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1 前 言

单筒冷却机是最老的回转窑烧成系统的冷却设备。1888年英国首先在水泥工业中使用单筒冷却机，熟料出冷却机（单筒）的温度为250～400℃；新型单筒冷却机可达150～250℃。过去二次空气温度能预热至500～650℃，现在可达700～800℃，热效率达55％～70％。近二十年来，单冷机发展的关键在于改善筒体内部结构，开发新型的扬料装置以形成均匀致密的料幕提高热交换效率；开发大型单冷机以适应大型的窑外分解窑的配套要求。随着近年来单冷机内部新型高效扬料装置的开发成功和内部耐火隔热材料的不断改善，单冷机的热交换效率得到很大提高；增强了单冷机对蓖冷机的竞争能力[1]。

本课题是4000t/d单筒冷却机的设计，课题来源与江苏鹏飞集团。本课题共由三人合作完成，本人主要进行4000t/d冷却机支承装置的设计，并就托轮及托轮轴的过盈配合进行有限元分析。本人将通过工艺平衡计算，冷却机系统热平衡计算，支承装置的主要部件设计计算，尽量使用通用件，建立托轮、托轮轴过盈配合有限元分析等方法确定冷却机支承装置的结构、尺寸、运转方式等，以使单筒冷却机达到满足生产产量、结构简单以及装卸方便，便于维修、调整，降低制造成本，得到托轮、托轮轴最佳过盈配合形式，确定托轮轴断裂的主要原因等要求。

4000t/d冷却机支承装置设计及托轮、托轮轴过盈配合有限元分析

2 单筒冷却机的总体设计

2.1 冷却机的工作原理和要求

单筒冷却机是运用自然风“逆流”原理冷却的。它的优点是造价低廉，操作维修简单、运行可靠，成本低，适应性强，无废气污染。缺点是单冷机前端窑头下料口处熟料不能急冷，效果很差。自然风在前端高温段空气分子急速受热，瞬间高度膨胀，形成热气流风帘，风速可达11～16m/s。阻力非常大。致使窑头混浊不清，经常发生正压。由于冷却效果特差，熟料小晶体发育成熟，造成粉磨困难，并导致水泥的强度指标值达不到新标准。

熟料冷却机有近10种，这些冷却机主要完成一下任务：

a）尽可能多地把熟料中显热（1200～1500KJ/Kg熟料）回收进烧成系统，加热二次空气和可能的话加热三次空气作为燃烧空气，尽可能提高二次空气和三次空气温度，达到把烧成系统燃料消耗降至最低。

b）选择最适合的熟料冷却速度以提高水泥质量和提高熟料的易磨性。

熟料冷却速度会大大地影响熟料的质量，常用三种冷却机其窑内预冷却区长的不相同，篦式冷却机预冷却区最短，因此由窑卸出的熟料温度最高（达到1300～1400℃），进到冷却机后，吹以冷风（等于环境温度），熟料受到急冷，熟料中液相来不及完成结晶，一部分呈现玻璃相，另一部分即使结晶也比普通冷却速度得到的结晶粒更细，这种熟料可以制成标号更高的水泥。

c）最后要把熟料冷却代尽可能低的温度，以满足熟料运输，储存和水泥粉碎的要求。

2.2 熟料在单筒冷却机内的冷却过程分析

a) 非扬料区内高温熟料与空气接触的对沉传热，由于本区内不设扬料板，高温熟料聚集在筒体底部，对流传热面积(即熟料暴露在空气中的表面积)太小，传热速率慢。

b) 非扬料区内高温熟料向耐火衬里的辐射传热和耐火衬里与空气的对流传热，由于间接传热热阻增加和耐火衬里表面积有限，传热速度有限。

c) 热量由于熟料通过各种传热传至筒体内表面再传至筒体外表面后的筒体散热。这部分热量不能加热二次空气，为热量损失，是要尽量避免的。

d) 扬料区筒体底部和扬料板内熟料与空气的对流传热，也因为熟料与空气接触的表面积小，传热速度慢。

e) 扬料区内悬浮在空气中的熟料与空气的对流传热，这是单筒冷却机主要的热交换过程，由于熟料悬浮在空气中，每颗熟料表面都充分暴露在空气中，对流传热

2

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面积大。

f) 其它一些传热，如熟料向空气的热辐射传热等通常可以忽略不计。 2.3 新型单筒冷却机的增效机理

要提高单筒冷却机的冷却速率，最有效的于段是提高扬料区内熟料的悬空率(悬浮在空气中的物料量与总物料量之比)。由理论推导得知悬空率与筒体回转速度一次方和筒体直径二分之一次方及扬起率一次方成正比，对一定直径的单筒冷却机扬起率可以设计成100%，而要提高悬空率必须加快筒体回转速度。目前单筒冷却机的回转速度均较低，一般为3～4r/min，经计算传统型单筒冷却机的悬空率只有3%一5%左右，也就是说机内真正在进行强烈热交换的物料只有物料总量的小部分，大部分物料被“埋没”在筒体下和扬料板内。如果扬料板升起时物料能够满载，则单筒冷却机回转速度每增加一倍，意味着悬浮在空气中的熟料量及其传热面积可增加一倍，而传热量也可近于增加一倍。新型单筒冷却机增效的基本原理主要就是要强化这种熟料的“悬浮效应”。而要实现这种“悬浮效应”的最有效手段为:在优化内部装置以获得最佳扬料密度分布和最大扬起率的前提下，大幅提高单筒冷却机的转速。但具体提高到多少为宜，尚需结合机械和其它方面问题进一步研究。 2.4 热平衡计算

本章节公式来源于参考文献[2]。 冷却机热效率

?L?Qy2kQy熟料

（2-1）

式中：Qy2k—入窑二次空气显热；

Qy熟料—入冷却机熟料显热。

800℃?L??66.7％ （2-2）

1200℃2.5 工艺平衡计算

A 物料平衡

a) 窑的台数可按下式计算：

n?Qd （2-3） 24Qh式中 n—窑的台数；

Qd—要求的数料日产量（t/d），这里Qd=4000 t/d； 经过计算本设计取1台

b) 计算烧成系统的生产能力

熟料的日产量 Qd=4000 t/d

熟料的小时产量 Qh＝166.67t/h B 原、燃材料消耗定额的计算

a) 考虑煤灰掺入时，1t熟料的干生料理论消耗量