ЦЕПЬ ЛИТАЯ ДЛЯ ЦЕПНОЙ ЗАВЕСЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ (ВАРИАНТЫ)
CAST-IN CHAIN FOR CHAIN SCREEN OF ROTATING FURNACE (VERSIONS)

Изобретение относится к области теплообменных устройств, в частности к цепным завесам для вращающихся печей промышленности строительных материалов.
Наиболее распространенными конструктивными элементами, применяемыми при изготовлении цепных теплообменных устройств, являются или круглозвенные, или овальные цепи, изготовленные из прутка цилиндрической формы. В печах промышленности строительных материалов на настоящий момент используют преимущественно круглозвенные цепи как сварные, так и литые (Вальберг Г.С., Гринер И.К., Мефодовский В.Я. Интенсификация производства цемента. - М.: Стройиздат, 1971 г., стр.145).
Согласно патенту ЕА 010710 В1 30.10.2008 «Цепь для цепной завесы обжиговой вращающейся печи», известна цепь для цепной завесы обжиговой печи, содержащая круглые или овальные звенья с наружными боковыми плоскими поверхностями, отличающаяся тем, что боковые поверхности по периметру звеньев выполнены волнообразными с радиально направленными гребнями волн, а вершины гребней волн на одной боковой поверхности звена соответствуют впадинам волн на противолежащей его боковой поверхности, при этом отношение толщины звена в измерении по вершинам гребней волн в поперечном его сечении к ширине звена в продольном его сечении равно 0,5-2.
Недостатками известной цепи являются:
- сложная форма поперечного сечения звена, следовательно, сложное и дорогое изготовление оснастки для внедрения такой цепи в серийное производство;
- возникновение дополнительных нагрузок на звенья цепи в процессе эксплуатации из-за сопряжения звеньев цепи по принципу «впадина-выступ»;
- наличие выступов и острых кромок на внешнем контуре каждого звена цепи, которые усиливают износ цепи;
- высокая масса цепи и цепной завесы в целом при сохранении сопротивления цепи разрыву, следовательно, высокая металлоемкость и стоимость цепи;
- повышенный износ внутренней поверхности звена из-за небольшой площади поверхности контакта между сопряженными звеньями цепи;
- повышенное налипание материала на вогнутых поверхностях звеньев цепи;
- низкая самоочистка звеньев цепи от материала.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является известная по патенту ЕА 200800986 А1 30.10.2008 «Цепь для цепной завесы клинкерообжигательной вращающейся печи». Известная цепь для цепной завесы клинкерообжигательной вращающейся печи содержит круглые или овальные звенья с плоскими боковыми поверхностями и с внутренней и наружной торцевыми поверхностями, из которых последняя имеет форму поверхности кругового цилиндра, при этом каждое звено по периметру в местах сопряжения его боковых поверхностей с наружной торцевой поверхностью выполнено с противолежащими и встречно направленными гранями с наклоном под углом 40-50° в проекции поперечного сечения звена на плоскость, а внутренняя торцевая поверхность выполнена криволинейной.
Недостатками известной цепи являются:
- недостаточно развитая поверхность теплообмена цепи;
- низкое пылеулавливание цепной завесы;
- высокий расход тепла на обжиг при использовании таких цепей;
- небольшая поверхность погонного метра цепи, приводящая к завышению массы всей цепной завесы, а значит, к увеличению металлоемкости цепной завесы;
- высокая цена цепной завесы, особенно из жаропрочных марок стали;
- концентрация остаточных напряжений в местах близких к прямоугольным сопряжении участков внешнего контура каждого звена цепи, если выполнять ее литьем;
- неравномерный износ внешней поверхности звеньев цепи.
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- поверхность теплообмена цепи значительно более развита при сохранении массы звена известной цепи;
- повышение пылеулавливания цепной завесы;
- интенсификация теплообмена во вращающейся печи;
- снижение расхода тепла на обжиг;
- снижение количества цепей в цепной завесе вращающейся печи;
- снижение металлоемкости цепной завесы, соответственно уменьшение ее стоимости, снижение пылеобразования, снижение веса вращающейся части печи, снижение нагрузки на ролики, бандажи и шестерни редукторов, а значит, снижение металлоемкости конструкции печи в целом;
- повышение самоочистки звеньев за счет перелома или перегиба в контуре поперечного сечения каждого звена цепи и отсутствия у звеньев цепи вогнутых поверхностей;
- сохранение гранулометрического состава материала, поступившего из цепной зоны, и снижение запыленности газового потока;
- увеличение контактной поверхности между звеньями цепи, соответственно снижение износа внутренней поверхности звеньев;
- увеличение периода эксплуатации цепи до предельного износа в результате механического и коррозионно-механического изнашиваний;
- повышение запаса прочности цепи.
