燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯刮圈器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 揚(yáng)，王海川，王宇杰，姚 佩

(安徽工業(yè)大學(xué)a.冶金工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院安徽馬鞍山243000)

燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯在處理礦石時(shí)內(nèi)壁會(huì)發(fā)生爐料環(huán)狀粘附現(xiàn)象，特別是冷礦和熱礦交接區(qū)域，會(huì)使礦石連續(xù)不斷地粘結(jié)在窯壁上，輕微的粘附現(xiàn)象稱為窯皮，粘附影響回轉(zhuǎn)窯正常操作時(shí)稱為結(jié)圈。許多學(xué)者對(duì)結(jié)圈原因進(jìn)行了研究，如：袁禮順[1]、范曉慧等[2]認(rèn)為堿金屬氧化物Na2O，K2O，CaO等能促進(jìn)低熔點(diǎn)物質(zhì)的形成，低熔點(diǎn)物質(zhì)的軟熔對(duì)于固相固結(jié)有促進(jìn)作用；聶建華、徐國濤、宋見峰等[3-5]得出窯內(nèi)各部分結(jié)圈物主要是各種不同的鐵氧化物，這些鐵氧化物的固相燒結(jié)是結(jié)圈物長大的主要原因。根據(jù)以上結(jié)圈原因，文獻(xiàn)[6-9]總結(jié)了控制回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的方法，如控制入窯爐料的雜質(zhì)量及入窯爐料的粉末量；文獻(xiàn)[10-11]提出了控制燒嘴位置來穩(wěn)定窯內(nèi)溫度的改進(jìn)工藝。但是這些工藝都未能完全控制入窯后爐料粉末在窯壁上的結(jié)圈，處理效果不佳。文獻(xiàn)[12-15]得出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)任意位置處物料通過回轉(zhuǎn)窯的時(shí)間關(guān)系式；文獻(xiàn)[16-20]研究了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料料床形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特性。燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速不超過3.0 r/min，所以橫截面料床的床態(tài)在初期屬于塌落床態(tài)，在運(yùn)行穩(wěn)定后屬于滾落床態(tài)，物料在滾落料床的內(nèi)部緊貼回轉(zhuǎn)窯窯壁時(shí)隨回轉(zhuǎn)窯做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，緊接著在料床表面做滾落運(yùn)動(dòng)。為徹底解決回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，根據(jù)燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合前人的研究成果，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯關(guān)鍵裝置，即回轉(zhuǎn)窯刮圈器。

1 刮圈器的控制原理設(shè)計(jì)

將回轉(zhuǎn)窯看成一個(gè)系統(tǒng)，在回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)各參數(shù)處于穩(wěn)定值或在穩(wěn)定值的很小范圍內(nèi)波動(dòng)?；剞D(zhuǎn)窯中粉末結(jié)圈可以看成是對(duì)系統(tǒng)的干擾，它使系統(tǒng)各參數(shù)在較大范圍內(nèi)偏離穩(wěn)定值。目前回轉(zhuǎn)窯的控制系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，干擾(粉末結(jié)圈)使得被控變量(回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物厚度)不斷增加，最終由于結(jié)圈過厚導(dǎo)致停窯。為了在結(jié)圈物形成初期就對(duì)結(jié)圈物進(jìn)行處理，并在焙燒過程中一直干擾結(jié)圈物的長大，避免停窯處理結(jié)圈物，同時(shí)還可通過控制結(jié)圈物的厚度達(dá)到保溫回轉(zhuǎn)窯的效果，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯刮圈器控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1。由圖1可見設(shè)計(jì)的刮圈器在受到干擾(粉末結(jié)圈)的任何時(shí)刻，都能通過控制被控變量(回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物厚度)，使被控變量(回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物厚度)處于給定值?；剞D(zhuǎn)窯結(jié)圈物的厚度達(dá)到給定值就與刮圈器接觸，厚度超過該值后結(jié)圈物就被刮圈器去除。

