回轉(zhuǎn)窯改造及設(shè)計的分析及研究

孫鐵成

多年以來，回轉(zhuǎn)窯被用于各行各業(yè)，用來完成物料經(jīng)高溫燒結(jié)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在水泥業(yè)、石灰業(yè)、甚至選礦業(yè)等領(lǐng)域，回轉(zhuǎn)窯發(fā)揮著無可替代的重要作用。在上述各個領(lǐng)域內(nèi)，物料的熱加工工藝各不相同，因此回轉(zhuǎn)窯的使用性能亦各具特色。當然，在其他行業(yè)，也有成百上千的回轉(zhuǎn)窯在為各種工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

在諸多領(lǐng)域內(nèi)，對大量物料的熱加工首選回轉(zhuǎn)窯。長期的生產(chǎn)實踐證明，采用回轉(zhuǎn)窯進行熱加工的物料，質(zhì)量均勻，性能穩(wěn)定，對環(huán)境污染程度較小，能源消耗低。在建材、碳素、選礦等行業(yè)，逐漸取代了立式窯爐、倒焰窯、隧道窯等工業(yè)窯爐。

說起回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計及技術(shù)改造，首先要考慮的是回轉(zhuǎn)窯的基本原理和基本性能。當然，各種技改、設(shè)計、研究等離不開實踐的指導(dǎo)，所以在回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造、設(shè)計研究中，必須考慮很多在實踐中積累的經(jīng)驗和各種詳細的數(shù)據(jù)。圖1 是用于水泥熟料生產(chǎn)的濕法回轉(zhuǎn)窯。

圖1 濕法水泥熟料窯示意圖

1 回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料工藝需求的分析及研究

對于每一臺回轉(zhuǎn)窯的燒結(jié)物料，都有非常特殊的工藝要求及數(shù)據(jù)指標，因此對于任何一臺回轉(zhuǎn)窯，在改造或設(shè)計之前，我們都要做全面的調(diào)研，大量廣泛地收集數(shù)據(jù)，然后認真分析評價數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)提煉成改造、設(shè)計研究回轉(zhuǎn)窯的重要依據(jù)。在改造和設(shè)計之前，還要讓所有的設(shè)備運行和設(shè)備維護人員了解新技術(shù)的優(yōu)勢及先進性，掌握新的操作及維護技術(shù)。

對某一臺回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造或研究設(shè)計的第一步是要確定一個總體目標，明確我們要完成什么，包括通過對物料的熱加工要完成得化學(xué)反應(yīng)，各物料之間要實現(xiàn)什么樣的物質(zhì)交換和能量交換。確定最終目標不僅可以明確回轉(zhuǎn)窯內(nèi)要發(fā)生什么燃燒反應(yīng)及物質(zhì)能量交換，而且可以基本明確回轉(zhuǎn)窯的尺寸、結(jié)構(gòu)及各種使用性能要求。

2 回轉(zhuǎn)窯的熱分析

在回轉(zhuǎn)窯開展技術(shù)改造或研究設(shè)計之前，首先要對回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)的物料展開全面的熱分析及化學(xué)分析，通過分析全面掌握各種物料及燃料在回轉(zhuǎn)窯中將要發(fā)生怎樣的變化，是否會出現(xiàn)液相，是否會氣化，是否會發(fā)生爆裂，水分如何等；還包括物料的堆積密度，熱特性，導(dǎo)熱性，化學(xué)性質(zhì)等等。所有這些指標都會影響物料在回轉(zhuǎn)窯中的表現(xiàn)。

接下來，我們詳細分析所有這些因素如何影響回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造及研究設(shè)計的方案制定。

眾所周知，在回轉(zhuǎn)式干燥器中，主要目的是要去除物料的水分。而在回轉(zhuǎn)窯中，去除水分是第二位的，及烘干物料不是最終目標。盡管如此，我們在回轉(zhuǎn)窯技術(shù)改造或研究設(shè)計中，也要重視物料的烘干。

