска

 

При исследовании перемещения частиц сыпучего материала в массе над выпускным отверстием проводили наблюдения за очередностью их выхода из отверстия. Опыты показали, что истечение частиц происходит из объ­емов, имеющих в массе сыпучего ма­териала над выпускным отверстием форму, приближающуюся к эллипсо­иду вращения (рис. 8.2).

Объем такого эллипсоида враще­ния, усеченного плоскостью выпускно­го отверстия определяется по уравнению

(8.3)

где а - большая полуось эллипсоида (вращения); b - его малая полуось; х - текущая координата.

Заменяя а, через высоту эллип­соида вращения h, усеченного плоскостью выпускного отверстия, радиус выпускного отверстия r и эксцентриситет ε найдем после соответствующих преобразований, что

(8.4)

Уравнение (8.4) дает зависимость объема эллипсоида выпуска (объема выпущенного сыпучего материала) от высоты эллипсоида h, радиуса выпускного отверстия r и эксцентриситета ε. Зная h и r и определив из опыта величину V, легко найти эксцентриситет эл­липсоида и вычислить координаты любой точки его поверхности относительно оси и плоскости выпускного отверстия.

 

Рис. 8.2. Характер внутренних перемещений частиц сыпучего материала при выпуске (эллипсоид выпуска)

 

Для установления характера движения и очередности выхода из модели частиц, находящихся на поверхности эллипсоида выпус­ка, был проведен следующий опыт.

В процессе засыпки модели на поверхности эллипсоида с из­вестными из предыдущего опыта параметрами были уложены пронумерованные жетоны в виде деревянных кубиков таких же попе­речных размеров, как и частицы песка. Опыты показали, что дви­жение жетонов с различным удельным весом происходит синхрон­но. После выпуска из модели сыпучего материала в объеме эллипсоида выпуска одновременно с выходом жетона, уложенного на оси выпускного отверстия в вершине эллипсоида высотой h, были выпущены остальные жетоны, находившиеся на его поверх­ности.

Таким путем было доказано, что объем, который занимают частицы сыпучего материала в его массе над выпускным отверстием, имеет форму эллипсоида вращения.

Равенство объемов сыпучего материала, выпущенного из модели, и эллипсоида вращения позволило ввести понятие эллип­соида выпуска, т. е. такого объема в массе сыпучего материала который занимают первона­чально его частицы, выпущен­ные из модели. Частицы, ле­жащие на поверхности эллип­соида выпуска, достигают вы­пускного отверстия одновре­менно (в пределах одной се­кунды при лабораторных опы­тах).

Поверхность эллипсоидов - это геометрическое место таких частиц, время движения которых к выпускному отверстию одина­ково.