濕法冶煉攪拌設(shè)備附屬件設(shè)計(jì)

武 軍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

濕法冶煉攪拌設(shè)備附屬件設(shè)計(jì)

武 軍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)濕法冶煉設(shè)備的攪拌附件，如攪拌裝置支撐梁、內(nèi)伸管件等缺乏明確統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算資料和公式。本文根據(jù)美國(guó)ASME規(guī)范以及國(guó)內(nèi)已發(fā)表文章，整理出濕法冶煉常壓攪拌設(shè)備支撐梁等計(jì)算資料，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員解決工程中實(shí)際問(wèn)題提供一定借鑒。

攪拌； 槽蓋型鋼支撐； 內(nèi)伸管； 擋板

攪拌操作的基本過(guò)程是把液體盛裝在一個(gè)罐(容器)中，利用浸沒(méi)于液體中的旋轉(zhuǎn)葉輪(攪拌器)或其他方式攪動(dòng)流體，實(shí)現(xiàn)兩種或多種物料間的均勻混合、加速傳熱和傳質(zhì)等。完成這一攪拌過(guò)程的裝置，統(tǒng)稱為攪拌裝置。

攪拌設(shè)備在有色冶煉生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍很廣，尤其是在濕法冶煉的各個(gè)工序中，如配料、漿化、浸出、結(jié)晶、溶解、還原、分解和萃取等，為了強(qiáng)化冶煉過(guò)程，都或多或少地應(yīng)用著攪拌設(shè)備。其中立式常壓機(jī)械攪拌罐占攪拌設(shè)備的絕大多數(shù)。一座大型的年產(chǎn)10萬(wàn)t電解鋅的鉛鋅冶煉廠，主流程中就配有攪拌設(shè)備80多臺(tái)。

攪拌設(shè)備應(yīng)包括攪拌系統(tǒng)及攪拌容器兩大部分。攪拌容器與攪拌系統(tǒng)組合完成了各相介質(zhì)的溶解、混勻、萃取、吸收化學(xué)反應(yīng)及傳熱傳質(zhì)等物理、化學(xué)過(guò)程，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，攪拌系統(tǒng)主要部件有電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架、聯(lián)軸器、軸封、攪拌軸、槳葉、以及依據(jù)需要配置的中間軸承、吊軸承、穩(wěn)定器、底軸承等構(gòu)成。

攪拌容器包含平底平蓋、錐底平蓋、凸形封頭等各種形式容器，包括帶夾套以及不帶夾套容器，帶半圓盤管以及內(nèi)盤管容器等。同時(shí)，容器中還配有所需的附件，常用的附件有擋板，各種內(nèi)伸管，攪拌裝置支撐梁等。關(guān)于攪拌功率及攪拌傳熱的計(jì)算，有關(guān)攪拌軸及槳葉的強(qiáng)度計(jì)算，已有各種標(biāo)準(zhǔn)資料，而對(duì)攪拌容器附件的理論研究相對(duì)較少。現(xiàn)將收集國(guó)內(nèi)外攪拌附件的計(jì)算資料作一介紹，并進(jìn)行比較。

1 攪拌擋板

攪拌擋板一般為長(zhǎng)條形垂直向固定安裝在罐壁上的板，主要作用為：將液體的旋轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)改為垂直向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，消除漩渦，同時(shí)有效改善所施加功率的有效利用率，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在湍流狀態(tài)時(shí)為了消除罐中央的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”而設(shè)置的，大多數(shù)的攪拌容器均配有擋板。

1.1 擋板數(shù)量、位置的確定

國(guó)內(nèi)，通常設(shè)計(jì)一般取擋板數(shù)量4塊；依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料介紹，通常擋板數(shù)量依照表1設(shè)置。

表1 國(guó)內(nèi)外通常擋板的設(shè)置數(shù)量

擋板位置一般按照?qǐng)D1所示。

1.2 全擋板條件

功率是攪拌器的重要特征參數(shù)，對(duì)于特定攪拌器，功率隨著擋板系數(shù)增大而增大。當(dāng)擋板系數(shù)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，功率大小不再進(jìn)一步變化，此時(shí)，稱為“全擋板條件”。

