鋁熱還原反應法鎢(鈮)鐵用混料機研制

王春武 李軍義

(西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種國家重點實驗室 寧夏石嘴山753000)

1 前言

圓筒混料機是燒結設備的主要設備，隨著工業發展，人們對產品質量要求越來越高，而混料質量直接影響產品的質量，混料機在冶金工業中有著廣泛的用途，進而社會對混料機的需求越來越多，規格也越來越大[1]。本設計是為微合金爐料鈮鐵、鎢鐵、釩氮合金等還原反應之前混料所用，混料成分為氧化鎢(或氧化鈮)、鋼屑、鋁粉、造渣劑，原使用的混料機為雙螺旋混料機，有效容積為0.3m3，每次混料0.3t(故混料容重為1m3/t)，因混料成分里有綱屑，隨著混料的運行，會把綱屑纏繞到雙螺旋上，造成混料機抱死，造成無法混料，從而影響鎢鐵、鈮鐵鋁熱還原反應的效果，反應不充分造成夾渣，而且每次混料數量少，達不到生產量的要求，鑒于以上原因，設計并制造了一次混料1.8t的臥式混料機。

2 混料機的結構特點

該臥式混料機主要包括料筒、電機、減速機、皮帶輪、主軸、聯軸器、主從動拖輪、防竄輪、底座等，結構示意圖見圖1。混料機混料容量為1.8t(按最大裝料為料筒一半計算)，混料機的混料速度為10r/min，混料機混料速度對混料質量是有影響的，若轉速過小，混合料所受到的離心力、圓周力也就過小，物料就不能上升到足夠的高度僅堆積在圓筒下部，這種情況起不到混合的作用，與之相反，若轉速過大，物料所受到的離心力、圓周力過大，致使物料緊貼附于筒壁而帶到很高的部位才拋落下來，這種情況也起不到混勻的作用，只有在速度適宜時設備運轉安全混合效果也好[2]。

料筒由圓柱形和錐形兩部分組成，錐形目的是為了便于出料方便。混料機的混料原理是電機通過皮帶傳動到減速機，減速機通過對輪帶動托輪轉動，表面掛橡膠的托輪通過摩擦，帶動混料筒旋轉，從而實現混料桶內的物料進行混料作業。

圖1 混料機結構示意圖1-減速機；2-電機；3-聯軸器；4-主軸，；5-料筒；6-拖輪；7-防竄輪；8-底座

3 主要設計計算

3.1電機功率計算

混料機的傳動是由電動機通過減速機和主動托輪、從動托輪摩擦傳動來實現的，驅動混料機傳動所消耗的功率N可按下式來決定，查《干燥設備》手冊，由杜馬公式[3]：

N0≈0.25D3znγφK

(1)

式中N0-回轉料筒傳動功率(kW)；D-回轉料筒直徑，1.5m；

z-混轉料筒長度，2.2m，錐筒部分按重量核算為圓柱料筒；

n-回轉料筒轉速，10r/min；

γ-被處理物料容重，1m3/t；

φ-填充系數，50%；

K-揚板系數，(1.6)。

代入公式計算：N0≈0.25×1.53×2.2×10×1×50%×1.6=14.8kW

電動機的功率N：N=K1N0，K1=(1.1～1.3),考慮電機、皮帶輪、減速機傳動效率、托輪摩擦系數，K1選1.3，故N=1.2×15.5=17.76kW。電機選用Y180L-6-B3，電機功率18kW，轉速為970r/min，額定電壓為380V，該三相異步電動機的優點：裝備簡單，價格便宜，有足夠的啟動轉矩，可直接啟動混合機。

3.2軸的設計計算和強度校核

3.2.1總重心計算

因混料筒的重量全部加載在主、從傳動軸上，主、從傳動軸旋轉加載了傳動扭矩，軸作為關鍵部件，必須進行軸的抗彎和扭矩強度計算。基礎數據限于篇幅的關系，計算相對簡單，本文不做詳細計算，根據料筒尺寸、密度、容重等，質量的計算公式參考聞邦椿主編《機械設計手冊》表1.3-24立體圖形計算公式[4]，可得圓柱形料筒、錐形料筒、圓柱料、錐筒料的質量分別850kg、87.9kg、1974.4kg、383kg，料筒和料總質量為2712kg，參考哈爾濱工業大學編《理論力學》第四版表17-1 勻質物體的轉動慣量[5]，圓柱形料筒和料的重心為800mm，錐形料筒和料的重心為1974.4mm，見圖2所示。依據圖2所示，根據重心的公式，計算料筒和料的總重心為：

