大縮口回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)功率的計算

柴玉川，高鵬，崔麗霞

回轉(zhuǎn)窯廣泛應(yīng)用于冶金、化工、建材、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域，其筒體結(jié)構(gòu)形式主要有直筒型、窯尾擴大型、窯頭擴大型、啞鈴型、窯尾縮口型、窯頭縮口型六種。在常規(guī)設(shè)計功率計算中，前五種結(jié)構(gòu)形式均可采用筒體分段方式進行功率計算，設(shè)計資料和相關(guān)文獻較多，而對于最后一種窯頭縮口型結(jié)構(gòu)，因窯頭正常縮口幅度普遍偏小，可忽略不計，往往等同于直筒型回轉(zhuǎn)窯進行功率設(shè)計計算。窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯不常用，功率計算參考資料較少。

筆者參與了某公司鈦鐵精礦還原窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計，該回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4m×62m，設(shè)計時采用理論推導(dǎo)和實驗驗證的方法準(zhǔn)確計算出了運轉(zhuǎn)所需功率，保證了設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。新回轉(zhuǎn)窯與原回轉(zhuǎn)窯相比，電機選用功率大幅降低，節(jié)能效果顯著。

1 現(xiàn)場原有回轉(zhuǎn)窯運行情況

現(xiàn)場原有4 臺鈦鐵精礦還原窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯，原料為鈦鐵礦和煤，用于生產(chǎn)富鈦料，最高還原溫度在1 150℃～1 200℃之間，有時存在輕微結(jié)圈的情況，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4m×62m，均為舊回轉(zhuǎn)窯改造利用；窯頭縮口筒體直徑φ2.36m，縮口過渡段長度1.5m，縮口后直徑長度1m，耐火材料厚度300mm，安裝斜度2.5%，三檔托輪支承，液壓擋輪，托輪軸承組為滑動軸承傳動；實際投料量10t/h，最大設(shè)計轉(zhuǎn)速0.3r/min，實際轉(zhuǎn)速0.18r/min，電機功率380V、2×90kW，實際運行頻率25Hz，電流為140A，功率約35kW。筒體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 筒體結(jié)構(gòu)簡圖

2 新回轉(zhuǎn)窯設(shè)計要求

為提高產(chǎn)能，客戶決定棄用舊窯，重新設(shè)計制造兩臺新回轉(zhuǎn)窯用于生產(chǎn)。新回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)按原有回轉(zhuǎn)窯設(shè)計，最高設(shè)計轉(zhuǎn)速提高到0.42r/min，在轉(zhuǎn)速0.21r/min 時，設(shè)計投料量為12t/h。在回轉(zhuǎn)窯低轉(zhuǎn)速情況下，舊回轉(zhuǎn)窯托輪軸承組采用滑動軸承傳動，軸瓦很難產(chǎn)生有效潤滑油膜，所以新回轉(zhuǎn)窯托輪軸承組改為滾動軸承傳動。

3 主要設(shè)計參數(shù)的確定

3.1 物料停留時間的確定

回轉(zhuǎn)窯窯頭縮口幅度大，必然會延長物料在窯內(nèi)的停留時間，一般理論計算公式不適用于物料停留時間的計算，因此采用下述方法進行推導(dǎo)：

（1）理論推導(dǎo)

假設(shè)料面高度小于縮口處高度時，物料不能越過縮口前進排出；料面高度超過縮口時，高于縮口部分的物料才能前進排出。據(jù)此，可以假設(shè)只有高于縮口的物料一直在沿著縮口后直徑的整個筒體長度內(nèi)做移動。

按照理論公式（1），筒體內(nèi)無揚料板物料的停留時間計算如下：

式中：

t1——物料停留時間，min

L——筒體長度，m

Di——筒體縮口處有效內(nèi)徑，m

θ——物料的自然傾角，°

a——物料的水平傾角，°

n——筒體轉(zhuǎn)速，r/min

由L=62m，Di=1.76m（耐火材料厚度300mm），θ=31°，sina=0.025，n=0.21r/min，計算得出物料停留時間t1=1 159.7min。

（2）實驗驗證

在設(shè)計期間有一條停產(chǎn)檢修的回轉(zhuǎn)窯正準(zhǔn)備投產(chǎn)，窯內(nèi)物料已清理干凈，在業(yè)主配合下進行了投料實驗。在回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速0.18r/min 的情況下進行投料，從物料投入到有物料排出時間為1 400min。

