新型石灰消化機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

摘 要:本文首先以規(guī)格石灰消化機(jī)的結(jié)構(gòu)為例，敘述了石灰消化的工藝及過(guò)程，強(qiáng)調(diào)石灰消化機(jī)是氧化鋁生產(chǎn)中的重要設(shè)備，接著以規(guī)格石灰消化機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算為主線(xiàn)，重點(diǎn)講解了石灰消化機(jī)的主要構(gòu)成及本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

關(guān)鍵詞:消化機(jī) 筒體部件 傳動(dòng)裝置 托輪部件 設(shè)計(jì)計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào):TN913文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)07(b)-0019-02

拜耳法高壓溶出一水硬鋁石，不僅需要高溫高壓、高堿濃度的條件，而且還需要適量的添加劑，比如適量的石灰乳，才能有效進(jìn)行溶出過(guò)程的物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到氧化鋁溶出的目的。石灰消化是指石灰中的主要成分氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，制備成石灰乳，該反應(yīng)稱(chēng)為氧化鈣的水化反應(yīng)。

1 消化工藝及過(guò)程

目前，在氧化鋁生產(chǎn)中，制備石灰乳的設(shè)備主要是石灰消化機(jī)。石灰消化采用攪拌消化工藝，石灰和消化水分別從進(jìn)料口和進(jìn)水口進(jìn)入消化機(jī)頭部，然后在螺旋葉片的推動(dòng)下進(jìn)入消化機(jī)內(nèi)，石灰和消化水的初步混合物在連續(xù)螺旋的攪動(dòng)下前進(jìn)，并進(jìn)行水化反應(yīng)，混合物接著進(jìn)入間斷螺旋和揚(yáng)料板的區(qū)域，間斷螺旋除了對(duì)物料有輸送的作用外，還可以對(duì)石灰塊進(jìn)行破碎，使石灰與水充分接觸，加快消化反應(yīng)。揚(yáng)料板不斷對(duì)物料翻起，使石灰與水充分反應(yīng)。物料進(jìn)入反推間斷螺旋后形成反浪，進(jìn)一步加快石灰的消化。石灰乳、石渣和未完全消化的石灰通過(guò)消化機(jī)尾部的連續(xù)螺旋和錐形螺旋輸送到篩網(wǎng)出料筒，石灰乳通過(guò)自重從篩網(wǎng)出料筒濾到下部的石灰乳槽，不能消化的石渣和未完全消化的石灰通過(guò)出渣螺旋排出消化機(jī)。

2 消化機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，本文設(shè)計(jì)計(jì)算了規(guī)格的新型石灰消化機(jī)，(圖1)為其結(jié)構(gòu)圖。消化機(jī)是一種重載、大扭矩、多支點(diǎn)、大跨度筒狀運(yùn)行系統(tǒng)。托輪部件通過(guò)線(xiàn)接觸支撐起筒體，傳動(dòng)裝置通過(guò)齒輪嚙合將動(dòng)力傳遞給筒體，驅(qū)動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)。

2.1 主要構(gòu)成及特點(diǎn)

消化機(jī)主要由筒體部件、篩網(wǎng)出料筒、托輪部件、傳動(dòng)裝置、進(jìn)料口、進(jìn)水口等組成。

2.1.1 筒體部件

筒體是石灰消化機(jī)的主要受力部件，也是石灰與水混合消化的場(chǎng)所。筒體由不同厚度的鋼板卷成筒形焊接而成，其頭部與進(jìn)料口及進(jìn)水口連接，筒體前部?jī)?nèi)壁焊有3～5圈連續(xù)螺旋，起到將筒體頭部的物料送入筒體腹部的作用。在連續(xù)螺旋后面，焊有與筒體軸線(xiàn)形成一定角度的間斷螺旋，間斷螺旋除了對(duì)物料有輸送的作用外，還可以對(duì)石灰塊進(jìn)行破碎，使石灰與水充分接觸，加快消化反應(yīng)。在間斷螺旋分布區(qū)域內(nèi)焊有揚(yáng)料板，揚(yáng)料板不斷將物料翻起，使石灰與水充分反應(yīng)。在距離出料口1／4的地方焊有一段反推間斷螺旋，其作用是形成反浪，進(jìn)一步加快石灰的消化。為了使筒體內(nèi)保持一定的液面高度，在筒體后端內(nèi)壁焊有錐形筒體，錐形筒體內(nèi)壁焊有連續(xù)錐形螺旋，石灰乳、石渣和未完全消化的石灰通過(guò)消化機(jī)后端的連續(xù)錐形螺旋輸送到篩網(wǎng)出料筒。

