横管式连续蒸煮装置的蒸煮管结构与设计
李良伟
轻工业杭州机电设计研究院
摘要：在横管式连续蒸煮装置中，蒸煮管关系到系统的可靠性、产能和成浆质量，是十分重要的组成部份。本文介绍蒸煮管的结构和规格参数计算，并对螺旋轴等主要部件的设计问题进行讨论，希望有助于蒸煮管的设计和技术改造工作。 关键词：横管连蒸；蒸煮管；螺旋轴；结构与设计；
横管式连续蒸煮装置是非木材纤维原料制浆的主要设备，既可用于化学、半化学及生物制浆，又能用于化机浆和生物机械浆的预处理。按制浆系统产能不同，在一套横管式连续蒸煮装置中，通常需要配置一至四根相同规格的蒸煮管，这些蒸煮管之间大多采用上下串联叠置的组成方法。纤维原料先由螺旋喂料器送入第一根蒸煮管，随后受到螺旋叶片的推动与搅拌，在缓慢的行进中与药液充分混合，同时被通入蒸煮管内的压力蒸汽加温或者保温。在一定温度下，物料按照工艺预定的制浆反应时间，依次通过各根蒸煮管，直至最后一根管的出料口排出，完成浸渍和蒸煮过程。
蒸煮管通常为一类压力容器，其结构示意图如图1所示，主要由筒体、端盖、螺旋轴、轴承座、鞍座、进料管、出料管、进汽管、备用排汽管、仪表接口、维护(观察)孔、传动装置等部份组成。蒸煮管的规格参数一般以公称直径和有效长度（进、出料管中心之间的距离）表示，常用直径有DN1200mm 、DN1350mm 、DN1500mm 、DN1800mm 、DN2000mm 和DN2200mm ，有效长度为8-12m 。
1．端盖 2．备用排汽管 3．仪表接口 4．维护(观察)孔
5．进料口 6．传动链轮 7．轴承座 8．出料口 9．筒体
10．进汽管 11．鞍座 12．螺旋轴
图1 蒸煮管结构示意图
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横管式连续蒸煮装置的产能与蒸煮管的容积成比例，浸渍和蒸煮必需的有效总容积按下式计算：ΣV=QT/1.44ρa Yψ，式中：ΣV－有效总容积（m3）；Q－绝干粗浆量（t/d）；T－工艺要求的蒸煮时间（min）；ρa－物料在蒸煮过程中的平均密度（Kg/m3）；Y－粗浆得率；ψ－物料在蒸煮管内的填充系数。单根蒸煮管的有效容积（蒸煮管内径与有效长度所构成的空间）可按式V e≥ΣV/Z计算，式中：V e－单根蒸煮管的有效容积（m3）；Z－蒸煮管根数，确定V e值后就可选定蒸煮管规格，并确定蒸煮管内径D和有效长度L值。
随着蒸煮的深入，物料在各蒸煮管内的密度会不断加大，最后一根蒸煮管里的密度约比第一根蒸煮管内增大20-50%。物料在螺旋喂料器料塞管里的密度约为500-600kg/cm3，离开料塞管经过扩散管时的密度约为240kg/cm3左右，各种物料在进入第一根蒸煮管时的密度各不相同，一般木材、竹子：185-215kg/m3；芦苇、麦草：160-195kg/m3，同一种不同产地物料的密度也有所差别。物料在某一根蒸煮管内的蒸煮时间可按下式计算：T n=1.44V eρn Yψ/Q，式中：T n－某一根蒸煮管的蒸煮时间（min）；ρn－某一根蒸煮管内的物料密度（Kg/m3），各根蒸煮管的蒸煮时间总和应大于工艺要求的蒸煮时间，即ΣT n≈(1-1.2)T。
