煅烧窑的功率计算及结构设计

刘文泉|文

本文根据国际化工行业中较先进的钛白粉煅烧工艺，合理设计了在国内同类产品中具有先进技术水平的钛白粉Φ3.2×55m煅烧窑，同时最大限度地降低了制造成本，为中铝山东工程技术有限公司进军化工设备市场进行多元化发展奠定了基础。

结构及工作原理概述

Φ3.2×55m煅烧窑是国内钛白粉行业最大规格的煅烧窑，年产量为6万吨钛白粉。钛白粉煅烧窑的结构类似于氧化铝、水泥等行业中的回转窑，现简述如下：筒体由钢板卷制而成，筒体内镶砌耐火衬，且与水平线形成规定的角度，筒体上套有三件矩形轮带支撑在各档支承装置上，在中间轮带附近的筒体上用切向弹簧板固定一个大齿圈，其下30°处有一小齿轮与其啮合。正常运转时，由主传动电动机经主减速器向该开式齿轮装置传递动力，驱动煅烧窑。

煅烧窑主要工作原理为：将经过滤后的二氧化钛水解物滤饼输入具有一定斜度且缓慢回转的窑体尾端，同时窑头方向的燃烧混合室将洁净的火焰及热风吹入窑内对滤饼加以脱水、煅烧，经1000℃高温脱水、煅烧后的水解二氧化钛滤饼借助倾斜的回转窑体，既沿圆周方向翻滚又沿轴向（从高端向低端）移动，不断完成脱水和煅烧的工艺过程，最终通过窑头罩下部的双液压翻板卸料阀进入冷却机，经冷却、筛分后的物料即为钛白粉成品。

煅烧窑的组成

Φ3.2×55m煅烧窑主要由燃烧混合室、窑头罩及密封装置、双液压翻板卸料装置、测温装置、两档托轮支承装置、一档带挡轮的托轮支承装置、传动装置、筒体装置、窑尾罩及密封装置组成。

