濕法冶煉攪拌設備附屬件設計

武 軍

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

濕法冶煉攪拌設備附屬件設計

武 軍

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

目前，國內對濕法冶煉設備的攪拌附件，如攪拌裝置支撐梁、內伸管件等缺乏明確統一規范的設計計算資料和公式。本文根據美國ASME規范以及國內已發表文章，整理出濕法冶煉常壓攪拌設備支撐梁等計算資料，為相關設計人員解決工程中實際問題提供一定借鑒。

攪拌； 槽蓋型鋼支撐； 內伸管； 擋板

攪拌操作的基本過程是把液體盛裝在一個罐(容器)中，利用浸沒于液體中的旋轉葉輪(攪拌器)或其他方式攪動流體，實現兩種或多種物料間的均勻混合、加速傳熱和傳質等。完成這一攪拌過程的裝置，統稱為攪拌裝置。

攪拌設備在有色冶煉生產中的應用范圍很廣，尤其是在濕法冶煉的各個工序中，如配料、漿化、浸出、結晶、溶解、還原、分解和萃取等，為了強化冶煉過程，都或多或少地應用著攪拌設備。其中立式常壓機械攪拌罐占攪拌設備的絕大多數。一座大型的年產10萬t電解鋅的鉛鋅冶煉廠，主流程中就配有攪拌設備80多臺。

攪拌設備應包括攪拌系統及攪拌容器兩大部分。攪拌容器與攪拌系統組合完成了各相介質的溶解、混勻、萃取、吸收化學反應及傳熱傳質等物理、化學過程，滿足工業生產的需要，攪拌系統主要部件有電機、減速機、機架、聯軸器、軸封、攪拌軸、槳葉、以及依據需要配置的中間軸承、吊軸承、穩定器、底軸承等構成。

攪拌容器包含平底平蓋、錐底平蓋、凸形封頭等各種形式容器，包括帶夾套以及不帶夾套容器，帶半圓盤管以及內盤管容器等。同時，容器中還配有所需的附件，常用的附件有擋板，各種內伸管，攪拌裝置支撐梁等。關于攪拌功率及攪拌傳熱的計算，有關攪拌軸及槳葉的強度計算，已有各種標準資料，而對攪拌容器附件的理論研究相對較少?，F將收集國內外攪拌附件的計算資料作一介紹，并進行比較。

1 攪拌擋板

攪拌擋板一般為長條形垂直向固定安裝在罐壁上的板，主要作用為：將液體的旋轉向運動改為垂直向翻轉運動，消除漩渦，同時有效改善所施加功率的有效利用率，簡單地說，就是在湍流狀態時為了消除罐中央的“圓柱狀回轉區”而設置的，大多數的攪拌容器均配有擋板。

1.1 擋板數量、位置的確定

國內，通常設計一般取擋板數量4塊；依據國內外相關資料介紹，通常擋板數量依照表1設置。

表1 國內外通常擋板的設置數量

擋板位置一般按照圖1所示。

1.2 全擋板條件

功率是攪拌器的重要特征參數，對于特定攪拌器，功率隨著擋板系數增大而增大。當擋板系數達到某一數值時，功率大小不再進一步變化，此時，稱為“全擋板條件”。

全擋板條件公式如下：

注：B=(0.08～0.1)D圖1 擋板安裝位置圖

nd(bd/D)1.2=0.35

(1)

式中nd—擋板數量；bd—擋板寬度，mm；D—槽體內徑，mm； 0.35—全擋板系數。

在攪拌設備擋板的設計過程中，通常取4塊寬度bd為(1/12～1/10)D的擋板即能滿足全擋板條件。對于高粘度液體，擋板的寬度bd可減小到1/20D。當罐體內徑D很大或很小時，可以增加或減小擋板數量nd。

1.3 擋板強度校核

式中P—攪拌器功率，kW；N—r.p.m，r/min；D—罐徑，cm；nB—擋板數；ns—擋板固定點數，min=2；Bw—擋板寬度，cm；Bc—擋板至罐壁距離，cm；Bs—擋板支撐點之距離，cm； [σ]—許用彎曲應力，kg/cm2；α—安全率，取1.5～2。

圖2 擋板寬度及支撐定位圖

擋板設計舉例：

材料為0Cr18Ni9Ti的Φ2 000 mm×2 500 mm(罐體直徑×高度)的絮凝劑溶解槽,設計溫度60 ℃。攪拌功率P=4 kW，攪拌轉速N=85轉/min，擋板寬Bw=160 mm，Bc=40 mm，4塊擋板，擋板固定在罐壁上，五個支撐點，支撐點之間的距離為400 cm。

