煅燒窯的功率計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉文泉|文

本文根據(jù)國際化工行業(yè)中較先進(jìn)的鈦白粉煅燒工藝，合理設(shè)計(jì)了在國內(nèi)同類產(chǎn)品中具有先進(jìn)技術(shù)水平的鈦白粉Φ3.2×55m煅燒窯，同時(shí)最大限度地降低了制造成本，為中鋁山東工程技術(shù)有限公司進(jìn)軍化工設(shè)備市場進(jìn)行多元化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)及工作原理概述

Φ3.2×55m煅燒窯是國內(nèi)鈦白粉行業(yè)最大規(guī)格的煅燒窯，年產(chǎn)量為6萬噸鈦白粉。鈦白粉煅燒窯的結(jié)構(gòu)類似于氧化鋁、水泥等行業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯，現(xiàn)簡述如下：筒體由鋼板卷制而成，筒體內(nèi)鑲砌耐火襯，且與水平線形成規(guī)定的角度，筒體上套有三件矩形輪帶支撐在各檔支承裝置上，在中間輪帶附近的筒體上用切向彈簧板固定一個(gè)大齒圈，其下30°處有一小齒輪與其嚙合。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由主傳動電動機(jī)經(jīng)主減速器向該開式齒輪裝置傳遞動力，驅(qū)動煅燒窯。

煅燒窯主要工作原理為：將經(jīng)過濾后的二氧化鈦水解物濾餅輸入具有一定斜度且緩慢回轉(zhuǎn)的窯體尾端，同時(shí)窯頭方向的燃燒混合室將潔凈的火焰及熱風(fēng)吹入窯內(nèi)對濾餅加以脫水、煅燒，經(jīng)1000℃高溫脫水、煅燒后的水解二氧化鈦濾餅借助傾斜的回轉(zhuǎn)窯體，既沿圓周方向翻滾又沿軸向（從高端向低端）移動，不斷完成脫水和煅燒的工藝過程，最終通過窯頭罩下部的雙液壓翻板卸料閥進(jìn)入冷卻機(jī)，經(jīng)冷卻、篩分后的物料即為鈦白粉成品。

煅燒窯的組成

Φ3.2×55m煅燒窯主要由燃燒混合室、窯頭罩及密封裝置、雙液壓翻板卸料裝置、測溫裝置、兩檔托輪支承裝置、一檔帶擋輪的托輪支承裝置、傳動裝置、筒體裝置、窯尾罩及密封裝置組成。

用戶所提供工藝技術(shù)參數(shù)

設(shè)備規(guī)格：Φ3.2×55m，產(chǎn)能6000kg/h；

筒體轉(zhuǎn)速：0.1～0.32 r.p.m，筒體斜度4%；

主電機(jī)功率：55～75kW，采用變頻調(diào)速方式。

主傳動功率驗(yàn)算

根據(jù)《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書》中的介紹，佐野氏公式是常用的計(jì)算回轉(zhuǎn)設(shè)備傳動功率方法之一。它包括：

1.筒體內(nèi)物料運(yùn)動需要的動力（克服偏心力矩）

式中：δ-粉體物料休止角，取δ=36°；

Sp-粉體物料的比重，取Sp=1.6t/m3；

C1-充 滿 度 系 數(shù)0.00457sin3θ，θ是充滿度夾角。當(dāng)筒體充滿度系數(shù)為15%時(shí)，求 得θ=42°，所 以，C1=0.001369143；

C2-充滿度系數(shù)9.61×10-7（1-cos4δ）。據(jù)δ=36°，求得C2=5.5×10-7；

D-筒體有效直徑，取D=2.8m；

L-筒體有效長度，取L=50m；

N-筒體轉(zhuǎn)速，取N=0.32r/min。

得：P1=26.6×2.83×50×1.6×0.32×（0.001369143×sin36°+5.5×10-7×2.8×0.322）=12.03馬力。

2.筒體旋轉(zhuǎn)所需要的動力

式中：MT—筒體重量（包括附屬物），取MT=300t；

所 以，P2=7.016×10-2×300×2.82×0.322=16.9馬力。

3.筒體支承部分的摩擦阻力

式中：DT-滾圈直徑，取DT=3.9m；

xT-筒體內(nèi)物料重量，取xT=100t；

μT-滾圈與托輪之間的摩擦系數(shù)，0.08～0.1，取0.1；

μB-軸承的摩擦系數(shù)，潤滑油0.018，潤滑脂0.06，取0.06；

DB-軸承內(nèi)徑，取0.28m；

DR-托輪直徑，取1.1m；

α-筒體的傾斜度，取0.86°；

γ-滾圈與托輪之間的接觸角，取30°；

所以，P3=0.0697×3.9×0.32×（300+100）×（0.1+0.06×0.28/1.1）×cos0.57°/cos30°=4.63馬力。

4.總功率

考慮其他因素，取安全系數(shù)1.2，則：

P總=1.2P=1.2×33.56=40.27馬力=54.79kW。

結(jié)論：本煅燒窯選取電機(jī)功率55kW是足夠的，這樣既滿足了用戶要求，又滿足了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)預(yù)留了合理的富裕系數(shù)。

