仓储物料的流动特性及改善措施

李保新 屈 群 张旗东

(上海宝钢工程技术有限公司，上海201900)

料仓广泛用于冶金、矿山、化工、水泥、电厂、粮储和医药等行业，是生产系统中一个不可或缺的缓冲、转载环节。料仓有金属、钢筋混凝土和砖石等结构。生产中常见的有圆筒、方筒、矩形筒和排仓等形式。其仓储量因需求的不同而不等，最大的可达几千吨，储存的产品更是多种多样。但在实际生产中发现，无论什么结构、什么形式的料仓，都不同程度地存在着物料流动不畅甚至结拱堵仓现象，给生产带来一定的影响。

1 仓储物料的流动特性分析

仓内物料的流动性是一个极其复杂的问题，它不仅受到料仓结构形式、物料品种的影响，也随着物料粒度组成、粘结性和含水量等物理性质的不同而有很大差别。通常我们把仓内物料的流动状况分为自由流动和非自由流动两种类型。自由流动形成仓内物料的整体流动特征，也是料仓设计、研究领域中所追求和希望的一种理想流动形式。非自由流动形成仓内物料的中心流动特征，它扰乱了物料原有整体有序流动层面，在料仓中心形成一个喇叭形的狭窄流动边界。两种流动形式起初都是沿着一个椭圆形滑动线在连续的剪切作用下发生的，整个卸料过程实质上是料拱不断形成和塌落的扩散过程，如何使这一过程能够连续进行而不会中途停止，是保证仓内物料由卸料口顺畅排出而不发生结拱堵仓现象的关键。根据质点运动学原理可知，物料中任意质点能够产生自上而下流动的力学条件是：由自身重力所产生的推力必须大于质点运动过程中所受到各种阻力之和。有关研究证明，物料流动过程主要受到牵连效应、压实效应、静电力和摩擦力等产生的综合作用影响。牵连效应是由于物料组成中相对较大粒度的颗粒，在流动界面上所产生的相互拉拽作用，其作用力方向始终与物料流动方向相反。压实效应是由于仓压和装料过程中物料所产生的冲击力，使物料间的缝隙减小、分子间亲和力增大，流动界面的抗剪切强度提高，对物料的连续流动有一定的抑制作用。静电力和摩擦力分别是指物料间由于摩擦而产生的静电吸引力和物料间的内摩擦力，对于比重较大的物料而言，该力对流动状况的影响相对较小。另外，在仓储物料粒度范围较宽(组成中有较大块物料)的情况下，自然筛分效应(见图1a)对物料流动的影响也是不可忽视的。它是装料或堆料过程中的一种自然现象，即呈现出料堆中部细粒组分和周边粗粒组分较高的粒度离析现象，它是导致料仓机械卡死、料流停止的重要因素之一。

在不同的流动类型情况下，上述各力的作用效果是不同的，物料流动所受到的作用力也有很大差别。图1b所示仓内物料为整体流动类型，粒度组成较均匀(粉状料含量低)、表面外在水分低、粘结度较小，装料冲击力和仓压在物料间所产生的压实效果不明显，物料粘结强度很弱。另外，物料表面间的接触面积相对较小，静电和内摩擦力对流动的阻力减小，使沿椭圆形滑动线的连续剪切容易进行。因此，当料仓卸料口打开的一瞬间，立刻就会在卸料口水平面上方形成一个椭圆形料拱，由于物料流动的连续进行，几乎在其上方同时形成一个不断扩大的椭圆形动态料拱族。这些椭圆形长轴均位于水平方向上，而且随着料拱的上移椭圆形滑动线不断变大、变椭(长轴变大、短轴变小)，使物料整体流动边界几乎与仓斗内壁轮廓线相重合。当料拱族不断向上扩散达到一定高度时，椭圆形滑动线就会变成有序的水平流动层，一直扩散到物料顶面。由此可见，整体流动状况下，仓内物料的流动是由两种形式完成的，即在椭圆形料拱族(仓斗以下位置)以上呈现为连续层的流动，料拱以下处于自由流动状态，而这一过程的连续进行，使仓内的物料全部处于活化状态，保证了整个卸料过程顺畅进行，几乎不会发生物料起拱堵仓现象。

