回转卧式反应釜内物料的运动分析.pdf

第6 0 卷第3 期 20 08 年8 月 有色金属 N o n f e r I 口u sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．3 A u g u s t2008 回转卧式反应釜内物料的运动分析 蒋凯平，杨忠炯 中南大学机电工程学院。长沙4 10 0 8 3 摘 要分析回转卧式反应釜内物料在重力、离心力、摩擦力和螺旋叶片提升力综合作用下的受力平衡，确定了物科在新型 反应釜内产生滑移的条件．计算了在不同填充率和转速下，物料摩擦系数的极限值，为螺旋叶片有效工作提供了可靠的理论基础。 关键词冶金技术；反应釜；螺旋叶片；摩擦系数；滑移 中图分类号T F 3 5 1 ；T F l l l ．3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 7 7 0 3 新型反应釜釜内工作介质为气一固接触反应， 该化学反应为一放热过程，釜内均匀地布置三组冷 却水管，以降低反应釜及釜内物料反应温度，结构如 图I 所示。为使固体颗粒与气体充分接触从而加快 反应速度，反应釜整体旋转，以位于釜体中部的进料 口中心为对称轴在釜体内三组冷却水管间断处分别 焊接左、右螺旋叶片以起到推动和搅拌物料的作用。 位于螺旋槽之间的物料，由于受螺旋叶片、离心力和 釜壁摩擦力作用便随同釜体一起转动并被提升起 来，直至在重力作用下使其沿螺旋槽下滑，从而使物 料得以沿螺旋的轴向方向向釜体两端或中间堆 积【1 J 。由于釜内固体工作介质为密度较大的金属 颗粒，螺旋叶片结构对反应釜内物料的运动起到了 决定性作用，因此有必要对螺旋叶片的有效工作条 件进行研究。 左旋螺旋叶片右旋螺旋叶片 图l 釜体内部结构 F i g ．1 I n n e rs l r L t c t L l r eo fr e a c t o r 1 物料运行状态描述 当反应釜以较低转速运转时，输送状态下的料 槽横断面如图2 所示。在这种情况下，位于螺旋槽 之间的物料，由于受螺旋叶片、离心力和釜壁摩擦力 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 1 作者简介蒋凯平 1 9 8 2 一 ，男，福建莆田市人，硕士，主要从事物 料在反应釜内的流动情况等方面的研究。 作用便随着釜体旋转方向转一定的角度口，自然形 成的各层颗粒基本上按同心圆分布，并沿同心圆的 轨迹升高。在颗粒达到自然休止角a 0 之前，在重力 作用下使物料整体沿螺旋槽往下滑移。从而使物料 得以沿螺旋的轴向方向向釜体两端或中间堆积[ 2 】。 螺旋叶片在物料中的运动状态如图3 所示。 图2 输送状态下料槽横断面与受力示意图 F i g ．2R o u g ht r a n s e c tu n d e rt r a n a p o r tS t a t e a n df o r c es k e t c hm a p 图3 螺旋叶片在物料中的运动状态 F i g ．3 S p i r a lf l i g h tm o v i n gs t a t ei nm e d i u m 2 物料受力分析 假定物料分布均匀，面密度为常量，则物料重心 警参一M越 万方数据 有色金属第6 0 卷 C 的半径是确定的。为方便起见，按图4 所示建立 直角坐标系，则重心C 的坐标为 0 ，r c 。在x o y 面 上。设物料占有闭区域S ，在S 上任取直径很小的 闭区域d 口，积分得式 I ，式中叩 2 ≠一s i n 2 声 ／2 丌 为物料填充率。 I ＼d a 口 Il ，T 2 s i n O d O Is i n O d Ofr 2 d r 0 丌／2 一声～，f ／2 j 5 ，r h ／s i n 口～尺 1 ／3 』s i n O [ R 3 一 h ／s i n O 3 ] d 8 0 ，r ／2 一庐 ～丌／2 庐 1 ／3 R 3 一c o s O ～1 ／3 h 3 二。a g o 0 ，r ／2 一 乒～丌／2 j 6 2 ／3 R 3 s i n ≯一2 ／3 h 3 ￡g ，l 2 ／3 R s i n ≠ 3 o 1 ／A 』Ja y d a 2 ／3 R s i n 乒 3 ／ 础2 D s i n j 6 3 ／ 3 丌刁 1 单螺距内物料自重产生的力矩如式 2 所示，将 式 1 代入式 2 ，得式 3 ，式中I D 一物料堆积密 度，k g ／m 3 ；L 一螺距，m ；R 一反应釜内径即螺旋叶 片外径，m ；≯一物料横断面所对应的中心角， 。 。 M 下 G r c s i n a 呀0 7 r R 2 9 r c s i n a 2 M ， 2 ／3 0 9 L s i n a R s i n l I 3 3 图4 物料重心的确定 F i g ．4C h e c k i n gt h es o l i dc e n t e ro fg r a v i t y 取单个螺距内的一微段圆弧进行研究，物料作 用在微段圆弧上的重力为式 4 所示，式中M N N T c 0 S 口一口 ／c o s a ，N 丁 R [ c o s 0 一a 一c o s 乒] ／ c o s 0 一口 。 t 0 p g L R d O ‘M N 4 由于物料随釜体旋转，物料作用在微段圆弧上 的离心力为式 5 所示，作用在微段上的正压力是重 力和离心力综合作用的结果，其大小为式 6 所示， 式中0 T R o o s t ／c o s 0 一口 。 