回轉(zhuǎn)窯托輪更換中領(lǐng)圈支頂裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉樹杰， 任 燕， 劉樹香

(1.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院, 河南 鶴壁 458030; 2.中國(guó)鋁業(yè)公司中州分公司, 河南 焦作 454000)

回轉(zhuǎn)窯是燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的核心設(shè)備，鋁土礦、石灰、堿等原料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)1 300 ℃左右時(shí)發(fā)生化學(xué)變化，生成熟料。回轉(zhuǎn)窯屬于回轉(zhuǎn)圓筒形設(shè)備，重量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中國(guó)鋁業(yè)公司中州分公司回轉(zhuǎn)窯直徑4.5 m，長(zhǎng)度100 m，安裝斜度3.5%，正常轉(zhuǎn)速2 r/min，熟料產(chǎn)能63 t/h左右。

1 回轉(zhuǎn)窯構(gòu)成

回轉(zhuǎn)窯機(jī)械部分主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：筒體(含內(nèi)襯)、領(lǐng)圈、支承裝置、傳動(dòng)裝置等部分。領(lǐng)圈由鑄鋼整體加工而成，筒體、內(nèi)襯和物料等回轉(zhuǎn)部分的重量通過領(lǐng)圈傳到支承裝置上，通常需傳遞數(shù)百噸重的載荷。

圖1 回轉(zhuǎn)窯機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)窯支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示，支承裝置由一對(duì)托輪組和鋼底座組成，承受回轉(zhuǎn)部分全部重量。托輪既要保證筒體的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，又向基礎(chǔ)傳遞了巨大的載荷。支承裝置的數(shù)量為窯的檔位數(shù)，從低端起依次稱為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ檔。

圖2 回轉(zhuǎn)窯支撐結(jié)構(gòu)示意圖

托輪組是支撐回轉(zhuǎn)窯體并完全承受窯和內(nèi)襯及內(nèi)部熟料重量的部件，托輪組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況直接影響著窯系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這就要求托輪組應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度以滿足窯筒體正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

2 產(chǎn)生托輪斷裂的原因分析

回轉(zhuǎn)窯由四檔托輪組支撐，如果把筒體自重及各附屬部件重量相加共約1 530 t，托輪組通過滑動(dòng)軸承的形式配合窯領(lǐng)圈的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)窯回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過觀察和對(duì)各托輪斷裂情況的分析，主要原因有：筒體變形對(duì)托輪軸產(chǎn)生非穩(wěn)定交變應(yīng)力產(chǎn)生疲勞斷裂；托輪經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)致使托輪軸達(dá)到疲勞極限斷裂；托輪和窯體回轉(zhuǎn)不在同軸線上；托輪軸材質(zhì)及加工原因等。還有托輪表層金屬剝落形成疲勞點(diǎn)蝕嚴(yán)重也需要更換托輪。

3 托輪斷裂的主要方式及更換方法

經(jīng)多次觀察，托輪軸失效形式一般為：

(1) 托輪軸臨近托輪的軸肩部位斷裂；

(2) 托輪軸擋頭板斷裂；

(3) 托輪輪輻輻條斷裂；

(4) 翻瓦造成的托輪殼體碎裂；

(5) 長(zhǎng)期運(yùn)行造成托輪軸外徑磨損和瓦面磨損嚴(yán)重需要更換。

上述情況的發(fā)生都會(huì)造成緊急停窯更換托輪。托輪更換必須在現(xiàn)場(chǎng)完成且都是搶修作業(yè)，所有施工內(nèi)容須在離窯體很近的小范圍作業(yè)，場(chǎng)地限制無法設(shè)置更多的有效施工吊裝器具，且臨時(shí)停窯窯體溫度較高給施工帶來很大影響。因此，托輪更換一般都是在托輪鋼底座中間位置放置50 t液壓油頂，中間墊以100～150 mm厚的鋼板支撐窯筒體領(lǐng)圈頂離托輪一定距離后拆卸拉出已斷軸的托輪，再利用50 t吊車吊離托輪平臺(tái)，然后將托輪備件吊裝至托輪安裝位置推入找正固定。

