摘要：根据新型优质高效烧结环冷机的结构特点，结合实际现场，应用有限元仿真软件分析，对环冷机回转体装配部分进行结构优化及仿真分析，优化设备重量。优化栏板结构、外检修机械密封装置、联合密封、提升环冷机上下水槽的清淤技术、开发带随动装置的传动装置、提高环冷机智能化水平，整体从技术上和成本上提高环冷机市场竞争力。

　　关键词：烧结环冷机；结构优化；升级改造；结构特点

　　烧结环冷机是一种主要的冶炼预烧结装置设备之一，其主要作用是将烧结机烧结后热烧结矿石通过单辊破碎后对物料进行冷却，以便于输送。北方重工新型优质高效环冷机结构简单，性能可靠，操作容易，维修方便，使用安全，可实现综合漏风率小于5%，工作效率更高，其废气可用于余热发电或热风烧结，实现零排放，完全响应国家号召节能减排“碳达峰”。

　　1技术介绍

　　鼓风环冷机是大型烧结矿冷却设备，主要由回转体及台车（含环形轨道、传动销轴、连接轴、辊臂轮、侧轨）、传动装置、给料漏斗、骨架、走台、中心测量装置、侧挡辊装置、支撑辊装置、鼓风系统、风箱灰斗装配、密封装置、压轨装置、罩子装配、烟囱、卸矿漏斗、卸料槽、粘料检测装置、强制卸料检测装置、板式给矿机、全封闭环保型环形皮带机系统等组成。

　　在环冷机进料口的中心线和烧结机的中心线重合后，经过进料溜槽，平铺在环冷台车上，热矿石被吹风冷却。在卸矿处，转动辊臂轮端部，带动台车缓缓倾动，将已冷却的烧结矿卸到卸料槽中，卸完料后，辊臂和台车逐步回复到水平位置，然后装入热烧结矿，如此往复，最终实现烧结矿的冷却。

　　北方重工新型优质高效烧结环冷机通过对栏板结构、密封装置、支承辊装配等进行技术创新，降低了环冷机漏风率，改善了工作环境，降低了风机能耗，其废气可用于余热发电或热风烧结，实现零排放，完全响应国家号召节能减排“碳达峰”。

　　在自动控制上，通过对新研制高性能、高质量的烧结环冷装置的改造，使其达到了不需要人值班的目的。在密封装置水箱内增设高、低压液位计，以达到高、低水位的预警和监视，从而达到供水、排污的自动化；各种类型的阀门都有电子控制，在机器旁边的电气控制盒，不需要人工打开和关闭，可达到主控室或机器边的控制；在生产过程中，在卸料点安全装置、出料点粘料检测装置、传动装置等重要的工作部件上都装有检测装置，当发现有什么问题时，就会停车或者发出警报，并且能够和整个系统进行联动。并通过安装了高清晰度的工业摄像机和大屏幕的活动显示来对装置的工作状况进行实时监测。

　　2新型优质高效烧结环冷机结构优化的目标

　　通过对烧结环冷机部件结构进行优化设计，使其结构简单，性能可靠，操作容易，维修方便，使用安全，可实现综合漏风率小于5%，工作效率更高。此外，该设备的生产费用也得到了较大程度的减少，设备和土建投资的费用也得到了提升，并且在创新的技术和成本方面也具有了一定的市场竞争力。

　　3高质量、高效率的新型环冷机的结构方案

　　首先，以质量最重的烧结环冷机部件为研究对象，采用了结构优化方法，实现了减重。在整个环冷机中，回转部件的质量大约为45%。其次，对现场安装复杂，漏风漏粉严重的部件进行优化。最后，对环冷机传动装置进行优化设计具备更好的适应性。

　　3.1回转体装配

　　回转体装配包括台车框架、台车辊臂、支撑轨道、模块化的自制链辊组装、侧轨、台车护栏板等设备。环式冷却机扇型台车各由两个转轴与台车框架相连，并随着台车一起旋转。内外环焊接构造的台车护栏板设置于台车框架内与外环框架（护栏板外部为隔热层）构成一环状容纳物料的环状容器；台车辊臂的一端设置于回转装置的内轴处，辊臂的另一端装有辊轮；辊轮在轨道下沿轨道的预定轨迹进行移动。完成卸料位置的翻板和重置。

