新型石灰消化機的設計與計算

摘 要:本文首先以規(guī)格石灰消化機的結構為例，敘述了石灰消化的工藝及過程，強調(diào)石灰消化機是氧化鋁生產(chǎn)中的重要設備，接著以規(guī)格石灰消化機的設計計算為主線，重點講解了石灰消化機的主要構成及本設計的特點，并對主要參數(shù)進行了計算。

關鍵詞:消化機 筒體部件 傳動裝置 托輪部件 設計計算

中圖分類號:TN913文獻標識碼:A文章編號: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，才能有效進行溶出過程的物理化學反應，達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生成氫氧化鈣，制備成石灰乳，該反應稱為氧化鈣的水化反應。

1 消化工藝及過程

目前，在氧化鋁生產(chǎn)中，制備石灰乳的設備主要是石灰消化機。石灰消化采用攪拌消化工藝，石灰和消化水分別從進料口和進水口進入消化機頭部，然后在螺旋葉片的推動下進入消化機內(nèi)，石灰和消化水的初步混合物在連續(xù)螺旋的攪動下前進，并進行水化反應，混合物接著進入間斷螺旋和揚料板的區(qū)域，間斷螺旋除了對物料有輸送的作用外，還可以對石灰塊進行破碎，使石灰與水充分接觸，加快消化反應。揚料板不斷對物料翻起，使石灰與水充分反應。物料進入反推間斷螺旋后形成反浪，進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消化機尾部的連續(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出渣螺旋排出消化機。

2 消化機的設計計算

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，本文設計計算了規(guī)格的新型石灰消化機，(圖1)為其結構圖。消化機是一種重載、大扭矩、多支點、大跨度筒狀運行系統(tǒng)。托輪部件通過線接觸支撐起筒體，傳動裝置通過齒輪嚙合將動力傳遞給筒體，驅(qū)動筒體旋轉(zhuǎn)。

2.1 主要構成及特點

消化機主要由筒體部件、篩網(wǎng)出料筒、托輪部件、傳動裝置、進料口、進水口等組成。

2.1.1 筒體部件

筒體是石灰消化機的主要受力部件，也是石灰與水混合消化的場所。筒體由不同厚度的鋼板卷成筒形焊接而成，其頭部與進料口及進水口連接，筒體前部內(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，焊有與筒體軸線形成一定角度的間斷螺旋，間斷螺旋除了對物料有輸送的作用外，還可以對石灰塊進行破碎，使石灰與水充分接觸，加快消化反應。在間斷螺旋分布區(qū)域內(nèi)焊有揚料板，揚料板不斷將物料翻起，使石灰與水充分反應。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消化機后端的連續(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法蘭聯(lián)接，筒體旋轉(zhuǎn)帶動出渣螺旋旋轉(zhuǎn)，籠式骨架為受力框架，內(nèi)壁設計成篩網(wǎng)式是考慮石灰乳的有效過濾，不能消化的石渣和未完全消化的石灰通過出渣螺旋排出消化機。

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的回轉(zhuǎn)部分，承受筒體及物料的所有重量。根據(jù)消化機的長度、筒體內(nèi)徑、載荷大小等可以確定本設計采用兩檔支撐。在筒內(nèi)螺旋的作用下，物料對筒體產(chǎn)生反作用力，為了平衡這種反作用力，托輪結構可以采用多種組合方式，本設計采用在靠近消化機頭部的托輪為雙輪緣結構，另外的為無輪緣結構。

2.1.4 傳動裝置

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

2.2 主參數(shù)的計算

按照生產(chǎn)工藝要求，確定本設備長度為21，其中筒體最大有效長度為19.5，消化機產(chǎn)能為20(石灰進料量)，消化時間控制在9～16min。

2.2.1 消化機轉(zhuǎn)速

物料在消化時間9～16min內(nèi)走過筒體有效長度，則，消化機轉(zhuǎn)速:

(r/min) (1)

其中:—筒體有效長度，19.5m;

—物料在筒體內(nèi)消化時間，;

——筒體內(nèi)螺旋的螺距，0.4。

將數(shù)據(jù)代入式(1)得，消化機最低轉(zhuǎn)速:()

