酯硬化水玻璃砂加热装置的设计

1、 8t/h酯硬化水玻璃砂加热装置的设计摘 要酯硬化水玻璃砂的再生分为常温再生和加热脆化再生二种。加热脆化再生因其再生效果好而受到铸造工作者的青睐。本课题的任务就是要设计一种酯硬化水玻璃砂脆化再生加热装置，以满足铸造生产的需要。本文分析了国内外酯硬化水玻璃砂脆化加热设备的发展现状以及普通加热设备的发展情况，在此基础上确定了以柴油为燃料，采用三回程滚筒往复式承载结构，一端为进料口并抽风，另一端为出料口并和燃烧器相连的酯硬化水玻璃砂再生加热装置设计方案。当再生砂进入滚筒后，往复式结构保证了砂子与滚筒壁充分的接触，利于传导换热和辐射换热的进行，大大提高燃料的利用率，保证了加热质量。依据设计方案对加热装

2、置进行了热平衡计算，确定了燃料的用量、燃烧器的型号以及燃烧室的相关结构参数；对传动系统进行了计算，确定了传动系统所采用的形式、动力消耗以及各传动部件的结构参数；对设备的整体结构及各部件的结构进行了设计，绘制了该装置的总图、部件图及部分零件图。关键词：水玻璃砂；酯硬化；再生；加热装置；设计ABSTRACT The ester hardening sodium silicate granulated substance regeneration divides into the normal temperature regeneration and the heating embrittlemen

3、t regenerates two kinds. The heating embrittlement regeneration good receives the casting worker's favor because of its regeneration effect. This topic duty is needs to design one kind of ester hardening sodium silicate granulated substance embrittlement regeneration heat installation, satisfies

4、 the casting production the need.This article has analyzed the domestic and foreign ester hardening sodium silicate granulated substance embrittlement heater development present situation as well as the ordinary heater development situation, had determined in this foundation take the diesel oil as t

5、he fuel, uses three return trip drums toward the multiple load bearing structure, an end for feed head and convulsion, another end for discharge hole and with burner connected ester hardening sodium silicate granulated substance regeneration heat installation design proposal. After green sand for ca

6、stings enters the drum again, had guaranteed toward the multiple structure the sand and the drum wall full contact, favors the conduction heat transfer and radiation heat transfer march, enhances the fuel greatly the use factor, has guaranteed the heating quality.Has carried on the heat calculation

7、based on the design proposal to the heat installation, has determined the fuel amount used, the burner model as well as the combustion chamber related design parameter; Has carried on the computation to the transmission system, had determined the transmission system uses form, power consumption as w

8、ell as various transmissions part design parameter; Has carried on the design to the equipment overall construction and various parts structure, has drawn up this equipment assembly drawing, the part chart and the partial detail drawings. Key words: Sodium silicate boning sands; Ester hardening; rec

9、laiming; Heating equipment; designing.1 前言1.1 选题背景自1947年水玻璃砂CO2吹气硬化方法问世以来，一度由于水玻璃加入量过多（68%），导致水玻璃砂溃散性差、旧砂再生困难等问题，使其应用受到很大限制。随着水玻璃砂酯硬化工艺的应用，水玻璃旧砂的溃散性得到了明显的改善，使得水玻璃旧砂的干法再生成为可能。酯硬化水玻璃砂干法再生有两种工艺方法，一种是在常温下进行再生的普通干法再生工艺，该工艺方法在不对需要再生的旧砂进行加热的基础上直接进行机械再生，工艺流程简单，再生成本低，但再生砂的质量较低，铸造工艺性差。其二是先对需要进行再生的旧砂进行加热脆化，然后再

