硅系矿热电炉旋转机构的设计及计算方法

李游

【摘  要】国内外硅系电炉生产中需配置旋转设备，旋转设备可以带动电炉旋转，使熔池与电极发生相对运动;改善电炉坩埚区结构，使炉底高温区温度分布均匀，防止炉底上涨;促进物料间反应更加的充分，提高生产产量;旋转机构设计的合理性是电炉运行的关键因素之一，本文主要根据资料、标准、设备的实际运行情况对旋转机构的设计计算进行了归纳总结，完善旋转机构设计的准确性和完整性，便于不同参数的电炉旋转机构的设计计算。

【关键词】硅系电炉;旋转机构;设计计算

前言

根据电炉实际冶炼反应区所需的工艺要求，提出对电炉旋转机构的旋转速度要求，并结合旋转机构所承载的重量等已知参数，对旋转机构进行了工艺设计、结构计算;本文分析了旋转机构的工作原理，基于销齿传动机构为核心，介绍了整个机构的理论计算方法。

1、旋转机构的结构及工作原理

旋转机构结构主要分为5部分，上环形销齿机构、滚轮导向机构、下环形固定机构、减速机传动装置及中心导向装置;旋转机构工作原理是减速机传动装置通过上环形销齿机构带动电炉转动，转动过程中需克服上环形销齿机构轨道与滚轮导向机构轮子之间的摩擦阻力、滚轮导向机构轮子与轴之间的摩擦阻力、下环形固定机构轨道与滚轮导向机构轮子之间的摩擦阻力及中心导向装置轴承的摩擦阻力;整个机构通过逐级减速来达到电炉生产时的旋转速度要求。如果在实际的生产中电炉需要更慢的转速，此时可以调节电机的频率降低旋转速度。

2、旋转机构设计时具备的已知参数

2.1、旋转机构带动电炉的总重：M;

2.2、环形销齿机构轨道与滚轮导向机构轮子之间的摩擦系数（低碳钢与低碳钢的滚动摩擦）：0.05（/cm）

2.3 滚轮导向机构轮子与轴之间的摩擦系数（滑动摩擦）：0.01

2.4 旋转机构环形轨道中心圆直径：D

2.5 滚轮导向机构轮子直径：d

2.6电炉冶炼需要旋转机构转速为大于5天/转

3、旋转机构设计及计算方法

根据已知参数，确定旋转机构的驱动力、减速装置的选型、上环形销齿机构参数等主要数据

3.1、确定旋转机构的驱动力F

式中：M—机构总承载（t）;

u 1—环形销齿机构轨道與滚轮导向机构轮子之间的摩擦系数，u 1= 0.05（/cm）;

u 2—下环形轨道与滚轮导向机构轮子之间的摩擦系数，u 2= 0.05（/cm）;

u 3—滚轮导向机构轮子与轴之间的摩擦系数，u3=0.01;

d—滚轮导向机构轮子直径;

—轮轴受压系数;

β—支撑轨弯曲阻力系数（1.1—1.3）;

F0—中心导向装置轴承的摩擦阻力（N）;忽略不计。

3.2、减速装置的选型

减速装置主要有减速电机、齿轮箱、齿轮副组成;

根据机械结构确定齿轮副尺寸和传动比，结合电炉冶炼需要旋转机构的旋转速度及机械效率，可以确定齿轮箱的输出转速;扭矩T=F*r，计算出齿轮箱的输出扭矩，参弗兰德、住友等齿轮箱制造厂家样本可以确定齿轮箱型号。根据确定的齿轮箱输出端参数，计算出减速电机的参数，按选定减速电机厂家参数最终确定减速电机型号。

3.3、确定上环形销齿机构主要参数

3.3.1、按接触强度计算确定销齿直径dp

接触强度计算公式dp≥

F—旋转机构的驱动力;

σHP—许用接触应力;（销齿材料采用45号钢或40cr，经调质处理，硬度为207-255HB或241-285HB，按10r/min查表得σHP值）

ψ—齿宽系数（Ψ=1.5-2.5）。

查表，按对称循环荷载计算销齿许用弯曲应力σF1P：σF1P=σ-1/K*1/SP

按弯曲强度验算校核dp

当σF1 ≤σF1P时，销齿弯曲强度满足，销齿直径dp确定

式中：dp—销齿直径（mm）;

σHp—许用接触应力（MPa）;

σF1P —销齿许用弯曲应力（查表，按对称循环荷载计算销齿许用弯曲应力σF1P：σF1P=σ-1/K*1/SP）

σF1 —销齿计算弯曲应力（MPa）

Ψ—齿轮齿宽系数（Ψ=1.5-2.5）;

b—齿轮齿宽，b=Ψdp（mm）;

F—旋转机构的驱动力;

L—销齿计算长度（夹板间距）1.2-1.6b，mm。

3.3.2、确定销轮齿数Z1

根据一般取值dp/p=0.4-0.5计算出齿距P，在确定销轮齿数Z1=d1*π/p

式中：;

Z1—销齿齿数;

d1—销齿机构销轮节圆直径（mm）;

P—齿距（mm）;

dp—销齿直径（mm）;

3.3.3、销轮夹板厚度校核

销轮夹板厚度δ=（0.25～0.5）dp，验算是否满足挤压强度要求：

根据夹板挤压强度验算公式：σpr=0.05F/ dpδ≤σprp，同时根据抗变形安全系数S=1.2～2，综合考虑确定销轮夹板厚度。

式中：

σpr—计算挤压应力（MPa）;

F—旋转机构的驱动力（N）;

dp—销齿直径（mm）;

δ—销轮夹板厚度（mm）;

σprp—许用挤压应力（对钢Q235，σprp =98-118MPa，对钢Q345，σprp =220MPa）

3.3.4、按弯曲强度验算校核齿轮轮齿弯曲强度

σF2=

σF2 ≤σF2P时齿轮轮齿弯曲强度满足。

式中：p—齿轮齿距（mm）;

σF2P —齿轮轮齿许用弯曲应力（MPa）;

σF2 —齒轮轮齿计算弯曲应力（MPa）;

b—齿轮齿宽（mm）;

F—旋转机构的驱动力

4.结束语

为了使矿热炉生产更加高效、完善，我们采用本文的计算方法，并结合国外的先进技术和经验，通过多次的大量实践和总结，自主研发设计了大型矿热炉炉体旋转的设备。该设备充分兼顾了自动化程度高、节能环保、经济实用、稳定寿命长等特点，完善了大型矿热炉设备自动化程度，填补了国内大型矿热炉旋转设备的技术空白。该设备现已经在哈萨克斯坦63MVA硅铁电炉项目上成功运行，效果突出明显，得到业主及行业的认可和好评。好的设计方案和计算方法是设备设计的基石，掌握了坚实的理论基础在结合系统的专门知识才能设计出理想的设备。

参考文献：

[1].成大先.《机械设计手册》.北京.化学工业出版社，2007

[2].中国铁合金期刊201904期.吉林铁合金有限责任公司.2019

[3].吕亚臣.《重型机械工艺手册》.哈尔滨.哈尔滨出版社.1998

[4].杨树明.《矿热炉设计与应用》.北京.冶金工业出版社.2014

[5].戴维、舒莉.《铁合金工程技术》.北京.冶金工业出版社.2015

（作者单位：辽宁天晟工程技术有限公司）