許多案例表明，物料在開始化學(xué)反應(yīng)之前完全去除物料所含水分是最為理想的。當條件允許時，很多單位采用了要外烘干設(shè)備，使物料在進入回轉(zhuǎn)窯之前完全去除或部分去除物料所含水分。當然，不采用窯外分解技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯也很普遍，通過延長物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間，提高回轉(zhuǎn)窯對物料的烘干能力；由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度比較高，所以回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不能像回轉(zhuǎn)式干燥器那樣加裝揚料設(shè)施，則物料和高溫熱氣流的熱交換效率就會略有降低。

總而言之，不同的回轉(zhuǎn)窯有不同的物料受熱方式，從而適應(yīng)物料的熱加工需求。

3 物料的熱性能及回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的熱交換

物料的熱性能是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計之前必須考慮的另一個重要因素。物料的熱性能主要是指物料的傳熱性能計熱容量，從某種程度上可以體現(xiàn)物料每升高1℃所需的熱能及所需加熱時間。例如水具有很高的熱性能，這就意味著水在受熱溫度升高甚至蒸發(fā)過程中需要較多的熱能和較長的加熱時間；相反，如果物料的熱性能較低，則該物料在受熱溫度升高的過程中所需的熱能較少，所需加熱時間較短。

和物料的熱性能相似，物料的傳熱性能也是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計之前必須考慮的因素。物料如何傳遞熱量將直接影響到物料在回轉(zhuǎn)窯中的表現(xiàn)。這主要表現(xiàn)為物料是否容易受熱，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料床物料分布是否均勻，物料吸收及傳遞熱量所需時間以及物料是否在受熱后形成表面隔熱層組織物料的熱交換等。

4 物料的熱重分析

回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計之前必須分析回轉(zhuǎn)窯需要燒結(jié)的物料熱重性能。物料的熱重分析主要研究物料隨溫度的變化而產(chǎn)生的變化，是描述物料在相應(yīng)溫度下其質(zhì)量發(fā)生減少的現(xiàn)象，這是一個標準，一個用來確定回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部各區(qū)域所需溫度的一個標準。例如游離水的蒸發(fā)是在112℃，而物料失去結(jié)晶水是在400℃左右等。

物料的熱重分析還以幫助我們分析各種化學(xué)反應(yīng)的開始溫度和結(jié)束溫度。一般來講，物料的熱重分析曲線顯示物料的化學(xué)反應(yīng)開始于某一特定的溫度，但是往往要在某以更高的溫度點才能結(jié)束反應(yīng)。

總之，我們可以通過物料的熱重分析來確定物料開始化學(xué)反應(yīng)的溫度和結(jié)束化學(xué)反應(yīng)的溫度以及完成化學(xué)反應(yīng)所需要的保溫時間，而且這些數(shù)據(jù)是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計時用來確定回轉(zhuǎn)窯各種指標的基本數(shù)據(jù)。

5 物料的化學(xué)分析

回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計之前，搞清楚物料的化學(xué)組成是非常重要的，主要表現(xiàn)為以下幾個方面的原因：

（1）許多物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的化合反應(yīng)可能會釋放熱量，所以回轉(zhuǎn)窯在設(shè)計時必須考慮如何釋放或者吸收這些熱量，而在其他的回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用領(lǐng)域，相反的情況也會發(fā)生。

（2）物料的化學(xué)反應(yīng)需要特定的氧化或者還原氣氛，所以回轉(zhuǎn)窯必須能夠構(gòu)建這些氧化或者還原氣氛以實現(xiàn)這些物料的化學(xué)反應(yīng)。

（3）通過化學(xué)分析確定回轉(zhuǎn)窯排放廢氣的化學(xué)組成。物料及燃料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生并完成復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)時，同時也產(chǎn)生了許多不同化學(xué)性質(zhì)的氣體，而廢氣在排放大氣之前需要做無害化處理，以確保環(huán)境不受影響。