10、进行机械再生。由于在脆化加热的过程中，将具有塑性的水玻璃膜变成了脆性膜，从而提高了机械再生的脱膜率，提高了再生砂的质量，再生砂的铸造工艺性能得到了改善。课题的目的就是开发一种用于酯硬化水玻璃砂加热脆化的再生前加热装置，以满足酯硬化水玻璃砂再生的需要。对酯硬化水玻璃砂进行再生处理可以减少铸造废砂的排放量，减少因旧砂排放而对环境以及地下水造成的污染，同时可减少新砂的用量。对酯硬化水玻璃砂进行再生处理，保护了环境和自然资源，具有明显的社会效益和经济效益，有着良好的工业应用前景。1.2国内发展现状国内酯硬化玻璃砂加热脆化设备的发展现状近年来，随着现代社会对环境的质量要求越来越高，水玻璃砂在环保方面的优

11、势重新引起铸造工作者的重视。20世纪70年代，随着水玻璃有机酯自硬法、真空置换硬化（VRH）法、微波烘干法等新工艺相继开发成功并应用于生产，型砂中水玻璃的加入量减少到CO2吹气硬化法的1/21/3，特别是近年来在水玻璃硬化机理方面深入研究所取得的进展，加上各种改性水玻璃和溃散剂的开发和应用，在解决水玻璃砂溃散性、旧砂再生和回用方面取得了突破性进展。目前国内水玻璃砂再生多采用普通干法，其次是湿法。加热脆化机械干法再生国内仅有江苏锡南铸机厂一个厂生产。其加热装置采用了立式焙烧炉，利用燃料燃烧产生的热量加热介质空气，通过高温空气加热砂子。该装置采用了逆流换热的方式，即冷砂自上而下下落，高温热气流自下

12、而上流动。当热砂下落到燃烧室时，与燃烧的高温火焰直接接触，又进一步升温焙烧，最后从炉底部的出砂口流出。该设备品种单一，热效率低，生产率低，不能完全满足铸造生产企业的需要。国内大吨位自硬砂热法再生旧砂熔烧炉几乎是空白，少数几家进口焙烧炉，价格都在每台250270万元人民币左右，一般工厂难以承受。国内开发热效率高，生产率高的酯硬化水玻璃砂加热脆化装置势在必行。国内外普通加热设备的发展现状目前国内外常用的高温加热设备主要有沸腾床式加热装置、水平式单滚筒加热装置、立式加热炉等。沸腾床式加热装置可分为床上燃烧和床下燃烧两种。床上燃烧沸腾床式加热装置利用可调节的燃气/空气在沸腾床内按一定的比例混合，混合气

13、体在砂层中燃烧，使砂子获得加热。床下燃烧沸腾床式加热装置的燃烧室在流化床的下方，可采用燃油或燃气为燃料，其燃烧产生的热气流从沸腾床的下方鼓入砂层，使砂子获得加热。目前，由于沸腾加热技术的复杂性，一般在铸造生产中所应用的沸腾床加热装置的生产率小于每小时1.5吨，对大型沸腾床加热装置的控制技术仍需进一步研究和探讨。水平回转炉式加热装置可将物料加热到较高的温度，并且工作可靠，制造方便，但一般轴向尺寸较大，如水泥行业所用的转窑，其长度可达到几十米，占地面积大，直接引入铸造旧砂再生系统不合适，如果将其长度缩短，将大大降低其热效率并影响到对物料的加热效果。如果利用其工作可靠，制造方便的优点，克服其轴向尺寸

14、大的缸点，来开发一种新型高温加热装置，将不适为一种好的设计方案。垂直式加热炉是将炉体建成垂直的筒状，在炉子的中心有垂直安装的呈树枝状的多层导流叶片，物料从炉子的上方加入，经导流叶片的分散作用呈雨淋状下落并和上升的热气流进行对流换热，砂子被加热。由于砂子靠重力下落，下落速度快，在炉内停留的时间短，加热效果差。为了保证加热效果，就要将炉子加高，以延长砂子下落过程中在空气中的停留时间，因而使炉子比较高大，占用的空间大，从而限制了其应用。 图1酯硬化水玻璃砂加热装置方案图1密封罩 2滚筒 3传动系统 4加热装置1.3 酯硬化水玻璃砂加热装置设计方案如上所述，我们利用滚筒加热装置结构简单，制造方便，理论

