水泥回轉窯筒體橢圓度對耐火襯體的影響及應對措施

李綱，萬天靜，譚迪，趙宇，姬炯

1 前言

回轉窯是一個由多構件組成的有機整體，影響其運行狀態的因素較多，且各因素相互影響，導致其力學機理非常復雜。窯內耐火襯體的損毀方式可分為熱力損毀、化學損毀和機械損毀三種，其中，因機械因素造成的損毀占60%以上。隨著窯齡的增長，機械因素對窯內耐火襯體損壞的影響日益突出。本文主要介紹筒體橢圓度對耐火襯體的損壞機理、典型案例及對應的防范措施。

2 筒體橢圓度及影響因素

2.1 筒體橢圓度

筒體橢圓度是指筒體圓形截面最大最小直徑（內徑）之差。筒體橢圓度分為絕對橢圓度和相對橢圓度。相對橢圓度也稱橢圓率，絕對橢圓度Ws=2（a-b），其中，a為長軸，b為短軸。筒體橢圓度示意圖見圖1。橢圓率Wr=100Ws/di（%），其中，Ws為絕對橢圓度，di為標準圓的直徑。

圖1 橢圓度定義示意圖

理論研究和實際檢測均表明，支撐部位的筒體橢圓度最大，逐步向跨間衰減。筒體橢圓度隨著回轉窯的運轉而動態變化，使用橢圓度測量儀可在線測量筒體橢圓度。橢圓度過大會損壞耐火磚襯，磨損相關的筒體和墊板；橢圓度過小且熱態下輪帶間隙過小，窯筒體會有被抱死和損壞耐火磚襯的風險。瑞士TOM-TOM TOOLS公司根據長期實踐經驗繪制了橢圓率（%）與窯筒體直徑的線性關系圖，如圖2所示。

圖2 橢圓率（%）與窯筒體直徑的線性圖

2.2 輪帶間隙

水泥回轉窯多采用松套式的浮動輪帶，輪帶套在回轉窯筒體上，輪帶和筒體間用浮動墊板填充，輪帶兩側用擋環和固定擋塊來限制輪帶的軸向運動。在回轉窯設計時，輪帶墊板和輪帶內側間應預留一定的間隙，間隙值應包含升溫后浮動墊板和輪帶熱膨脹產生的差值d，同時受重力影響，筒體會產生橢圓變形量。對于長時間運轉的回轉窯，由于輪帶內側、墊板、窯筒體外側存在一定的磨損量，頂部間隙會相應增加Δt，冷態下輪帶頂間隙值S=d+e+Δt。未發生磨損的冷態下的輪帶頂間隙示意圖見圖3。輪帶間隙一方面用來抵消筒體和輪帶的熱膨脹差，避免輪帶將筒體箍得過緊；另一方面用來緩沖回轉窯旋轉的啟動力矩，避免損傷托輪軸瓦和墊板。

圖3 未發生磨損的冷態下的輪帶頂間隙

2.3 筒體橢圓度、輪帶頂間隙和輪帶滑移量的關系

筒體橢圓度可反映筒體抵抗橢圓變形的能力，進而反映筒體的狀況。筒體薄和剛度差，筒體橢圓度易超標，可通過調整墊板厚度調小輪帶間隙；筒體厚和剛度較強，筒體橢圓變形的程度很小，但由于輪帶內側、墊板或筒體的磨損，致使輪帶間隙值較大。對于僅輪帶間隙為變量的輪帶結構而言，輪帶間隙越大，對筒體的約束就越小，筒體橢圓變形程度越大，橢圓度也越大。由于橢圓度的測量需要專用設備，在回轉窯日常運行過程中，水泥廠技術人員關注更多的是輪帶滑移量（圓周方向），因回轉窯筒體和輪帶不是標準的圓，輪帶滑移量和輪帶熱態下間隙的比值也就不是π，但二者的實際比值和理論比值相差并不大，可將二者的比值設定為π進行計算，滑移量與熱態下輪帶間隙測定值的比值關系見表1。

理論上各檔最佳輪帶滑移量為10mm/r，即熱態下各檔輪帶間隙約為3mm，但在實際運行中很難達到。波蘭GEOSERVEX公司根據多年經驗給出的窯中和窯尾檔熱態下的輪帶間隙經驗值為3～6mm，窯頭檔因溫度波動大為5～8mm。將滑移量和熱態輪帶間隙的比值設定為π計算，窯中和窯尾檔滑移量應控制在9～19mm，窯頭檔滑移量應控制在15～25mm。對于不同直徑的窯，滑移量的數值一般向控制范圍的下限方向控制；對于窯徑大的窯，滑移量的數值可向上限控制，但不可超出范圍。

3 筒體橢圓度對耐火襯體的影響

筒體橢圓度大，意味著筒體截面橢圓變形程度大，回轉窯筒體截面因變形產生壓縮和拉伸應力，耐火磚也受到交互變化的應力?；剞D窯旋轉一周的過程中，多次發生交變應力的變化和筒體曲率的變化，耐火襯體在經受交變應力后也會出現一些變化，如圖4所示。

圖4 耐火磚承受交互的拉力和壓力作用示意圖

筒體對耐火材料造成的壓應力：

式中：

σD——壓應力，N/mm2

Ws——窯筒體橢圓度，mm

R——筒體半徑，mm

h——襯磚厚度，mm

ED——壓縮彈性模量，kN/mm2

由式（1）可見，橢圓度越大，耐火材料所受到的壓應力也就越大。日本的土屋等人研究了窯筒體橢圓度與窯內襯耐火材料的損毀速率之間的關系，耐火襯體所受應力與損壞速率隨著筒體橢圓度的增大而增加。