a)自然筛分现象 b)整体流动 c)中心流动

粮储行业中大豆、玉米、谷物等粮仓，建筑行业中干燥的大颗粒黄砂、粒度均匀的石子等建材储存仓，以及冶金、水泥行业中形状规则的烧结产品、熟料等储存仓，其仓内物料的流动形式都属于整体流动类型，卸料过程十分顺畅，几乎不会发生起拱堵仓现象。

但在实际生产过程中，仓储物料完全满足整体流动条件的情况是很少的，常常是既有一定比例的粉状成分也有一些块状成分，是一种具有一定的粘性、含有一定水分的混合体，此种情况下物料间牵连效应、压实效应以及静电、内摩擦力的作用就会变得十分明显。特别是物料堆放高度(仓压)较大时，尤为突出，从而导致仓内物料出现如图1c所示的一种新型流动形式——中心流动。该状况下物料流动条件恶化、阻力增大。当料口开始卸料时，卸料口水平面上方虽然也能形成一个不断向上扩展的椭圆形料拱族，但与整体流动状态相比，这些椭圆形滑动线的位置却发生了90°变化，其长轴改为垂直方向，使卸料口上方不断向物料横向扩大的流动边界受到一定的限制，在料仓中心形成一个自下而上的喇叭形流动边界，各横断面的直径相对变小。同时，由于仓压所产生的压实应力作用，导致物料结实，形成板块，椭圆形滑动线上的剪切阻力加大。另外，物料的流动边界发生在物料之间，界面上的大颗粒物料的拉拽以及静电、内摩擦力的作用会使滑动阻力加剧，导致不断形成和塌落的动态料拱难以连续进行。尤其是在重仓长时间停止卸料后，再次打开卸料口的一瞬间，稳定性料拱极易形成。

实际生产中使用的料仓大多属于中心流动类型，例如冶金、煤炭、矿山生产中广泛运用的矿石、燃料、生石灰等储存仓，卸料过程中经常发生起拱堵仓现象。

另外，在仓储物料流动分析中，自然筛分效应所导致的物料粒度离析现象也不可忽视，特别是物料粒度组成范围较宽、顶部单点装料的情况下，将出现大块物料从锥形料堆的顶部滚向靠近仓内壁的部位，形成料堆中部细粒组分和周边粗粒组分较高的粒度不均匀状况。当仓内物料为整体流动状态时，装料所产生的粒度离析现象可在物料流动的再混合过程中予以缓解。但物料为中心流动状况时，再混合作用消失，卸料后期大块物料聚集在仓斗内，极易发生机械性卡死现象，形成坚固的料拱致使料流停止。这种情况在矿石、原煤、焦炭和石灰石等储仓中时有发生。离析现象产生的原因，一方面可解释为是物料在自由降落过程中，同时有水平分速度(刮板机、皮带输送机斜置溜槽装料)或者是料仓物料流引起的空气流朝向四周仓壁方向，大粒度物料受风力面积较大，相对滚动阻力小之缘故。另一方面，不同粒度物料颗粒的弹性不同以及料堆表面上不同位置的筛分效应不同，也是导致物料产生离析现象的主要原因。

在物料流动特性分析过程中，压实效应的作用是一个非常重要的因素，它取决于物料的高度、粘度和湿度等物理特性。图2a所示为不同流动状况下仓压与物料高度之间的关系曲线，曲线Ⅰ是整体流动状况下的情况，仓压始终与物料高度成正比，且随着物料高度的增加仓压显著上升。曲线Ⅱ是中心流动状况下的情况，虽然在O-A段内仓压与物料高度也成正比关系，但随着物料高度的增加仓压上升的速率明显变缓，当物料达到一定高度后仓压逐渐趋于一恒定值，任凭物料再升高仓压也不再变化。图3所示为不同流动类型下仓压与物料压实应力之间的关系曲线。整体流动状况下(曲线Ⅰ)物料高度的增加，对压实应力的影响很小，而中心流动状况下(曲线Ⅱ)却不同，在一定的高度范围内，压实应力随物料高度的增加而增加，当超出某一高度范围后压实应力几乎不再变化。因此，可以得出以下结论：仓内物料在整体流动状况下，仓压的增大有利于物料流动；而在中心流动状况下，仓压的增大阻碍物料流动，容易产生料流停滞堵仓现象。