2.1.2 篩網(wǎng)出料筒

用扁鋼焊成籠式骨架，然后在骨架內(nèi)壁焊有篩網(wǎng)，再在篩網(wǎng)上焊接出渣螺旋，篩網(wǎng)出料筒與筒體尾部通過(guò)法蘭聯(lián)接，筒體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)出渣螺旋旋轉(zhuǎn)，籠式骨架為受力框架，內(nèi)壁設(shè)計(jì)成篩網(wǎng)式是考慮石灰乳的有效過(guò)濾，不能消化的石渣和未完全消化的石灰通過(guò)出渣螺旋排出消化機(jī)。

2.1.3 托輪部件

托輪部件主要由托輪、托輪軸、軸承座、調(diào)心滾子軸承、滾圈等組成。托輪部件用于支撐消化機(jī)的回轉(zhuǎn)部分，承受筒體及物料的所有重量。根據(jù)消化機(jī)的長(zhǎng)度、筒體內(nèi)徑、載荷大小等可以確定本設(shè)計(jì)采用兩檔支撐。在筒內(nèi)螺旋的作用下，物料對(duì)筒體產(chǎn)生反作用力，為了平衡這種反作用力，托輪結(jié)構(gòu)可以采用多種組合方式，本設(shè)計(jì)采用在靠近消化機(jī)頭部的托輪為雙輪緣結(jié)構(gòu)，另外的為無(wú)輪緣結(jié)構(gòu)。

2.1.4 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置主要由變頻電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、小齒輪、剖分式大齒圈，大齒圈固定架及齒輪罩等組成，它通過(guò)齒輪嚙合將動(dòng)力傳遞給筒體，驅(qū)動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)。變頻電機(jī)與減速機(jī)及減速機(jī)與傳動(dòng)軸分別通過(guò)聯(lián)軸器相聯(lián)接，傳動(dòng)軸通過(guò)鍵與小齒輪配合，剖分式大齒圈通過(guò)螺栓合二為一，然后通過(guò)大齒圈固定架與筒體固定，小齒輪與大齒圈嚙合將動(dòng)力傳遞給筒體。

2.2 主參數(shù)的計(jì)算

按照生產(chǎn)工藝要求，確定本設(shè)備長(zhǎng)度為21，其中筒體最大有效長(zhǎng)度為19.5，消化機(jī)產(chǎn)能為20(石灰進(jìn)料量)，消化時(shí)間控制在9～16min。

2.2.1 消化機(jī)轉(zhuǎn)速

物料在消化時(shí)間9～16min內(nèi)走過(guò)筒體有效長(zhǎng)度，則，消化機(jī)轉(zhuǎn)速:

(r/min) (1)

其中:—筒體有效長(zhǎng)度，19.5m;

—物料在筒體內(nèi)消化時(shí)間，;

——筒體內(nèi)螺旋的螺距，0.4。

將數(shù)據(jù)代入式(1)得，消化機(jī)最低轉(zhuǎn)速:()

消化機(jī)最高轉(zhuǎn)速:

()

為了滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對(duì)不同轉(zhuǎn)速的要求，采用變頻電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.2電機(jī)功率計(jì)算

消化機(jī)的電機(jī)總功率主要由筒體內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)消耗功率、筒體內(nèi)螺旋消耗功率和克服機(jī)構(gòu)摩擦消耗功率等組成，其計(jì)算公式如下:

(2)

式中:—電機(jī)總功率，kW;

—筒體內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)消耗功率，kW;

—筒體內(nèi)螺旋消耗功率，kW;

—功率使用系數(shù)，;

—啟動(dòng)過(guò)載系數(shù)，;

