回转电炉进料螺旋输送机的改进

黄焱平

摘要：回转电炉（812.69E0001）为中核建中核燃料元件有限公司812.69项目110-2子项铀回收线的关键设备，用于铀废料的氧化煅烧。该回转电炉与还原炉结构基本相同，但在设备结构和部件加工制造方法等方面均有优化。本文对回转电炉投入使用后的运行情况进行了简单介绍，对转炉运行至今所产生的两次炉筒堵料故障进行了原因分析。重点针对回转电炉关键部件进料螺旋输送机存在的问题进行了深入分析，依据计算数据对进料螺旋输送机进行改进。改进完成后通过生产运行，结果表明本次改进解决了进料螺旋输送机存在的问题，保证了回转电炉的稳定运行。

关键词：回转电炉；进料螺旋输送机；改进

1前言

回转电炉（812.69E0001）是由中核建中燃料元件有限公司委托中国核电工程有限公司郑州分公司设计、南京国祺新能源设备有限公司加工制造。该设备为CJNF812.69项目110-2子项铀回收线中的关键设备，用于铀废料的氧化煅烧，额定生产能力:进料20kg（ADU）/h，出料15kg（U₃O₈）/h。其设备结构与原湿法线还原炉基本相同，由进料螺旋输送机、进料端罩、出料端罩、炉筒、加热室、驱动装置等组成，如图1。相较于还原炉，该回转电炉从设备结构和部件加工方法上都有所优化，如炉筒的无缝钢管加工方式、可拆卸式抄板、加宽的拖轮支撑结构、模块化的加热等。

在回转电炉运行过程中，前后出现过两次炉筒内堵料、进料螺旋卡死的故障。处理炉筒堵料故障需要将回转电炉炉膛温度降至室温，拆开进料端，取下进料螺旋，从而清理炉筒内的物料，检修周期长，对生产影响大，且不利于现场辐射防护。而从两次故障的检修情况来看，两次故障并不是偶然事件，因此从根本上解决炉筒堵料问题，保证回转电炉稳定运行成为了转炉改进的关键点。

2回转电炉炉筒堵料现象和原因分析

2.1故障现象

110-2子项铀回收线氧化煅烧岗位回转电炉自2016年11月开始投入使用，2017年1月正式投产，投产后多次发生炉筒堵料导致进料螺旋卡死的故障。堵料位置如图1。

图 1 回转电炉结构及堵料位置示意图

从图1看出，回转电炉堵料位置位于进料螺旋输送机出料口，当物炉筒物料堆积后，进料螺旋输送机仍然在工作物料在炉筒内堆积的越来越多，直至进入回转电炉的尾气过滤器中。当进料螺旋输送机负载过大时，螺旋卡死。故障后的检修需要待炉温降至室温，抽出进料螺旋输送机，并拆除电炉后出料端罩后端盖，将炉筒及尾气过滤器中的物料全部清理干净，检修难度大，周期长，对生产影响很大，且清理物料过程中现场辐射防护水平很差。

2.2原因分析

如图1所示，物料自物料入口进入回转电炉进料螺旋输送机，通过输送机输送至电炉炉筒，依靠炉体的倾角及炉筒的转动与炉筒内压缩空气混合，经加热室加热氧化后从电炉出料口流出。可以看出，回转电炉炉筒内物料的流动是靠炉体的倾角及炉筒的转动实现，物料在炉筒内部随着炉筒转动，并依靠自身重力从炉筒前端流向炉体后端。因此，物料的流动性、炉筒的倾角和转速、进料速度均可能是炉筒堵料的原因。

2.2.1物料原因

回转电炉需要煅烧的物料为废料，物料的流动性通常较差。较差物料流动性导致物料在炉筒内不易流动，是炉筒堵料的原因之一。但该回转电炉设计制造的目的是煅烧废料，因此回转电炉必须克服物料流动性差的困难，确保满足废料煅烧的需求。降低回转电炉进料量，增加回转电炉的出料量均可有效的降低因物料原因导致的堵料，因此物料不作为炉筒堵料的主要原因。