15、比较成熟的优势，结合铸造旧砂再生系统要求设备结构紧凑的特点，制定了将加热滚筒做成三层的三回程滚筒加热设计方案，其方案如图1所示。三回程滚筒加热装置由加热部分、传动装置、承载滚筒以及气流诱导系统组成。我国常用的燃料种类有三种：固体燃料、气体燃料和液体燃料。固体燃料主要是煤炭，而我们所设计的装置力求结构简单，如果采用固体燃料，加热装置将会占据相当大的空间，使总体结构复杂化，并且固体燃烧燃烧过程中容易产生灰尘，对砂子造成污染，因此没有采用固体燃料。气体燃料与固体燃料相比，克服了固体燃料的弊端，是一种好的洁净能源，但气体燃料的应用还不很普及，许多铸造企业没有燃气的供应。液体燃料发热量高、废物含量少、灰

16、分低、便于运输，可获得近似于气体燃料的燃烧火焰，因此在本设计方案中选择了重油为燃料，选用燃油式标准燃烧器，以提高设备的标准化水平，缩短设备的生产周期，同时提高了燃烧设备的工作可靠性。承载滚筒采用往复式承载结构，由内滚筒、中滚筒和外滚筒三层组成。物料从外滚筒加入，然后进入中滚筒，最后从内滚筒的端部排出。在此过程中，砂子要和滚筒之间、砂子和热气流之间进行对流换热，最终被加热到所要求的温度。该结构因是套装组成，既保证砂粒的烘干行程，同时保证了砂子与滚筒壁充分接触，利于传导换热和辐射换热的进行，大大提高燃料利用率，保证加热质量。而且减少了占地面积，传动平稳，运行可靠，消耗的动力不大。热气流诱导装置的目

17、的是诱导由燃烧器产生的热气流在滚筒做定向流动，从而保证热气流和滚筒以及和砂子之间的对流换热。传动装置借用了S625三回程水玻璃砂烘干滚筒的滚筒承载结构，与其不同的是，我们选用YTC752齿轮减速电动机提供传动动力，利用链传动进行连接。这种选择在满足传动要求的同时，保证了传动平稳，而且使得传动系统结构简约化。综上，与其他几种高温加热设备相比，该装置结构简单，成本低廉，能够满足自硬砂焙烧温度的要求。而且可以填补当前酯硬化水玻璃砂再生加热装置的空缺，并且制造成本低，一般工厂可以承受。 2设计计算2.1 热平衡计算1本课题所设计加热装置属热工设备的一种，热平衡是其赖以工作的基础。参照有关设计经验，取热

18、效率为70，在此基础上进行了热平衡计算。热源放出的热量，一部分通过热传导传给滚筒，再由滚筒通过热传导换热传给水玻璃旧砂，实现旧砂加热。另一部分由热气流带入滚筒，通过对流换热对砂子进行加热。还有散失热量包括滚筒壁向外界散失的热量和空气带走的热量。1.热气流在滚筒内放热qa （2） qa=(cata-ca”ta”)v式（2）中ta ta”分别为热气流进、出滚筒时的温度。 ta=600ta” =80 ca、 ca”分别为热气流在600和80时的比热。 ca=0.266千卡/公斤·度 ca”=0.241千卡/公斤·度2 v进入滚筒的热气流量（公斤/时）。则 qa=（0.266

