多功能燒結環冷機結構優化及智能化
杜武男
(中冶北方 (大連) 工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)
摘要: 根據多功能燒結環冷機的結構特點，結合實際工程，應用有限元仿真技術，對環冷機結構中的回轉體和機架部分進行結構優化及仿真分析，減少設備總重量以降低制造成本。通過設置在環冷機多個部位的智能監測單元，以及全景監控系統和智能潤滑系統，實時監測和保障設備的運行狀況，并能在出現故障時及時做出響應，提升設備的智能化水平。
關鍵詞: 燒結環冷機; 結構優化; 監測; 智能化
0 引言
環冷機作為冶金鐵前燒結生產工藝的重要設備之一，用于冷卻經燒結機焙燒后再經單齒輥破碎機破碎的熱燒結礦。中冶北方研發的多功能燒結環冷機以其高效冷卻、節能、余熱高效回收、清潔環保等綜合優勢，已經逐步取代原有傳統燒結環冷機，被廣泛應用于新建及改建的冶金工程當中，目前該產品已升級至第六代。隨著對各生產現場反饋的使用情況的整理和分析，以及對新研發手段的開發和利用，對環冷機設備的進一步優化也擁有了更好的條件。
本文結合某工程中 280 m2 環冷機的設計實例，實現了產品的結構優化與智能化。
1 多功能燒結環冷機結構優化目標
通過對燒結環冷機結構的優化設計，進一步降低設備的制造成本，減少設備、土建投資費用，優化現場使用體驗，提高設備智能化水平，增強企業在燒結項目上的競爭力。
2 多功能燒結環冷機結構優化方案
主要針對燒結環冷機中重量占比較大的部件進行結構優化。其中，回轉體部分約占環冷機總重量的 40% ，機架部分約占環冷機總重量的 20% 。因此，優先考慮對上述兩大部件進行優化。
2. 1 回轉體
回轉體主要由回轉框架、臺車、輥臂、欄板等部分組成。在滿足使用要求的前提下，減少回轉體重量，可以減輕支撐輥處所受壓力，從而減小阻力矩和傳動電機的工作電流，改善環冷機整體的運行狀態。
2. 1. 1 回轉框架
單臺燒結環冷機設備中，回 轉 框 架 共 16個，所受總阻力矩約為 3 800 kN·m，平均分布于每個回轉框架。分別將內環上板、下板、立板和外環下板、立板的厚度減小 2 mm，將外環上板的厚度減小 4 mm，通過有限元分析得到應力和變形情況見圖 1、圖 2。其中，最大應力約為 0. 5 MPa，最大變形約為 1. 4 mm，均在合理范圍內，優化后的結構強度和剛度可以滿足使用需求。
2. 1. 2 臺車
每個回轉框架中有4 個臺車，共64 個，每個臺車承受料重約為13. 2 t。將臺車面板厚度減小4mm，將與軸承座相連的兩塊長板和前后筋板的厚度各減小5 mm，通過有限元分析得到應力和變形情況見圖 3、圖 4。其中，最大應力約為 50 MPa，最大變形約為 3. 3 mm，均在合理范圍內，優化后的結構強度和剛度可滿足使用需求。
2. 2 機架
環冷機機架是由不同規格的軋制 H 型鋼通過各種接點連接形成的環形框架結構，工程設計中對其截面規格的確定一般采用類比及估算的方法。通過工程實踐發現，以往的機架梁、 柱和斜撐截面選取偏大，為此，結合 280 m2 環冷機設計進行研究。
2. 2. 1 確定機架所受載荷
機架的計算載荷考慮 + 4. 1 m 標高以上的主要載荷，包括回轉體重量 ( 含欄板) 、回轉耐材重量、物料重量、上密封水重量、支承輥及底座重量等。回轉體的剛度很高，可以在一定程度上減小中間梁支承輥處的變形，本次分析中，僅將載荷設定為作用于梁上的集中作用力。載荷的作用點如圖 5 所示 ( 僅以單個跨距 為例) 。
載荷的大小為:
外梁: P1 = P3 = P5 = 165 kN ( 支撐輥處) ;
內梁: P2 = P4 = P6 = 165 kN ( 支撐輥處) ;
載荷方向均為垂直紙面向里。
2. 2. 2 強度及剛度分析