6 回轉(zhuǎn)窯的尺寸確定

回轉(zhuǎn)窯的尺寸主要是指回轉(zhuǎn)窯的直徑和長度。通過對回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的各種分析，依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求，來確定回轉(zhuǎn)窯的尺寸?；剞D(zhuǎn)窯不僅要有足夠的容積，而且要有燃燒系統(tǒng)來確保物料熱加工以及保持物料反應(yīng)環(huán)境溫度所必需的熱量。通過物料熱化學(xué)分析我們大致能確定物料反應(yīng)時間，這樣就可以大致確定回轉(zhuǎn)窯的長度。

回轉(zhuǎn)窯的直徑和長度的確定最終基于企業(yè)對回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的需求量、物料化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時間以及生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯橫斷面的物料填充比。

當這些數(shù)據(jù)確定后，我們可以通過計算機模擬系統(tǒng)對回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計進行進一步優(yōu)化。

7 回轉(zhuǎn)窯的耐火內(nèi)襯

一旦我們確定了回轉(zhuǎn)窯的尺寸，我們就開始研究回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯設(shè)計。對于直接加熱的回轉(zhuǎn)窯來說，其內(nèi)部都有燃燒的火焰，因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須設(shè)有耐火材料建造的內(nèi)襯，用來保護用碳鋼制成的回轉(zhuǎn)窯筒體。

選用何種耐火材料來建造回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯要因地制宜，依據(jù)不同的需求，選擇相應(yīng)的設(shè)計方案。有兩種耐火材料建造的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯最具有代表性，即澆注料內(nèi)襯和耐火磚內(nèi)襯。這兩種內(nèi)襯各有自己的優(yōu)勢和不足，如何選用主要依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各區(qū)域的溫度、物料的化學(xué)組成以及物料的磨損性能。

7.1 回轉(zhuǎn)窯澆注料內(nèi)襯

澆注料屬于不定型耐火材料，在施工前加水或其他業(yè)態(tài)結(jié)合劑調(diào)制攪拌而成。澆注料在施工前必須安裝錨固件，用來將澆注料內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體錨固在一起。澆注料內(nèi)襯的特點是可以采用機械化施工，人工成本相對較低；其缺點是質(zhì)量不太穩(wěn)定，施工工期較長，特別是在澆注料內(nèi)襯拆除過程中，施工效率低，作業(yè)條件惡劣。

澆注料內(nèi)襯的另一個優(yōu)點是當內(nèi)襯局部損壞時，修理方便。只需要將損壞部位周圍做少量的拆除清理，安裝合適數(shù)量的錨固件，按照澆注料施工工藝完成修補。工作量小，工期短，大幅度縮短停窯時間。澆注料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯澆注料內(nèi)襯示意圖

7.2 回轉(zhuǎn)窯耐火磚內(nèi)襯

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯采用的耐火磚大多數(shù)屬于硅酸鋁系耐火材料，其質(zhì)量和耐火度取決于其中的氧化鋁含量。

以黏土磚為例，其坯料采用壓力機壓制成型，在倒焰窯或者隧道窯內(nèi)經(jīng)過合適的燒制，其性能優(yōu)于澆注料。耐火磚的成本比澆注料略高一些，但耐火磚內(nèi)襯不需要錨固件，質(zhì)量比較穩(wěn)定，比較容易實現(xiàn)施工中的質(zhì)量控制。耐火磚內(nèi)襯的耐磨損性能優(yōu)于澆注料內(nèi)襯。

耐火磚內(nèi)襯的缺點表現(xiàn)為以下幾點：

（1）耐火磚內(nèi)襯砌筑時完全采用手工作業(yè)，人工成本很高。

（2）耐火磚內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體沒有連接，耐火磚內(nèi)襯的整體強度主要來自于磚與磚之間的擠壓產(chǎn)生的拱圈作用，這就在耐火磚內(nèi)部產(chǎn)生了很強的擠壓應(yīng)力，容易造成耐火磚內(nèi)襯的剝落損壞。