19、15;6000.241×80）v=140.32v(千卡/时)2砂子在滚筒内吸收的热量qs qs=cs(ts”-ts)Q （3）式（3）中cs湿砂的比热 cs=0.25千卡/公斤·度 ts、ts”砂子进、出滚筒时的温度。 ts=20 ts”=350Q该设备的生产率 Q=8000公斤/时则 qs=0.25×（350-20）×8000=660000（千卡/时）3滚筒壁向外界散失的热量这部分热量包括辐射散热和自然对流散热两项，即 qb=qb1 + qb2 （5）式 （5）中qb1滚筒外壁向外界的辐射散热（千卡/时）。qb2滚筒表面与空气自然对流散热（千卡/时）。

20、1）求qb1 qb1=12F112C0- C0 （6）式（6）中12两传热物体的系统黑度，在设备的情况下。 12=1=0.657详见机械工程手册（以下简称手册）表6.5-112两传热物体的角系数。 由手册表6.5-3查得 12=1F1滚筒向外界散失热量的表面积。 F1=DL+2（D/2）2 =2.08×2.0+2×（D/2）2 =19.85（米2）T1、T2分别为滚筒表面和外界空气的温度。 由手册表6.5-2查得 滚筒表面温度 t1=80时 C0= C0=771.6（千卡/米2·时） 空气温度t2=20时 C0= C0 =366（千卡/米2·时）则 qb

21、1=0.657×19.85×1×（771.6366） =5295（千卡/时）2）求qb2 qb2=F1（ t1 t2） （7）式（7）中自然对流散热系数。因滚筒表面温度与空气温度都比较低，故空气自然对流散热系数可用简化式计算，即 =1.15×= 2.85（千卡·米2·时·度）则 qb2=2.85×19.85×（80-20） =3394（千卡/时）则 qb=5295+3394=8689（千卡/时）又热效率为70，所以 qa =140.32v=660000/70=942857（千卡/时）则 v=6719.3（

22、公斤/时）空气带走热量 qp=QC（t2 t1）=6719.3×0.241×（80-20）=97161（千卡/时）考虑除尘要求，则应选抽风机风量 v=18960（公斤/时）又 空气密度为1.1767千克/米3所以 v=18960/1.1767米3/时=16113米3/时重柴油低发热量 Qd=339.15×86.26+1030×13.74-108.86×（0-0.1） =43418（千焦/千克）=10369（千卡/千克）3 可得燃烧器耗油量 942857/10369=93千克所以可选用燃烧器型号 RL50又燃烧器净热值=11.8×93=

23、1.1（MW/h）由燃烧器手册可查得燃烧器火焰 Dmax=2.1m Lmax=0.75m 2.2 传动系统设计计算： 电动机的选择滚筒转动惯量计算4: 图2 酯硬化水玻璃砂加热用滚筒结构示意图1出料接头 2螺栓 3垫圈 4螺母 5滚筒 6螺栓 7垫圈 8螺母 9螺栓 10垫圈 11螺母滚筒部件见图2，各部件转动惯量的计算结果见表1所示：表1 滚筒转动惯量序 号部 件 名 称质 量(m/kg)转动惯量(J/ Kg·m2)件1出料接头55.564.3件2螺栓0.0361.199件3垫圈0.0050.0058件4螺母0.0160.0185件5滚筒（见表二）件6螺栓0.0361.199件7垫

24、圈0.0050.0058件8螺母0.0160.0185件9螺栓0.0361.199件10垫圈0.0050.0058件11螺母0.0160.0185 图3酯硬化水玻璃砂加热用滚筒体结构示意图1角钢 2外层滚筒 3大孔道轨 4肋板 5钢板 6中滚筒 7钢板 8内滚筒 9小孔道轨 10肋板 11角钢滚筒体结构图见图3，各部件转动惯量计算结果见表2所示：表2滚筒体转动惯量序 号 部 件 名 称 质 量(m/kg)转动惯量(J/ Kg·m2)件1角钢25.3528.2件2外层滚筒593.1581.1件3大孔道轨110.3122件4肋板5.616.33件5、7钢板529.2、572.4391.4