2.2.2炉筒倾角和转速

回转电炉炉筒的倾角和转速直接影响到物料在转炉炉筒内的停留时间，而停留时间与废料的氧化效果直接相关。提升转速和倾角均可有效的增加转炉的出料，减少物料在炉筒在转炉内的积存。在回转电炉带料试车确定工艺参数时证实在现有倾角的情况下炉筒的转速已无法升高，否则将无法保证物料的氧化效果，证明转炉运行时必须保证物料现有的停留时间。而提升转炉的倾角会减少物料在转炉内的停留时间，因此炉筒倾角和转速不作为炉筒堵料的主要原因。

2.3.3进料速度

回转电炉的进料速度由进料螺旋输送机的单位输送量决定。经统计，回转电炉正常运行时的进料量约为60kg/h，远大于其核定进料量。由于炉筒倾角和转速已经无法提升，炉筒内物料的积存量与进料螺旋输送机的输送量有直接关系。螺旋输送机输送量越大，炉筒中的积存的物料就越多。从图1看出，炉筒堵料的部位位于进料螺旋输送机出口处。物料从进料螺旋输送机中掉落至炉筒，随着炉筒的转动流动至后端，当螺旋输送机输送量过大时，输送机出口处的物料无法及时流走，导致物料在此积存。当物料积存过多将炉筒堵死后，螺旋输送机仍在运行，物料继续输送，导致积存的物料越来越多且越来越紧实，最终导致输送机卡死。此外，从图2可以看出，进料螺旋输送机的螺旋轴螺旋端部在料管内部，导致物料进入炉筒速度不均匀，增加了炉筒堵料的风险。

图
2 进料螺旋输送机结构示意图

综上，进料螺旋输送机输送量过大，螺旋轴过短是回转电炉堵料的主要原因。

3进料螺旋输送机最大输送量核算

3.1进料螺旋输送机

进料螺旋输送机是回转电炉的关键部分，如图2所示，主要由螺旋轴、料管、轴承座、链轮、链条、减速电机等组成，为非标设计。主要功能是在正常工况下电机输出动力，通过变频器调节转速、减速机减速，再通过链传动带动螺旋轴进行物料输送。其减速电机为螺旋输送机的运动参数见表1。

表1 进料螺旋输送机运动参数

减速电机输出转速[r/min]	减速机输出扭矩 [Nm]	电机功率 [kW]	电机频率 [Hz]	电机运行频率 [Hz]	小链轮 齿数	大链轮 齿数	螺旋直径[m]	螺旋螺距[m]
29	490	1.5	50	7	25	35	0.104	0.05

3.2最大输送量核算

螺旋输送机最大质量输送量可按下式计算：

I_m=47βΦρD²Sn^[1]

式中：β—倾斜系数，取β=1；

Φ—物料填充系数，取Φ=0.33；

ρ—物料堆积密度（t/m3），取1.7t/m³；

D—螺旋直径0.104m；

S—螺距0.05m；

n—螺旋转速(r/min)，减速电机输出转速29r/min，小链轮齿数为别为35和25，得出链传动速比=25/35=0.714，因此：n=29*0.714=20.706r/min；

因此：

I_m=47βΦρD²Sn=47×1×0.33×1.7×(0.104)²×0.05×20.706≈0.296t/h

回转电炉额定进料量为I_e=20kg，此时螺旋转速：

电机输入频率与螺旋输送机转速成正比，此时电机运行频率：

_{由上可知，可看出进料螺旋输送机的设计最大输送量远远高于回转电炉的额定进料量，从表3可知道进料螺旋输送机日常运行频率为7Hz，为3.4Hz的两倍。此外，根据回转电炉调试运行时得出的结论，进料螺旋输送机运行频率低于7Hz时螺旋的转动会出现卡顿，转速不稳定现象，且减速电机长期处于低频范围内运行，调频范围非常狭窄，长期运行会影响变频电机和变频器的使用寿命。}

4 方案确定

为解决螺旋进料量过大的问题，从螺旋输送机输送量计算公式可以看出，β—倾斜系数、Φ—物料填充系数、ρ—物料堆积密度、S—螺距、D—螺旋直径、n—螺旋转速，6个参数均影响螺旋输送机的输送量，且均为正比或平方正比关系。因此，若要降低输送量，减小6个参数中的任何一个均可实现。但本次改进是在已投入使用的设备上的改进，因此参数β—倾斜系数、Φ—物料填充系数、ρ—物料堆积密度均无法改变，只能在参数S—螺距、D—螺旋直径、n—螺旋转速上着手。