全擋板條件公式如下：

注：B=(0.08～0.1)D圖1 擋板安裝位置圖

nd(bd/D)1.2=0.35

(1)

式中nd—擋板數(shù)量；bd—擋板寬度，mm；D—槽體內(nèi)徑，mm； 0.35—全擋板系數(shù)。

在攪拌設(shè)備擋板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常取4塊寬度bd為(1/12～1/10)D的擋板即能滿足全擋板條件。對(duì)于高粘度液體，擋板的寬度bd可減小到1/20D。當(dāng)罐體內(nèi)徑D很大或很小時(shí)，可以增加或減小擋板數(shù)量nd。

1.3 擋板強(qiáng)度校核

式中P—攪拌器功率，kW；N—r.p.m，r/min；D—罐徑，cm；nB—擋板數(shù)；ns—擋板固定點(diǎn)數(shù)，min=2；Bw—擋板寬度，cm；Bc—擋板至罐壁距離，cm；Bs—擋板支撐點(diǎn)之距離，cm； [σ]—許用彎曲應(yīng)力，kg/cm2；α—安全率，取1.5～2。

圖2 擋板寬度及支撐定位圖

擋板設(shè)計(jì)舉例：

材料為0Cr18Ni9Ti的Φ2 000 mm×2 500 mm(罐體直徑×高度)的絮凝劑溶解槽,設(shè)計(jì)溫度60 ℃。攪拌功率P=4 kW，攪拌轉(zhuǎn)速N=85轉(zhuǎn)/min，擋板寬Bw=160 mm，Bc=40 mm，4塊擋板，擋板固定在罐壁上，五個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)之間的距離為400 cm。

設(shè)計(jì)計(jì)算：

考慮擋板材料負(fù)偏差C1=0.8 mm，腐蝕余量C2=0。擋板厚度t=2+0.8+0=3，鋼板一般取偶數(shù)厚度，最終厚度為4 mm。如果擋板為碳鋼制造，則需要考慮雙向腐蝕影響。

2 槽蓋內(nèi)伸件

對(duì)于濕法冶煉的攪拌設(shè)備，通常槽蓋需要引入各種內(nèi)伸件，有的甚至達(dá)到數(shù)十件之多，如加料口，蒸汽口，溫度計(jì)口等，這些內(nèi)伸件受到攪拌力矩、振動(dòng)和罐內(nèi)壓力的影響，所以，對(duì)于內(nèi)伸件的設(shè)計(jì)，需從三個(gè)方面進(jìn)行校核。

(1)內(nèi)伸件受攪拌力矩時(shí)，應(yīng)對(duì)內(nèi)伸件所受推力進(jìn)行校核。

(2)內(nèi)伸件尺寸一般較長(zhǎng)，由于攪拌器的周向速度，導(dǎo)致內(nèi)伸件的擺動(dòng)，與內(nèi)伸件本身的固有頻率之間造成的振動(dòng)計(jì)算。此部分計(jì)算一般針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ASME標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)內(nèi)伸管，在濕法攪拌設(shè)備中比較少見(jiàn)，故不予介紹。

(3)由于受到攪拌容器內(nèi)的操作壓力(設(shè)計(jì)壓力)，內(nèi)伸件須進(jìn)行耐壓校核，對(duì)于濕法常壓攪拌設(shè)備，此部分不予介紹。

內(nèi)伸件所受推力計(jì)算：

內(nèi)伸件，受到攪拌力矩的作用，其強(qiáng)度計(jì)算如下：

(2)

式中T—攪拌力矩，kg·cm；R—內(nèi)伸件到罐體中心距離，cm；nB—內(nèi)伸件數(shù)量。

經(jīng)推導(dǎo)，內(nèi)伸件所受彎矩為：

(3)

式中L—內(nèi)伸管內(nèi)伸液體中長(zhǎng)度，cm；l—內(nèi)伸管液面以上長(zhǎng)度，cm；

最大主應(yīng)力內(nèi)伸件所受：

(4)

