一種高溫物料螺旋輸送冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)和性能的試驗(yàn)研究

劉占彬

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

在冶金、電力、化工等行業(yè)中常用于松散、流動(dòng)性較好的高溫物料的冷卻裝置有光筒的圓筒冷卻機(jī)、夾套式內(nèi)冷卻圓筒冷卻機(jī)、外浸沒式圓筒冷卻機(jī)以及集成管束圓筒冷卻機(jī)等，而對(duì)于高溫情況下易“結(jié)圈”具有一定粘性的散料不盡適用，易在冷卻裝置內(nèi)壁粘接，使用效果不理想。

某鎳廠多膛爐處理后的焙砂需要進(jìn)行冷卻，從750 ℃降溫到100 ℃以下，目前采用的是外淋式冷卻管式輸送+半浸沒式回轉(zhuǎn)圓筒冷卻輸送(如圖1所示)，冷卻效率低，污染環(huán)境，設(shè)備故障率高。本文結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，針對(duì)性研究物料特性，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的高溫物料螺旋輸送冷卻機(jī)。

圖1 某鎳廠冷卻設(shè)備

螺旋輸送機(jī)葉片對(duì)物料具有軸向力和徑向力，利用帶有螺旋葉片的軸的旋轉(zhuǎn)，使物料產(chǎn)生沿螺旋面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，物料受到輸送管壁的摩擦力作用與螺旋一起旋轉(zhuǎn)，從而將物料沿軸向推進(jìn)，同時(shí)葉片對(duì)物料產(chǎn)生徑向摩擦力，阻止物料粘結(jié)于筒壁上，既可滿足輸送功能，又能對(duì)筒壁上的粘結(jié)物料起到清理作用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能好，操作安全方便等特點(diǎn)。

采用螺旋輸送，如何在有效的距離內(nèi)，使所輸送高溫物料達(dá)到冷卻效果，滿足對(duì)物料的降溫要求是設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的重要問題。通常的水冷螺旋輸送機(jī)水冷目的是為了保證輸送高溫物料的過程中使輸送機(jī)主軸等部件免于變形和損壞，而對(duì)高溫物料在輸送過程中的冷卻效果研究的較少，本新型結(jié)構(gòu)的高溫物料螺旋輸送冷卻機(jī)對(duì)此進(jìn)行了強(qiáng)化研究。

1 物料高溫性能試驗(yàn)

由于生產(chǎn)狀態(tài)下無法實(shí)際觀察物料高溫情況下的流動(dòng)性、粘性，因此根據(jù)某鎳廠所提供的焙砂，對(duì)物料進(jìn)行了高溫性能試驗(yàn)。把焙砂加入到剛玉管式回轉(zhuǎn)爐中，焙砂在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)向前輸送，在低溫區(qū)運(yùn)行順暢，管內(nèi)壁無粘結(jié)物料，到高溫區(qū)(600～700 ℃)管內(nèi)壁逐漸粘接，形成結(jié)圈，阻礙焙砂順暢運(yùn)行(如圖2所示)。使用直徑5 mm鐵棒輕輕捅打結(jié)圈位置，粘結(jié)物料松散脫落，后續(xù)輸送到高溫區(qū)的焙砂又逐步結(jié)圈。

圖2 物料高溫性能試驗(yàn)

試驗(yàn)證明，該焙砂在600～700 ℃之間存在明顯的結(jié)圈現(xiàn)象，其他溫度范圍內(nèi)流動(dòng)性較好，而高溫焙砂的結(jié)圈強(qiáng)度較低，施加適當(dāng)?shù)牧纯善茐?。反證原廠內(nèi)所用的半浸沒式回轉(zhuǎn)圓筒冷卻輸送機(jī)里設(shè)置刮刀裝置即為解決結(jié)圈粘接問題，因此螺旋輸送裝置的葉片，類似于刮刀裝置，原理上可防止物料結(jié)圈粘結(jié)。

2 新型螺旋輸送冷卻機(jī)的研究

主要研究滿足高溫物料輸送能力的條件下，如何有效的冷卻物料。根據(jù)物料高溫性能試驗(yàn)和某鎳廠現(xiàn)場(chǎng)情況，提出兩段夾套式螺旋輸送冷卻機(jī)配置，水和焙砂逆向內(nèi)冷卻技術(shù)。冷卻水分別在夾套式冷卻軸和夾套筒壁內(nèi)流動(dòng)，流動(dòng)方向與高溫焙砂輸送方向相反，即冷卻水從螺旋輸送冷卻機(jī)的出料口方向流向入料口方向，使冷卻水溫度變化趨勢(shì)與焙砂溫度變化趨勢(shì)相同。

2.1 螺旋輸送冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu)

螺旋輸送冷卻機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝置、夾套式筒體、螺旋葉片、冷卻軸、進(jìn)出水口、機(jī)架等組成，見圖3結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。筒體為雙層夾套結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板，構(gòu)成逆流水道。冷卻水從冷卻機(jī)物料出口端的入水口流入，在導(dǎo)流板的導(dǎo)流下形成冷卻水道，從冷卻機(jī)物料入口端的出水口流出，整個(gè)筒體形成冷卻單元，從外部對(duì)物料進(jìn)行冷卻降溫。因物料在部分高溫段有結(jié)圈效應(yīng)，輸送路徑上要保持順暢，冷卻軸既要具有冷卻功能，又要具有一定剛度和抗扭強(qiáng)度，滿足大跨距無懸掛的使用要求，冷卻軸設(shè)計(jì)為雙層夾套空心結(jié)構(gòu)。冷卻水從螺旋輸送冷卻機(jī)物料出口端流入冷卻軸，通過夾套的環(huán)形空間從螺旋輸送冷卻機(jī)物料入口端的出水口流出，從內(nèi)部對(duì)高溫物料進(jìn)行冷卻。經(jīng)計(jì)算，螺旋輸送冷卻機(jī)螺旋葉片直徑655 mm，螺距350 mm；螺旋軸外徑375 mm，內(nèi)徑為325 mm，單段輸送距離15 m，兩段輸送距離30 m,輸送物料入口溫度為750 ℃，要求物料經(jīng)過冷卻后溫度降至100 ℃左右。

