化工回转窑设计规定综述1

化工回转窑设计规定综述一、总则二、筒体三、滚圈四、支承装置的设计计算五、支承装置六、润滑七、传动装置八、窑头、窑尾及密封装置九、热平衡、热效率计算一﹑总则1.0.1主题内容a.回转窑是对散状物料(颗粒状、块状或粉料)或浆状物料进行加热处理的热工设备.它属于回转类设备,回转筒体具有一定的安装斜度,通常筒体内衬有耐火砖或设有内件(如换热设备、抄板等),以低速回转.b.本规定慨括了化工回转窑的结构计算、设计—也就是说根据本设计规定和已知的工艺条件可以进行回转窑的设计和计算.c.本规定所说的化工回转窑主要包括以下九大部件:筒体与内衬、换热装置、滚圈、支承装置、传动装置、窑头罩、燃烧室、窑尾罩、加料设备.①筒体与内衬筒体由钢板卷成,是物料完成物理与化学反应地回转容器,因而是回转窑的基体.由于回转窑在化工过程中的作用不同,有的介质温度高达1450℃,且介质往往带有腐蚀性,此时回转筒体内都需要衬有若干层耐火材料---即窑衬,保护筒体和减少散热损失.②换热装置为了增强换热效果,回转筒体内往往还设有各种换热装置,如链条、换热管束、格板式换热器等.③滚圈筒体、物料、窑衬、内件等所有回转部分的重量通过滚圈传到支承装置上.滚圈传递的载荷可达几百吨,其本身的重量有可达几十吨,是回转设备的最重要的关键零件之一.④支承装置支承装置承受回转部分的全部重量,由一对托轮轴承组和一个大底座组成.一对托轮支撑着滚圈,既允许筒体自由转动,又向基础传递了具大载荷.挡轮的作用是限制和控制回转窑回转部分的轴向窜动.⑤传动装置传动装置的作用是通过设在筒体中部的齿圈使筒体回转,通常齿圈通过弹簧板与筒体相连.对直径较大的回转窑,为了便于内衬的砌筑和检修,通常都设有辅助传动装置.它主要由电动机、减速机、液力偶合器、联轴器、传动轴、轴承、小齿轮、机架等组成.⑥窑头罩窑头罩是连接回转筒体头端与流程中下道工序设备的中间过渡体.窑头罩内通常也衬有耐火材料,在静止的窑头罩与回转筒体之间有密封装置,通常称为窑头密封装置.⑦燃烧室它是工艺所需的高温气体的发生器,与窑尾罩相连,内衬有若干层耐伙材料.⑧窑尾罩它是连接窑尾端与物料预处理设备以及烟气处理设备的中间体窑头罩内通常也衬有耐火材料,在静止的窑尾罩与回转筒体之间有密封装置,通常称为窑尾密封装置.⑨加料设备它是回转窑的附属设备,一般根据物料入窑形态来选用喂料设备.1.0.2本规定适用范围:适用于工作压力为微负压或常压的化工回转窑及回转设备,常用于煅烧、焚烧、还原、干燥、冷却等工艺过程.1.0.3引用标准a.GB/T11352-1989《一般工程用铸造碳钢》b.JB/T6402-1992《大型低合金钢铸件》c.JB/T8853-1999《标准减速机》d.JB/T8854.2-1999《齿鼓式联轴器》e.GB/T10095-1998《渐开线圆柱齿轮精度》1.0.4回转窑分类a.按窑体几何形状来分:直筒窑、冷端扩大窑热端扩大窑、两端扩大窑.b.按加热方式来分:内热窑、外热窑.c.按工艺作用来分:煅烧窑、焚烧窑、还原窑、干燥窑、冷却窑.二．筒体筒体是回转窑的基体,它应有足够的刚度和强度.在安装和运梳过程中应保持轴线的直线性和截面的圆度,它关系到延长回转窑内衬的寿命,减少晕转阻力,及功率消耗,减轻不均匀磨损,减少机械故障,保持长期安全运转,因此十分关键,所以必须根据这一要求来设计窑的筒体.筒体的刚度主要是筒体截面在具大的横向切力作用下抵抗径向变形的能力.筒体的强度问题主要表现为筒体在载荷坐用下产生裂纹,尤其是滚圈附近的筒体.筒体在运转过程中存在着相当大的应力,特别是轴向应力比切向应力大得多.因此在制造、安装、使用和维修工作时应保证和保持筒体的直线性.2.1.1筒体的基本参数筒体的基本参数主要有:物料在筒体内的停留时间τ、填充系数f、筒体倾角α、转速n.a．物料在筒体内的停留时间τ:物料在筒体内的停留时间τ主要与筒体长度、内径、转速、倾角、结构(有无抄板、挡料板)及自然倾角等因素有关.