圖1 刮圈器控制原理圖Fig.1 Diagram of the cleaner

2 刮圈器結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮圈器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，主要包括刮圈器承力軸，三葉輪形承軸支座，軸端固定支座，刮圈爪，爪臂。由圖2可知：刮圈器承力軸的右端由軸端固定支座固結(jié)，刮圈器承力軸的軸身由三葉輪形承軸支座支撐；三葉輪形承軸支座的上端與回轉(zhuǎn)窯筒壁固結(jié)，刮圈爪分為爪尖、爪臂，爪臂根部與刮圈器承力軸固結(jié)。三葉輪形承軸支座和窯一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刮圈器通過固定刮圈器承力軸，進(jìn)而固定刮圈爪，使得做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的窯與刮圈爪之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使窯壁上的結(jié)圈物被刮圈爪刮除。

圖2 刮圈器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Digram of structure of lining-nodulation cleaner of the sintery rotary kiln

圖3 料床表面所對(duì)圓心角與料床表面寬度示意圖Fig.3 Diagram of width and central angle of surface of material bed

2.2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

刮圈器的工藝參數(shù)主要有刮圈器承力軸直徑、刮壁爪分布角、刮壁爪長度，其它參數(shù)如三葉輪形承軸支座內(nèi)孔直徑、軸端支座內(nèi)孔直徑等可以通過公差和已知參數(shù)求解。

2.2.1 刮壁爪分布角 圖3為料床表面所對(duì)圓心角和料床表面寬度示意圖，其中：B為料床寬度；α為料床表面所對(duì)圓形角；D為筒體直徑。根據(jù)幾何學(xué)知識(shí)，建立料床表面寬度與物料填充率η之間的關(guān)系為

式中：η為物料的填充率，量綱為一；Vm為物料的體積，m3；h為料床深度，m。因筒體直徑D=5.5 m，筒體長度L=115.0 m，根據(jù)式(1)～(3)解得：當(dāng)η=5%時(shí)，α≈72.728°；當(dāng)η=15%時(shí)，α≈108.407°。為避免刮壁爪受到料床對(duì)其作用力過大而折斷，刮壁爪的分布角必須大于料床表面所對(duì)圓心角，刮壁爪分布角設(shè)計(jì)為120°。

2.2.2 刮壁爪長度

1)結(jié)圈物上的熱量傳導(dǎo)方程

熱量在回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物及回轉(zhuǎn)窯窯壁上的導(dǎo)熱為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，故在柱坐標(biāo)系下熱量通過結(jié)圈物以及回轉(zhuǎn)窯窯壁的導(dǎo)熱方程為

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；r為回轉(zhuǎn)窯半徑，m；t為溫度，℃。

2)邊界條件的確定

將110 m長的回轉(zhuǎn)窯縱向分為三部分，區(qū)域長度分別為窯頭(0～23 m)，窯中(23～57 m)，窯尾(57～110 m)。根據(jù)文獻(xiàn)[21]所測的數(shù)據(jù)，窯中各部分的耐火材料熱面峰值溫度分布為：窯頭1 050～1 250℃，取平均值1 150℃；窯中1 250～1 300℃，取平均值1 275℃；窯尾900～1 250℃，取平均值1 075℃。各部分耐火材料筒體外皮溫度分別為149，254，87℃。各段筒體厚度分別為0.050，0.070，0.090 m。分別記窯頭、窯中、窯尾段耐火材料內(nèi)襯上表面處的位置坐標(biāo)分別為r1，r2，r3，窯頭、窯中、窯尾段的結(jié)圈物厚度分別為X1，X2，X3，則r1=2.70，r2=2.68，r3=2.66。邊界條件方程為

因在耐火材料與結(jié)圈物處溫度沒有突變，即函數(shù)在r1=2.70，r2=2.68，r3=2.66處連續(xù)。根據(jù)式(4)，(5)解得窯頭、窯中、窯尾段的結(jié)圈物厚度分別為X1=35.732 mm，X2=40.957 mm，X3=30.348 mm。

3)刮壁爪長度的計(jì)算

根據(jù)傳熱方程解出使回轉(zhuǎn)窯具有保溫效果的結(jié)圈物厚度，再依據(jù)結(jié)圈物厚度、回轉(zhuǎn)窯的半徑，刮圈器承力軸的半徑及窯壁厚度四者之間的關(guān)系求解刮圈器刮壁爪的長度。刮壁爪長度的計(jì)算式為

