电窑设计.doc

1　前言
    φ800回转窑是用于彩偏磁芯、陶瓷、硬质合金生产的专用预烧设备。由于回转管直径（φ800）较大，特别适用于大批量彩偏磁芯生产的预烧工艺。其特点是：能保证原料有充分的预烧时间，充分满足生产工艺的要求；窑温采用微机控制，偏差不超过±5℃；窑体采用钢制结构，选用优质耐热砖、保温砖砌成，保温性能良好；回转窑高温段采用OCr25Ni20不锈钢热轧板加工，耐温1150～1180℃，寿命长；回转管转动采用摩擦传动,维修方便；送料器采用变频调速控制：280～450kg/h，匀速可调；后段采用冷却装置，保证了设备的使用寿命；窑体两端采用防尘装置，满足环保要求；炉盖采用I型（槽钢）、δ＝5mm钢板及优质保温棉，结构便于拆卸、安装等等。非常适用彩偏磁芯生产工艺要求。经我厂两年多的运行表明，该窑技术性能及粉料质量达到设计要求，长期工作性能稳定。主要特点为：
　　（1）能耗低,节能显著。与外热式φ500回转电窑(以下简称φ500窑，其额定功率为180kW)相比，节能达25％～30％。
　　（2）生产率高，产量是φ500窑（产量110kg／h）的4倍，而投资成本仅为4台φ500窑的2／5。
　　（3）粉料预烧充分。由于φ800窑的高温区（8000mm）比φ500窑的（5000mm）长；φ800窑回转管直径（800mm）比φ500窑的（500mm）大，从而能保证粉料充分预烧。
　　（4）全自动长期运行，自动化程度高，减轻劳动强度。

2　主要技术参数
　　（1）外形尺寸：16200×2454×3607mm（长×宽×高）；
    （2）额定温度：1180℃；
    （3）额定功率：450kW；
    （4）控温精度：±5℃；
    （5）炉表温升：≤60℃；
    （6）粉料出口温度：≤80℃；
    （7）回转管回转速度：0．5～1．5r／min；
　　（8）回转管尺寸800×14580×10mm（外直径×长度×厚度）；
　　（9）回转管重量：3100kg（31000N）；
    （10）回转管高温段长度：8000mm；
　　（11）回转管高温运行时的纵向膨胀量：227mm；
    （12）可调炉体倾角：1．5°～3°；
    （13）产量：约440kg／h；
    （14）发热体：铁铬铝电阻丝；
　　（15）温度控制：AI人工智能；
    （16）回转系统控制：PLC及接近开关。

3　结构设计
3．1　基本结构
　　外热式φ800回转窑的结构如图1所示，主要由炉体、回转管、回转系统、温度控制系统组成。加热方式是对回转管的外壁进行加热。炉体为加盖组合式，便于制造、安装、维修。炉壳采用型钢焊接，炉体底部设计调整炉体倾角的丝杆机构。发热体在炉体内的两侧及底部分五组布置。炉前进料端的集尘箱设计排气孔，该排气孔能起一举两得的作用：一是排除回转管内的废气；二是将回转管高温段内的热量往前抽，使刚进回转管前段内的粉料得到充分的预热，起到节省能耗的作用。
3．2　炉膛横截面的尺寸确定
　　我们知道要确定炉膛的横截面尺寸，首先要计算出回转管回转时的最大跳动量也就是说要保证回转管在回转时不和炉膛发生摩擦碰撞现象，必须满足以下条件：炉膛横截面尺寸（宽或高）≥回转管外径D＋最大跳动量f。影响最大跳动量f的参数有：回转管的冷态直线度f1和回转管在高温1180℃运行时的挠度f2。它们之间的关系为：　　
f＝2（｜f1｜＋｜f2｜）    （1）
f1是设计回转管时图纸上给出的要求：
f1≤±6mm。
    下面我们来计算f2。挠曲方程：　　
f2＝－5qL4／384E1180℃I    （2）