物料在窑内移动的基本规律是随着窑的回转,物料被带到一定高度,随后下落,由于窑是倾斜的,物料在滑落的同时就沿筒体轴线前进了一段距离.按筒体内是否有抄板,分两种情况来计算物料在筒体内的停留时间τ.⑴筒体内无抄板的物料停留时间ττ=L(θ+24)/(324Di·n·sinα)Di—筒体内径,如果不是等径窑,应分段计算;带内衬的窑应为衬后直径.⑵筒体内无抄板的物料停留时间ττ=m·k·L/(Di·n·sinα)m、k是系数,它与物性参数、抄板形式、介质与物料的流动方式密切相关,除了按规定选取外,还应结合实际,参考类似工况的回转窑确定系数m、k的取值.b.填充系数f窑某一截面上的填充系数f等于物料层所占有的截面积与窑整个截面积之比.某一窑的平均填充系数f等于该段窑内装填物料占有体积与该段窑的有效体积(容积)之比.填充系数f主要与结构影响系数、物料处理量、物料的停留时间、物料的密度、筒体的长度及内径等因书素关.f=2.12×10-2×k1·G·τ/(ρ·l·Di2)Di—筒体内径,如果不是等径窑,应分段计算;带内衬的窑应为衬后直径.计算f时应考虑窑内物料的结块等影响因素.c.筒体倾角α窑筒体轴线与水平面的夹角为该窑的倾角α.倾角α大小应根据筒体的长短、物料的流动性及物料的停留时间而定.为便于计算,回转窑的斜度习惯上取窑轴线的倾角的正弦值sinα.d.转速n回转窑转动的速度称为该窑的转速.单位r/min.回转筒体的专速范围为:0.4~10r/min,常用1~3r/min,设计转速时应控制筒体外径的圆周速度不超过1m/s,即2π·R·n/60≤1m/s.主要是因为大型回转设备的直径和长度都比较大，构成回转设备的筒体、齿圈、滚圈及内部充填物料的质量总和比较庞大，在转动过程中所形成的惯性也就比较大。如果回转筒体外径圆周线速度过快，特别容易产生振动而反过来影响传动装置和支撑装置的稳定运行，造成轴承等部件失效。对带内衬的回设备，转速过快而产生的惯性振动还会导制内衬的松动和脱落。2.1.2支承档数的确定支承档数按筒体内径及筒体长度的比值来确定,具体取发见表2.1.2.冷却机、干燥机的长径比一般都小于12,通常都采用两档支承.2.1.3筒体壁厚的确定---分齿圈、滚圈和其它部分处.其它部分处筒体壁厚的确定又分带内衬和不带内衬两种情况,分别见表2.1.3.1-1和表2.1.3.1-2.在选取直径分界处筒体壁厚的时,尽量取大值.齿圈和滚圈处筒体的壁厚通常是取其它部分处筒体厚度的1.4~2倍,主要以筒体计算结果为准,一般直径3000以下的窑取小值,直径3000以上的窑取大值.筒体加厚段的长度一般为滚圈宽度的2倍.即1~2m左右.2.1.3挡轮及齿圈位置的确定a.挡轮位置的确定:当回转设备支撑档数为奇数时，通常挡轮设置在中间档；当回转设备支撑档数为偶数时，通常挡轮设置在中间靠近窑尾方向的第一档.主要是因为筒体受热要伸长,这样可以减少累计伸长量,当然由于布置结构等原因,也有将挡轮设置靠近窑头方向的支承装置,此时筒体在窑体上窜时受轴下拉力.b.齿圈位置的确定为了使齿圈的啮合少受热膨胀的影响,齿圈应邻近带挡轮的支撑装置,其距离近似等于窑筒体的直径.2.1.5筒体内部装置a.内衬内衬的作用是保护筒体,使之免受高温、介质腐蚀、磨损,变减少散热损失.内衬每隔2~3年就要大修一次,这主要取决于内衬材料的质量、砌筑施工质量和操作稳定性等因素.常用耐火材料有:粘土质耐火砖、高铝质耐火砖、耐火混凝土砌块、鳞酸盐耐火砖、镁铝砖、隔热砖、碳素砖等.b.挡砖圈:其作用是将内衬分成若干个区,分别固定.它是焊在筒体上的一组圆环,厚度可取筒体厚度,但高度应为筒体内衬厚度的1/3~1/2左右.c.挡料圈挡料圈可设置在窑头,也可设在窑尾.设在窑头的挡料圈用来防止物料倒流,其高度按照转窑的填充系数及物料性质来确定.设在窑尾的挡料圈主要是延长物料停留时间,增大回转窑的填充率.设计窑头挡料圈时,应注意不要防碍加料装置.d.导料螺旋e.进料装置f.刮料器g.