——由于機(jī)構(gòu)摩擦損耗折算成總傳動(dòng)效率，取值約0.92。

知，筒體內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)消耗功率:

(3)

式中:—修正系數(shù)，當(dāng)體積填充系數(shù)時(shí)，取值;

—石灰堆積密度，約;

—筒體內(nèi)徑，取值;

—篩網(wǎng)出料筒長(zhǎng)度，取值;

;

將數(shù)據(jù)代入式(3)得:

kW

又知，筒體內(nèi)螺旋消耗功率:

(4)

式中:——阻力系數(shù)，取值約為4;

——筒體前部連續(xù)螺旋水平長(zhǎng)度，取值為;

代入式(4)得:

kW

將以上數(shù)據(jù)代入式(2)得:

kW

故電機(jī)型號(hào)可選擇:YVP280M-6，功率55，50Hz時(shí)同步轉(zhuǎn)速1000。

2.2.3傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

我們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)在50Hz時(shí)消化機(jī)筒體轉(zhuǎn)速為，則總速比，減速機(jī)選用MC3PLSF07，其傳動(dòng)比，故齒輪傳動(dòng)比為。

齒輪模數(shù)選28，小齒輪齒數(shù)取17，則大齒圈齒數(shù)119.68，圓整為120，實(shí)際齒輪傳動(dòng)比為120/177.06。故消化機(jī)在50Hz時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.2.4齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算

為便于運(yùn)輸，大齒圈設(shè)計(jì)成剖分式，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，通過(guò)螺栓連接，合二為一。大齒圈材料選用310-570，并進(jìn)行正火處理162217。小齒輪材料選用45，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理229269。

①齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算

接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力:

小齒輪:

(MPa);

大齒圈:

(MPa);

許用應(yīng)力:

(MPa);

強(qiáng)度條件:;

式中系數(shù)ZB、ZD、ZH、ZE、Zε、ZΒ、KA、KV、K、K、ZL、ZV、ZR、ZW、ZX及參數(shù)、的意義和確定值可參考《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

—分度圓上的名義切向力，計(jì)算得78338N;

—齒數(shù)比，7.06;

— 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒寬，本設(shè)計(jì)中300mm;

—小齒輪分度圓直徑，476mm;

取小齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力與大齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力中較大值為，381.1(MPa);小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度許用值871.4(MPa)，大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度許用值398.9(MPa)，取兩者較小值為接觸疲勞強(qiáng)度許用值。經(jīng)計(jì)算可知，，故本設(shè)計(jì)滿(mǎn)足齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件。

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算

彎曲強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力:

小齒輪:

(MPa);

大齒圈:

(MPa);

許用應(yīng)力:

(MPa);

強(qiáng)度條件:;

式中系數(shù)、、、、、、、、、、、及參數(shù)、的意義和確定值可參考《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

經(jīng)計(jì)算，小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力40.0(MPa)，894.8(MPa)，，故小齒輪滿(mǎn)足彎曲疲勞強(qiáng)度條件;大齒圈彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力34.7，403.3(MPa)，，故大齒圈滿(mǎn)足彎曲疲勞強(qiáng)度條件。

3 結(jié)論

本文針對(duì)特殊的工藝要求，成功開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了規(guī)格的新型石灰消化機(jī)，其主要特點(diǎn)如下:

1)大型化，設(shè)計(jì)的石灰消化機(jī)規(guī)格為;

2)采用變頻電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪齒圈的傳動(dòng)方式，這不僅結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，而且傳動(dòng)可靠。通過(guò)變頻電機(jī)及保護(hù)電路可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、平穩(wěn)啟動(dòng)和過(guò)載保護(hù);

3)筒體內(nèi)設(shè)有連續(xù)螺旋、間斷螺旋、揚(yáng)料板、反推間斷螺旋，這種結(jié)構(gòu)加快了消化反應(yīng)，提高了消化效率;

4)連續(xù)錐形螺旋可有效的將不能消化的石渣及石灰乳從筒體內(nèi)輸送到篩網(wǎng)出料筒，篩網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)石灰乳的高效過(guò)濾，不能消化的石渣通過(guò)出渣螺旋排出消化機(jī)。

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