一种高温物料螺旋输送冷却机结构和性能的试验研究

刘占彬

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

在冶金、电力、化工等行业中常用于松散、流动性较好的高温物料的冷却装置有光筒的圆筒冷却机、夹套式内冷却圆筒冷却机、外浸没式圆筒冷却机以及集成管束圆筒冷却机等，而对于高温情况下易“结圈”具有一定粘性的散料不尽适用，易在冷却装置内壁粘接，使用效果不理想。

某镍厂多膛炉处理后的焙砂需要进行冷却，从750 ℃降温到100 ℃以下，目前采用的是外淋式冷却管式输送+半浸没式回转圆筒冷却输送(如图1所示)，冷却效率低，污染环境，设备故障率高。本文结合工程项目的实际需要，针对性研究物料特性，提出了一种新型结构的高温物料螺旋输送冷却机。

图1 某镍厂冷却设备

螺旋输送机叶片对物料具有轴向力和径向力，利用带有螺旋叶片的轴的旋转，使物料产生沿螺旋面的相对运动，物料受到输送管壁的摩擦力作用与螺旋一起旋转，从而将物料沿轴向推进，同时叶片对物料产生径向摩擦力，阻止物料粘结于筒壁上，既可满足输送功能，又能对筒壁上的粘结物料起到清理作用，具有结构简单，密封性能好，操作安全方便等特点。

采用螺旋输送，如何在有效的距离内，使所输送高温物料达到冷却效果，满足对物料的降温要求是设计时需要解决的重要问题。通常的水冷螺旋输送机水冷目的是为了保证输送高温物料的过程中使输送机主轴等部件免于变形和损坏，而对高温物料在输送过程中的冷却效果研究的较少，本新型结构的高温物料螺旋输送冷却机对此进行了强化研究。

1 物料高温性能试验

由于生产状态下无法实际观察物料高温情况下的流动性、粘性，因此根据某镍厂所提供的焙砂，对物料进行了高温性能试验。把焙砂加入到刚玉管式回转炉中，焙砂在旋转管内向前输送，在低温区运行顺畅，管内壁无粘结物料，到高温区(600～700 ℃)管内壁逐渐粘接，形成结圈，阻碍焙砂顺畅运行(如图2所示)。使用直径5 mm铁棒轻轻捅打结圈位置，粘结物料松散脱落，后续输送到高温区的焙砂又逐步结圈。

图2 物料高温性能试验

试验证明，该焙砂在600～700 ℃之间存在明显的结圈现象，其他温度范围内流动性较好，而高温焙砂的结圈强度较低，施加适当的力即可破坏。反证原厂内所用的半浸没式回转圆筒冷却输送机里设置刮刀装置即为解决结圈粘接问题，因此螺旋输送装置的叶片，类似于刮刀装置，原理上可防止物料结圈粘结。

2 新型螺旋输送冷却机的研究

主要研究满足高温物料输送能力的条件下，如何有效的冷却物料。根据物料高温性能试验和某镍厂现场情况，提出两段夹套式螺旋输送冷却机配置，水和焙砂逆向内冷却技术。冷却水分别在夹套式冷却轴和夹套筒壁内流动，流动方向与高温焙砂输送方向相反，即冷却水从螺旋输送冷却机的出料口方向流向入料口方向，使冷却水温度变化趋势与焙砂温度变化趋势相同。

2.1 螺旋输送冷却机的结构

螺旋输送冷却机由驱动装置、夹套式筒体、螺旋叶片、冷却轴、进出水口、机架等组成，见图3结构简图。筒体为双层夹套结构，内设导流板，构成逆流水道。冷却水从冷却机物料出口端的入水口流入，在导流板的导流下形成冷却水道，从冷却机物料入口端的出水口流出，整个筒体形成冷却单元，从外部对物料进行冷却降温。因物料在部分高温段有结圈效应，输送路径上要保持顺畅，冷却轴既要具有冷却功能，又要具有一定刚度和抗扭强度，满足大跨距无悬挂的使用要求，冷却轴设计为双层夹套空心结构。冷却水从螺旋输送冷却机物料出口端流入冷却轴，通过夹套的环形空间从螺旋输送冷却机物料入口端的出水口流出，从内部对高温物料进行冷却。经计算，螺旋输送冷却机螺旋叶片直径655 mm，螺距350 mm；螺旋轴外径375 mm，内径为325 mm，单段输送距离15 m，两段输送距离30 m,输送物料入口温度为750 ℃，要求物料经过冷却后温度降至100 ℃左右。