因减小进料螺旋输送机的螺旋直径需要将整个螺旋输送机全部更换，由于料管的长度不得减少，考虑轴的强度及改进成本及时间因素，该方案不予考虑。因此，本次改进围绕降低螺旋输送机转速及减小螺距进行。

4.1 降低螺旋转速

从上文得知，螺旋输送机转速由电机输出动力，通过变频器调节转速、减速机减速，再通过链传动传递至螺旋轴，因此螺旋轴的转速与变频电机、减速机、传动链轮均有关系。降低变频电机转速、增加减速机和传动链轮减速比均可降低螺旋轴的转速，考虑输送机轴径不便，电机功率无法改变，且更换变频电机及减速机的改动大，本次改进只增加传动链轮的减速比。链轮的采购周期短、成本底，输送机的改进首先从增加传动链轮的减速比着手。

4.2减小螺旋轴螺距

上文中提到，进料螺旋输送机螺旋轴过短，同时其螺距过大，因此对其重新设计，减小螺距，增加长度。为了减少改进的工作量，尽量只对螺旋轴进行改进，因此螺旋轴的改进在原有的尺寸上进行。

5链传动的改进计算

进料螺旋输送机的原链传动为滚子链传动，链条型号GB/T1243 16A-1-75，主动链轮和从动链轮的齿数分别为25和35。因本次改进减速电机并未改变，因此链号仍选用GB/T1243 16A，只需更改链轮减速比即可^[2]。

5.1链传动主、从动链轮齿数的确定

减少主动轮的齿数或增加从动轮齿数均可实现减小减速比。因此主动轮的齿数越少越好。但齿数的减少相应的链轮最大齿侧凸缘直径d_g随之减小，因此，需首先确定主动链轮可选用的最少齿数。取齿数9~20带入公式^[2]：

式中：p—弦节距，等于链条节距为25.4mm；

z—齿数；

h₂—内链板高度24.13mm。

得链轮最大齿侧凸缘直径d_g见表2。

减速电机输出轴直径d_k=50mm，而主、从动轮齿数z₁、z₂取奇数，链条节数取偶数时，可使链条和链轮轮齿磨损均匀，因此主动轮齿数z₁取13^[2]。

表2 各齿数对应最大齿侧凸缘直径d_g

齿数	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
dg（mm） 取整数舍小数	44	52	60	69	77	85	93	101	110	118	126	134

从动轮齿数的确定需要考虑轴能承受的最大许用转矩。原螺旋轴轴径最小处为链轮安装位置，轴径为36mm，由公式^[3]：

式中：T_max—轴能的承受的最大扭矩，N.m；

—许用扭转切应力，取90MPa；

d^’—轴端直径，36mm。

得出螺旋轴最大可承受扭矩为：

减速电机的输出扭矩为490N.m，考虑使用变频器限制减速电机的输出扭矩为原有的50%，即245N.m，此时可得到的最大速比：

则由公式：

得出从动链轮齿数：

取 。

5.2主从动轮主要尺寸的确定^[2]

本次改进未更换链条型号，因此只需确定齿轮如下参数：

d—分度圆直径；

d_a—齿顶圆直径；

d_f—齿根圆直径；

d_h—轮毂直径；

M_R—跨柱测量距。

因齿轮计算过程相同，本文只介绍主动轮的计算过程。

a）分度圆直径

根据公式：

式中：p—弦节距，等于链条节距为25.4mm；

z—齿数13；

得出链轮分度圆直径：

b）齿顶圆直径

要确定齿顶圆直径需确定齿顶圆直径的最大和最小值，即d_amax和d_amin。根据公式：

_{式中：d1—最大滚子直径，15.88mm。}

_{得出最大最小齿顶圆直径分别为：}

_{齿顶圆直径da在最大最小齿顶圆直径中任意选取，此处取齿顶圆直径：}

_da=120mm

_{c）齿根圆直径}

_{根据公式：}

_df=d-d1

_{得出齿根圆直径：}

_{df=d-d1=106.136-15.88=90.256mm}

_{d）轮毂直径}

_{从上述计算中可以看出，链轮齿根圆直径df与最大齿侧凸缘直径dg只差13.256mm，因此齿根圆直径df取值与齿侧凸缘直径d’g相同，而d’g必须小于dg，则本次齿侧凸缘直径d’g取75mm，即齿根圆直径：}