蒸煮管的筒体由钢板卷焊而成，筒体的结构与厚度须按照压力容器的相关技术规范进行设计，筒体上焊接的进、出料管属于大开孔结构，应按压力容器大接管开孔补强设计规定对筒体两端进行整体补强处理，并且进、出料管的直径不得大于筒体直径的0.8倍。为阻碍物料在蒸煮管内随螺旋轴转动，防止打滑现象，通常在蒸煮管筒体下部约160°范围内沿轴向焊接4条高度为10-15mm的防滑条。为了向蒸煮管内通入蒸汽加热物料，还须在筒体上焊接一组进汽管，进汽管通常焊接在筒体下侧，进汽方向顺着螺旋轴的回转方向，并朝向筒体底部。
蒸煮管的端盖一般采用平盖板结构，随着产能的扩大，蒸煮管的规格也不断扩大，对于DN1500mm规格的蒸煮管来说，当蒸煮压力为0.7MPa时，端盖的厚度达90mm左右，为了节省材料和便于加工，
端盖也可采用在平盖板上焊加强筋的结
构形式，如图2所示，但这类结构的强
度计算较为麻烦。
螺旋轴是蒸煮管的主要部件，其结
构和尺寸是否合理与蒸煮管的使用性能
密切相关。螺旋轴上螺旋叶片的外径应
比筒体内径小40-60mm（间隙20-30mm），
螺旋叶片螺距与螺旋轴转速可按照下式图2 蒸煮管端盖
计算：S·n=L/T n，式中：S－螺旋叶片
螺距（m）；n－螺旋轴转速（r/min）。由于物料在各根蒸煮管中的密度不断增加，使得蒸煮时间也不断延长，所以在螺距相同的情况下，应将各根蒸煮管的螺旋轴设置成不同的转速，一般呈先快后慢的状态。在实际生产中，蒸煮管螺旋轴的转速大多在2r/min左右。螺旋叶片螺距与螺旋轴转速、扭矩和物料受力相关，应大小适宜，原Sunds公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm和DN1500mm 规格的螺距为410mm，原Pandia公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm 规格的螺距为457mm；DN1500mm规格的螺距为508mm。
蒸煮管的螺旋轴属于大跨距结构，其设计具有一定特特殊性，通常螺旋叶片的芯轴采用整根无缝钢管制作，芯轴直径大小除满足常规机械强度条件外，还必须同时满足以下三个约束条件：1．在芯轴处物料受到推进方向的轴向力，据此可推导出下式：d＞0.32fS，式中：d－螺旋叶片的芯轴外径（m）；f－物料与螺旋叶片之间的动摩擦系统。2．综合挠度和机加工误差，螺旋轴安装后，螺旋叶片与筒体防滑条之间的最小间隙保持在3-8mm。3．螺旋轴自然挠曲后，螺旋轴的最大挠度值应小于蒸煮管轴承跨距的0.0005倍。根据经验，按上述条件计算确定的芯轴直径约为螺旋叶片外径的0.28-0.38倍。
螺旋轴上的螺旋叶片有多种布置形式，最常用的是等直径等螺距形式，采用这种形式，物料在蒸煮管内的填充系数可达60-65%左右，原Sunds公司最先采用变直径变螺距的螺旋叶片布置形式，这样，物料在蒸煮管内的填充系数可达75%左右。但蒸煮管内的填充系数也不能太高，最高不得超过80%,填充系数过高会造成蒸汽流动不畅，纸浆夹生，成浆不均等现象，甚至引起螺旋轴轴向串动。变径变距螺旋叶片的典型形式如图3所示。
图3 变径变距螺旋叶片
螺旋轴的支承轴承大多采用双列调心滚子轴承，螺旋轴推进物料的原理与螺旋输送机一致，因此从理论上说，螺旋轴并不需要配置推力轴承，但当填充系数过高，或蒸煮管使用多年，严重结垢后，有时会产生螺旋轴轴向串动现象，为防止这一现象发生，需在螺旋轴的一端配置组合轴承，组合轴承可由双列调心滚子轴承加推力球轴承或一对推力调心滚子轴承组成，此外，为使螺旋轴在正常工作