此外，窯體本身也存在著以輪帶為支點，沿筒體中心線形成的彎矩變形，存在一種軸向的交變應力，如圖5所示。較大的筒體橢圓度形成環向的交變應力，加之軸向的交變應力在筒體輪帶附近的疊加，在縱向和環向上壓縮擠壓和拉伸窯內襯體，使窯襯之間產生縫隙，破壞了窯襯的穩定性。通常情況下輪帶處的耐火磚存在零星的“爆頭”和“抽簽”的情況，如圖6所示，嚴重的會觸發損壞部位磚的軸向和圓周運動，造成耐火磚的剪切和扭曲。

圖5 回轉窯筒體在輪帶處交變應力

4 筒體橢圓度對耐火襯體的影響案例

（1）ZY 3號窯，產量5 000t/d，回轉窯尺寸φ 4.8m×72m，2017年4月12日因一檔輪帶部位（6m處）大面積紅窯，停窯檢修。進窯發現，該部位耐火磚已脫落，前后耐火磚扭曲、擠碎嚴重，使用周期9個月，未達到正常使用周期，業主決定對0.5～12.0m耐火磚進行更換，如圖7所示。

停窯后，測量冷態下一檔輪帶間隙為48.0mm，大大超出經驗范圍（23.4mm），如圖8所示。2017年12月對該窯進行中心線系統動態檢測，中心線在二檔水平面偏差為-1.0mm，垂直偏差+2.0mm，中心線偏差在允許范圍內（水平±1.5mm，垂直±2.0mm）。窯尾檔和窯中檔滑移量在允許范圍，但出料端近一周的滑移量平均值達40.0mm，遠遠超出了允許范圍。

（2）BL 1號窯，產量5 000t/d，回轉窯尺寸φ 4.8m×74m，2020年5月17日因液壓擋輪故障停窯，檢查發現窯口澆注料脫落約2/3，脫落部位均可見到錨固件根部，護鐵上端面完好，一檔輪帶（6m）位置附近耐火磚“爆頭”現象嚴重，對薄弱點進行挖補，發現耐火磚有斷裂、大頭磨損脫空擠碎現象，如圖9、圖10所示。

業主要求對一檔輪帶處耐火磚薄弱點進行挖補處理，窯口澆注料進行整體更換，并規范養護（圖11、圖12）。9月26日窯口澆注料再次脫落停窯，窯口澆注料脫落約2/3，與5月17日的損壞情況一致，窯口運行周期僅為4個月，屬于異常消耗。

2020年3月24日檢修期間，測量冷態下輪帶間隙一檔輪帶為37.0mm，5月18日故障停窯后測量冷態下一檔輪帶間隙為36.0mm，大大超出經驗值（23.4mm）?；剞D窯正常運轉至5月24日，測量一檔滑移量為45.0mm，超出滑移量允許最大值（24.0mm）。2020年9月檢修期間，業主對窯口澆注料進行了整體更換和窯內挖補，并對一檔、二檔和三檔輪帶間隙進行了調整，將輪帶間隙和滑移量控制在允許范圍，耐火材料使用狀況得到改善。

圖6 輪帶處耐火磚“爆頭”及“抽簽”現象

圖7 ZY 3號窯一檔輪帶部位掉磚紅窯

圖8 ZY 3號窯一檔輪帶冷態下頂部間隙

圖9 BL 1號窯一檔輪帶附近耐火磚“爆頭”情況

圖10 BL 1號窯一檔輪帶附近耐火磚斷裂情況

圖11 窯口澆注料施工照片

圖12 窯口澆筑拆模后整體狀況

5 應對措施

為降低因筒體橢圓度過大對耐火襯體造成的損害，日常維護和檢修過程中應做好以下工作：

（1）關注輪帶滑移量，控制各檔滑移量在合理的范圍內。當熱態下滑移量＞24mm/r時，要時刻監控輪帶滑移量，當滑移量超過范圍時，通過增加墊片或更換浮動墊板來調整輪帶間隙，控制滑移量。

（2）定期測量回轉窯筒體厚度。當筒體厚度降低為原厚度的70%時，應考慮更換，避免筒體厚度過薄造成筒體開裂。

（3）定期檢查浮動墊板的磨損情況、墊板位置、擋環和擋塊完好情況，發現異常及時修正。

（4）定期檢測和調整回轉窯筒體中心線和橢圓度。對回轉窯筒體橢圓度進行年度檢測1次/年，避免橢圓度過大，損壞耐火磚。

（5）加強對換磚部位的評測及砌筑質量的控制。換磚位置應距離輪帶中心半個窯徑或以上，輪帶前后2m應規范濕砌；砌筑過程中，嚴格控制每米環向偏差、封口壓力等技術參數。

6 結語

（1）對于僅輪帶間隙為變量的輪帶結構而言，輪帶間隙越大，對筒體的約束就越小，筒體橢圓變形程度就越大，橢圓度也就越大，表現在滑移量上即為滑移量偏大。

（2）較大的筒體橢圓度會形成較大的環向交變應力，加之軸向交變應力在輪帶附近的筒體疊加，造成窯內襯體在縱向和環向上的壓縮擠壓和拉伸，使窯襯之間出現縫隙，從而破壞了窯襯的穩定性。

筒體橢圓度與耐火襯體損壞速率呈線性關系，橢圓度越大，耐火襯體損壞速度就越快。