大跨距兩檔回轉窯的開發與設計

喬 斌，耿文棟，劉曉春，胡向軍，朱玲利

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工工程技術有限責任公司 河南洛陽 471039

4洛陽師范學院 河南洛陽 471000

回 轉窯主要應用于礦山、冶金、建材等領域，不同應用領域回轉窯的長度和直徑不同。目前我國生產的最大回轉窯直徑達到了 7.2 m，長度達到了 135 m。回轉窯主要由筒體裝置、傳動裝置、支撐裝置等部件組成。支撐裝置的作用是支撐回轉窯的筒體裝置以及內部的耐火材料及物料等。支撐裝置的數量稱為擋數，支撐裝置之間的筒體長度被稱為跨距。

大跨距回轉窯具有同等產量下質量輕，摩擦消耗功率小等優點，因此大跨距回轉窯研發是回轉窯設計研究的主要方向之一。李延民等人[1]對φ3.3 m×52 m 回轉窯進行了檔數優化；王琳等人[2]以φ5.6 m×87 m 回轉窯為例，進行了筒體各段節的應力分析，提出了大型回轉窯各筒體段節的優化設計方案；李學軍等人[3]建立了支承載荷求解的力學模型和線性方程組，導出了支承載荷分配與支承偏差的關系式。但是，對于大跨距兩檔回轉窯的設計與計算研究尚沒有公開發表的文獻。筆者以某項目φ5.8 m×80 m 回轉窯為例，介紹了大跨距兩檔回轉窯的開發與設計。

1 影響因素分析

大跨距回轉窯設計難點在于支撐位置的選擇。因為其失效形式主要是筒體鋼板彎曲應力過大，以及筒體變形過大造成筒體徑向剛性不足，這都與回轉窯支撐位置密切相關。筒體與輪帶接觸應力與回轉窯跨距的設計沒有直接關系，且可以通過簡單增加墊板與輪帶寬度的方式，以滿足許用接觸應力的要求。因此，筒體墊板與輪帶的接觸應力不作為本次研究的內容。

1.1 彎曲應力的分析

筒體的彎曲應力不足會造成筒體鋼板開裂，導致嚴重的生產事故。筒體鋼板的彎曲應力不僅受到筒體的抗彎截面系數、彎矩的影響，而且還與該段筒體鋼板上的溫度、焊縫位置等密切相關。

1.2 筒體撓度的分析

筒體撓度過大時，由于回轉窯內部砌筑有耐火材料，致使耐火材料和筒體鋼板位移錯位，造成耐火材料脫落，導致回轉窯不得不停機修復。判斷筒體撓度大小是否符合要求，通常采用筒體撓度與筒體內徑的比值來衡量。筒體內徑越大，則允許筒體的撓度也越大。

2 回轉窯的設計

某項目φ5.8 m×80 m 回轉窯是目前國內產量最大的石灰回轉窯。回轉窯的長度和直徑之比為 13.79，該長徑比的回轉窯支撐裝置以三檔較為常見。由于三檔結構多了 1 個支撐裝置，因此回轉窯質量較重。為此，采用理論計算和計算仿真技術相結合的方法，合理分配筒體的跨距，并給出筒體彎曲應力和撓度判定標準，滿足大跨距兩檔回轉窯的設計要求。

2.1 回轉窯的基本參數

回轉窯筒體內部物料填充率為 7% 左右，其單位長度的物料質量為 1.25 t/m。耐火材料的厚度為 280 mm，在不同的煅燒位置耐火材料的密度不同。燒成帶選用的耐火材料其均布載荷為 14.08 t/m，位置從窯頭開始，長度為 30 m；其他段的耐火磚的均布載荷為 13.1 t/m，位置從窯尾開始，長度為 50 m。

φ5.8 m×80 m 回轉窯的主要參數如表 1 所列。

表1 回轉窯的主要參數Tab.1 Main parameters of rotary kiln

2.2 回轉窯的支撐布置方案

對于兩檔回轉窯，按照筒體所處支撐裝置的位置，將回轉窯的筒體分為窯頭懸伸段、中間跨、窯尾懸伸段 3 個部分，如圖 1 所示。

圖1 回轉窯結構Fig.1 Structure of rotary kiln

窯頭懸伸段、窯尾懸伸段分別連接窯頭、窯尾密封。窯頭窯尾的懸伸段過短，則中間跨的長度增加，筒體的變形過大，則彎曲應力與撓度不滿足設計要求；如果窯頭、窯尾的懸伸段過長，由于制造安裝誤差的存在，會造成窯頭、窯尾擺動量過大，不利于窯體內氣體的密封。為了合理分配支撐位置，綜合考慮窯頭、窯尾擺動量以及中間跨的長度影響，設計了 2個筒體跨距的方案，如表 2 所列。