按照式（1）計算，窯轉(zhuǎn)速在0.21r/min 時，物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)實際停留時間為1 200min，與理論公式計算結(jié)果相差41.3min，誤差3.44%，理論計算結(jié)果和實驗驗證結(jié)果接近，最終以實驗驗證結(jié)果1 200min 為計算依據(jù)。理論公式計算與實驗驗證結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因主要有兩種可能：一是因窯頭縮口，導(dǎo)致縮口前的物料在移動過程中，厚度和橫向截面不斷擴大，物料被提升路徑也隨之不斷增大，導(dǎo)致物料向下滑移的時間（即窯內(nèi)停留時間）延長；而通過縮口進入直段后，不存在因縮口直徑變小導(dǎo)致的縮口前積料，物料移動的橫向截面和提升路徑變小。因此，在物料被提升過程中，筒體縮口前存在部分路徑大于筒體縮口后物料被提升的路徑，而在理論公式中，筒體直徑值代入的是縮口后直徑值（即物料被提升路徑短），這是導(dǎo)致計算數(shù)值小于實際運行數(shù)值的一個原因。二是物料在還原過程中，在高溫段熔融狀態(tài)下，物料休止角會變大，物料實際停留時間比理論停留時間稍長。若要進行更為準(zhǔn)確的計算，則需要通過生產(chǎn)實踐統(tǒng)計大量的數(shù)據(jù)，從而獲得一個合理范圍的修正系數(shù)進行修正。

圖2 sinθ與填充率相關(guān)的系數(shù)

3.2 物料填充系數(shù)的確定

物料在回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)過程中，窯內(nèi)停留的物料量=物料在窯內(nèi)停留的時間×每小時投料量，經(jīng)計算，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料停留量為240t。

窯內(nèi)物料填充系數(shù)=物料體積占窯內(nèi)容積的百分比，經(jīng)計算，填充系數(shù)為21.36%。

4 回轉(zhuǎn)窯電機功率的計算

按下列基本公式進行計算：

式中：

N——傳動所需總功率，kW

N1——有效功率，kW

N2——摩擦功率，kW

Di——筒體各段有效內(nèi)徑，m

Li——筒體各段長度，m

n——筒體轉(zhuǎn)速，r/min

γ——物料堆積密度，t/m3

sinθ——與填充率有關(guān)的系數(shù)，可由圖2查得

ω——物料安息角，°

P——托輪軸上的總壓力，kN

Dγ——滾圈外徑，m

Dt——托輪直徑，m

d——托輪軸軸承處直徑，m

f——托輪軸與軸承摩擦系數(shù)，滾動軸承取0.01，滑動軸承取0.1～0.3

ND——電機功率，kW

C1——啟動過載系數(shù)，一般取1.2～1.4

C2——功率增大系數(shù)，一般取1.1～1.2

其中：輪帶直徑4.8m，托輪直徑1.5m，托輪軸軸承處直徑0.48m，托輪軸上的總壓力12 350kN，啟動過載系數(shù)取1.3，功率增大系數(shù)取1.2。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.21r/min，計算可得：

在轉(zhuǎn)速0.42r/min 時，按投料量增加、填充率不變進行計算，可得ND=97.44kW。

因此，可選用功率為110kW 的變頻調(diào)速電機（原有電機功率180kW）。但因用戶擔(dān)心在轉(zhuǎn)速提高、投料量增加的前提下，電機功率反而大幅減小，可能會影響正常生產(chǎn)運行，所以電機功率最終選用了132kW。

5 實際運轉(zhuǎn)效果

安裝投運后，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常且達標(biāo)達產(chǎn)，投料量12t/h，實際電機運轉(zhuǎn)頻率25.5Hz，電機電流130A，運行功率約31.5kW。新舊回轉(zhuǎn)窯電機運行情況對比如表1所示。

6 結(jié)語

（1）窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯功率計算中，對于物料在窯內(nèi)停留時間的確定，經(jīng)實驗驗證，可以采用假設(shè)物料沿著縮口后的有效內(nèi)徑在整個回轉(zhuǎn)窯移動進行近似的計算，但較為準(zhǔn)確的計算仍需要通過生產(chǎn)實踐統(tǒng)計大量的數(shù)據(jù)，從而獲得一個合理范圍的修正系數(shù)進行修正。

（2）從實際運行數(shù)據(jù)來看，110kW 電機即可滿足正常運轉(zhuǎn)需要，理論正常運行電流負(fù)荷率約56%，用戶原有回轉(zhuǎn)窯電機選用功率偏大，利用率太低。

（3）新回轉(zhuǎn)窯在轉(zhuǎn)速提高、投料量增加的情況下，電機電流和功率反而減小，其主要原因是原回轉(zhuǎn)窯在低轉(zhuǎn)速情況下，滑動軸承軸瓦和軸之間不能產(chǎn)生良好的潤滑油膜，過大的摩擦力消耗了部分電機功率。在提產(chǎn)提速條件下，新舊窯運行情況對比見表2。

由表2 可知，在相同情況下，使用滑動軸承傳動的舊窯的運行功率比使用滾動軸承傳動的新窯多32%，正常情況下兩者相差10%～30%，表明在低轉(zhuǎn)速情況下，舊窯滑動軸承軸瓦油膜成型非常不理想，摩擦損耗功率大。

表1 新窯和舊窯電機運行情況對比

表2 提產(chǎn)提速條件下新舊窯運行情況對比