鋁灰處理成套設(shè)備的設(shè)計與計算

朱飛標(biāo)，陳景滸

1.中山市亞力菲自動化設(shè)備有限公司，廣東 中山 528415

2.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

鋁灰處理成套設(shè)備由回轉(zhuǎn)窯、冷灰筒、篩灰機等幾種主要設(shè)備構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)窯的主要作用是使鋁灰在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不停地旋轉(zhuǎn)，鋁灰被反復(fù)攪拌，鋁熔體（顆粒）則因其自身的重力和流動性，從鋁灰中匯集到回轉(zhuǎn)窯的底部，達(dá)到分離的目的，因此行業(yè)內(nèi)也將回轉(zhuǎn)窯叫作搓灰機。通過回轉(zhuǎn)窯處理，鋁灰中的鋁含量可從50%～69%下降到17%左右。灰渣從回轉(zhuǎn)窯倒出后，要投入冷灰桶進(jìn)行冷卻、拋光、粉碎。如果不馬上投入冷灰桶，灰渣中剩余的鋁依然會燃燒燒損，降低灰渣的經(jīng)濟價值。鋁灰經(jīng)過冷卻、拋光、粉碎后進(jìn)入篩灰機篩分后可回收顆粒狀鋁粒，而灰狀尾料可用作建筑材料或路用材料。

1 回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計與計算

目前市場上的回轉(zhuǎn)窯一般分為3T、5T、8T等幾種規(guī)格，文章以5T窯的設(shè)計為例。窯體回轉(zhuǎn)時，出口下端沿水平面以下為有效容積，剖面區(qū)域如圖1所示，由圓柱截段和圓錐截段組成。

圖1 一般回轉(zhuǎn)窯有效裝料容積示意圖

圓柱截段體積如下式：

圓錐截段體積如下式：

以上理論計算費時、費力，實際設(shè)計時通過窯體尺寸對鋁灰建模，利用3D軟件實測出鋁灰體積后，再乘以密度（以2t/m3計算），便可得到鋁灰質(zhì)量，若達(dá)不到5t，則修改窯體相關(guān)尺寸直到大于或等于5t即可?；剞D(zhuǎn)窯窯體及鋁灰模型如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯窯體及鋁灰模型示意圖

有幾個尺寸需注意，如窯口尺寸D2，為了裝卸料旋轉(zhuǎn)叉車作業(yè)方便，一般為1.2～1.5m，取1.3m；為了制造時的工藝性及便于后期的維修，筒體直徑D1不宜太小，一般為1.8～3m，設(shè)計為2.6m；出口錐段長度L2一般為0.8～1m，設(shè)計為0.9m；窯體整體長度L1+L2一般為3.5～4.8m，設(shè)計為4.5m；窯內(nèi)耐火內(nèi)襯厚度一般設(shè)計為180～200mm，設(shè)計為200mm。另外，若有莫來石及CA-80不黏鋁澆筑料等材料，筒體一般用厚度為14mm的碳鋼板卷成。

回轉(zhuǎn)窯如圖3所示，傳動方式大多采用減速電機驅(qū)動萬向節(jié)連接的傳動軸，傳動軸驅(qū)動托輪，托輪利用摩擦傳動驅(qū)動焊接在窯體上的滾圈，從而實現(xiàn)窯體的回轉(zhuǎn)。出鋁液時通過底座上的液壓油缸傾動窯體倒出鋁液。傳動電機功率根據(jù)滾動摩擦理論計算后取15kW，窯體轉(zhuǎn)速為1.5～2r/min，電動液壓站電機功率設(shè)計為11kW，液壓油箱設(shè)計為100L。

圖3 回轉(zhuǎn)窯示意圖

2 冷灰桶及篩灰機的設(shè)計計算

冷灰桶及篩灰機是鋁灰處理成套設(shè)備中必不可少的設(shè)備。冷卻時通常采用將鋁灰鋪攤在地上自然冷卻的方法，但此方法不能在短時間內(nèi)將鋁灰從高溫冷卻到常溫，容易使渣灰里的金屬鋁繼續(xù)燃燒、加速氧化，通常燒損率為5%～15%。然而在配套使用冷灰桶后，能夠?qū)?00～800℃的高溫鋁灰在最短的時間內(nèi)冷卻到常溫狀態(tài)，避免了高溫鋁灰的燃燒及氧化，從而提高了鋁的回收率，產(chǎn)生了更高的經(jīng)濟效益。冷灰桶內(nèi)配有棍棒壓碎及鐵球碾壓功能，能利用棍棒的自身重量和桶身的旋轉(zhuǎn)將結(jié)塊的熱灰壓碎，使之?dāng)U大散熱面積，從而加快散熱速度，提高處理能力，同時由于熱灰被均勻壓碎、壓散，有利于下一步篩選的順利進(jìn)行。熱灰在冷卻桶里被冷卻后進(jìn)入一體化的后段篩選桶里進(jìn)行篩選，在篩選桶前端配置固定長度的不銹鋼網(wǎng)，客戶可根據(jù)實際情況選擇不同網(wǎng)孔的篩網(wǎng)進(jìn)行篩選分類。冷灰桶篩灰桶一體機如圖4所示。