4 領(lǐng)圈支頂裝置及優(yōu)化設(shè)計(jì)

窯領(lǐng)圈自重34 t，窯筒體過渡短節(jié)6.6 t，附帶連接筒體重量約3 t，支撐在領(lǐng)圈上的頂力必須大于45 t。在每次托輪更換的領(lǐng)圈支頂過程中，為了保證油頂?shù)挠行Чδ芏荒苁褂晚敾钊谐踢^大，避免泄壓。所以必須要在油頂與領(lǐng)圈之間100～150 mm距離內(nèi)墊加許多調(diào)節(jié)墊板，如圖3所示。

1.領(lǐng)圈 2.墊板 3.油頂上蓋 4.鎖緊螺母 5.500 t油頂圖3 領(lǐng)圈支頂裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在維修更換中使用50 mm以上鋼墊板，會(huì)給人力搬運(yùn)帶來很大困難，一般是用30 mm以下多層墊板逐層墊高使用。因領(lǐng)圈為外徑Φ4 500 mm的圓弧，則最上層墊板和領(lǐng)圈外徑呈線形接觸，導(dǎo)致領(lǐng)圈承受很大的集中載荷，容易使領(lǐng)圈產(chǎn)生局部過應(yīng)力情況。同時(shí)容易形成剪切和擠壓致使領(lǐng)圈表層產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋向表面延伸，致使領(lǐng)圈表層金屬剝落形成疲勞點(diǎn)蝕，從而降低領(lǐng)圈的承載能力，產(chǎn)生振動(dòng)。這些都對(duì)領(lǐng)圈的使用壽命產(chǎn)生很大影響。同時(shí)油頂頂力和窯體及領(lǐng)圈的重量擠壓致使墊板變形造成微小圓弧變形，這種變形成圓弧的墊板如果在多次更換托輪中使用不能保證每次都按原位放置就極易給領(lǐng)圈造成重復(fù)應(yīng)力集中的損傷，如圖4所示。

圖4 變形墊板

經(jīng)過對(duì)托輪斷軸損壞件的特性分析，結(jié)合支頂馬鞍的形式，從以下方面對(duì)原支頂方式進(jìn)行了改進(jìn)：

(1) 為了增大油頂與領(lǐng)圈接觸面積，把線接觸改為面接觸(弧形支撐)，以減小應(yīng)力集中，增大均布載荷，避免對(duì)領(lǐng)圈形成集中擠壓變形的損傷。

(2) 減少墊板制作次數(shù)和每次搬運(yùn)墊板人力的浪費(fèi)，合理簡(jiǎn)化支撐墊板結(jié)構(gòu)。

(3) 節(jié)約成本，提高工效，可以重復(fù)使用。

依據(jù)500 t液壓油頂?shù)闹嬷睆胶途囝I(lǐng)圈的調(diào)節(jié)距離要求，經(jīng)過分析設(shè)計(jì)和改進(jìn)，經(jīng)實(shí)地測(cè)量多臺(tái)窯托輪鋼底座距領(lǐng)圈的不同數(shù)據(jù)，依據(jù)油頂蓋的直徑和鎖緊桿的高度，制作了兩件不同規(guī)格的專用裝置，如圖5所示。

圖5 領(lǐng)圈支頂裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

將分別制作的件Ⅰ和件Ⅱ組焊，并在連接部位焊接支撐筋板加固。在圓弧面均布4個(gè)沉頭孔，以便通過M20沉頭螺栓與油頂上蓋聯(lián)接，可以在油頂?shù)惯\(yùn)過程中實(shí)現(xiàn)一次到位，無須二次搬運(yùn)。

5 效果檢驗(yàn)

優(yōu)化后的領(lǐng)圈支頂專用裝置經(jīng)過多次檢修使用，不僅縮短了托輪換裝時(shí)間，而且減輕了對(duì)領(lǐng)圈的傷害程度，取得了很好的使用效果。如果在與領(lǐng)圈接觸面間加以松軟的木質(zhì)薄板和墊膠皮層，會(huì)使領(lǐng)圈與圓弧的接觸力更加完整均布，保護(hù)領(lǐng)圈外徑不受損傷。