Согласно первому варианту изобретения, технический результат достигается тем, что поперечное сечение каждого звена заявляемой цепи выполнено веретенообразной формы с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,3-0,9, при этом контур внешней части поперечного сечения каждого звена выполнен двумя пересекающимися выпуклыми дугами окружности, а контур внутренней части поперечного сечения каждого звена выполнен двумя сходящимися прямыми линиями и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности с радиусом, равным радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена цепи.
Внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.
Согласно второму варианту изобретения, технический результат достигается тем, что поперечное сечение каждого звена заявляемой цепи выполнено веретенообразной формы с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,3-0,9, при этом контур поперечного сечения каждого звена выполнен двумя пересекающимися выпуклыми дугами окружности и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности с радиусом, равным радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена цепи.
Внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.
Согласно третьему варианту изобретения, технический результат достигается тем, что поперечное сечение каждого звена заявляемой цепи выполнено веретенообразной формы с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,3-0,9, при этом контур внешней части поперечного сечения каждого звена выполнен двумя пересекающимися прямыми линиями, а контур внутренней части поперечного сечения каждого звена выполнен двумя сходящимися прямыми линиями и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности с радиусом, равным радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена цепи.
Внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.
Согласно первому варианту заявляемого изобретения, выполнение контура внешней части поперечного сечения каждого звена цепи для цепной завесы вращающейся печи в виде двух пересекающихся выпуклых дуг окружности, а контура внутренней части поперечного сечения каждого звена - двумя сходящимися прямыми линиями и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности, являясь наиболее оптимальным решением, позволяет одновременно повысить запас прочности цепи, увеличив период допустимого износа рабочих поверхностей звеньев, и сохранить массу цепи, снизив при этом массу цепной завесы в целом.
Согласно второму варианту заявляемого изобретения, выполнение контура поперечного сечения каждого звена цепи для цепной завесы вращающейся печи в виде двух пересекающихся выпуклых дуг окружности и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дуги окружности позволяет повысить запас прочности, увеличив период допустимого износа рабочих поверхностей звеньев цепи, и получить более плавный контур поперечного сечения каждого звена цепи, но усложняет оптимизацию соотношения массы цепи и ее поверхности, а именно затрудняется оптимизация соотношения в поперечном сечении каждого звена цепи длины дуги окружности в месте контакта звеньев цепи и площади этого сечения.
Согласно третьему варианту заявляемого изобретения, выполнение контура внешней части поперечного сечения каждого звена цепи для цепной завесы вращающейся печи в виде двух пересекающихся прямых линий, а контура внутренней части поперечного сечения каждого звена - двумя сходящимися прямыми линиями и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности, позволяет получить минимальное отношение массы цепи к ее поверхности, но усложняет оптимизацию допустимого износа по времени.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, выполнение поперечного сечения каждого звена цепи с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,3-0,9, позволяет увеличить внешний диаметр звена при сохранении внутреннего диаметра (шага цепи), а также площадь поверхности каждого звена, следовательно, тем самым повышает пылеулавливание цепной завесы. Снижение уноса пыли из зоны завесы, а вместе с ней и тепла, приводит также и к интенсификации теплообмена в печи. Увеличение площади внешней поверхности звена, т.е. поверхности теплообмена, приводит к интенсификации теплопередачи от газового потока к материалу. Снижение пылевыноса из печи приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими газами и экономии топлива. Отношение вертикального габаритного размера (малый размер) поперечного сечения звена к горизонтальному габаритному размеру (большой размер) представляет собой, по аналогии с эллипсом, коэффициент сжатия этого сечения. Верхний предел отношения габаритных размеров поперечного сечения звена в виде значения, равного 0,9, определяется тем, что, если коэффициент сжатия буде равен 1, то сжатие будет равно 0, следовательно площадь поверхности звена будет минимальной. Нижний предел отношения габаритных размеров поперечного сечения звена в виде значения, равного 0,3, определяется тем, что при меньших значениях этого отношения, т.е. при чрезмерно низком и чрезмерно широком профиле, цепь быстрее теряет запас прочности. Это связано с тем, что звенья цепи при поперечном сечении с чрезмерно низким профилем быстрее теряют прочность из-за интенсивной коррозии. Более того, вырастает износ цепи из-за того, что при чрезмерно широком профиле сечения каждого звена цепи происходит касание или пересечение звеньев цепи, что, в свою очередь, подвергает цепь влиянию дополнительных нагрузок (ударной нагрузке, трению и т.п.).