式中：Ls為刮圈爪設(shè)計(jì)長度；X為結(jié)圈物厚度，m；h為窯壁厚度，m；R刮圈器承力軸半徑，m。刮圈器承力軸的半徑設(shè)計(jì)為200 mm，所以窯頭、窯中、窯尾段的刮壁爪設(shè)計(jì)長度分別為 Ls1=2 067.768 mm，Ls2=2 039.043 mm，Ls3=2 054.652 mm。

3 刮圈器承力軸的強(qiáng)度校核

刮圈器承力軸材料為M60莫來石，密度為3.16 g/cm3，若采用整體澆注(長度為90 m，直徑為300 mm)，則由于過長而使彎矩過大(約111 930 N·m)，軸的強(qiáng)度校核不合格。因此將90 m長的承力軸分成三部分，每部分30 m，再分別用三葉輪形承軸支座在軸的兩端支撐軸身。軸上固結(jié)的刮壁爪近似為圓柱體，材料為耐熱合金鋼，直徑約為10 mm，長度為2 067.768 mm，密度約為7.9 g/cm3，則每根刮壁爪的重約為12.4 N。在30 m的軸身上固定300根刮壁爪，總重量為3.72×103N。

3.1 軸所受約束反力和扭矩的計(jì)算

1)軸所受約束反力

刮圈器承力軸受到重力、軸端支座和三葉輪形承軸支座的支持力，圖4為軸的受力簡圖。

根據(jù)空間力系平衡原理得出

式中：FAy，F(xiàn)By為軸端支座和三葉輪形承軸支座對(duì)軸的約束反力的分力，N；xC為刮壁爪等效作用力在軸上的的位置坐標(biāo)，m；xE為軸的末端位置坐標(biāo)，m；q為軸的重力所產(chǎn)生的均布載荷，N/m；L為回轉(zhuǎn)窯的全長，m；GC為刮壁爪的總重量。根據(jù)式(7)，(8)計(jì)算得出FAy=5.21×103N，F(xiàn)By=5.21×103N，最大彎矩為5.3×104N·m。

2)軸所受扭矩

圖5為刮壁爪受到結(jié)圈物的作用力示意圖。根據(jù)力的分解原理可得出

式中：T為軸所受的扭矩，N·m；F1x，F(xiàn)2x為結(jié)圈物對(duì)刮壁爪的反作用力分量；Ls為刮壁爪的設(shè)計(jì)長度。由于窯內(nèi)高溫，且F1x，F(xiàn)2x為變力，試驗(yàn)無法測定，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，其值為3 000 N，所以T=6.15×103N·m。

3.2 強(qiáng)度校核

根據(jù)最大切應(yīng)力理論，圓截面的強(qiáng)度關(guān)系式為

式中：W為抗彎截面系數(shù)，m3；M為彎矩，N·m；δ為正應(yīng)力，MPa。根據(jù)式(10)，(11)解得δ=20.1 MPa<[δ]=29 MPa，表明軸的強(qiáng)度符合實(shí)際工況要求，因此刮圈器承力軸的直徑設(shè)計(jì)值為300 mm。

圖4 軸的受力簡圖Fig.4 Axis of the force thumbs

圖5 刮壁爪受到結(jié)圈物的作用力示意圖Fig.5 Diagram of force of ring formation to the craw

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)出符合燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯清除結(jié)圈物要求的刮圈器結(jié)構(gòu)。

2)建立了回轉(zhuǎn)窯料床表面寬度，料床深度與物料填充率之間的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出刮壁爪的分布角為120°，求解使回轉(zhuǎn)窯散熱最少的結(jié)圈物厚度理論值，窯頭、窯中、窯尾段分別為35.732，40.957，30.348 mm，刮壁爪的長度窯頭、窯中、窯尾段分別為2 067.768，2 039.043，2 054.652 mm。

3)對(duì)于設(shè)計(jì)的刮圈器，選取直徑為300 mm的承力軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明軸的強(qiáng)度滿足實(shí)際工況要求。

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