_df=75mm

_{e）跨柱测量距}

_{奇数齿链轮跨柱测量距计算公式为：}

_{式中：dRmin—最小量柱直径，量柱直径dR=d1，极限偏差为：+00.01mm，取dRmin为15.88mm。}

_{得出跨柱测量距：}

_{重复主动链轮的计算步骤可得出从动链轮的主要参数并绘制出其结构图纸。但由于减速比相较于原链轮传动增加了2倍多，其传递的转矩相应增加了2倍多，因此从动轮的结构在设计时考虑了后续螺旋轴因转矩增加带来的轴径增加的可能，将其设计为链轮与链轮毂分开，使用螺栓传动。}

5.3滚子链的节数确定

_{因链条型号未做更改，只需采购一定节数的链条备用，待链轮安装好后根据实际情况调整链条节数。}

6螺旋轴的改进

_{上文中指出螺旋轴的改进主要是减小螺距和增加长度，长度的增加适当进行选取即可，但轴的螺距不能无限缩小，必须考虑物料的形态及输送能力。传动链轮改进后螺旋轴最大转速：}

_{以回转电炉设计进料量得出螺旋轴螺距：}

_{回转电炉煅烧的物料中含有约10mm的块状物，因此螺旋轴螺距选取8.37mm会出现物料无法输送甚至是螺旋轴卡死的现象，无法满足使用要求。为保证螺旋输送机良好的运行状态及物料输送的顺畅，将螺旋轴螺距选取为S、=30mm。}

_{同时，上文中提到原轴链轮段在极限情况下无法承受链轮改进后的输出扭矩，因此需要重新选取链轮段的轴径。由公式:}

_{式中：T—动力系统的输出扭矩，}

_得出：

_{为保证锁止螺母的安装，链轮段轴径选为46mm，锁止螺纹为M50*1.5。因螺纹直径与链轮段直径相差不大，则不再设置轴阶，将链轮的固定方式改为螺纹销钉固定，链轮段长度相应增加。}

_{原螺旋轴距螺旋输送机料管出口约115mm，为保证螺旋轴伸出料管，将螺旋部分长度增加210mm图。}

_{随着螺旋轴链轮段直径的增大及链轮固定方式的改变，需重新加工新的链轮毂和链轮端轴承盖。}

_{综合上述计算结果，选取合适的公差、表面粗糙度等绘制出主动链轮、被动链轮、螺旋轴等改进零部件的结构图纸，进行加工，由于知识产权问题，图纸不做公布。}

7改进后进料螺旋输送机的输送能力核算

_由公式：

I_m=47βΦρD²Sn

_{得出改进链轮及螺旋轴后进料螺旋输送机输最大输送量72kg和在回转电炉额定进料量时输送机的理论运行频率13.89Hz。}

8改进后运行情况

_{新加工的链轮及螺旋轴安装完成后，对回转电炉进行了工艺参数试验，通过设置不同的频率对输送机的实际输送量进行统计，部分结果见表3。可以看出，输送机在理论运行频率13.89Hz附近运行时，实际输送量与额定输送量极为接近，且有一定的调整空间，解决了原有输送机输送量过大问题。}

_{表 3 不同频率下螺旋输送机实际输送量}

	3h		5h		10h
	总量（kg）	平均（kg）	总量（kg）	平均（kg）	总量（kg）	平均（kg）
15Hz	67.5	22.5	110	22	221	22.1
14Hz	63	21	103	20.6	203	20.3
13Hz	57	19	92.5	18.5	186	18.6
12Hz	51.9	17.3	87	17.4	170	17

9结论

_{进料螺旋输送机的改进使得回转电炉能在额定进料量状态下稳定运行，有效的降低了炉筒堵料风险，达到了预期效果。}

参考文献

[1]JB/T7679-2008，螺旋输送机

[2]GB/T1243-2006，传动用短节距精密滚子链、套筒链、附件和链轮

[3]成大仙，机械设计手册，北京，化学工业出版社，2011