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, отношение габаритных размеров поперечного сечения звена, характеризующее степень сжатия сечения, лимитируется возможностью вписывания в это сечение круга с площадью, равной не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена. Поэтому оптимальным значением отношения габаритных размеров поперечного сечения звена, так сказать, коэффициентом сжатия, можно считать значение, близкое 0,5, т.е. равное ≈0,5. При меньших значениях отношения габаритных размеров поперечного сечения звена вписать в это сечение круг с площадью 60% от площади всего поперечного сечения звена становится затруднительно.
Например, при построении сечения звена цепи, представляющего собой замену звена с круглым сечением диаметром 25 мм, максимально развитая поверхность каждого звена цепи получается при отношении габаритных размеров поперечного сечения звена, равным 0,48-0,5. При таком сжатии поперечного сечения поверхность каждого звена данной цепи увеличивается, примерно, на 40-50% в сравнении со стандартным звеном круглого сечения и на 30-40% в сравнении с известным звеном прототипа, что в значительной мере повышает теплообмен во вращающейся печи, снижает расход тепла на обжиг, так как увеличение ширины сечения каждого звена цепи с 25 мм до 40 мм приводит к значительному снижению пылевыноса.
В связи с тем, что коэффициент теплоотдачи от газового потока к цепям меньше, чем от цепей к материалу, то существует необходимость того, чтобы цепи дольше находились в газовом потоке - над поверхностью материала (Ю.И.Дешко, М.Б.Креймер, Т.А.Огаркова. Наладка и теплотехнические испытания вращающихся печей на цементных заводах. Издание второе, переработанное и дополненное, - М.: Стройиздат, 1966 г., стр.28). Применение сжатия сечения каждого звена цепи дает возможность быстрее прогревать цепь в газовом потоке, следовательно пропадает необходимость в задержке ее над поверхностью материала.
Согласно первому и второму вариантам заявляемого изобретения, контуры поперечного сечения звеньев цепи в виде дуги окружности позволяют еще более развить поверхность звена цепи и интенсифицировать теплообмен, так как длина дуги окружности всегда больше длины стягивающей ее хорды. Это позволяет увеличить теплоотдачу от газа к цепи и от цепи к материалу, поскольку за счет увеличения поверхности теплообмена уменьшается термическое сопротивление теплоотдачи (А.П.Баскаков, Б.В.Берг, O.К.Витт и др. Теплотехника. Изд. 2-е, перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.100-101). Эффективность развития внешних поверхностей звеньев цепи становится более значимой в процессе теплоотдачи от газа к цепи, так как здесь имеет место наибольшее термическое сопротивление.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, так как поверхность заявляемой цепи значительно вырастает в сравнении с прототипом, а масса цепи остается неизменной, то количество цепей в цепной завесе вращающейся печи соответственно снижается, исходя из расчетной общей поверхности завесы. Цепная завеса, имея пониженную массу, находясь в материале, меньше его разрушает, истирает, и соответственно снижается количество пыли, выносимой газовым потоком из печи. Снижение пылевыноса из печи приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими газами и экономии топлива. Снижение массы цепной завесы также приводит к снижению ее металлоемкости, уменьшению ее стоимости, снижению веса вращающейся части печи, снижению нагрузки на ролики, бандажи и шестерни редукторов, а значит, и к снижению металлоемкости конструкции печи в целом.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, поперечное сечение каждого звена цепи, выполненное веретенообразной формы, позволяет повысить запас прочности цепи и увеличить период допустимого износа цепи, а также способствует сомоочистке цепи от налипающего на нее материала.
В процессе эксплуатации рабочие поверхности цепи испытывают постоянное или циклическое воздействие агрессивной среды (газообразной и жидкой) при одновременном внешнем механическом нагружении, что приводит к разрушению поверхности металла с постоянным изменением размеров формы звеньев цепи. Таким образом, одновременно с коррозионным воздействием среды поверхности звеньев цепи подвергаются локальным механическим нагружениям, возникающим при трении и других видах взаимодействия сопрягаемых поверхностей, износу твердыми абразивными частицами и т.п. Все это приводит к преждевременному выходу цепи из строя вследствие интенсивного развития процессов коррозии и изнашивания рабочих поверхностей. Для цепи вращающейся печи характерными видами изнашивания являются (ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка»):
- механическое изнашивание следующих видов: абразивное, газоабразивное, гидроабразивное, газоэрозионное;
- коррозионно-механическое изнашивание следующих видов: окислительное.
Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий.
Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий, сопровождающихся химическим (высокотемпературное окисление металла газами) и электрохимическим взаимодействием металла со средой (при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита, особенно в присутствии агрессивных газов).
Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание звеньев цепи происходит в связи с наличием значительного числа абразивных частиц в составе технологической среды. Наряду с режущим и царапающим воздействиями абразивных частиц в этом случае значительную роль в изнашивании играют коррозионные процессы, нарушающие сплошность защитной оксидной пленки в результате деформации микрообъемов металла. Многократное удаление вновь образующихся оксидных пленок приводит к изменению исходных размеров звеньев цепи.
Процесс коррозионно-механического изнашивания, которому особенно интенсивно подвержены внешние поверхности звеньев цепи, представляет собой разрушение металла при трении в коррозионной среде («коррозия при трении», ГОСТ 5272-68 «Коррозия металлов»), которое происходит при одновременном воздействии на поверхность металла коррозионной среды и сил трения. Коррозионная эрозия (или коррозия при трении) представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т.п.).
Из всего этого очевидно, что на износ цепи одновременно влияет множество различных факторов, бороться с которыми весьма сложно. Поэтому одним из направлений для повышения работоспособности цепей для цепных завес вращающейся печи, эксплуатирующихся в условиях коррозии и абразивного изнашивания, является рациональное конструирование звена цепи такой формы и размеров, которые обеспечивали бы возникновение на рабочих поверхностях минимальных по величине механических воздействий в процессе эксплуатации и продлевали бы период допустимого износа.
Согласно первому и второму вариантам заявляемого изобретения, применение выгнутых поверхностей позволяет снизить износ цепи, так как при неравномерной коррозии оценивается максимальное ее проникновение, и увеличить срок эксплуатации цепи до предельного износа в результате механического и коррозионно-механического изнашиваний, т.е. повысить период допустимого износа. Для построения контура внешней части поперечного сечения звена цепи можно использовать любую часть окружности. Чем больше кривизна дуги, тем выше период допустимого износа. Условия сопряжения, характер контакта внутренних торцевых поверхностей звеньев цепи также оказывают влияние на скорость изнашивания. Поэтому, согласно первому и третьему вариантам изобретения, контур внутренней части поперечного сечения каждого звена цепи выполняется двумя сходящимися прямыми линиями и пересекающей их в месте контакта звеньев цепи выпуклой дугой окружности. Изменение угла наклона прямых линий позволяет одновременно регулировать площадь поперечного сечения звена, а значит, и массу звена цепи, а также длину дуги окружности, пересекающей эти прямые линии в месте контакта звеньев цепи. Оптимальное решение предусматривает максимальную длину дуги окружности в месте контакта звеньев цепи при минимальном значении площади поперечного сечения звена цепи. Так как масса каждого звена цепи с выгнутыми поверхностями вырастает, то для компенсации разницы и сохранения массы контур внутренней части поперечного сечения звена цепи, согласно первому и третьему вариантам изобретения, выполнен в виде двух сходящихся прямых. Использование вогнутых поверхностей звеньев цепи не допустимо, так как при этом затрудняется самоочистка этих поверхностей от налипающего материала, что приводит к интенсивному образованию настыля.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, наличие в контуре поперечного сечения каждого звена цепи переломов или перегибов, которые образуются пересечением дуг окружностей и прямых линий, позволяет налипающей на цепь пленке шлама легче отделяться от поверхности звеньев, поскольку в рельефе пленки, повторяющем рельеф звеньев, возникают разнонаправленные усилия ее разлома и отделения от звеньев, что способствует быстрой самоочистке цепей перед зоной декарбонизации и сохранению гранулометрического состава материала, поступившего из цепной зоны, и не повышает запыленности газового потока. Для того чтобы ребра в местах перелома или перегиба контура поперечного сечения каждого звена цепи быстро не истирались и не обгорали при эксплуатации в горячей зоне, в заявленной цепи они могут быть сглажены округлением.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, выполнение в месте контакта звеньев цепи части контура поперечного сечения каждого звена цепи в виде выпуклой дуги окружности с радиусом, равным радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена цепи, увеличивает контактную поверхность между звеньями цепи и, вследствие уменьшения нагрузки на внутреннюю поверхность звена, снижает ее износ.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, выполнение поперечного сечения каждого звена цепи с необходимостью вписывания внутри сечения круга, имеющего площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена, позволяет увеличить запас прочности цепи. Для этого, согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, поперечное сечение каждого звена цепи выполнено веретенообразной формы.