表2 回轉窯支撐布置方案Tab.2 Supporting layout schemes for rotary kiln

3 彎曲應力計算

以方案 1 為例，計算回轉窯的彎曲應力。

3.1 剪力和彎矩

根據回轉窯的基本參數，將回轉窯上的載荷轉換為均布載荷后，計算出筒體上的支反力和彎矩，并畫出回轉窯上的剪力和彎矩，如圖 2 所示。經計算，兩檔支反力分別為 942 t 和 926 t。在最高溫度和過渡鋼板的焊縫處有 2 個危險點。危險點 1 為輪帶筒節焊縫處，窯頭支點右側 1.2 m 處力矩為 2 690×104N·m；危險點 2 為窯中焊縫處，即靠近最大彎曲力矩的焊縫，此處距窯尾 40 m，力矩為2 462×104N·m。

圖2 方案 1 的剪力和彎矩Fig.2 Shearing force and bending moment of scheme 1

3.2 校核筒體彎曲應力

根據回轉窯筒體承受的彎矩，分別選取窯頭支點右側 1.2 m 處和筒體距窯尾 40 m 焊縫彎矩最大處作為危險點進行校核。

(1) 輪帶筒節焊縫處為窯頭支點右側 1.2 m。該處鋼板厚度為 70 mm，溫度約為 320 ℃，為過渡焊縫處。

式中：σs為窯中焊縫處應力，MPa；M為所受到的彎矩，N·m；k1為溫度系數，取0.72；k2為焊縫系數，取0.9；w為此處的抗彎截面系數，m3；D為筒體鋼板外徑，m；δ為筒體鋼板的厚度，m。

(2) 窯中焊縫處為兩跨之間彎矩最大 (距窯尾 40 m)。該處鋼板厚度為 36 mm，溫度約為 280 ℃，有環向焊縫。相關系數k1取 0.78，k2取 0.95。

同理計算出方案 2 的危險點彎曲應力。2 種方案計算結果如表 3 所列。

表3 2 種方案的應力計算結果Tab.3 Stress calculation results of two schemes MPa

4 筒體位移的有限元分析

回轉窯的輪帶寬度一般為 600～1 000 mm，如采用傳統的方法，把支撐簡化為簡支梁計算筒體撓度，顯然誤差較大。為此充分考慮輪帶的寬度對筒體變形的影響，通過有限元方法進行筒體變形分析。

回轉窯筒體有限元模型如圖 3 所示。各筒節按二維單元劃分，筒體和各檔輪帶均采用六面體單元進行劃分，其中，各輪帶筒節和各筒節焊縫進行局部細化。

圖3 筒體網格劃分Fig.3 Mesh division of barrel

約束條件設置：窯尾輪帶與托輪接觸位置施加完全固定約束，窯頭輪帶放開筒體軸向自由度。載荷條件為重力，標準的重力加速度為 9.81 m/s2，豎直向下。耐火磚、齒圈等載荷以等效密度形式施加。根據回轉窯中的堆料角度，物料按流體靜壓力加載與筒體內壁上。對稱面設置對稱約束，各輪帶處墊板外表面與輪帶內表面按照黏合進行設置。根據溫度分布對輪帶材料進行設置，參考回轉窯參數文件，筒體和輪帶溫度分布如表 1 所列。

筒體變形如圖 4 所示，為豎直向變形分布。最大變形分別為 13.1、10.6 mm，位于燒成段 36 mm 厚度的筒節上。2 種方案的撓度計算結果如表 4 所列。

圖4 筒體最大變形Fig.4 Maximum displacement of barrel

表4 2 種方案的撓度計算結果Tab.4 Deflection calculation results of two schemes

5 方案討論

(1) 許用彎曲應力與許用撓度的取值 筒體的許用彎曲應力與筒體的材料、筒體是否有耐火材料有關。目前采用較多的為《回轉窯》一書中給出的筒體許用彎曲應力為 20～25 MPa，但其并沒有考慮筒體材料對許用彎曲應力的影響。筆者所在公司設計的回轉窯筒體材質為 Q345B，其彎曲應力按照不大于 30 MPa 設計，回轉窯安全運行達到了 10 a 以上。因此對于筒體材質為 Q345B，其許用彎曲應力可以取 30 MPa。

如前所述，若筒體位移較大，會造成窯內耐火材料脫落。因此，筒體位移必須限定在一定范圍內。根據實際生產經驗，要求筒體撓度與筒體內徑的比值不大于 2%，各種耐火材料就能夠正常運轉。

(2)φ5.8 m×80 m 回轉窯跨距方案的確定 根據表 3、4 的計算結果，綜合考慮彎曲應力和筒體位移的計算，方案 2 布置形式的回轉窯，筒體危險截面的最大彎曲應力為 29.42 MPa，筒體最大撓度為筒體直徑的 1.833%，滿足許用彎曲應力與許用撓度的要求。因此φ5.8 m×80 m 回轉窯跨距的布置按照方案 2進行設計。

6 結語

通過計算筒體彎曲應力和筒體位移，避免了簡化簡支梁結構帶來的計算誤差，相較于三檔回轉窯，大跨距兩檔回轉窯質量較輕，節約了制造成本。許用彎曲應力和許用撓度的判定方法為大跨距回轉窯的開發提供了重要的設計依據。