　　以HLS-280环冷机为研究对象，设计了15个回转框架，其阻力扭矩为4000kN·m，并均匀地分配到各机架上。内环上部板、下部板、竖板及外环下部板及竖板的厚度各减少2mm，外环上部板的各层厚度减少5mm，由有限元法计算得出了应力及位移曲线。试验结果表明，该方法能够有效地提高结构的抗弯性能，达到了设计要求。

　　每个回转框架可容纳4个台车，每台承载13t物料。将台车壁板的厚度降低3mm，将连接在支座上的两个长钢板及前、后肋条的厚度分别降低4mm，得出了相应的应力及位移曲线。结果表明，该方法能够有效地提高结构的抗弯性能，达到了设计要求。

　　3.2栏板装配

　　栏板装配的原设计结构是采用带结构伸缩结构的栏板装置，内板采用10mm的钢板中间采用保温材料，外板采用薄钢板进行固定，上面采用小盖板进行搭接焊，防止灰尘进入。对不同膨胀位置的间隙均不同，现场安装比较复杂，安装队经验不足未按图纸施工。施工过程中部分盖板存在焊接质量不过关，虚焊现象。设备运行过程中陆续存在顶部小盖板脱落现象，部分小盖板掉落后甚至找不到现象，随时有可能划破成品皮带机，给生产带来安全隐患，现场生产操作大型烧结环冷机经验不足，每次脱落都是环冷机排空后的复产阶段，对环冷的料层、机速的设定不合规，开机时栏板温度差使焊缝收缩，引起脱焊。内栏板与支座直接未图纸装配，将支座与内栏板固定死，没有按图纸留膨胀活动量。现场运行一段时间存在栏板开裂，漏风漏料现象。

　　现将栏板装配结构设计成模块化双层隔热栏板，栏板装配采用外侧整板，中间层采用不低于150mm厚的硅酸铝纤维毡，内侧模块化衬板，出厂前制作成多个模块化栏板装配，现场直接与回转框架直接焊接，既减少安装工期又杜绝了现场漏风漏料的现象。

　　3.3密封装置

　　目前，风箱与回转框架之间普遍应用的密封有两种形式，一种是机械密封，另一种是联合水密封。

　　传统的机械密封安装和检修都在环冷机内部，需要停机后进行检修，并且在环冷机内部存在安全隐患。全新的浮动式机械密封装置，可实现外部检修，解决了传统机械密封检修困难问题和检修人员安全问题。并且已经申请了发明专利。

　　联合水密封内侧采用高减磨机械密封，规避了机械密封结构漏风率偏高、液密封结构水槽清淤压力大缺点，密封效果也更有保证，漏风率小于5%。降低了空气的漏气量，减少了空气的污染，提高了环冷机的工作效率。增设一条高减磨损的平面式机械密封，既能降低灰尘在密封槽内的沉积量，又能降低空气泄漏率。为了有效地阻止冷却区的冷空气进入非冷却区，在循环机组的排气部分的前后各设置一端面密封。端部密封和隔断要求无扬尘、无泄露，维修方便并运行可靠。

　　卸矿区域水槽内侧采用可更换硬质合金钢堆焊耐磨衬板。水槽设置热膨胀措施，消除热胀冷缩带来的结构形变，同时避免漏水。上密封水槽厚度不小于8mm，下密封水槽厚度不小于8mm；上下水槽均采用耐腐蚀不锈钢材质，水槽上部活动插板上设置一定数量的清泥板。

　　在上下密封水槽上设置有液位监控装置，可对液位进行远距离监控，并可进行高低液位的自动预警；另外，本系统还为用户提供了一个可视化的观测平台及废水的处理系统。应在易结垢的末端处加装专门的沉淀罐，并有规律的排放自动循环设备。上、下密封水槽设有排水阀门，每个水槽均布4个排水阀门，阀门预留接口法兰及配对法兰，通过管道排水至附近集水池。