Отношение предельного напряжения к максимальному рабочему напряжению называют коэффициентом запаса прочности. Для надежной работы цепи нельзя допустить, чтобы рабочие (расчетные) напряжения в процессе эксплуатации стали близки к предельным, т.е. нужно обеспечить запас прочности. В процессе эксплуатации цепи при приближении площади поперечного сечения ее звеньев к величине, равной 60% от площади исходного сечения, запас прочности теряется. Значит, от того, как быстро цепь потеряет запас прочности, зависит срок ее эксплуатации. Согласно заявляемому изобретению, критическая площадь (площадь круга) имеет дополнительную защиту в виде выпуклых поверхностей звена цепи, что позволяет продлить срок эксплуатации цепи.
Согласно всем трем вариантам заявляемого изобретения, внешние контуры звеньев литой цепи плавные и не имеют выступов, что снижает концентрацию остаточных напряжений в местах сопряжения поверхностей и повышает прочность цепи. Наличие же острых кромок и выступов на внешнем контуре каждого звена цепи усиливает также и износ цепи в виде царапания, задира, заедания.
Сущность заявленного изобретения поясняется рисунками:
на фиг.1 показан фрагмент разреза цепи со звеньями круглой формы, согласно первому варианту изобретения;
на фиг.2 показан фрагмент разреза цепи со звеньями круглой формы, согласно второму варианту изобретения;
на фиг.3 показан фрагмент разреза цепи со звеньями овальной формы, согласно третьему варианту изобретения;
на фиг.4 показано поперечное сечение звена цепи, согласно первому варианту изобретения;
на фиг.5 показано поперечное сечение звена цепи, согласно второму варианту изобретения;
на фиг.6 показано поперечное сечение звена цепи, согласно третьему варианту изобретения.
Цепь для цепной завесы вращающейся печи, состоящая из соединенных между собой звеньев 1 любой геометрической формы, например овала или круга.
Контур поперечного сечения каждого звена 1 цепи, согласно второму варианту, выполнен двумя пересекающимися выпуклыми дугами окружности 2 и пересекающей их в месте контакта 3 звеньев цепи выпуклой дугой 4 окружности с радиусом r, равным радиусу R криволинейной части шага цепи t (для звеньев круглой формы - половине шага цепи t/2).
Контур поперечного сечения каждого звена 1 цепи, согласно первому и третьему варианту, разделен на две части: внешнюю 5 и внутреннюю 6 (со стороны контакта звеньев цепи). Для равномерного износа звена 1 цепи оптимальным решением является то решение, при котором площадь внешней части 5 поперечного сечения звена равна площади внутренней части 6 поперечного сечения звена. Контур внешней части 5 поперечного сечения каждого звена 1 цепи, согласно первому варианту, выполнен в виде двух пересекающихся выпуклых дуг окружности 2, а, согласно третьему варианту, выполнен в виде двух пересекающихся прямых линий 7. Контур внутренней части 6 поперечного сечения каждого звена 1 цепи, согласно первому и третьему вариантам, выполнен двумя сходящимися прямыми линиями 8 и пересекающей их в месте контакта 3 звеньев цепи выпуклой дугой 4 окружности с радиусом r, равным радиусу R криволинейной части шага цепи t (для звеньев круглой формы - половине шага цепи t/2).
Для построения контура дуги 2 можно использовать любую часть окружности.
Поперечное сечение каждого звена во всех трех вариантах выполнено с отношением его вертикального габаритного размера а к горизонтальному габаритному размеру b, равным 0,3-0,9, т.е. (а/b)=0,3-0,9.
Внутри поперечного сечения каждого звена 1 цепи, согласно всем вариантам, вписан круг 9, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.
Цепь для цепной завесы вращающейся печи используется следующим образом:
Цепи используются в качестве внутреннего теплообменного устройства. Во время вращения печи часть цепей находится в потоке газов, а остальная часть погружена в материал. В начале цепной зоны шлам налипает на цепи, находящиеся в газовом потоке. Цепи в этой части зоны увеличивают поверхность соприкосновения шлама с горячими газами, а в результате улучшается теплообмен. Когда шлам подсыхает, он теряет пластичность и уже не налипает на цепи. С этого момента тепло материалу передается цепями по регенеративному принципу: цепи нагреваются в газовом потоке и при погружении в материал передают ему тепло. Наряду с этим материал воспринимает тепло от газов и футеровки.
Оптимальная конструкция цепей должна обеспечивать эффективную теплопередачу, быть устойчивой к действию высокой температуры, иметь высокий запас прочности, сохранять гранулометрический состав материала и не повышать запыленности газового потока.