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)窯廣泛應用于冶金、化工、建材、環(huán)保等工業(yè)領域，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，設計資料和相關文獻較多，而對于最后一種窯頭縮口型結(jié)構(gòu)，因窯頭正?？s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)窯的設計，該回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4m×62m，設計時采用理論推導和實驗驗證的方法準確計算出了運轉(zhuǎn)所需功率，保證了設備的正常運轉(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)窯設計要求

為提高產(chǎn)能，客戶決定棄用舊窯，重新設計制造兩臺新回轉(zhuǎn)窯用于生產(chǎn)。新回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)按原有回轉(zhuǎn)窯設計，最高設計轉(zhuǎn)速提高到0.42r/min，在轉(zhuǎn)速0.21r/min 時，設計投料量為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：

（1）理論推導

假設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

在設計期間有一條停產(chǎn)檢修的回轉(zhuǎn)窯正準備投產(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，設備運轉(zhuǎn)正常且達標達產(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