圖4 冷灰桶篩灰桶一體機示意圖

采用60目篩網(wǎng)篩出來的細(xì)灰中鋁含量一般可控制在5%～25%，可以外賣處理。中、粗顆粒由于含鋁量較高，一般作為降溫材料重新加入回轉(zhuǎn)窯里進(jìn)行二次熔解，如此循環(huán)，可以將出廠鋁灰中的含鋁量降到最低，達(dá)到最佳的回收率及減少固體廢棄物的產(chǎn)生。

冷灰桶直徑大多為1.6m或1.9m，設(shè)計為1.6m；筒身用14mm厚的16Mn鋼板卷成，長度一般為11～15m，設(shè)計為14m；桶內(nèi)前段無輸送葉片，桶內(nèi)放置約10個直徑為200mm的鋼球及1根約6m長、直徑為140mm的圓棒，其主要作用為冷卻與打磨、破碎；后段設(shè)置螺旋輸送葉片輸送到篩灰機或桶內(nèi)進(jìn)行分選裝袋；傳動方式大多采用鏈條鏈輪傳動，根據(jù)滾動摩擦理論計算后選取24A雙排鏈傳動；電機功率為15kW；冷灰桶轉(zhuǎn)速為3～4r/min。桶外設(shè)置水噴淋系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，循環(huán)水量為35～50m3/h；水泵功率取5.5kW，一用一備。

篩灰機或桶直徑大多為2～2.4m，取2.2m；筒身采用8mm厚的16Mn鋼板卷成；長度一般為3.8～5.2m，取4.5m；桶上沖孔直徑為φ10mm、φ14mm、φ16mm、φ20mm等幾種規(guī)格，桶外不銹鋼篩網(wǎng)采用60～20目篩網(wǎng)進(jìn)一步篩分；傳動方式采用鏈條鏈輪傳動，選取24A雙排鏈傳動；電機功率為7.5kW；轉(zhuǎn)速為20～35r/min，整體設(shè)備回轉(zhuǎn)軸線與地面成一定傾角，設(shè)計為1°。

3 工業(yè)實踐

佛山某鋁廠使用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行灰處理的情況如表1所示。

表1 某鋁廠回轉(zhuǎn)窯灰處理情況表

一般每爐灰渣能回收超過2000kg的鋁水，部分爐次能回收2300kg的鋁水，按照平均每爐回收2200kg鋁水來計算，每個月生產(chǎn)60爐，一個月就能回收13200kg的鋁水，價值達(dá)160萬元。通過對該企業(yè)11月份回轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計可知，回收率能達(dá)到50%。該廠作業(yè)時的場景如圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)窯作業(yè)圖

篩灰機采用60目篩網(wǎng)進(jìn)行分選后出售，中、粗顆粒由于含鋁量較高，一般作為降溫材料重新加入回轉(zhuǎn)窯里進(jìn)行二次熔解，如此循環(huán)，整個鋁灰綜合利用率可達(dá)到80%以上。

4 結(jié)束語

對于規(guī)模較大的鋁企業(yè)而言，選擇回收率高、生產(chǎn)能力大、機械化和自動化程度高的鋁灰處理成套設(shè)備是從鋁灰中回收金屬鋁的理想解決方案。在我國大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的大背景下，在能源和資源短缺問題越來越嚴(yán)重的現(xiàn)實情況下，如果鋁生產(chǎn)企業(yè)能通過回轉(zhuǎn)窯、冷灰筒、篩灰機等灰處理成套設(shè)備對鋁灰進(jìn)行處理，降低鋁灰渣中鋁的燒損，并回收灰渣中的鋁，變廢為寶，不僅符合國家的整體發(fā)展戰(zhàn)略，對鋁生產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展亦具有重要意義。鋁灰的處理和循環(huán)利用如果能在全行業(yè)推廣，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。