CC BY
51Федоренко М.А., канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
ЛЕПЕСТКОВОЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ
В статье приведены результаты исследований дополнительного расхода топлива при отсутствии уплотнительного устройства, приведены причины разрушения уплотнительных устройств, сформулированы требования к увеличению работоспособности уплотнений, исследованы вопросы трения и износа в зоне контакта уплотнения с корпусом печи, исследовано влияние цинкового покрытия на работоспособность лепестков, разработано уплотнительное устройство с гарантийным сроком эксплуатации до трех лет.
Стремительный рост промышленного и гражданского строительства за последние годы в России вызывает возрастающий спрос на цемент. Увеличение выпуска цемента связано с возрастающим потреблением энергоносителей. В среднем на производство одной тонны клинкера расходуется от 170 до 200 кг условного топлива. Учитывая, что цементная вращающаяся печь является основным потребителем топлива и замене в ближайшие годы не подлежит, следовательно, уменьшение расхода топлива можно достичь путем сохранения тепла при технологическом процессе. В силу своей конструкции, вращающаяся печь имеет большие зазоры на загрузочной и разгрузочной частях, через которые подсасывается наружный воздух. Воздух, поступающий на горячем конце, необходимо подогревать до температуры газов, поступающих из колосникового холодильника, а воздух, поступающий на загрузочном конце, затягивается дымососом, уменьшая разряжение, в результате чего необходимо устанавливать более мощные дымососы. В другом случае необходимо устанавливать надежные уплотнительные устройства, предотвращающие подсосы воздуха. Промышленность не выпускает уплотнительных устройств, и предприятия устанавливают самодельные, не перекрывающие подсосы воздуха и работающие непродолжительный срок.
Количество подсасываемого (приточного) воздуха можно рассчитать по формуле, предложенной Классе-ном В.К. [1]:
V" = 3,6k Fp
2P
293 У"Р"'
где Г - площадь сечения всех неплотностей в головке печи в м2; Р - разряжение в головке печи в Па по данным завода; к - коэффициент скорости 0,7 - 0,85; р3 -плотность воздуха, кг/м3; Аёе - производительность агрегата или расход материалов в т/час.
Американские ученые предлагают следующую фор-
мулу расчета подсасываемого воздуха: W = 2 ghS,
где W- расход всасываемого воздуха, кг/с; f - коэффициент воздухововлечения (0,6 для отверстий неправильной формы, 0,96 - для круглых отверстий, примерно 0,75 - для зазора между печью и головкой); a - общая площадь всех отверстий, м2; g - ускорение свободного падания (9,81 м/с2); h - «тяга», в данном случае перепад давлений или тяга в головке печи, мм вод.ст.; S - плотность воздуха при температуре на входе (обычно около 1,2 кг/м3).
Следовательно, количество всасываемого наружного воздуха находится в прямой зависимости от площади кольцевого зазора.
По данным авторов [2] предотвращение подсосов воздуха дает 50-75 тыс.долл. годовой экономии на одну вращающуюся печь.
По данным Дмитриева A.M. [3] , на печи диаметром 4,5 м при подсосе воздуха 7-8% от общего количества, удельный расход топлива возрастает на 3,5 -4 кг/т.кл.
Вальтер Г. Дуда в своей работе [2] приводит расчет дополнительного расхода топлива при подсосе воздуха на разгрузочном конце печи, из которого следует, что для поддержания технологического режима получения клинкера, при кольцевом зазоре шириной 4 см на печи диаметром 4 м, требуется избыточный расход угля 21 т/сут.
Расчет количества засасываемого наружного воздуха через зазор между корпусом цементной печи и шахтой холодильника, при отсутствии уплотнительного устройства, а также количество топлива необходимого для нагрева этого воздуха приведены в табл. 1.
Дополнительный р асход топлив а на подогрев засасываемого воздуха находится в пределах 26-93 т/сутки. Увеличение площади зазоров на 0,5м2 повышает расход топлива на 30 т/сут.
Следовательно, устранение зазора является эффективным способом борьбы за экономию топлива.
Таблица 1
Дополнительный расход топлива для подогрева воздуха при отсутствии уплотнительного устройства на разгрузочном конце печи
Дп Дз 5 I, Я! 1т
4,1 0,636 246,6 130159,7 26,775
4 4,15 0,959 372,2 196444,6 40,411
4,2 1,287 499,3 263533,3 54,213
4,6 0,714 277 146228,8 30,081
4,5 4,65 1,077 417,8 220548,3 45,37
4,7 1,444 560,2 295671,5 60,824
5,1 0,793 307,5 162297,9 33,387
5 5,15 1,195 463,5 244651,9 50,328
5,2 1,601 621 327809,6 67,435
6,5 1,012 392,7 207291,4 42,643
6,4 6,55 1,525 591,4 312142,2 64,212
6,6 2,041 791,6 417796,6 85,947
7,1 1,107 429,3 226574,3 46,61
7 7,15 1,666 646,2 341066,5 70,162
7,2 2,249 864,6 456362,5 93,88
Дп - диаметр печи (м), Д3 - наружный диаметр зазора (м), 5 - площадь зазора (м2), 1в - масса всасываемого воздуха (кг/мин), Q1 - тепло необходимое для подогрева воздуха до температуры 2030о (ккал/мин), 1Т -дополнительный расход топлива на подогрев воздуха (т/сутки).