設計計算：

考慮擋板材料負偏差C1=0.8 mm，腐蝕余量C2=0。擋板厚度t=2+0.8+0=3，鋼板一般取偶數厚度，最終厚度為4 mm。如果擋板為碳鋼制造，則需要考慮雙向腐蝕影響。

2 槽蓋內伸件

對于濕法冶煉的攪拌設備，通常槽蓋需要引入各種內伸件，有的甚至達到數十件之多，如加料口，蒸汽口，溫度計口等，這些內伸件受到攪拌力矩、振動和罐內壓力的影響，所以，對于內伸件的設計，需從三個方面進行校核。

(1)內伸件受攪拌力矩時，應對內伸件所受推力進行校核。

(2)內伸件尺寸一般較長，由于攪拌器的周向速度，導致內伸件的擺動，與內伸件本身的固有頻率之間造成的振動計算。此部分計算一般針對標準ASME標準溫度計內伸管，在濕法攪拌設備中比較少見，故不予介紹。

(3)由于受到攪拌容器內的操作壓力(設計壓力)，內伸件須進行耐壓校核，對于濕法常壓攪拌設備，此部分不予介紹。

內伸件所受推力計算：

內伸件，受到攪拌力矩的作用，其強度計算如下：

(2)

式中T—攪拌力矩，kg·cm；R—內伸件到罐體中心距離，cm；nB—內伸件數量。

經推導，內伸件所受彎矩為：

(3)

式中L—內伸管內伸液體中長度，cm；l—內伸管液面以上長度，cm；

最大主應力內伸件所受：

(4)

式中α—安全率，一般取1.5～2.0；Z—內伸件的抗彎斷面模數，cm3；

內伸件設計舉例：

一臺直徑2 000 mm的圓形攪拌設備，電機功率4 kW，攪拌轉速85 r/min，溫度計安裝管距罐體中心線的距離R=500 mm，溫度計安裝管采用φ32 mm×4 mm無縫鋼管，內伸長度L=600 mm，l=100 mm，要驗算該溫度計套管在攪拌作用下是否安全。

設計計算：

對于溫度計套管，選用φ32 mm×4 mm無縫鋼管，d1=32 mm，d2=24 mm。

最大主應力:

3 槽蓋型鋼梁

攪拌裝置通常安放在常壓容器的平頂蓋上，此時，頂蓋上須設置型鋼結構支撐架，用于支撐攪拌系統重量，并承受到攪拌系統動載荷作用，及流體作用在槳葉上的軸向力。目前根據實驗和實際運用，一般?。?/p>

f≤L/1 000

(5)

式中f—攪拌設備頂蓋貫通型鋼中心撓度,mm；L—貫通型鋼長度，mm。

(1)動載荷的選用

根據日本TORAY ENGINEERING CO.，LTD的攪拌裝置計算資料，攪拌系統的動載荷為靜載荷2倍，當軸長≥4.5 m時，則為靜載荷的2.5倍，攪拌系統的靜載荷應包括整個攪拌系統的重量。

(2)型鋼梁的計算

對于型鋼梁的布置，大多分為H型和井字型，見圖3。

圖3 型鋼梁布置

對于圖3a的布置型式，可按2根梁承受載荷。對于圖3b的布置型式，可按3根梁支撐載荷。

型鋼梁的強度計算：

對于圖3a型式的最大撓度

對于圖3b型式的最大撓度

式中P—攪拌系統動載荷以及流體作用在槳葉上的軸向力之和，N；

L—槽鋼梁長度，mm；

E—槽鋼材料彈性模量，MPa；

I—槽鋼截面慣性矩(從材料手冊上查得)，mm4。

撓度許用值[f]取0.001 L，并≤3 mm。

經撓度計算通過的梁，均能滿足安全設計需要。

[1] 徐智，肖世剛，等.有色金屬冶煉設備(第二卷)[M].北京：冶金工業出版社，1993.

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[4] 彭守興.攪拌技術—攪拌附件的設計[R].浙江：第一屆全國工業攪拌技術會議論文集，2008.

Accessories Design of Mixing Equipment in Hydrometallurgy

WU Jun

Currently, for mixing equipment accessories design in hydrometallurgy, such as support beam, insert parts, there is a few information for calculating data and design standard. This paper summarizes the calculation data of supporting beam, insert parts, baffle in hydrometallurgy atmospheric mixing equipment design, according to the ASME specification and domestic published articles, and provides some reference for designers to solve practical problems in engineering.

mixing； support beam on cover of equipment； insert parts； baffle

2015-03-12

武 軍(1982-)，男，江蘇南京人，工程師，碩士研究生，主要從事有色冶煉行業濕法冶煉設備設計。

TF315

B

1003-8884(2015)03-0033-04