图2 仓压与物料高度的关系Figure 2 Relationship between storehouse pressure and material height

图3 仓压与物料压实应力的关系Figure 3 Relationship between storehouse pressure and material compaction stress

2 料仓结构形式对物料流动性的影响

料仓所储存物料的物理性质决定以后，如何选择适合其流动特性的仓体结构形式，是仓体设计、研究中的一个非常重要的任务。目前，实际生产中使用的料仓形式很多，但最常用的为圆筒、方筒和矩形筒仓，其主要结构形式基本上由上部仓体和下部仓斗两部分组成，上部仓体结构形式对仓内物料的流动影响较小，而下部仓斗的结构形式对其影响是十分显著的。一般来说，仓内物料颗粒利用自身重力以最短的路径，能够从进料口达到卸料口的仓斗截面形状是比较理想的，即希望卸料口尽量大，但过分加大卸料口几何尺寸会受到仓口给料设备的制约。从仓斗横截面收缩率理论角度分析，当上部物料逐渐接近卸料口(咽喉部位)时，仓斗水平截面收缩率应逐渐变小，对于仓斗纵截面母线而言，自上而下斜率的变化率逐渐变小，对物料的流动有利。图4为四种不同形式的仓斗截面母线，a为双曲线形，b为指数形，c为直线形，d为抛物线形。由上述理论判断仓斗纵截面母线设计成双曲线或指数形是比较合理的。然而采用双曲线、指数等纵截面形式的仓斗，会给仓斗的施工建设带来一定的困难。因此，仓斗纵截面母线常采用直线形，即圆台形或棱台形仓斗。

图4 仓斗母线Figure 4 Bunker bus

仓斗倾斜角(截面母线与水平面之夹角)对物料的流动状况影响较大，设计时应予以充分考虑。从理论上讲只要倾斜角度大于等于物料和仓内壁的摩擦角，即可保证仓内物料全部卸空。但由于物料中各种不利因素的影响，实际生产中发现，仓斗倾斜角与物料和仓内壁摩擦角接近时，物料很容易发生堵塞现象。因此，在设计仓斗最小倾斜角时，建议至少应比物料和仓内壁的摩擦角大15°以上。另外，由于棱台仓斗四角处存在倾角折减问题，且易发生内壁角处挂料现象，建议设计时对棱台仓斗四角进行圆弧处理，同时在仓斗最小倾斜角选择时应比物料和仓内壁的摩擦角大20°以上，通常块状物料≥45°，混合物料≥55°。

对于圆筒、方筒和矩形筒料仓，仓斗应尽可能采用如图5所示的偏心式或偏心多口结构形式。图5a为偏心式仓斗，组成仓斗四个面的倾斜角度各不相同，不利于流动中稳定拱的形成，与此同时其中一个面与卸料口垂直布置，沿垂直壁流动的物料和仓内壁的摩擦力相对较小(压实、牵连效应的作用小)，流动速度快，对物料的连续流动具有促进作用，有效地抑制了稳定拱的形成。图5b为偏心多口仓斗，组成仓斗的四个面中有几个与卸料口垂直，物料流动情况与图5a基本相同，同时由于多个卸料口同仓布置，物料所形成的交叉流动边界相对较宽，仓内物料接近整体流动形式。如对物料流动性要求较高的火力发电厂使用的燃料仓，多采用上述结构形式。

a)偏心式仓斗 b)偏心多口仓斗

在卸料口截面面积相同的情况下，卸料口几何形状不同，卸料能力也有一些差别，通常以圆形为最大，方形次之，椭圆形再次之，矩形最小。

3 改善仓储物料流动状况的措施

利用机械辅助方法改善仓内物料的流动状况，也是一种非常有效的方法，它不仅可以用于新建料仓，而且也适用于旧料仓的改造。目前，实际生产中运用的方法很多，都可以使仓内物料的流动状况不同程度的得到改善，下面介绍几种经实践检验很有效的方法。