1) 不同截面的各項特性 ( 見表 1) 。
2) 力學模型及分析
a) 單個跨距框架 ( H390 × 300 柱 + H390 ×300 梁 + φ168 × 6 鋼管斜撐) 。應力及變形情況見圖 6、圖 7。
對于單個跨距框架的分析數據，見表 2。
b) 環形框架。環形框架的力學分析模型中，各框架圓心角與環冷機實際相符，各個梁、柱均為 H390 × 300 × 10 × 16， + 4. 1 m 以下斜撐均為φ168 × 6 鋼管。對于給料、卸料區域的框架，由于其受力情況比較復雜，并且現有同規格環冷機的使用情況較為理想，因此暫不對該部分框架實施優化。應力及變形情況見圖 8、圖 9。
對于環形框架的分析數據，見表 3。
由表 3 可見，對于環形框架，其最大位移、支承輥處最大位移、最大應力和斜撐處最大應力均略小于單個跨距框架。
2. 2. 3 機架優化效果
1) 橫梁和立柱采用 H390 × 300 替代原有H488 × 300，剛度和強度均滿足使用要求，較之前設計可節省鋼材重量約 16% 。
2) φ168 × 6 鋼管斜撐在滿足壓桿穩定，剛度、強度滿足使用要求的情況下，較之前槽鋼斜撐可節省鋼材重量約 66% 。
3) 環形框架由于框架間互相約束，整體強度、剛度均略好于單個框架。
4) 機架在截面優化組合后的減重效果見表4。
2. 3 環冷機優化效果
由表 5 可見，通過優化回轉框架、臺車體相應部位的鋼板厚度，減小機架橫梁和立柱部位 H 型 鋼 規 格，以及在機架斜撐部位采用φ168 × 6鋼管替換原有］［250 × 82 槽鋼，可以保證環冷機的使用要求，同時相較于原設計共可減重約 50 t。
3 多功能燒結環冷機智能化
通過設置環冷機驅動打滑監測、減速機故障監測、安全裝置、上密封水位監測、上罩溫度監測等多個智能監測單元，以及全景監控系統和智能潤滑系統，實時、遠程監測設備運行狀況，保護設備平穩、良好運行，并能在出現故障時及時做出響應，提升設備的數字化、智能化水平。
3. 1 驅動打滑監測
實時監測環冷機運行轉速和驅動電機轉速，當摩擦輪出現打滑時，可及時發出聲光報警并停機保護設備本體。
3. 2 減速機故障智能監測
驅動裝置使用行星齒輪減速機，配備智能監測單元，實時監測減速機震動和軸承溫度并在主控室顯示，當超過設定值時可及時發出報警。
3. 3 安全裝置
安全裝置位于環冷機卸料處，當監測到臺車翻轉不靈活時，可輔助臺車進行翻轉; 當監測到臺車完全卡死時，觸發感應開關，及時報警并停機。
3. 4 上密封水位監測
可根據設定的水位和監測到的水位情況，對上密封水槽自動進行給水和補水。
3. 5 上罩溫度監測
通過對上罩內各個冷卻段溫度的實時監測和對比，全面、實時地掌握環冷機所有區域內的燒結礦冷卻情況，并可根據溫度變化情況，預先做出判斷和給出操作指令。
3. 6 全景監控系統
通過對環冷機內外圈、臺車翻轉位置及卸料處實施全景視頻監控，多視角、實時地掌握環冷機運行狀況并可對潛在運行風險進行預判，數據存儲于硬盤，方便隨時查閱和分析。
3. 7 智能潤滑系統
環冷機在運行過程中有眾多需要潤滑的點，其主要分布于支撐輥、側擋輥、傳動裝置、復位輥以及板式給礦機等處。智能潤滑系統的應用，可根據對應裝置的運行情況，定時、定量地進行干油潤滑，潤滑點壓力、給油量、潤滑周期可任意調節，同時實現故障監測和報警， 運行狀態在主控室實時顯示，有效地保護設備平穩、安全運行。
4 結語
本文所述環冷機結構優化和智能化方案，同樣適用于其它規格的多功能燒結環冷機。在燒結工程以及環冷機新建和改造項目中，通過結構優化及智能化設計，可降低設備整體重量，從而降低環冷機制造成本，提高項目利潤率，全面提升設備的數字化、智能化水平，為智能燒結生產提供技術支持，進而增強產品和企業在市場上的競爭力。