25、、206.1件6中滚筒663.7376.4件8内滚筒（表3）件9小孔道轨115.4113.6件10肋板572.4206.1件11角钢4641.6 图4酯硬化水玻璃砂加热用内滚筒结构示意图 图4酯硬化水玻璃砂加热用内滚筒结构1 1内层滚筒2角钢 3小孔支架 4大孔支架 5肋板1-内层滚筒 2-角钢 3-小孔支架 4-大孔支架 5-肋板内滚筒结构图如图4，各部件转动惯量的计算结果见表3所示：表3内滚筒转动惯量序 号部 件 名 称质 量(m/kg)转动惯量(J/ Kg·m2)件1内层滚筒345.5102件2角钢7217.65件3小孔支架16.80.672件4大孔支架211.582件5肋板1

26、5.8723.53图5 酯硬化水玻璃砂受料接头（图号）1钢板 2钢板 3钢板受料接头结构图如图5，各部件转动惯量的计算结果见表4所示：表4受料接头转动惯量序 号部 件 名 称质 量(m/kg)转动惯量(J/ Kg·m2)件1钢板50.845.2件2钢板25.1219.9件3钢板12159.5由以上计算可得：总转动惯量 J总=2899·所以 总转动动能 E=J2 =×2899×0.682 =670.6J滚筒转速 n=6.5r/min 滚筒与托轮之间的传动比 i=2250/375=6则 托轮转速n=6.5×6r/min=39r/min由于滚子链的传

27、动比选用1，所以电机主轴转速为39r/min。又，类比S625滚筒所用电机功率为5.2Kw，则该设备的电机功率也可选用5.2KW。由机械设计手册第五卷查得应选用YTC752齿轮减速电动机5。 链传动设计61、滚子链设计滚子链传动比选择 i=11)链轮齿数 z1=z2=252)Pd=KA·P=1.3×5.5=7.15Kw3)单排链轮传动功率P0 Kz=1.34 Kp=1P0=5.34Kw4)P=38.1mm 初选a0=762mm 选择滚子链型号为24A5）a0p=20节6)链条节数 Lp= =1/2（25+25）+2×20+0=65（节）7）链条长度 L=2.47m

28、8)计算中心距 ac=p(lp-z)=1/2×38.1×(65-25)=762mm9)实际中心距a=ac-a a =0.004 ac=3mm所以 a=762-3=759mm10)链条速度v=m/s 为低速链传动。2、链轮设计z=25 节距p=38.1mm配用链条的滚子外径d1=22.23mm(表13-2-1),则：分度圆直径 d=PK=38.1×7.9787=304mm齿顶圆直径dmax=d+1.25p+d1=304+1.25×38.1-22.23=329.4mmdmin=d+(1-1.6/z)p-d1=317.4mm所以 取d=320mm分度圆弦齿高h

29、ahamax=(0.625+0.8/z)p-0.5d1 =(0.625+0.8/25)×38.1-0.5×22.23 =25.032-11.115=14mmhmin=0.5(p-d1)=0.5(38.1-22.23)=8mm所以 取h=10mm齿根圆直径 df=d-d1=304-22.23=282mm齿侧凸缘直径dgpctg-1.04h2-0.76=301.6-37.6-0.76=263.2mm轴向齿廓尺寸：齿宽 bf1=0.95b1=0.95×25.22=24mm (p12.7)倒角宽 ba=(0.10.15)×38.1=3.816 取 ba=4.5m

30、m倒角半径rxp倒角深 h=0.5p(限于B型)齿侧凸缘圆角半径 ra0.04p=1.5mm如上图所示 DK=60mm D1=2 DK=120mm S=1.2f1=1.2×24mm=28.8mm L=2DK=120mm.3 关键部件设计3.1 滚筒设计（1）滚筒钢板材料选择1Cr18Ni9Ti，有良好的耐热性及抗腐蚀性，做加热炉管燃烧室筒体、退火炉罩，密度7.90g/cm3。00Gr12，耐高温氧化，作要求焊接的部件，汽车排气阀净化装置、锅炉燃烧室、喷嘴，密度7.757.90g/cm3。2Cr23Ni13, 承受980以下反复加热的抗氧化钢，加热炉部件、重油燃烧器0Cr18Ni9，通