　　在环冷机密封插板上新增犁式自动清淤装置，在水槽内侧增加多个防腐锌块，并在循环冷却设备的不断运行中，将堆积在水箱底部的烧结灰尘逐渐清除出来。要强化水系流通，及时清理沉淀池内的淤泥。在循环冷却器下槽的下部增设沉淀池，并定时排放污水，使沉淀池内的烧结矿石灰尘能得到及时的排放。在维修期间，开启新的排污孔，通过高压水炮将循环冷却水箱中的烧结矿石灰尘全部冲洗干净，防止灰尘堆积，解决了循环冷却水系统下槽的积尘问题。

　　3.4传动装置

　　环冷机的传动采用电动机—定扭矩联轴器—减速机—万向联轴器—链轮（销齿）—柔性补偿器的传动型式，变频调速。采用两套传动系统，传动装置由电气联锁控制，保持同步运行。传动装置系数适当放大，满足一套传动系统故障时单电机驱动环冷机。

　　环形冷却机的驱动方式是销齿驱动，其实现过程是：销齿由一种全新的整体制造出来，销齿间距均分得更精确（工厂生产的配方确保了链和回转体的大盘的精度），销齿传动使回转体运转更加平稳，并且各销轴使用寿命长，便于维护，可在线检修更换。链轮齿与机架之间为刚性联接，链轮齿定位可靠，没有活动调节的余地。在实际的生产中，因烧结矿石高温，使其在冷—热循环循环中经历了一次循环的加热膨胀；在长期使用过程中，由于受到载荷和磨损等因素的作用，回转件难免发生变形；由于上述原因，导致了销轴与正常的啮合状态发生偏差。由于销轴的错位，使非切线受力增大，从而加重了回转运动的偏差。回转体的惯性很大，在偏置时，会对链轮造成很大的冲击，使链轮与销齿之间的接触应力和弯曲应力增大，而且长时间处于非正常的配合条件下，会加速链轮和销齿的损耗，降低零件的使用寿命，增大了设备的运营费用。链轮采用的非弹性紧固方式，使驱动轴受力状况变差，容易出现疲劳破坏；链辊装配中的销轴与链轮齿碰撞，在瞬间形成很大的冲击载荷，容易造成剪断销轴的失效。原来的驱动机构中，齿轮轴和驱动齿轮也是刚性联接，这样就造成了很大的撞击和疲劳负荷，同时也会对开放齿轮的传递精度造成一定的影响，从而引起振动。

　　新型销齿驱动机构采用“电机—定转矩接头—直交轴减速机—万向联轴器—带从动件”的链轮—销轮的啮合方式。电动机和减速机的连接方式为固定转矩联轴器，转矩限制值按使用条件设置。在回转运动中，如销齿传动装置、减速器等承载端出现卡死等情况，在负载超出一定范围时，可使定转矩接头滑动，避免电动机超载。减速器与齿轮轴通过万向联轴器进行联接，并通过盒状多组盘簧的方式将其与箱体进行了柔性的联接，从而实现了对齿轮的径向定位和盘簧的调节。在初期冷装过程中，为了补偿在热载条件下转动件的膨胀，需要在传动装置上预留一定的热胀空间。在回转框架变形引起销齿变形或热胀等因素影响下，链轮沿其轴线方向作相应的位移，从而降低齿与链传动的碰撞，提高传动效率。通过在主轴与减速器之间加装万向连接，可有效地解决齿轮与主轴之间的受力状况，减少齿轮与主轴之间的受力情况。

　　该新型传动装置克服了原有结构带来的许多弊端，经现场应用表明，能够更好地使链轮与链条接触。传动精度更高。并且链轮与销轮磨损情况有较大改善。

　　3.5船型节能环保罩体

　　所有的密封盖都是由钢板与钢材焊接而成，为了防止其发生扭曲，所有的加强筋都是间断焊接。环冷罩采用全封闭型密封罩，密封罩为门型密封罩结构形式，密封罩与台车栏板间采用水密封结构并有挡小颗粒烧结矿进入水槽的措施。该封闭盖由支架支承，支架内侧由一根φ140mm的钢管支承，以避免支架的坍塌和变形。