在不改变仓体结构情况下采取改善仓储物料流动状况的措施见图6。图6a是在仓斗内易发生堵塞的位置增设一个圆形伞状嵌入体，嵌入体可采用耐磨金属材料制作。其主要目的是承担上部仓压，削弱卸料口附近较大压实力的作用，同时在其周边形成一个较大的环状料流口，使流动边界显著变大。仓体上部物料趋于整体流动形式，嵌入体下部空间无仓压，物料处于自由流动状态，对防止物料的结拱堵塞具有良好的效果。

图6b为矩形仓体与隔间仓斗的复合式料仓，其主要原理与图6a基本相同。中间三角形分料器承担了上部的主要仓压，卸料口上部的物料活化处于自由流动状态。

图6c、图6d分别为中间螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料仓。该形式的料仓很早就曾有运用，当时是为了防止装料过程中物料粒级降低(破碎)而开发的，但经过多年的使用发现，该形式的料仓几乎很少发生结拱堵仓现象。分析发现，中间螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料仓大幅度地减弱了装料冲击所产生的压实力作用，有效地防止了仓内物料的粒度离析。溜槽承受了大部分仓压，使下部仓斗内的物料活化，为物料的流动创造了极好的条件。

在料仓不同位置布置一些改善物料流动性的装置，详见图7。图7a是在仓斗内易发生堵塞的位置布置一至两台螺旋破拱装置，旋转轴上的螺旋叶片左、右旋布置。当发生堵仓时，启动马达使仓斗内两边的物料同时向中间部位输送，强大的挤压应力迫使料拱坍塌，物料重新恢复流动。

图7b所示为链板式破拱器。它是在料仓顶部设置一个链轮传动机构，链板条由仓顶一直垂向卸料口上方易结拱区域。当物料发生堵塞停止流动时，链轮转动，链板条的扰动使已结实的物料再次活化。

a)伞形嵌入体 b)隔间复合仓 c)内螺旋溜槽 d)外螺旋溜槽

a)螺旋破拱装置 b)链板破拱器 c)电磁激振器或振动电机 d)助流器或“空气炮”

图7c所示为利用电磁激振器或振动电机助流的一种方法。它是将高频振动传递给物料，使其具有较大的动能克服流动中的阻力，同时也可以降低物料的结实强度，促进物料的流动。振动装置的安装位置应尽可能接近易堵塞区域，建议安装在卸料口上方、仓斗1/3高度的水平断面上。激振器的数量可根据仓斗的大小而定，该方法只限于钢结构仓斗。

图7d所示为利用压缩空气助流器或“空气炮”改善物料流动的一种方法。助流器是在仓斗壁周围易结拱区域设置一些压缩空气(0.5 MPa～0.7 MPa)喷射枪，在整个卸料过程中连续喷射，使仓斗内壁与物料间形成一气垫，减小物料流动阻力。“空气炮”法与助流器布置形式类似，但要求压缩空气的压力较大，而且必须在每一个“空气炮”爆破喷嘴附近设置一个储气罐。当物料发生堵塞停止流动时，利用脉冲控制进行间歇气体爆破，依靠其冲击能量达到破拱目的。

上述各项措施可根据仓储物料的实际情况灵活选择，对于成分较复杂的物料建议几项措施联合使用，以获得最佳改善效果。

4 结束语

关于仓储物料堵仓问题，一直是一项世界性研究课题，许多科技工作者曾为此付出长期不懈的努力，创造出各种适合物料流动的仓体结构形式和辅助措施，使仓储物料流动状况得到极大的改善，但到目前为止还不能说这一“顽症”已彻底根除，还需要我们进一步的研究和努力。