（3）耐火磚內(nèi)襯出現(xiàn)局部損壞后，修理起來比較困難，往往必須將整段內(nèi)襯完全拆除后重新砌筑，工作量大，工期長，造成比較高的檢修成本。

8 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的工作層和絕熱保溫層

當回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料選定以后，接下來要進行回轉(zhuǎn)窯窯體的散熱損失的評估。

當我們認識到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工作溫度較高，物料對內(nèi)襯沖刷磨損嚴重，那么在內(nèi)襯設(shè)計是就要考慮雙層內(nèi)襯，兩層內(nèi)襯分別稱為工作層和絕熱保溫層。

工作層選用重質(zhì)耐火材料，滿足抵御高溫火焰和物料沖刷磨損；絕熱保溫層選用輕質(zhì)耐火材料，用來提高內(nèi)襯的保溫性能，減少回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯有了絕熱保溫層，可有效降低回轉(zhuǎn)窯的散熱損失同時亦有利于保護回轉(zhuǎn)窯筒體及其他筒體組件。

一般來講，帶有絕熱保溫層的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯往往用于操作溫度較高的回轉(zhuǎn)窯。絕熱保溫層內(nèi)襯和工作層內(nèi)襯耐火材料有著類似的化學(xué)組成，最大的區(qū)別在于各自的強度和導(dǎo)熱性。絕熱保溫層內(nèi)襯耐火材料密度較低，強度較小，但其熱阻比較大，可有效降低回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。

9 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的維護

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑完成后，在還要在運行過程中要對內(nèi)襯進行必要的維護，從而盡量延長其使用壽命。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命可達1 年甚至幾年，但有以下幾個因素的影響會縮短回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命。

9.1 “激冷激熱”

當回轉(zhuǎn)窯開窯時其筒體和內(nèi)襯受熱產(chǎn)生膨脹，當回轉(zhuǎn)窯停窯時筒體和內(nèi)襯冷卻產(chǎn)生收縮。就在膨脹—收縮的循環(huán)過程中，內(nèi)襯就會產(chǎn)生很多裂紋，裂紋的增多及擴展會引起內(nèi)襯的局部損壞，因此，盡量減少回轉(zhuǎn)窯的開停次數(shù)對保護內(nèi)襯至關(guān)重要。

9.2 化學(xué)侵蝕

硅酸鋁系耐火材料對酸性氣體的侵蝕不具抵抗性，因此如果在生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生了酸性氣體，則內(nèi)襯就會迅速腐蝕造成損壞。這種現(xiàn)象在物料或燃料化學(xué)成分發(fā)生較大變化時最容易發(fā)生，因此，回轉(zhuǎn)窯在運行過程中物料及燃料的化學(xué)成分盡量保持穩(wěn)定，減少因化學(xué)氣體侵蝕造成的內(nèi)襯損壞。

作為保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯使用壽命的補充手段，回轉(zhuǎn)窯窯體表面溫度的定期測量比較重要。當發(fā)現(xiàn)高溫點出現(xiàn)時，及時采取補救措施，以免造成更大的損壞。

10 回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)

10.1 回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)示意圖

回轉(zhuǎn)窯的筒體外部安裝2 個～6 個輪帶。回轉(zhuǎn)窯窯體越長，輪帶數(shù)量就越多。每個輪帶都配有托輪、托輪座等承托組件。

擋輪是控制回轉(zhuǎn)窯上行和下行躥動的部件，通過擋輪的推動，可使得托輪和輪帶磨合均勻，避免出現(xiàn)因局部嚴重磨損造成的損壞。

10.2 回轉(zhuǎn)窯的傳動系統(tǒng)

圖4所示為回轉(zhuǎn)窯的傳動系統(tǒng)示意圖

圖4 回轉(zhuǎn)窯的傳動系統(tǒng)示意圖

如圖所示回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動由小齒輪驅(qū)動。電機、減速機等傳動系統(tǒng)驅(qū)動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪驅(qū)動大齒圈最終帶動整個回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動。