挡料板h.抄板抄板的作用是将物料扬起,是物料松散形成料幕,充分与气体接触换热.抄板的型式:升举式、扇形式、分布式等,以升举式使用较多.抄板的固定:直接焊在筒体上、通过焊在筒体上的连接件用螺栓连接.抄板的高度:主要是根据物性参数、筒体直径、转速等参数确定,一般都分好几段.i.筒体接口主要是指测温口、测压口、取样口、检查孔等.筒体上一般不设人孔.2.1.7测温装置常用的是滑环测温装置,热电偶接线通过滑环与测温仪表连接,测出回转窑上需要测出的各点温度.滑可用φ20~30mm紫铜棒煨制而成,环直径取1.1~1.3Do.2.2筒体的计算2.2.1筒体的载荷计算:筒题上的载荷分为两类,一类是沿筒体轴线方向的均布载荷;另一类是它分布较短,简化为集中载荷.a.筒体单位长度载荷:qs=0.242·(Di+δ)·δN/m由于筒体各段的厚度不同,应分段计算,另外考虑筒体有内件时可增加10%~30%.b.筒体内衬单位长度载荷:qc=3.081×10-5·ρc·(Di-hi)·hiN/m如果是多层内衬应分层计算.c.筒体内单位长度物料载荷:qu=7.705×10-6·ρ·f·Dio2N/m注意窑内可能出现的最大填充率f.d.筒体内单位长度抄板载荷:qf=7.701×10-2·δ1·H·nN/m一般需要计算实际抄板总重量再除以筒体长度.如果筒体内无抄板,此项载荷就没有.f.齿圈质量Gc=f1·m·B2·df2f1—计算系数算系数、m—齿圈模数mm、B2--齿圈宽度mm、df2—齿圈分度圆直径mm.刚计算时可能不知道m、B2、df2,应参照类似回转窑设备先假定一个m、B2、df2,按步骤向后计算,最终会计算出一个m、B2、df2,再将它们与前面的假设进行比较,若差不多,说明前面假设成立,否则应重复上一假设过程,直到最终计算结果与假设相当时为止.2.2.2筒体弯矩计算及应力校核a.筒体计算的概念筒体截面刚度计算应是计算筒体的径向变形,并使它不超过满足运转条件的径向变形许用值.筒体的应力一般有轴向应力σ和切向应力στ(实际上的应力不限于此,远比这要复杂得多).由筒体的轴向弯曲可以判定σ的存在,由筒体横截面变形可以判定στ的存在.钢制圆筒横卧置放于地面上时,在自重作用下,在其底部会产生数值很可观的切向弯曲应力.对于回转窑,因增加了内衬、物料、齿圈等各项载荷,支承情况与自由卧置完全不同,对这种情况下的切向应力虽有几种分析方法,但都不怎么成熟,目前也不适用于设计计计算,因此国内外至今任沿用一定的假设条件下的轴向应力计算的方法,在统计基础上确定许用应力,通过轴向应力计算来间接保证径向变形和切向应力满足刚度和强度要求.b.三个假设条件⑴将筒体视为圆截面水平连续梁,不计倾角影响,也不计筒体截面变形后对截面模数的影响.⑵不计物料重心对筒体轴线的影响,不计筒体所受扭矩.⑶按静载荷计算.c.进行筒体计算的主要目的⑴验算强度-变形条件,以确定所选的筒体厚度是否合适.⑵根据计算结果,调整各跨跨度,使之满足等支反力原则—使各支座反力趋于接近,从而使支承装置的设计得到统一;其次是满足等弯矩原则,使各支座截面弯矩趣于接近,避免为了满足个别截面的要求而加厚筒体.支承档数较少时,由于结构上的原因,上述原则不易实现,不必强求.⑶为支承部件及基础提供设计载荷.d.双支座筒体弯矩的计算⑴支点位置的确定支点位置除考虑结构要求外,应按等弯矩原则设计.对于等直径的悬伸段结构简单的,可近似取l1=l2=0.21L.⑵支座反力的计算F1=[Lq(L/2-l2)+Fc·a]/(L-l1-l2)N;F2=[Lq(L/2-l1)-Fc·a]/(L-l1-l2)+FcN;⑶弯矩的计算支座处的弯距M1、M2M1=q/2·l12;M2=q/2·l22;跨间最大弯矩Me=-q/2(l1+e)2+e·F1跨间最大弯矩发生在筒体内剪力灯于零的地方即F1=e·q+l1·qe.筒体的应力计算及校核⑴支座处的轴向弯曲应力σ1⑵跨间最大弯曲应力σef.三支点以上(包括三支点)筒体弯矩计算⑴三