F c p g L R d O ‘N ％2 ‘ R O T ／2 5 E 0 t 0 c o s O F c 6 由于物料和釜体内壁间的摩擦作用，作用在微 段上的摩擦力为式 7 所示，物料与反应釜内壁间的 摩擦力产生的力矩是各微段上的摩擦力产生的力矩 之和，从图2 中可看出0 的取值范围为 口一乒，口十 声 ，因此力矩为式 7 所示。同时物料还受到螺旋 叶片推动物料提升运动的力矩M L 。 F ， “t 口 R 0 ] P [ F c c o s 0 p g L R d 0 N ％0 2 R O T ／2 ] 7 M N JF r 口 R d O 0 x Z 2 一声～7 r ／2 声 i 坚p L R 3 g 叫2 R 声一s i n ≠c o s 声 8 3螺旋叶片受力分析 在展开状态，若螺旋线用一条斜直线表示，则物 料颗粒B 对螺旋叶片的作用力为P 舍 O B 为该颗 粒与螺旋轴线的距离 ，P 舍可分解为圆周力P 和轴 向力Q 。由于摩擦的作用，P 合偏离了螺旋线的法 线p 角[ 引，如图5 所示。则可知圆周力为式 9 所 示，由此可以得到螺旋叶片对物料的提升力矩为式 1 0 所示，其中口为螺旋导角，口为颗粒与螺旋叶片 的摩擦角，毗 a r c t g [ L ／ 2 ，r O B ] 。 P P 合s i n [ 口 卢 ] 9 M L P 合O B 。s i n [ p a i ] 1 0 切线方向 | P P A 法线方向 图5 物料作用在螺旋叶片上的力 F i g ．5 F o r c eo ns p i r a lf l i g h tb ym e d i u m 4 物料产生滑移条件 为了使物料能够实现轴向输送，而不持续随螺 旋叶片一起旋转，物料颗粒被摩擦力带起导致的料 层倾斜角度在未达到物料的运动安息角a 0 之前滑 落，即物料与反应釜内壁和螺旋叶片存在着相对滑 动，则必须满足式 1 1 和式 1 2 两个条件[ 4 i 。由式 1 1 和式 1 2 可求得式 1 3 和式 1 4 。 M N ≤M r 0 1 1 M L ≤M N M r o ≤2 M r o 1 2 F ≤2 9 s i n a o s i n ≯ 3 ／[ 3 g 叫2 R ≯一 s i n 壬c o s 庐 ] 1 3 万方数据 第3 期 蒋凯平等回转卧式反应釜内物料的运动分析7 9 P O ≤4 ／3 ‘p g L s i n a o R s i n 3 ／[ O B s i n 卢 嘶 ] ’ 1 4 所以当反应釜转速疗和物料填充角不同时，摩 擦系数的极限值参见表1 。 由表l 可知，当摩擦系数， 0 ．2 ，反应釜转速 咒≤5 时，物料的填充系数只有在不超过0 ．5 时，才 有可能使物料产生滑落的状况。因此在高填充率情 况下，有必要在反应釜内装置光滑衬板，以使螺旋叶 参考文献 片有效工作。 表1 摩擦系数的极限值 T a b l e1 U t l l l O f tf r i o r i o ne o e f f i c i e n t [ 1 ] 同学勤，杨晓明，李彦民．管式螺旋输送机的设计与应用[ J ] ．中国建材装备，1 9 9 4 。2 0 4 8 1 0 ． [ 2 ] 林华．煤基直接还原回转窑中的物料流综述[ J ] ．浙江冶金，1 9 8 9 ，2 7 4 2 7 3 4 ． [ 33 孔领德，季新培，王鹰，等．螺旋输送机螺旋体扰度有限元分析[ J ] ．江苏理工大学学报，1 9 9 6 ，1 7 5 1 9 ． [ 4 ] 周恩浦．粉碎机械的理论与应用[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 2 3 3 2 4 7 ． M e d i u mF l o w i n gi nR o t a r yH o r i z o n t a lR e a c t o r J 洲GK a i - p i n 。Y A N GZ h o n g - j i o n g C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n d i t i o n so fs o l i dm e d i u ms l i p p i n gi nr o t a r yh o r i z o n t a lr e a c t o ra r es e t t l e db ys t r e n g t hb a l a n c ea n a l y s i s a m o n gs o l i dg r a v i t y ，c e n t r i f u g a lf o r c e ，f r i c t i o nf o r c e ，a n du p f o r c eb ys p i r a lf l i g h t ．T h eu t m o s tf r i c t i o n ∞e f f i ． c i e n t sa r ec a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tf i l l - r a t ea n dr o t a t i o ns p e e dw h i c hw o u l dp r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf o rt h ee f ． f e c tw o r k i n go fs p i r a lf l i g h t ． K e y w o r d s m e t a U u r g i e a lt e c h n o l o g y ；r e a c t o r ；s p i r a lf l i g h t ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；s l i p 万方数据