11 紊亂料床

回轉(zhuǎn)窯在轉(zhuǎn)動中，料床中心部位的物料受熱狀況較差。如果能在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的內(nèi)表面增加“擾亂”裝置，促使料床紊亂，就會實現(xiàn)窯內(nèi)物料受熱均勻。

為了使物料“紊亂”，使物料溫度均化，需要在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的內(nèi)表面設(shè)置一些凸起的“臺”或“嶺”，當回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動時，這些“臺”或“嶺”攪動、翻動物料，不留任何“死區(qū)”，從而使物料均勻受熱。

強制換熱型內(nèi)襯開起來非常簡單，沒有什么高深的技術(shù)含量，但卻非常實用，對于提高物料燒結(jié)質(zhì)量，提高回轉(zhuǎn)窯臺時產(chǎn)能，降低燃料消耗等起到了非常重要的作用。

12 擋料圈

為了保證物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)足夠的停留時間來完成物料物料化學(xué)反應(yīng)，就要使物料的在窯內(nèi)的行進速度受到抑制。比較有效的方法是降低回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)速降低就會影響物料的受熱及化學(xué)反應(yīng)的順利進行，所以多數(shù)回轉(zhuǎn)窯設(shè)計時考慮在窯內(nèi)設(shè)置擋料圈。

如圖5 所示，擋料圈的工作原理和建在河流上的水壩相似，把物料聚集在擋料圈的后面，當停留時間足夠以后，物料依然要越過擋料圈流向窯口。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯長度不同，設(shè)置2 個甚至2 個以上的擋料圈是必須的。

圖5 擋料圈擋料原理示意圖

13 回轉(zhuǎn)窯的密封系統(tǒng)

要保證回轉(zhuǎn)窯的溫度穩(wěn)定，從而保證回轉(zhuǎn)窯的臺時產(chǎn)能及物料燒結(jié)質(zhì)量，如果回轉(zhuǎn)窯的密封系統(tǒng)選擇不當，回轉(zhuǎn)窯運行時就會遇到很多困難。

大多數(shù)回轉(zhuǎn)窯采用負壓操作，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣體不易逸出，但外界空氣卻容易漏進窯內(nèi)。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度遠高于窯外氣溫，所以空氣的漏入會引起窯內(nèi)局部溫度大幅度降低，不僅造成能源浪費，而且降低了回轉(zhuǎn)窯臺時產(chǎn)能，降低物料燒結(jié)質(zhì)量。

所以回轉(zhuǎn)窯的密封系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，既要不影響回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動，又能有效防止空氣漏入窯內(nèi)。

回轉(zhuǎn)窯的密封方式多種多樣。成本合適，密封效果較為理想的密封方式為魚鱗片是密封。

如圖所示，魚鱗片式密封中的魚鱗片采用薄鋼板制作，安裝時片魚片之間重疊壓緊，從而阻止空氣漏入窯內(nèi)。隨著該技術(shù)的不斷進步，魚鱗片式密封已經(jīng)發(fā)展成雙層魚鱗片式密封、復(fù)合式多層魚鱗片式密封等多項技術(shù)，密封效果得到大幅度提高。

14 結(jié)語

回轉(zhuǎn)窯經(jīng)過長期的發(fā)展，在各行各業(yè)應(yīng)用的回轉(zhuǎn)窯都經(jīng)過了不斷地改進。改進的目的都是最大程度地滿足企業(yè)對物料燒結(jié)的需求。一方面要提高物料燒結(jié)質(zhì)量，另一方面是盡量減少燃料的浪費，本文強調(diào)了回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計之前必須考慮的各方面因素，從物料燃料分析入手，積極采用紊亂料床、魚鱗片密封等新技術(shù)，在同類型回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的借鑒價值和推廣意義。