新型石灰消化機的設計與計算

摘 要:本文首先以規格石灰消化機的結構為例，敘述了石灰消化的工藝及過程，強調石灰消化機是氧化鋁生產中的重要設備，接著以規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，石灰和消化水的初步混合物在連續螺旋的攪動下前進，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螺旋和錐形螺旋輸送到篩網出料筒，石灰乳通過自重從篩網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

根據生產工藝的要求，本文設計計算了規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。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，驅動筒體旋轉。

2.1 主要構成及特點

消化機主要由筒體部件、篩網出料筒、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，筒體前部內壁焊有3～5圈連續螺旋，起到將筒體頭部的物料送入筒體腹部的作用。在連續螺旋后面，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。在間斷螺旋分布區域內焊有揚料板，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。為了使筒體內保持一定的液面高度，在筒體后端內壁焊有錐形筒體，錐形筒體內壁焊有連續錐形螺旋，石灰乳、石渣和未完全消化的石灰通過消化機后端的連續錐形螺旋輸送到篩網出料筒。

2.1.2 篩網出料筒

用扁鋼焊成籠式骨架，然后在骨架內壁焊有篩網，再在篩網上焊接出渣螺旋，篩網出料筒與筒體尾部通過法蘭聯接，筒體旋轉帶動出渣螺旋旋轉，籠式骨架為受力框架，內壁設計成篩網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、調心滾子軸承、滾圈等組成。托輪部件用于支撐消化機的回轉部分，承受筒體及物料的所有重量。根據消化機的長度、筒體內徑、載荷大小等可以確定本設計采用兩檔支撐。在筒內螺旋的作用下，物料對筒體產生反作用力，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，驅動筒體旋轉。變頻電機與減速機及減速機與傳動軸分別通過聯軸器相聯接，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 主參數的計算

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

2.2.1 消化機轉速

物料在消化時間9～16min內走過筒體有效長度，則，消化機轉速:

(r/min) (1)

其中:—筒體有效長度，19.5m;

—物料在筒體內消化時間，;

——筒體內螺旋的螺距，0.4。

將數據代入式(1)得，消化機最低轉速:()

消化機最高轉速:

()

為了滿足生產工藝對不同轉速的要求，采用變頻電機對轉速進行調節。

2.2.2電機功率計算

消化機的電機總功率主要由筒體內物料運動消耗功率、筒體內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;

—筒體內物料運動消耗功率，kW;

—筒體內螺旋消耗功率，kW;

—功率使用系數，;

—啟動過載系數，;

——由于機構摩擦損耗折算成總傳動效率，取值約0.92。

知，筒體內物料運動消耗功率:

(3)

式中:—修正系數，當體積填充系數時，取值;

—石灰堆積密度，約;

—筒體內徑，取值;

—篩網出料筒長度，取值;

;

將數據代入式(3)得:

kW

又知，筒體內螺旋消耗功率:

(4)

式中:——阻力系數，取值約為4;

——筒體前部連續螺旋水平長度，取值為;

代入式(4)得:

kW

將以上數據代入式(2)得:

kW

故電機型號可選擇:YVP280M-6，功率55，50Hz時同步轉速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。

齒輪模數選28，小齒輪齒數取17，則大齒圈齒數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，并進行調質處理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ZB、ZD、ZH、ZE、Zε、ZΒ、KA、KV、K、K、ZL、ZV、ZR、ZW、ZX及參數、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、、、、、、、、、、、及參數、的意義和確定值可參考《齒輪傳動設計手冊》。

經計算，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，成功開發設計了規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格為;

2)采用變頻電機、減速機、聯軸器、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無級調速、平穩啟動和過載保護;

3)筒體內設有連續螺旋、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)連續錐形螺旋可有效的將不能消化的石渣及石灰乳從筒體內輸送到篩網出料筒，篩網可實現石灰乳的高效過濾，不能消化的石渣通過出渣螺旋排出消化機。

參考文獻

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