劉先明，陸春宏

(1.云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661600；2.云南省化工研究院有限公司，云南 昆明 650228)

云南云天化紅磷化工有限公司現(xiàn)有一套 3.0萬(wàn)t/a 的磷酸二氫鉀生產(chǎn)裝置，該裝置采用濕法磷酸萃取法生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)過(guò)程中因濕法磷酸中含一定量的鈣、鎂等雜質(zhì)，萃取后生成了磷酸鈣、磷酸鎂等水不溶物。這些水不溶物通過(guò)板框壓濾機(jī)后得到含水率為45%～50%的磷鉀肥。目前采用滾筒干燥機(jī)對(duì)磷鉀肥進(jìn)行預(yù)干燥。因物料顆粒細(xì)、含水量高、黏性大，進(jìn)入干燥機(jī)后黏附在主機(jī)滾筒上，導(dǎo)致滾筒干燥機(jī)故障率高、干燥效率低，嚴(yán)重制約了裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 滾筒干燥機(jī)簡(jiǎn)介

滾筒干燥機(jī)由進(jìn)料口、轉(zhuǎn)筒、抄板、下料螺運(yùn)機(jī)等組成[1]，濕磷鉀肥進(jìn)入滾筒干燥機(jī)后，靠滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)抄板把物料揚(yáng)起[1]。但由于滾筒轉(zhuǎn)速慢(8 r/min)、物料含濕率高、黏性大等，較難將濕磷鉀肥沿軸向推動(dòng)，導(dǎo)致物料在滾筒內(nèi)堆積，最終被迫停車(chē)清理。

滾筒干燥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于磷鉀肥水份含量高，粘性大，為克服滾筒內(nèi)壁、抄板黏附物料嚴(yán)重，干燥效率低等一系列問(wèn)題，擬對(duì)滾筒干燥機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。

2 滾筒干燥機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

2.1 進(jìn)料段結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

進(jìn)料端由原來(lái)的連續(xù)螺旋抄板改為間隙抄板[2]，并于60°間段、錯(cuò)位安裝，使進(jìn)料通過(guò)滾筒旋轉(zhuǎn)變得均勻，減少了物料的擠壓和摩擦，有利于保持物料原有的塊狀形態(tài)，更容易經(jīng)破碎后進(jìn)入氣流干燥段。

2.2 干燥段結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

拆除原干燥機(jī)中部段的抄板，打磨清除抄板焊接位置殘留的焊渣，確保滾筒內(nèi)壁光滑。干燥機(jī)內(nèi)新增破碎裝置，包括：傳動(dòng)電機(jī)，傳動(dòng)連接部件(皮帶輪、三角帶)，破碎軸，短軸及刀片等附件。

破碎軸由新增加的傳動(dòng)電機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)的方式在滾筒干燥機(jī)內(nèi)與滾筒干燥機(jī)同方向高速旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的物料被刀片向上拋撒、破碎形成細(xì)小的顆粒，增大物料表面積，使物料與進(jìn)入干燥機(jī)的熱風(fēng)充分接觸、快速干燥后進(jìn)入滾筒干燥機(jī)的卸料端[4]。同時(shí)破碎軸與滾筒形成轉(zhuǎn)速差，通過(guò)短軸上的刀片切屑黏附在滾筒內(nèi)壁的物料，減少滾筒內(nèi)壁結(jié)料。破碎裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 破碎軸的結(jié)構(gòu)裝置示意圖

2.2.1 破碎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)原始數(shù)據(jù)

滾筒直徑φ1500 mm；滾筒長(zhǎng)度 6000 mm；滾筒最大轉(zhuǎn)速 20 r/min，變頻調(diào)速。滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)：型號(hào)132S-4，功率 5.5 kW,轉(zhuǎn)速 1440 r/min。滾筒驅(qū)動(dòng)減速機(jī)：型號(hào)BWY-4，速比1∶71, 扭矩 2239 N·m。

2)破碎裝置電機(jī)及減速機(jī)選型

電機(jī)型號(hào)：Y160L-4；轉(zhuǎn)速：1460 r/min；功率：15 kW，帶變頻調(diào)速。皮帶輪：電機(jī)端φ150 mm，破碎軸端φ500 mm。三角帶：B-2030。破碎軸傳動(dòng)比：1∶3.3。破碎軸轉(zhuǎn)速：200 r/min，可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整破碎軸轉(zhuǎn)速。

3)破碎軸結(jié)構(gòu)與材料的選擇

破碎軸使用圓截面階梯形直軸，通過(guò)調(diào)心滾子軸承與機(jī)架相連，軸上的零部件都圍繞著軸心線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成與軸為基礎(chǔ)的軸系部件。根據(jù)原干燥機(jī)的長(zhǎng)度，將破碎軸設(shè)計(jì)為兩端實(shí)心中間部分空心的形狀。

軸的材料應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性、耐磨性等方面的要求。結(jié)合實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)兩端實(shí)心部分采用45#圓鋼制作，中間段空心軸采用20#無(wú)縫鋼管制作。

4)破碎軸強(qiáng)度計(jì)算

按照主要承受轉(zhuǎn)矩軸的強(qiáng)度計(jì)算，估算最小軸徑。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為[5]：

(1)

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為軸所受的轉(zhuǎn)矩，N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；d為計(jì)算截面處軸的直徑，mm；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。