1.冷卻軸出水口 2.驅(qū)動(dòng)裝置 3.冷卻夾套出水口 4.物料入口 5.水冷夾套 6.夾套式冷卻軸 7.物料出口(第二段物料入口) 8.冷卻夾套入水口 9.冷卻軸入水口

圖4 溫度分布圖

2.2 螺旋輸送冷卻機(jī)靜強(qiáng)度分析

利用ANSYS有限元軟件對(duì)螺旋輸送冷卻機(jī)的冷卻軸進(jìn)行分析，該單段螺旋輸送冷卻機(jī)的有效輸送長(zhǎng)度為15 m，在輸送過程中，整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)焙砂運(yùn)行速度，水流速度均勻，焙砂和冷卻水的重量在輸送機(jī)腔內(nèi)均勻分布。通過有限元軟件分析冷卻軸在溫度、自重、冷卻水重和扭矩等作用下的變形情況。

圖5 總體變形圖

簡(jiǎn)化模型，假定有效輸送距離內(nèi)溫降達(dá)到要求的情況下，從總體變形云圖可以看出最大變形發(fā)生在冷卻軸的中部，最大變形量9.547 mm，而葉片與筒內(nèi)壁間隙為12 mm，該變形量下，理論上設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

2.3 螺旋輸送冷卻機(jī)物料冷卻仿真分析

通過數(shù)值模擬高溫物料在螺旋輸送冷卻機(jī)內(nèi)降溫過程，預(yù)測(cè)兩段螺旋輸送冷卻機(jī)焙砂出口處的焙砂溫度，檢驗(yàn)相關(guān)設(shè)備操作參數(shù)設(shè)置的合理性。焙砂進(jìn)入螺旋輸送冷卻機(jī)后，冷卻水與冷卻軸壁、筒壁換熱，同時(shí)冷卻軸壁、筒壁與高溫焙砂換熱，溫度高的焙砂與溫度較低的焙砂之間換熱。該換熱過程以接觸換熱為主，因此采用基于DEM(離散元)的接觸散熱模型來預(yù)測(cè)物料在螺旋輸送冷卻機(jī)內(nèi)的降溫過程。

圖6 兩段螺旋輸送冷卻機(jī)內(nèi)溫度分布

通過仿真模擬，第一段焙砂溫度下降398 ℃，第二段焙砂溫度下降208 ℃，最終焙砂出口溫度144 ℃，比要求的焙砂出口溫度高約40 ℃，在可控范圍內(nèi)，可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高冷卻效果。

3 性能試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步研究該高溫物料螺旋輸送冷卻機(jī)的實(shí)際冷卻效果和性能，按照1∶20比例試制出螺旋輸送冷卻機(jī)模型機(jī)一臺(tái)，如圖7所示。螺旋葉片直徑65 mm，有效輸送長(zhǎng)度1.5 m，結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際設(shè)計(jì)一致。鎳廠的焙砂20 kg，剛玉磚窯加熱爐1臺(tái)，帶自動(dòng)測(cè)溫，最高加熱可達(dá)800 ℃。

圖7 試制模型機(jī)

首先把剛玉磚窯加熱爐的出料通過溜管和螺旋輸送冷卻機(jī)模型機(jī)的加料口連接，然后把筒壁的進(jìn)出水口、冷卻軸的進(jìn)出水口均與水循環(huán)系統(tǒng)連接，調(diào)定螺旋輸送冷卻機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻水量。試驗(yàn)時(shí)，焙砂連續(xù)裝入到剛玉磚窯并加熱到750 ℃后，通過溜管進(jìn)入到螺旋輸送冷卻機(jī)，測(cè)定進(jìn)料口焙砂溫度650～700 ℃，經(jīng)過有效長(zhǎng)度的冷卻，測(cè)定出料口的焙砂溫度為70～100 ℃，連續(xù)正常出料；測(cè)定進(jìn)料口出的冷卻軸表面最高溫度102 ℃，進(jìn)水口溫度25 ℃，出水口的冷卻水溫升7～10 ℃。

試驗(yàn)結(jié)果初步證明，該螺旋輸送冷卻機(jī)應(yīng)適用于處理某鎳廠的高溫焙砂，基本能夠達(dá)到冷卻效果，并保證設(shè)備運(yùn)行的性能，但是試驗(yàn)用焙砂量較少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步分析論證。

4 總結(jié)

本文是針對(duì)某鎳廠特有的原料和工況進(jìn)行的初步自主研究工作，通過試驗(yàn)確定了物料的特性，提出了適用的輸送和冷卻方案。通過有限元分析、仿真分析和模型機(jī)驗(yàn)證，論證了新型高溫物料螺旋輸送冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和物料降溫到目標(biāo)值的可行性，為進(jìn)一步的深入研究和工業(yè)化應(yīng)用提供了依據(jù)，為該鎳廠焙砂冷卻系統(tǒng)改造做了技術(shù)準(zhǔn)備。