一種高溫物料螺旋輸送冷卻機結構和性能的試驗研究

劉占彬

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

0 前言

在冶金、電力、化工等行業中常用于松散、流動性較好的高溫物料的冷卻裝置有光筒的圓筒冷卻機、夾套式內冷卻圓筒冷卻機、外浸沒式圓筒冷卻機以及集成管束圓筒冷卻機等，而對于高溫情況下易“結圈”具有一定粘性的散料不盡適用，易在冷卻裝置內壁粘接，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+半浸沒式回轉圓筒冷卻輸送(如圖1所示)，冷卻效率低，污染環境，設備故障率高。本文結合工程項目的實際需要，針對性研究物料特性，提出了一種新型結構的高溫物料螺旋輸送冷卻機。

圖1 某鎳廠冷卻設備

螺旋輸送機葉片對物料具有軸向力和徑向力，利用帶有螺旋葉片的軸的旋轉，使物料產生沿螺旋面的相對運動，物料受到輸送管壁的摩擦力作用與螺旋一起旋轉，從而將物料沿軸向推進，同時葉片對物料產生徑向摩擦力，阻止物料粘結于筒壁上，既可滿足輸送功能，又能對筒壁上的粘結物料起到清理作用，具有結構簡單，密封性能好，操作安全方便等特點。

采用螺旋輸送，如何在有效的距離內，使所輸送高溫物料達到冷卻效果，滿足對物料的降溫要求是設計時需要解決的重要問題。通常的水冷螺旋輸送機水冷目的是為了保證輸送高溫物料的過程中使輸送機主軸等部件免于變形和損壞，而對高溫物料在輸送過程中的冷卻效果研究的較少，本新型結構的高溫物料螺旋輸送冷卻機對此進行了強化研究。

1 物料高溫性能試驗

由于生產狀態下無法實際觀察物料高溫情況下的流動性、粘性，因此根據某鎳廠所提供的焙砂，對物料進行了高溫性能試驗。把焙砂加入到剛玉管式回轉爐中，焙砂在旋轉管內向前輸送，在低溫區運行順暢，管內壁無粘結物料，到高溫區(600～700 ℃)管內壁逐漸粘接，形成結圈，阻礙焙砂順暢運行(如圖2所示)。使用直徑5 mm鐵棒輕輕捅打結圈位置，粘結物料松散脫落，后續輸送到高溫區的焙砂又逐步結圈。

圖2 物料高溫性能試驗

試驗證明，該焙砂在600～700 ℃之間存在明顯的結圈現象，其他溫度范圍內流動性較好，而高溫焙砂的結圈強度較低，施加適當的力即可破壞。反證原廠內所用的半浸沒式回轉圓筒冷卻輸送機里設置刮刀裝置即為解決結圈粘接問題，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圈粘結。

2 新型螺旋輸送冷卻機的研究

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。根據物料高溫性能試驗和某鎳廠現場情況，提出兩段夾套式螺旋輸送冷卻機配置，水和焙砂逆向內冷卻技術。冷卻水分別在夾套式冷卻軸和夾套筒壁內流動，流動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的出料口方向流向入料口方向，使冷卻水溫度變化趨勢與焙砂溫度變化趨勢相同。

2.1 螺旋輸送冷卻機的結構

螺旋輸送冷卻機由驅動裝置、夾套式筒體、螺旋葉片、冷卻軸、進出水口、機架等組成，見圖3結構簡圖。筒體為雙層夾套結構，內設導流板，構成逆流水道。冷卻水從冷卻機物料出口端的入水口流入，在導流板的導流下形成冷卻水道，從冷卻機物料入口端的出水口流出，整個筒體形成冷卻單元，從外部對物料進行冷卻降溫。因物料在部分高溫段有結圈效應，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度，滿足大跨距無懸掛的使用要求，冷卻軸設計為雙層夾套空心結構。冷卻水從螺旋輸送冷卻機物料出口端流入冷卻軸，通過夾套的環形空間從螺旋輸送冷卻機物料入口端的出水口流出，從內部對高溫物料進行冷卻。經計算，螺旋輸送冷卻機螺旋葉片直徑655 mm，螺距350 mm；螺旋軸外徑375 mm，內徑為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 ℃，要求物料經過冷卻后溫度降至100 ℃左右。

1.冷卻軸出水口 2.驅動裝置 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 螺旋輸送冷卻機靜強度分析

利用ANSYS有限元軟件對螺旋輸送冷卻機的冷卻軸進行分析，該單段螺旋輸送冷卻機的有效輸送長度為15 m，在輸送過程中，整個長度內焙砂運行速度，水流速度均勻，焙砂和冷卻水的重量在輸送機腔內均勻分布。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

簡化模型，假定有效輸送距離內溫降達到要求的情況下，從總體變形云圖可以看出最大變形發生在冷卻軸的中部，最大變形量9.547 mm，而葉片與筒內壁間隙為12 mm，該變形量下，理論上設備能夠正常運行。

2.3 螺旋輸送冷卻機物料冷卻仿真分析

通過數值模擬高溫物料在螺旋輸送冷卻機內降溫過程，預測兩段螺旋輸送冷卻機焙砂出口處的焙砂溫度，檢驗相關設備操作參數設置的合理性。焙砂進入螺旋輸送冷卻機后，冷卻水與冷卻軸壁、筒壁換熱，同時冷卻軸壁、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測物料在螺旋輸送冷卻機內的降溫過程。

圖6 兩段螺旋輸送冷卻機內溫度分布

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，可指導結構優化，進一步提高冷卻效果。

3 性能試驗研究

為進一步研究該高溫物料螺旋輸送冷卻機的實際冷卻效果和性能，按照1∶20比例試制出螺旋輸送冷卻機模型機一臺，如圖7所示。螺旋葉片直徑65 mm，有效輸送長度1.5 m，結構形式和實際設計一致。鎳廠的焙砂20 kg，剛玉磚窯加熱爐1臺，帶自動測溫，最高加熱可達800 ℃。

圖7 試制模型機

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模型機的加料口連接，然后把筒壁的進出水口、冷卻軸的進出水口均與水循環系統連接，調定螺旋輸送冷卻機轉速和冷卻水量。試驗時，焙砂連續裝入到剛玉磚窯并加熱到750 ℃后，通過溜管進入到螺旋輸送冷卻機，測定進料口焙砂溫度650～700 ℃，經過有效長度的冷卻，測定出料口的焙砂溫度為70～100 ℃，連續正常出料；測定進料口出的冷卻軸表面最高溫度102 ℃，進水口溫度25 ℃，出水口的冷卻水溫升7～10 ℃。

試驗結果初步證明，該螺旋輸送冷卻機應適用于處理某鎳廠的高溫焙砂，基本能夠達到冷卻效果，并保證設備運行的性能，但是試驗用焙砂量較少，試驗數據尚需進一步分析論證。

4 總結

本文是針對某鎳廠特有的原料和工況進行的初步自主研究工作，通過試驗確定了物料的特性，提出了適用的輸送和冷卻方案。通過有限元分析、仿真分析和模型機驗證，論證了新型高溫物料螺旋輸送冷卻機結構設計的合理性和物料降溫到目標值的可行性，為進一步的深入研究和工業化應用提供了依據，為該鎳廠焙砂冷卻系統改造做了技術準備。