初步設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，由式(1)得到軸徑的估算值，但考慮該軸既承受轉(zhuǎn)矩又承受彎矩，軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τT]應(yīng)適度降低，以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。軸的軸徑估算為[5]：

(2)

對(duì)于實(shí)心軸，查表得：45#鋼A在126～103?？紤]該軸較長(zhǎng)，取A=126。破碎軸軸端需要開(kāi)一個(gè)鍵槽，軸徑需要增大3%～5%[5]，取5%，所以[5]：

(3)

對(duì)于空心軸：

(4)

5)破碎軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

破碎軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 破碎軸結(jié)構(gòu)示意圖

為滿足工業(yè)生產(chǎn)中不可預(yù)見(jiàn)的載荷，將軸進(jìn)行放大設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)如下：

軸段1與皮帶輪連接，采用圓柱形伸軸d=70 mm，長(zhǎng)度略長(zhǎng)于皮帶輪輪轂，取L=85 mm。軸段2屬過(guò)渡段，軸徑d=80 mm，長(zhǎng)度L=50 mm。軸段3與軸承配合，軸徑d=90 mm，長(zhǎng)度L=110 mm，軸承選用調(diào)心滾子軸承23218。軸段4屬過(guò)渡段，軸徑d=100，長(zhǎng)度L=50 mm。軸段5與空心軸于插入的方式連接，軸徑d=123 mm，插入深度L=50 mm。軸段6為空心軸，選用20#無(wú)縫鋼管φ159×20 mm，長(zhǎng)度略小于筒體長(zhǎng)度，取L=6210 mm。軸段7與空心軸于插入的方式連接，軸徑d=123 mm，插入深度L=50 mm。軸段8屬過(guò)渡段，軸徑d=110，長(zhǎng)度L=130 mm，軸段7與軸段8變截面采用圓弧過(guò)渡R=10 mm。軸段9屬過(guò)渡段，軸徑d=100，長(zhǎng)度L=50 mm。軸段10與軸承配合，軸徑d=90 mm，長(zhǎng)度L=110 mm，軸承選用調(diào)心滾子軸承23218。

破碎軸總長(zhǎng)L=7025 mm。

6)破碎軸的校核

按破碎軸主要承受扭矩來(lái)校核破碎軸的強(qiáng)度，破碎軸承受的扭矩[5]：

(5)

由圖2看出，1與5位置是能承受轉(zhuǎn)矩最小位置，屬于危險(xiǎn)截面。

截面1承受的轉(zhuǎn)矩為 716250 Nmm，應(yīng)力[5]：

(6)

滿足強(qiáng)度要求。

截面2承受的轉(zhuǎn)矩為716250 Nmm，應(yīng)力[5]：

=1.27 MPa≤[δ-1]=40 MPa

(7)

滿足強(qiáng)度要求。

2.3 振動(dòng)錘優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)料段、干燥段筒體外壁新增加2組振動(dòng)錘，每組3個(gè)，沿干燥機(jī)筒體徑向120°安裝。在進(jìn)料段、干燥段筒體外壁焊接支架，振動(dòng)錘通過(guò)柱銷(xiāo)活動(dòng)安裝在支撐架上，筒壁上錘擊位置安裝墊板，減少錘擊時(shí)對(duì)筒體的損傷。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 振動(dòng)錘結(jié)構(gòu)及布置示意圖

3 優(yōu)化后運(yùn)行過(guò)程描述

磷鉀肥由前端皮帶輸送機(jī)送至干燥機(jī)入口后經(jīng)過(guò)溜槽及星型給料器進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)料端[1]，濕物料進(jìn)入干燥器后,高濕的物料被轉(zhuǎn)動(dòng)的筒壁上的抄板抄起到頂部后下落；在下落過(guò)程中，熱風(fēng)從通風(fēng)口進(jìn)入，并從物料表面穿過(guò),對(duì)濕物料進(jìn)行加熱、干燥。

表面干燥后的物料，進(jìn)入破碎段，在破碎軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下，破碎軸與滾筒形成轉(zhuǎn)速差。通過(guò)短軸上的刀片，切削黏附在滾筒內(nèi)壁的物料。同時(shí)，滾筒內(nèi)的物料被向上拋撒、破碎，形成細(xì)小顆粒，并與熱風(fēng)充分接觸、快速干燥。達(dá)到要求的水分后，在風(fēng)力的推動(dòng)作用下,物料由滾筒的另一端卸出。

干燥機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，安裝在筒體上的振動(dòng)錘間斷敲擊筒體，將內(nèi)側(cè)壁上黏附的物料敲落，減少滾筒內(nèi)壁黏附的物料。

設(shè)備運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 設(shè)備運(yùn)行情況示意圖

4 優(yōu)化改造后的運(yùn)行效果

改造后的滾筒干燥機(jī)于2020年投入使用。磷鉀肥干燥系統(tǒng)生產(chǎn)能力由改造前的0.5 t/h提升至 2 t/h，產(chǎn)能提升效果明顯；運(yùn)行周期由改造前的2～3 d 提高到 15 d，未出現(xiàn)物料黏附筒壁、振動(dòng)值超標(biāo)等現(xiàn)象，有效解決了物料黏附筒壁的問(wèn)題。