31、用耐氧化钢，可承受870以下反复加热，密度7.93 g/cm3。0Cr18Ni10Ti（密度7.95 g/cm3），0Cr18Ni11Nb（密度7.98 g/cm3），作在400-900腐蚀条件下使用的部件，高温用焊接结构部件7。（2）内滚筒角钢（图2 件12）个数：D1=1000 D2 =1340 D3 =1770则 内滚筒所占比例为： =0.2433又 生产率为8t/h，停留时间为5分钟所以 m=×8t=0.667t则 内滚筒中砂重 m=0.667×0.2433t=0.162t对于角钢v=0.5×66×114×1850=0.007m3=1.

32、3t/ m3所以每个角钢能载重 1.3×0.007t=0.009t角钢个数为n=0.162/0.009=18个由上及考虑部件的工艺特点可选用16个角钢，并均匀分布于内滚筒中。3.2 内钢套选择和内层滚筒的连接由计算部分可以得到燃烧器火焰长度为2.1m，火焰最大直径0.75m。所以内钢套的长度选择2.5m，内径0.75m。由于内钢套选用0Cr18Ni9钢，而内滚筒选用0Cr18Ni10Ti钢。两者的连接属异质连接，可考虑选用焊接或螺栓螺母连接。异质钢焊接接头，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而且在使用中如有循环温度作用，也会形成热应力。异种钢接头中的焊接

33、残余应力，即使通过焊后热处理也难消除。焊后回火处理，并未能消除残余应力，而只是使焊接残余应力作了重新分布。实际上，在回火加热时是发生了应力松弛过程，但在随后冷却过程中，随着弹性性能的恢复，异种钢焊接接头不均匀的热收缩性会重新引起残余应力，这应当属于“回火残余应力”。 这种残余应力的存在，对工作性能往往是不利的。特别是在循环温度下工作时，由于形成热应力或热疲劳而可能产生裂纹。这时，最好避免异种钢接头处在这种工况下，或者根本就不采用异种钢接头8。 图6 酯硬化水玻璃砂加热用内滚筒1角钢 2支架 3内滚筒由此，我们选用螺栓螺母连接，这种结构较焊接成型可操作性更强，更能满足使用的强度要求。两者连接支架

34、如图6所示。3.3加热装置设计以及和滚筒的连接为防止热量的散失，我们将内钢套的尺寸延长与燃烧室相连，燃烧室与滚筒间外加一个密封室。燃烧室与密封室内壁均铺单层耐火纤维毡。其中，内钢套和燃烧室接头处留有一个毫米的缝隙，密封室与滚筒端盖之间留有5毫米间隙，在进料端抽风机的作用下，达到气体密封的效果。 耐火材料的选择：由于加热热源采用燃烧器，燃烧室温度大约650，则可选用普通硅酸铝耐火纤维毡做单层耐火纤维炉衬。炉衬散热损失计算： 不同炉温、不同炉衬厚度时，炉衬散热损失按下列公式计算 q=/s(tl-tb) (w/m2) (8-11) q=(tb-20) (w/m2) (8-12)式中q单位炉衬面积在单位时间内的散热损失 (w/m2) tl炉温、近似于炉衬内表面温度（） tb炉衬外表面温度（） 耐火纤维毡热导率w/(m/) s炉衬厚度（m） 炉衬外表面对空气的给热系数 =9.3+0.06 tb=9.3+0.06×80=14.1w/(m/)q=(tb-20)=14.1×（80-20）=846（w/m2)取=200千克/米3 =0.05+0.07×10-6