傳動系統(tǒng)的選用

根據(jù)中鋁山東工程技術(shù)有限公司在回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)等方面多年積累的豐富的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，考慮到窯體最高轉(zhuǎn)速0.32r.p.m，最低轉(zhuǎn)速只有0.1r.p.m，具有調(diào)速要求且減速比太大，特選用具有較高啟動轉(zhuǎn)矩的8極變頻調(diào)速電動機(jī)，電機(jī)型號確定為：YVF2315S-8，功率：55kW，電壓：380V，額定轉(zhuǎn)速：750r.p.m，防護(hù)等級：IP44，絕緣等級：F級，采用變頻調(diào)速控制以達(dá)到回轉(zhuǎn)窯的調(diào)速要求，驅(qū)動一臺硬齒面齒輪減速器帶動窯的開式齒輪副，減速器與小齒輪軸之間采用傳動扭矩較大的膠塊聯(lián)軸器，以增加傳動的可靠性及穩(wěn)定性。如圖1所示，大齒圈通過切向彈簧板與窯體連接，這種結(jié)構(gòu)能使齒圈與窯體間留有足夠的散熱空間，并能減少窯體彎曲變形等對嚙合精度的影響，還有一定的減震緩沖作用，有利于延長窯襯的壽命。

1.減速器的選取

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)的產(chǎn)品樣本選取減速器的速比i=250，最大傳遞功率為110 kW，功率富余較大。確定減速器的型號為：TE1400-250-ⅤR，i＝250。

2.末級開式齒輪參數(shù)的確定

（1）開式齒輪的模數(shù)采用類比法確定：決定選取大小齒輪的模數(shù)為m=30mm；

（2）開式齒輪的齒數(shù)的確定：根據(jù)鈦白粉煅燒窯的轉(zhuǎn)速需要決定選取大小齒輪的齒數(shù)比為：i=168/19=8.84。

圖1 傳動裝置示意圖

3.根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算窯體的轉(zhuǎn)速

此時(shí)窯體最高轉(zhuǎn)速為：n=750/（8.84×250）=0.339r.p.m；

窯體最低轉(zhuǎn)速為：n=220/（8.84×250）=0.099r.p.m。

筒體部分的選用

筒體材料采用能保證五項(xiàng)機(jī)械性能（σs、σb、δ%、αk和冷彎試驗(yàn)）的Q235-C鋼板卷制，對接處采用自動焊焊接。筒體壁厚：一般為22mm，輪帶下為40mm，由輪帶下到跨間為30mm厚的過渡段節(jié)。在筒體上套有三個(gè)材質(zhì)為ZG310～570的矩形實(shí)心輪帶，輪帶與筒體墊板間的間隙由熱膨脹量決定。合理分配筒體各支承點(diǎn)的跨度，使得運(yùn)轉(zhuǎn)中筒體兩端的擺幅較小，可保證窯頭窯尾密封的正常使用，并使各檔支承裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

支承裝置的選取

按《回轉(zhuǎn)圓筒用托輪、擋輪標(biāo)準(zhǔn)》（HG5-1306～1307-80）中規(guī)定：選取適用于系統(tǒng)操作溫度較高、需要設(shè)置窯襯的重型系列，根據(jù)窯體總長55m確定該窯須設(shè)置三檔支承；根據(jù)窯體直徑Φ3.2m及滾圈直徑Φ3.9m選取托輪直徑Φ1.1m寬度0.56m，內(nèi)孔直徑Φ0.32m，托輪材料選取我們廠常用的ZG340～640，托輪軸材料選取調(diào)質(zhì)處理的45#鍛鋼，最大直徑Φ0.32m，總長1.6m；根據(jù)窯體回轉(zhuǎn)部分總重400t可知每組支承需承重130t，選取中寬系列的雙列向心球面滾子軸承22356（GB288-2002），其額定動負(fù)荷為242t，額定靜負(fù)荷為465t，可以滿足窯體內(nèi)物料偏重時(shí)造成的附加載荷；為防止軸向力對軸承造成的危害，特在軸端增加了中低系列的推力向心對稱球面滾子軸承9069344（GB303-2002），為減小軸承座體積同時(shí)增大承受力選取45°斜面剖分式軸承座。

結(jié)束語

由中鋁山東工程技術(shù)有限公司進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的國內(nèi)最大、年產(chǎn)20萬噸的三條Φ3.2×55m鈦白粉煅燒窯，在中國藍(lán)星化工集團(tuán)濟(jì)南裕興化工有限責(zé)任公司組織的招標(biāo)活動中一舉中標(biāo)。Φ3.2×55m煅燒窯是在保證用戶正常使用的前提下，根據(jù)國際鈦白粉生產(chǎn)行業(yè)中較先進(jìn)的煅燒工藝及生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合本公司多年來在回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)等大型回轉(zhuǎn)設(shè)備中積累的豐富的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)研制開發(fā)的，該煅燒窯不僅在國內(nèi)同類產(chǎn)品中具有先進(jìn)的技術(shù)水平，而且最大限度地降低了制造成本，填補(bǔ)了公司的空白，為本公司擴(kuò)大產(chǎn)品市場、進(jìn)行多元化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。相信隨著本公司設(shè)計(jì)制造能力的不斷提高和生產(chǎn)業(yè)績的不斷增長擴(kuò)大，中鋁山東工程技術(shù)有限公司的明天一定會更加美好！