На рис. 1 показаны уплотнительные устройства вращающихся печей.
Обследование 50 цементных печей на различных заводах показало:
- уплотнительные устр ойств а классических схем на цементных печах не применяются;
- на предприятиях установлены самодельные уплотнения, изготовленные из набора стальных пластин (типа лепестковых) и только 21,7% типа лабиринтных;
- 13% обследованных печей имеют радиальные и осевые перемещения, позволяющие применять уплотнения лю б ой конструкции;
- только 39% применяемых уплотнительных устройств имеют срок службы 1,5 года;
- 60,8% уплотнений через 6-8 месяцев перестают выполнять свои функции из-за несовершенства конструкции;
- основными причинами разрушения уплотнений являются: несовершенство конструкции, прогорание, разрушение поверхностей трения.
По данным обследования 50 печей, наибольшее распространение (78%) получили уплотнительные устройства из набора отдельных листов (лепестковые).
Достоинством данной конструкции является:
- простота изготовления;
- небольшой расход металла относительно других типов уплотнений;
- незначительные трудозатраты при замене лепестков.
Недостатки:
- поверхность лепестков опирается на корпус печи и разрушается от процессов трения;
- под действием натяжения троса и коррозии внутренней поверхности лепестков, происходит их деформация и разрушение;
- уплотнение не создает достаточной герметичности из-за наличия зазоров между лепестками;
- срок эксплуатации уплотнения достигает I года.
С целью обеспечения высокой надежности уплотнительного устройства и повышения работоспособности, а так же эффективности предотвращения подсоса
Рис. 1. Уплотнения вращающихся печей. 1 - уплотнение, 2 - печь, 3 - холодильник
воздуха в печь, в институте разработана новая конструкция лепесткового уплотнения, которая защищена авторскими свидетельствами № 1011981, 1032308, 1191711.
Рис. 2. Уплотнительное устройство: 1 - печь, 2 - бусины, 3 - гибкие элементы, 4 - конус, 5 - холодильник, 6 - груз
Особенности конструкции лепесткового уплотнения позволяют ему длительно сохранять работоспособность, предотвращать подсосы воздуха и выбросы пыли (рис. 2). Новая конструкция отвечает требованиям, предъявляемым к ней, и обладает следующими особенностями, отличающими ее от существующих уплотнений:
- контактная поверхность уплотнения с корпусом печи имеет небольшой вес и состоит из секторов, которые при необходимости легко заменяются;
- корпус уплотнения состоит их отдельных сам осто -ятельных элементов, легко заменяемых в процессе эксплуатации;
- элементы корпуса обеспечивают гибкость и подвижность уплотнения при перемещении печи;
- соединения элементов уплотнения обеспечивают предотвращение подсосов воздуха;
- контактная поверхность уплотнения поджимается к корпусу печи при помощи подвесных грузов.
В основном износ уплотнения происходит при наличие сухого трения.
Поэтому частным решением общей задачи - повышения работоспособности уплотнительного устройства является повышение износостойкости трущихся поверхностей. Этот процесс зависит от большого числа параметров и на основании априорной информации [4,5]
выбраны основные факторы и проведены экспериментальные исследования, основанные на моделировании явлений, возникающих при контакте уплотнения с корпусом печи.
В результате реализации многофакторного эксперимента 24 получено уравнение регрессии (1), решение которого позволяет определить величину износа трущихся поверхностей:
Е_
Т
гр1сл
а2Х
V
а
ч0,0837
ил~
-0,1725 / \0,306
/ H0 Л
(1)
Износ поверхностей трения является одним из главных факторов, определяющих длительность эксплуатации уплотнительного устройства.
Зависимость (1) позволила решать задачи об оптимальных условиях изнашивания при поиске области оптимума. Учитывая многофакторность исследуемого процесса, использование теории подобия позволило существенно уменьшить число переменных.
Конструкция опорной части уплотнения включает в себя: сплав алюминия, две стальных и одну графитовую вставки.
Опорная часть прижимается к корпусу печи регулируемыми грузами. В результате анализа и расчета силы прижатия получено уравнение:
T = (P - |+fr )f + pRg (sin <р-ф0),
где P - масса груза; R - радиус печи; f - коэффициент трения; < - угол обхвата троса; р - плотность материа-
2f
ла бусины; sin ф0 =
1 + f
постоянная величина.
Предложенный способ расчета позволяет обеспечить р авномерный контакт уплотнения и корпуса печи.
Проведенными экспериментальными и промышленными испытаниями лепестковых элементов на работу их в условиях, возникающих на разгрузочном конце печи, установлено, что цинковое покрытие проникает в основной металл и предохраняет его от прогорания.
В итоге научно-исследовательских работ создано уплотнительное устройство, которое внедрено на ряде предприятий страны, со сроком его эксплуатации до трех лет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Классен В.К. Методические указания к дипломному проектированию. Белгород, 1978.- 112с.
2. Вальтер Г. Дуда. Цемент. - Пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1982. - 464c.
3. Дмитриев A.M., Фридмаш И.А. Возможности снижения расхода топлива при мокром производстве цемента //Цемент, 1978. - № 7. -С.24-25.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника. -М.: Машиностроение, 1985. -426с.
5. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев. Техника, 1970. - 396с.
3,014