式中α—安全率，一般取1.5～2.0；Z—內(nèi)伸件的抗彎斷面模數(shù)，cm3；

內(nèi)伸件設(shè)計(jì)舉例：

一臺(tái)直徑2 000 mm的圓形攪拌設(shè)備，電機(jī)功率4 kW，攪拌轉(zhuǎn)速85 r/min，溫度計(jì)安裝管距罐體中心線的距離R=500 mm，溫度計(jì)安裝管采用φ32 mm×4 mm無(wú)縫鋼管，內(nèi)伸長(zhǎng)度L=600 mm，l=100 mm，要驗(yàn)算該溫度計(jì)套管在攪拌作用下是否安全。

設(shè)計(jì)計(jì)算：

對(duì)于溫度計(jì)套管，選用φ32 mm×4 mm無(wú)縫鋼管，d1=32 mm，d2=24 mm。

最大主應(yīng)力:

3 槽蓋型鋼梁

攪拌裝置通常安放在常壓容器的平頂蓋上，此時(shí)，頂蓋上須設(shè)置型鋼結(jié)構(gòu)支撐架，用于支撐攪拌系統(tǒng)重量，并承受到攪拌系統(tǒng)動(dòng)載荷作用，及流體作用在槳葉上的軸向力。目前根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)用，一般取：

f≤L/1 000

(5)

式中f—攪拌設(shè)備頂蓋貫通型鋼中心撓度,mm；L—貫通型鋼長(zhǎng)度，mm。

(1)動(dòng)載荷的選用

根據(jù)日本TORAY ENGINEERING CO.，LTD的攪拌裝置計(jì)算資料，攪拌系統(tǒng)的動(dòng)載荷為靜載荷2倍，當(dāng)軸長(zhǎng)≥4.5 m時(shí)，則為靜載荷的2.5倍，攪拌系統(tǒng)的靜載荷應(yīng)包括整個(gè)攪拌系統(tǒng)的重量。

(2)型鋼梁的計(jì)算

對(duì)于型鋼梁的布置，大多分為H型和井字型，見(jiàn)圖3。

圖3 型鋼梁布置

對(duì)于圖3a的布置型式，可按2根梁承受載荷。對(duì)于圖3b的布置型式，可按3根梁支撐載荷。

型鋼梁的強(qiáng)度計(jì)算：

對(duì)于圖3a型式的最大撓度

對(duì)于圖3b型式的最大撓度

式中P—攪拌系統(tǒng)動(dòng)載荷以及流體作用在槳葉上的軸向力之和，N；

L—槽鋼梁長(zhǎng)度，mm；

E—槽鋼材料彈性模量，MPa；

I—槽鋼截面慣性矩(從材料手冊(cè)上查得)，mm4。

撓度許用值[f]取0.001 L，并≤3 mm。

經(jīng)撓度計(jì)算通過(guò)的梁，均能滿足安全設(shè)計(jì)需要。

[1] 徐智，肖世剛，等.有色金屬冶煉設(shè)備(第二卷)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

[2] 虞培清，周國(guó)忠，等.工業(yè)攪拌與混合技術(shù)進(jìn)展[R].浙江：中國(guó)石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨全國(guó)化工化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2007年年會(huì)，2007.

[3] 馮忠緒，王衛(wèi)中，等. 節(jié)約型攪拌技術(shù)研究[J].陜西：中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006.

[4] 彭守興.攪拌技術(shù)—攪拌附件的設(shè)計(jì)[R].浙江：第一屆全國(guó)工業(yè)攪拌技術(shù)會(huì)議論文集，2008.

Accessories Design of Mixing Equipment in Hydrometallurgy

WU Jun

Currently, for mixing equipment accessories design in hydrometallurgy, such as support beam, insert parts, there is a few information for calculating data and design standard. This paper summarizes the calculation data of supporting beam, insert parts, baffle in hydrometallurgy atmospheric mixing equipment design, according to the ASME specification and domestic published articles, and provides some reference for designers to solve practical problems in engineering.

mixing； support beam on cover of equipment； insert parts； baffle

2015-03-12

武 軍(1982-)，男，江蘇南京人，工程師，碩士研究生，主要從事有色冶煉行業(yè)濕法冶煉設(shè)備設(shè)計(jì)。

TF315

B

1003-8884(2015)03-0033-04