消化機最高轉(zhuǎn)速:

()

為了滿足生產(chǎn)工藝對不同轉(zhuǎn)速的要求，采用變頻電機對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

2.2.2電機功率計算

消化機的電機總功率主要由筒體內(nèi)物料運動消耗功率、筒體內(nèi)螺旋消耗功率和克服機構摩擦消耗功率等組成，其計算公式如下:

(2)

式中:—電機總功率，kW;

—筒體內(nèi)物料運動消耗功率，kW;

—筒體內(nèi)螺旋消耗功率，kW;

—功率使用系數(shù)，;

—啟動過載系數(shù)，;

——由于機構摩擦損耗折算成總傳動效率，取值約0.92。

知，筒體內(nèi)物料運動消耗功率:

(3)

式中:—修正系數(shù)，當體積填充系數(shù)時，取值;

—石灰堆積密度，約;

—筒體內(nèi)徑，取值;

—篩網(wǎng)出料筒長度，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

故電機型號可選擇:YVP280M-6，功率55，50Hz時同步轉(zhuǎn)速1000。

2.2.3傳動裝置設計計算

我們設計電機在50Hz時消化機筒體轉(zhuǎn)速為，則總速比，減速機選用MC3PLSF07，其傳動比，故齒輪傳動比為。

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，實際齒輪傳動比為120/177.06。故消化機在50Hz時實際轉(zhuǎn)速。

2.2.4齒輪強度校核計算

為便于運輸，大齒圈設計成剖分式，現(xiàn)場安裝時，通過螺栓連接，合二為一。大齒圈材料選用310-570，并進行正火處理162217。小齒輪材料選用45，并進行調(diào)質(zhì)處理229269。

①齒面接觸疲勞強度校核計算

接觸強度計算應力:

小齒輪:

(MPa);

大齒圈:

(MPa);

許用應力:

(MPa);

強度條件:;

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《齒輪傳動設計手冊》。

—分度圓上的名義切向力，計算得78338N;

—齒數(shù)比，7.06;

— 接觸疲勞強度計算齒寬，本設計中300mm;

—小齒輪分度圓直徑，476mm;

取小齒輪接觸強度計算應力與大齒輪接觸強度計算應力中較大值為，381.1(MPa);小齒輪接觸疲勞強度許用值871.4(MPa)，大齒輪接觸疲勞強度許用值398.9(MPa)，取兩者較小值為接觸疲勞強度許用值。經(jīng)計算可知，，故本設計滿足齒面接觸疲勞強度條件。

齒根彎曲疲勞強度校核計算

彎曲強度計算應力:

小齒輪:

(MPa);

大齒圈:

(MPa);

許用應力:

(MPa);

強度條件:;

式中系數(shù)、、、、、、、、、、、及參數(shù)、的意義和確定值可參考《齒輪傳動設計手冊》。

經(jīng)計算，小齒輪彎曲疲勞強度計算應力40.0(MPa)，894.8(MPa)，，故小齒輪滿足彎曲疲勞強度條件;大齒圈彎曲疲勞強度計算應力34.7，403.3(MPa)，，故大齒圈滿足彎曲疲勞強度條件。

3 結論

本文針對特殊的工藝要求，成功開發(fā)設計了規(guī)格的新型石灰消化機，其主要特點如下:

1)大型化，設計的石灰消化機規(guī)格為;

2)采用變頻電機、減速機、聯(lián)軸器、齒輪齒圈的傳動方式，這不僅結構緊湊、效率高，而且傳動可靠。通過變頻電機及保護電路可實現(xiàn)無級調(diào)速、平穩(wěn)啟動和過載保護;

3)筒體內(nèi)設有連續(xù)螺旋、間斷螺旋、揚料板、反推間斷螺旋，這種結構加快了消化反應，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)可實現(xiàn)石灰乳的高效過濾，不能消化的石渣通過出渣螺旋排出消化機。

參考文獻

[1] 朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005.

[2]丁國紅.石灰化灰機的開發(fā)與分析[D].長沙:中南大學，2008.

[3] YSJ412-92.輕金屬冶煉機械設備安裝工程施工及驗收規(guī)范[S].