用户所提供工艺技术参数

设备规格：Φ3.2×55m，产能6000kg/h；

筒体转速：0.1～0.32 r.p.m，筒体斜度4%；

主电机功率：55～75kW，采用变频调速方式。

主传动功率验算

根据《化工设备设计全书》中的介绍，佐野氏公式是常用的计算回转设备传动功率方法之一。它包括：

1.筒体内物料运动需要的动力（克服偏心力矩）

式中：δ-粉体物料休止角，取δ=36°；

Sp-粉体物料的比重，取Sp=1.6t/m3；

C1-充 满 度 系 数0.00457sin3θ，θ是充满度夹角。当筒体充满度系数为15%时，求 得θ=42°，所 以，C1=0.001369143；

C2-充满度系数9.61×10-7（1-cos4δ）。据δ=36°，求得C2=5.5×10-7；

D-筒体有效直径，取D=2.8m；

L-筒体有效长度，取L=50m；

N-筒体转速，取N=0.32r/min。

得：P1=26.6×2.83×50×1.6×0.32×（0.001369143×sin36°+5.5×10-7×2.8×0.322）=12.03马力。

2.筒体旋转所需要的动力

式中：MT—筒体重量（包括附属物），取MT=300t；

所 以，P2=7.016×10-2×300×2.82×0.322=16.9马力。

3.筒体支承部分的摩擦阻力

式中：DT-滚圈直径，取DT=3.9m；

xT-筒体内物料重量，取xT=100t；

μT-滚圈与托轮之间的摩擦系数，0.08～0.1，取0.1；

μB-轴承的摩擦系数，润滑油0.018，润滑脂0.06，取0.06；

DB-轴承内径，取0.28m；

DR-托轮直径，取1.1m；

α-筒体的倾斜度，取0.86°；

γ-滚圈与托轮之间的接触角，取30°；

所以，P3=0.0697×3.9×0.32×（300+100）×（0.1+0.06×0.28/1.1）×cos0.57°/cos30°=4.63马力。

4.总功率

考虑其他因素，取安全系数1.2，则：

P总=1.2P=1.2×33.56=40.27马力=54.79kW。

结论：本煅烧窑选取电机功率55kW是足够的，这样既满足了用户要求，又满足了设计要求，同时预留了合理的富裕系数。

传动系统的选用

根据中铝山东工程技术有限公司在回转窑、冷却机等方面多年积累的丰富的设计与制造经验，考虑到窑体最高转速0.32r.p.m，最低转速只有0.1r.p.m，具有调速要求且减速比太大，特选用具有较高启动转矩的8极变频调速电动机，电机型号确定为：YVF2315S-8，功率：55kW，电压：380V，额定转速：750r.p.m，防护等级：IP44，绝缘等级：F级，采用变频调速控制以达到回转窑的调速要求，驱动一台硬齿面齿轮减速器带动窑的开式齿轮副，减速器与小齿轮轴之间采用传动扭矩较大的胶块联轴器，以增加传动的可靠性及稳定性。如图1所示，大齿圈通过切向弹簧板与窑体连接，这种结构能使齿圈与窑体间留有足够的散热空间，并能减少窑体弯曲变形等对啮合精度的影响，还有一定的减震缓冲作用，有利于延长窑衬的寿命。

1.减速器的选取

根据标准减速机的产品样本选取减速器的速比i=250，最大传递功率为110 kW，功率富余较大。确定减速器的型号为：TE1400-250-ⅤR，i＝250。

2.末级开式齿轮参数的确定

（1）开式齿轮的模数采用类比法确定：决定选取大小齿轮的模数为m=30mm；

（2）开式齿轮的齿数的确定：根据钛白粉煅烧窑的转速需要决定选取大小齿轮的齿数比为：i=168/19=8.84。

图1 传动装置示意图

3.根据上述参数计算窑体的转速

此时窑体最高转速为：n=750/（8.84×250）=0.339r.p.m；

窑体最低转速为：n=220/（8.84×250）=0.099r.p.m。

筒体部分的选用

筒体材料采用能保证五项机械性能（σs、σb、δ%、αk和冷弯试验）的Q235-C钢板卷制，对接处采用自动焊焊接。筒体壁厚：一般为22mm，轮带下为40mm，由轮带下到跨间为30mm厚的过渡段节。在筒体上套有三个材质为ZG310～570的矩形实心轮带，轮带与筒体垫板间的间隙由热膨胀量决定。合理分配筒体各支承点的跨度，使得运转中筒体两端的摆幅较小，可保证窑头窑尾密封的正常使用，并使各档支承装置的结构设计更加合理。

支承装置的选取

按《回转圆筒用托轮、挡轮标准》（HG5-1306～1307-80）中规定：选取适用于系统操作温度较高、需要设置窑衬的重型系列，根据窑体总长55m确定该窑须设置三档支承；根据窑体直径Φ3.2m及滚圈直径Φ3.9m选取托轮直径Φ1.1m宽度0.56m，内孔直径Φ0.32m，托轮材料选取我们厂常用的ZG340～640，托轮轴材料选取调质处理的45#锻钢，最大直径Φ0.32m，总长1.6m；根据窑体回转部分总重400t可知每组支承需承重130t，选取中宽系列的双列向心球面滚子轴承22356（GB288-2002），其额定动负荷为242t，额定静负荷为465t，可以满足窑体内物料偏重时造成的附加载荷；为防止轴向力对轴承造成的危害，特在轴端增加了中低系列的推力向心对称球面滚子轴承9069344（GB303-2002），为减小轴承座体积同时增大承受力选取45°斜面剖分式轴承座。

结束语

由中铝山东工程技术有限公司进行优化设计的国内最大、年产20万吨的三条Φ3.2×55m钛白粉煅烧窑，在中国蓝星化工集团济南裕兴化工有限责任公司组织的招标活动中一举中标。Φ3.2×55m煅烧窑是在保证用户正常使用的前提下，根据国际钛白粉生产行业中较先进的煅烧工艺及生产技术，结合本公司多年来在回转窑、冷却机等大型回转设备中积累的丰富的设计与制造经验研制开发的，该煅烧窑不仅在国内同类产品中具有先进的技术水平，而且最大限度地降低了制造成本，填补了公司的空白，为本公司扩大产品市场、进行多元化发展奠定了基础。相信随着本公司设计制造能力的不断提高和生产业绩的不断增长扩大，中铝山东工程技术有限公司的明天一定会更加美好！