(2)

3.2.2校核

由圖3主動、從動軸的受力示意圖可以計算得出軸的總的受力F:

(3)

根據料筒和料在軸上受力和重心，計算得出軸在托輪位置的最大受力P2：

=12437N

(4)

由最大的受力P2，計算軸的最大彎矩Mmax：

Mmax=P2×L

(5)

Mmax=12437×200×10-3=2487N·m

=2487000N·mm

=5272000N·mm

(6)

圖2 料筒和料的重心計算示意圖

圖3 主動、從動軸的受力示意圖

圖4 軸的受力示意圖

按當量彎矩計算軸的強度，查聞邦椿主編《機械設計手冊》第三卷表12.3-3，其中[σ-1]-軸的許用彎曲應力(55MPa，45#鋼)，φ-彎矩和扭矩作用差異系數(0.6，脈動循環變化)[7]。

(7)

=90mm

轉軸的設計與強度校核是其重要部分，對設備的安全性以及穩定性有決定性作用。因而軸的直徑選用Φ110mm，>90mm，滿足強度校核的要求。

4 結構設計要點

4.1金屬揚板設計

物料在筒內做滑動，自由落體，進行混合，開始時物料沿筒壁上升，在傾斜面上做滑動，隨著料筒的轉動，物料上升一定高度落下，內部增加金屬揚板，物料會被帶到更高的高度，增加混料均勻形，提高混料的效率。

4.2托輪掛橡膠設計

主從動托輪表面掛耐磨橡膠，增加摩擦力，防止料筒與托輪打滑，拖輪刮膠時，在外圓面進行徑向和軸向開槽，詳見圖5，這樣掛橡膠增加牢固性，提高設備使用壽命。

圖5 托輪掛膠徑、縱向開槽示意圖

4.3進出料口設計

進料口，開始設計為方形進料口，考慮密封形式，改為圓形進料口，因圓形在機加時加工容易，而且密封槽也易加工。進料口的大小不僅滿足裝料料斗尺寸，而且人可進去料筒，方便檢查料筒和維修料筒內部。

出料口設計，聯想到瓶塞的擰緊結構，發明了螺旋鎖緊方式的出料口裝置，分別在料筒出料口、和出料端蓋帶弧面斜塊，按螺旋旋轉的方向進行組對焊接，詳見圖6，并在出料端蓋設置長遠孔卡槽，卡槽的長度滿足鎖緊的行程，鎖緊時用彈力較大的彈簧進行卡死，出料時，打開彈簧鎖緊裝置，出料口端蓋在重力作用下自然打開。

圖6 出料口斜塊螺旋鎖緊三維截面示意圖

4.4防竄輪設計

防竄輪的設計，因料筒在拖輪上，兩組主從動拖輪在重力和角度的限制，在前后上下方向是無法竄動，但左右可以竄動，因而需要在料筒的左右各設置一個防竄輪，以防止料筒在混料時的左右竄動。

5 結論

該混料機經制造加工后，投入實際生產，運行穩定可靠，一次最大投料由原來的0.3噸提高到1.8噸，從裝料到出料一次混料時間不超過30分鐘，鎢鐵、鈮鐵鋁熱還原反應充分，無夾渣，C、P、S、Si、Mn、Gu等雜質元素含量達到了標準要求，滿足了生產需要，取得了良好的經濟效益。相對于V形混料機、三位混料機、雙螺旋混料機，該混料機容量大，混料時間少，操作簡單，裝卸料方便，振動噪音低，制作成本低，加工制作容易，設備磨損小，一年內不需更換易損件，滿足了規模化生產的要求，提高了生產率和產品質量。