1.冷却轴出水口 2.驱动装置 3.冷却夹套出水口 4.物料入口 5.水冷夹套 6.夹套式冷却轴 7.物料出口(第二段物料入口) 8.冷却夹套入水口 9.冷却轴入水口

图4 温度分布图

2.2 螺旋输送冷却机静强度分析

利用ANSYS有限元软件对螺旋输送冷却机的冷却轴进行分析，该单段螺旋输送冷却机的有效输送长度为15 m，在输送过程中，整个长度内焙砂运行速度，水流速度均匀，焙砂和冷却水的重量在输送机腔内均匀分布。通过有限元软件分析冷却轴在温度、自重、冷却水重和扭矩等作用下的变形情况。

图5 总体变形图

简化模型，假定有效输送距离内温降达到要求的情况下，从总体变形云图可以看出最大变形发生在冷却轴的中部，最大变形量9.547 mm，而叶片与筒内壁间隙为12 mm，该变形量下，理论上设备能够正常运行。

2.3 螺旋输送冷却机物料冷却仿真分析

通过数值模拟高温物料在螺旋输送冷却机内降温过程，预测两段螺旋输送冷却机焙砂出口处的焙砂温度，检验相关设备操作参数设置的合理性。焙砂进入螺旋输送冷却机后，冷却水与冷却轴壁、筒壁换热，同时冷却轴壁、筒壁与高温焙砂换热，温度高的焙砂与温度较低的焙砂之间换热。该换热过程以接触换热为主，因此采用基于DEM(离散元)的接触散热模型来预测物料在螺旋输送冷却机内的降温过程。

图6 两段螺旋输送冷却机内温度分布

通过仿真模拟，第一段焙砂温度下降398 ℃，第二段焙砂温度下降208 ℃，最终焙砂出口温度144 ℃，比要求的焙砂出口温度高约40 ℃，在可控范围内，可指导结构优化，进一步提高冷却效果。

3 性能试验研究

为进一步研究该高温物料螺旋输送冷却机的实际冷却效果和性能，按照1∶20比例试制出螺旋输送冷却机模型机一台，如图7所示。螺旋叶片直径65 mm，有效输送长度1.5 m，结构形式和实际设计一致。镍厂的焙砂20 kg，刚玉砖窑加热炉1台，带自动测温，最高加热可达800 ℃。

图7 试制模型机

首先把刚玉砖窑加热炉的出料通过溜管和螺旋输送冷却机模型机的加料口连接，然后把筒壁的进出水口、冷却轴的进出水口均与水循环系统连接，调定螺旋输送冷却机转速和冷却水量。试验时，焙砂连续装入到刚玉砖窑并加热到750 ℃后，通过溜管进入到螺旋输送冷却机，测定进料口焙砂温度650～700 ℃，经过有效长度的冷却，测定出料口的焙砂温度为70～100 ℃，连续正常出料；测定进料口出的冷却轴表面最高温度102 ℃，进水口温度25 ℃，出水口的冷却水温升7～10 ℃。

试验结果初步证明，该螺旋输送冷却机应适用于处理某镍厂的高温焙砂，基本能够达到冷却效果，并保证设备运行的性能，但是试验用焙砂量较少，试验数据尚需进一步分析论证。

4 总结

本文是针对某镍厂特有的原料和工况进行的初步自主研究工作，通过试验确定了物料的特性，提出了适用的输送和冷却方案。通过有限元分析、仿真分析和模型机验证，论证了新型高温物料螺旋输送冷却机结构设计的合理性和物料降温到目标值的可行性，为进一步的深入研究和工业化应用提供了依据，为该镍厂焙砂冷却系统改造做了技术准备。