式中：q为回转管的均布载荷（N／m），L为回转管两个支承点的距离，E1180℃为回转管在1180℃的蠕变强度（Pa），I为回转管的惯性矩（mm4）。
    q＝回转管重量／支点距离＝31000N／10500mm＝2．95N／mm；
　　L＝支点距离＝10500mm；
    查表：E1180℃＝0．04MPa＝4×104Pa。
　　根据管惯性矩公式：I＝0．1×D4外（1－a4），其中a＝d内／D外，D外＝800mm,d内＝780mm。
　　代入公式得：I＝0．1×8004［1－（780／800）4］＝3．95×109（mm4）。
    因此可计算出
　　f2＝－5×2．952×105004／384×4×104×3．95×109＝－2．97≈－3（mm）
    故代入最大跳动量公式，得：
f＝（2（｜±6｜＋｜－3｜）＝18（mm）。
　　因此，炉膛横截面尺寸宽或高≥800mm＋18mm＝818mm。
　　在此基础上考虑发热体的安装和维修方便取横截面（宽×高）＝1020×1120mm。
3．3　炉膛长度及砌体外形尺寸的确定
　　考虑到使粉料充分预烧和提高产量（440kg／h）的要求，取炉膛长度为8000mm。那么，根据炉膛尺寸（8000（长）×1020（宽）×1120（高）mm）和高温耐火及保温材料的选用来确定砌体外形尺寸。选择时，我们从材料的强度、耐温性能、导热性能、耐蚀性及价格因素等多方面考虑。回转窑作为连续使用的设备，蓄热损失是一个定值，因此，炉膛内衬砖选用重质耐火材料（如刚玉砖）。除了初次蓄热量较大外，在强度、寿命、耐腐蚀性方面均优于轻质材料，且由于蓄热量多，热惯性大，有助于炉膛温度的稳定。但保温层要尽量选择轻质、导热系数小的材质，如硅酸铝保温棉。根据窑墙的温度梯度，分层选择不同的保温材料。在此基础上，考虑炉表温升≤60℃，确定砌体外形尺寸为：9200×1900×1700mm（长×宽×高）。
4　电气设计
4．1　加热功率的确定
    根据经验公式
P理＝c·τ－0．5·F0．9·t1．55     （3）
式中：P理为理论耗能总功率（kW）；c为热量损失系数；τ为升温时间（10h，生产工艺给定）；F为炉膛内表面积（m2）；t为炉膛最高温度（约1200℃，生产工艺给定）。
    F＝炉膛横截面周长×炉膛长度＝2（1020＋1120）mm×8000mm＝3424×104mm2＝34．24m2。
　　对于要求炉表温升≤60℃的窑炉，热量损失系数取7．5×10－4。
    将以上已知数代入（3）式得：
P理＝7．5×10－4×10－0．5×34．240．9×12001．55＝337（kW）
一般取　P实＝KP理    （4）
对连续作业的回转窑，K＝1．2～1．3，取中间值K＝1．25，则
P实＝1．25×337kW＝421kW。
为了保证设备不处于满功率的工作状态，提高设备的使用寿命，须保证7％的功率余量：
P加热总功率＝P实·（1＋7％）＝421kW×1．07＝450．47kW≈450kW。
4．2　加热功率在炉膛内的分配
　　（1）由于加热总功率为450kW，分五组加热，那么每组为90kW。
　　（2）由于炉体是加盖组合式结构，所以每组的功率，可在炉体的两个侧面和底面进行分配：每面平均为30kW。
4．3　控制方式的确定
　　（1）温度控制采用AI人工智能控制方式。执行部分采用晶闸管模块调（电）压方式。这种模块的体积小，是现代电子技术的发展方向，适于组成集散计算机温度控制。
　　（2）回转管回转速度的控制系统采用带PLC功能的变换器控制，采用接近开关，对回转管因故障停转时进行报警。微机定时采集回转管转速数据，并存储待查。
　　（3）为了方便地对φ800窑的各参数进行设定、记录、查看、打印、控制等，选用了可靠性高的工控微机进行监控。
　　（4）出料口装电子秤，把出料情况的变化信息传递到工控微机进行监控。

5　机械设计
5．1　回转管转动的阻力矩计算
　　计算回转管转动的阻力矩，以便合理选用减速机型号。阻力矩计算公式：
M阻＝I0ε    （5）
式中，I0为转动惯量（kgm2），ε为角加速度（rad／s2）。其中转动惯量
I0=1/2m0r2

式中，m0为回转体的质量（kg），r为回转半径（m）。代入已知参量得

　　因此选用结构紧凑、体积较小的摆线针轮减速机，型号为：XWED53－385－0．55。
5．2　回转管高温运行时的纵向膨胀量计算
    根据ΔL＝L·ap·Δt    （6）
式中，ΔL为膨胀量，L为物体长度，ap为平均膨胀系数（10－6／℃），Δt为温度变化（℃）。
    因为L＝10500mm，查表并取ap＝18．6×10－6／℃，Δt＝最高温度－室温＝1180℃－20℃＝1160℃，将以上数值代入（6）式：
ΔL＝10500mm×18．6×10－6／℃×1160℃＝227mm。
所以操作工人在控制窑炉升温过程中要注意回转管纵向膨胀量的变化，避免由于回转管的纵向膨胀，发生与其它机构相碰撞的现象。
5．3　产量估算
    根据经验公式：
Q＝S·L·k·W／t
式中，Q为产量（g／h）；S为回转管的横截面积（4780cm2）；L为高温区长度（800cm）；k为料粉在回转管内占横截面积的百分比，根据试验的经验数值，k＝2％～3％，取k＝2．7％；W为粉料的密度（1．4g／cm3），t为生产工艺给定的预烧时间（0．33h）。所以，
Q＝4780cm2×800cm×2．7％×（1．4g／cm3）／0．33h＝438021g／h≈440kg／h。
6　设计效果与设想
　　该φ800窑是我厂工程技术人员自行设计制造的窑炉，也是目前国内最大产量的外热式回转电窑。通过两年多的使用，各项技术性能指标都达到了要求。为了企业更好地节能降耗，提高生产率，我们大胆地设想：研制外热式双管φ800回转电窑。对能源紧张的我国来说，这是一项很值得研究的工作。