張 揚，王海川，王宇杰，姚 佩

(安徽工業(yè)大學a.冶金工程學院；b.機械工程學院安徽馬鞍山243000)

燒結回轉窯在處理礦石時內壁會發(fā)生爐料環(huán)狀粘附現象，特別是冷礦和熱礦交接區(qū)域，會使礦石連續(xù)不斷地粘結在窯壁上，輕微的粘附現象稱為窯皮，粘附影響回轉窯正常操作時稱為結圈。許多學者對結圈原因進行了研究，如：袁禮順[1]、范曉慧等[2]認為堿金屬氧化物Na2O，K2O，CaO等能促進低熔點物質的形成，低熔點物質的軟熔對于固相固結有促進作用；聶建華、徐國濤、宋見峰等[3-5]得出窯內各部分結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是結圈物長大的主要原因。根據以上結圈原因，文獻[6-9]總結了控制回轉窯結圈的方法，如控制入窯爐料的雜質量及入窯爐料的粉末量；文獻[10-11]提出了控制燒嘴位置來穩(wěn)定窯內溫度的改進工藝。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圈，處理效果不佳。文獻[12-15]得出回轉窯內任意位置處物料通過回轉窯的時間關系式；文獻[16-20]研究了回轉窯內的物料料床形態(tài)及運動特性。燒結回轉窯的轉速不超過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)，在運行穩(wěn)定后屬于滾落床態(tài)，物料在滾落料床的內部緊貼回轉窯窯壁時隨回轉窯做回轉運動，緊接著在料床表面做滾落運動。為徹底解決回轉窯結圈問題，根據燒結回轉窯的運動特性，結合前人的研究成果，設計回轉窯關鍵裝置，即回轉窯刮圈器。

1 刮圈器的控制原理設計

將回轉窯看成一個系統(tǒng)，在回轉窯正常運行的過程中，系統(tǒng)各參數處于穩(wěn)定值或在穩(wěn)定值的很小范圍內波動。回轉窯中粉末結圈可以看成是對系統(tǒng)的干擾，它使系統(tǒng)各參數在較大范圍內偏離穩(wěn)定值。目前回轉窯的控制系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，干擾(粉末結圈)使得被控變量(回轉窯結圈物厚度)不斷增加，最終由于結圈過厚導致停窯。為了在結圈物形成初期就對結圈物進行處理，并在焙燒過程中一直干擾結圈物的長大，避免停窯處理結圈物，同時還可通過控制結圈物的厚度達到保溫回轉窯的效果，設計回轉窯刮圈器控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1。由圖1可見設計的刮圈器在受到干擾(粉末結圈)的任何時刻，都能通過控制被控變量(回轉窯結圈物厚度)，使被控變量(回轉窯結圈物厚度)處于給定值?；剞D窯結圈物的厚度達到給定值就與刮圈器接觸，厚度超過該值后結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 刮圈器結構和工藝參數設計

2.1 結構設計

刮圈器結構示意圖如圖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，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窯筒壁固結，刮圈爪分為爪尖、爪臂，爪臂根部與刮圈器承力軸固結。三葉輪形承軸支座和窯一起做回轉運動，刮圈器通過固定刮圈器承力軸，進而固定刮圈爪，使得做回轉運動的窯與刮圈爪之間發(fā)生相對轉動，進而使窯壁上的結圈物被刮圈爪刮除。

圖2 刮圈器結構示意圖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 工藝參數設計

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

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

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，根據式(1)～(3)解得：當η=5%時，α≈72.728°；當η=15%時，α≈108.407°。為避免刮壁爪受到料床對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圓心角，刮壁爪分布角設計為120°。

2.2.2 刮壁爪長度

1)結圈物上的熱量傳導方程

熱量在回轉窯結圈物及回轉窯窯壁上的導熱為一維穩(wěn)態(tài)導熱，故在柱坐標系下熱量通過結圈物以及回轉窯窯壁的導熱方程為

式中：λ為導熱系數，W/(m·℃)；r為回轉窯半徑，m；t為溫度，℃。

2)邊界條件的確定

將110 m長的回轉窯縱向分為三部分，區(qū)域長度分別為窯頭(0～23 m)，窯中(23～57 m)，窯尾(57～110 m)。根據文獻[21]所測的數據，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、窯尾段耐火材料內襯上表面處的位置坐標分別為r1，r2，r3，窯頭、窯中、窯尾段的結圈物厚度分別為X1，X2，X3，則r1=2.70，r2=2.68，r3=2.66。邊界條件方程為

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

3)刮壁爪長度的計算

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

式中：Ls為刮圈爪設計長度；X為結圈物厚度，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計為200 mm，所以窯頭、窯中、窯尾段的刮壁爪設計長度分別為 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。

根據空間力系平衡原理得出

式中：FAy，FBy為軸端支座和三葉輪形承軸支座對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，m；xE為軸的末端位置坐標，m；q為軸的重力所產生的均布載荷，N/m；L為回轉窯的全長，m；GC為刮壁爪的總重量。根據式(7)，(8)計算得出FAy=5.21×103N，FBy=5.21×103N，最大彎矩為5.3×104N·m。

2)軸所受扭矩

圖5為刮壁爪受到結圈物的作用力示意圖。根據力的分解原理可得出

式中：T為軸所受的扭矩，N·m；F1x，F2x為結圈物對刮壁爪的反作用力分量；Ls為刮壁爪的設計長度。由于窯內高溫，且F1x，F2x為變力，試驗無法測定，根據文獻[21]，其值為3 000 N，所以T=6.15×103N·m。

3.2 強度校核

根據最大切應力理論，圓截面的強度關系式為

式中：W為抗彎截面系數，m3；M為彎矩，N·m；δ為正應力，MPa。根據式(10)，(11)解得δ=20.1 MPa<[δ]=29 MPa，表明軸的強度符合實際工況要求，因此刮圈器承力軸的直徑設計值為300 mm。

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

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

4 結 論

1)設計出符合燒結回轉窯清除結圈物要求的刮圈器結構。

2)建立了回轉窯料床表面寬度，料床深度與物料填充率之間的關系，進而設計出刮壁爪的分布角為120°，求解使回轉窯散熱最少的結圈物厚度理論值，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)對于設計的刮圈器，選取直徑為300 mm的承力軸進行強度校核，結果表明軸的強度滿足實際工況要求。

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