　　采用全封闭式的上罩式循环冷却系统，高温段和中温段烟罩内壁喷涂耐磨隔热层，施工方法为焊接不锈钢锚固钉，铺设30mm厚硅酸铝纤维板，然后焊接龟甲网和压条，最后喷涂50mm厚耐高温耐磨喷涂料。上部烟罩密封、隔热效果良好。

　　一段、二段和四段烟罩顶部结构型式为向烟囱放坡的斜面(船形)。

　　环冷罩上设有各种接口，包括除尘、热风点火、余热回收等。在环冷机余热回收段设两个排气筒，余热回收段排气筒设置电动阀门。

　　排气筒管道阀门采用电动迷宫式金属密封蝶阀，阀体材质20G，阀板材质1Cr18Ni9Ti，工作最高温度650℃,阀体和阀板密封位置设置迷宫式金属密封环，密封环材质1Cr18Ni9Ti，阀门泄漏率小于1%，阀板采用外置式自润滑轴承，阀门底部设有吹灰口。阀门电动执行机构选用分体式执行机构（分体式），远程接入主控。执行机构控制部分需考虑高温影响，具备有效的高温隔离保护措施。一二段排气筒电动蝶阀要求蝶板和过气筒喷涂耐磨耐腐蚀材料。

　　环冷机上部两个排气筒预留500mm长余热发电取风支管，带法兰及配对法兰。环冷机风箱外预留500mm长余热发电回风支管及法兰及配对法兰。

　　为防止热量损失，对环冷机排放烟囱进行外保温，烟囱自环冷机密封罩保温至余热烟风管道接口处，外保温采用硅酸岩棉毡和保温铁皮。

　　排料处密封罩是焊接结构部件，两侧与给料斗和罩子相连。在内、外行走平台处均设有检修门，内外环平台各均匀布置3处检修人孔门，人孔门大小1000mm×1000mm，加设相应检修平台、斜走梯等安全设施，检修人孔门需开关方便快捷，且在罩子上部开设有台车检修吊装孔。排料处密封罩设有除尘接口。

　　在罩子内安装有粘料检测装置，检测卸料复位后的台车是否已将冷却后的物料全部排出，如出现异常能及时报警。

　　罩子分区数量（一段5个，二段5个，三段2个，四段5个，五段2个，六段3个）。每个分区各设置一个排气烟囱、排散阀，并加设相应检修平台及梯子。

　　给矿漏斗和卸矿漏斗密封罩上分别预留有除尘口。

　　假定在吸气口内部的负压影响下，气体会从四周聚集到吸气口，气流线的浓度从吸气口外部快速地增大，而在进气端口处，气流的流动速率也从外部快速地增大，并在进口截面处获得了最大的速率。在距吸入孔1倍D(D是吸入孔的直径）时，其流速大约是吸入孔内部的10%。将罩子装配结构由门型结构调整成余热回收率较高的船型结构。将吸风口径增加到最大，口布置尽量在中间。高度根据布置尽量高。能够有效提升气体流速，从而提高余热回收效率。

　　4结语

　　本文所述环冷机整体结构优化和智能化水平均达到了比较高的水平，同样适用于其他规格的新型优质高效烧结环冷机。在烧结环冷机新建或改造项目中，冷却风机工作耗电量得到有效降低，吨烧结矿平均发电量有效增加，现场粉尘显著减少，操作环境得到了极大的改善。环冷机回转体跑偏倾向减少，设备运行平稳，故障率明显降低。

　　通过对其进行结构的优化和智能化的设计，可减轻整个装备的总质量，降低制造费用，增加工程盈利能力，使装备的智能化程度得到充分的提高，为实现智能化的烧结生产，增强其在行业中的竞争能力。新型优质高效环冷机以结构简单、检修方便、性能可靠、节能环保、余热回收高等新技术替代老技术，助力钢企能耗双控，为我国实现碳中和碳达峰的目标做出贡献。