水泥回轉(zhuǎn)窯筒體橢圓度對(duì)耐火襯體的影響及應(yīng)對(duì)措施

李綱，萬(wàn)天靜，譚迪，趙宇，姬炯

1 前言

回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)由多構(gòu)件組成的有機(jī)整體，影響其運(yùn)行狀態(tài)的因素較多，且各因素相互影響，導(dǎo)致其力學(xué)機(jī)理非常復(fù)雜。窯內(nèi)耐火襯體的損毀方式可分為熱力損毀、化學(xué)損毀和機(jī)械損毀三種，其中，因機(jī)械因素造成的損毀占60%以上。隨著窯齡的增長(zhǎng)，機(jī)械因素對(duì)窯內(nèi)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(duì)耐火襯體的損壞機(jī)理、典型案例及對(duì)應(yīng)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(nèi)徑）之差。筒體橢圓度分為絕對(duì)橢圓度和相對(duì)橢圓度。相對(duì)橢圓度也稱橢圓率，絕對(duì)橢圓度Ws=2（a-b），其中，a為長(zhǎng)軸，b為短軸。筒體橢圓度示意圖見(jiàn)圖1。橢圓率Wr=100Ws/di（%），其中，Ws為絕對(duì)橢圓度，di為標(biāo)準(zhǔn)圓的直徑。

圖1 橢圓度定義示意圖

理論研究和實(shí)際檢測(cè)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(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)而動(dòng)態(tài)變化，使用橢圓度測(cè)量?jī)x可在線測(cè)量筒體橢圓度。橢圓度過(guò)大會(huì)損壞耐火磚襯，磨損相關(guān)的筒體和墊板；橢圓度過(guò)小且熱態(tài)下輪帶間隙過(guò)小，窯筒體會(huì)有被抱死和損壞耐火磚襯的風(fēng)險(xiǎn)。瑞士TOM-TOM TOOLS公司根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)繪制了橢圓率（%）與窯筒體直徑的線性關(guān)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(zhuǎn)窯多采用松套式的浮動(dòng)輪帶，輪帶套在回轉(zhuǎn)窯筒體上，輪帶和筒體間用浮動(dòng)墊板填充，輪帶兩側(cè)用擋環(huán)和固定擋塊來(lái)限制輪帶的軸向運(yùn)動(dòng)。在回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)時(shí)，輪帶墊板和輪帶內(nèi)側(cè)間應(yīng)預(yù)留一定的間隙，間隙值應(yīng)包含升溫后浮動(dòng)墊板和輪帶熱膨脹產(chǎn)生的差值d，同時(shí)受重力影響，筒體會(huì)產(chǎn)生橢圓變形量。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯，由于輪帶內(nèi)側(cè)、墊板、窯筒體外側(cè)存在一定的磨損量，頂部間隙會(huì)相應(yīng)增加Δt，冷態(tài)下輪帶頂間隙值S=d+e+Δt。未發(fā)生磨損的冷態(tài)下的輪帶頂間隙示意圖見(jiàn)圖3。輪帶間隙一方面用來(lái)抵消筒體和輪帶的熱膨脹差，避免輪帶將筒體箍得過(guò)緊；另一方面用來(lái)緩沖回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)力矩，避免損傷托輪軸瓦和墊板。

圖3 未發(fā)生磨損的冷態(tài)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(guān)系

筒體橢圓度可反映筒體抵抗橢圓變形的能力，進(jìn)而反映筒體的狀況。筒體薄和剛度差，筒體橢圓度易超標(biāo)，可通過(guò)調(diào)整墊板厚度調(diào)小輪帶間隙；筒體厚和剛度較強(qiáng)，筒體橢圓變形的程度很小，但由于輪帶內(nèi)側(cè)、墊板或筒體的磨損，致使輪帶間隙值較大。對(duì)于僅輪帶間隙為變量的輪帶結(jié)構(gòu)而言，輪帶間隙越大，對(duì)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(cè)量需要專用設(shè)備，在回轉(zhuǎn)窯日常運(yùn)行過(guò)程中，水泥廠技術(shù)人員關(guān)注更多的是輪帶滑移量（圓周方向），因回轉(zhuǎn)窯筒體和輪帶不是標(biāo)準(zhǔn)的圓，輪帶滑移量和輪帶熱態(tài)下間隙的比值也就不是π，但二者的實(shí)際比值和理論比值相差并不大，可將二者的比值設(shè)定為π進(jìn)行計(jì)算，滑移量與熱態(tài)下輪帶間隙測(cè)定值的比值關(guān)系見(jiàn)表1。

理論上各檔最佳輪帶滑移量為10mm/r，即熱態(tài)下各檔輪帶間隙約為3mm，但在實(shí)際運(yùn)行中很難達(dá)到。波蘭GEOSERVEX公司根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)給出的窯中和窯尾檔熱態(tài)下的輪帶間隙經(jīng)驗(yàn)值為3～6mm，窯頭檔因溫度波動(dòng)大為5～8mm。將滑移量和熱態(tài)輪帶間隙的比值設(shè)定為π計(jì)算，窯中和窯尾檔滑移量應(yīng)控制在9～19mm，窯頭檔滑移量應(yīng)控制在15～25mm。對(duì)于不同直徑的窯，滑移量的數(shù)值一般向控制范圍的下限方向控制；對(duì)于窯徑大的窯，滑移量的數(shù)值可向上限控制，但不可超出范圍。

3 筒體橢圓度對(duì)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(zhuǎn)窯筒體截面因變形產(chǎn)生壓縮和拉伸應(yīng)力，耐火磚也受到交互變化的應(yīng)力?；剞D(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，多次發(fā)生交變應(yīng)力的變化和筒體曲率的變化，耐火襯體在經(jīng)受交變應(yīng)力后也會(huì)出現(xiàn)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(duì)耐火材料造成的壓應(yīng)力：

式中：

σD——壓應(yīng)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(jiàn)，橢圓度越大，耐火材料所受到的壓應(yīng)力也就越大。日本的土屋等人研究了窯筒體橢圓度與窯內(nèi)襯耐火材料的損毀速率之間的關(guān)系，耐火襯體所受應(yīng)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(diǎn)，沿筒體中心線形成的彎矩變形，存在一種軸向的交變應(yīng)力，如圖5所示。較大的筒體橢圓度形成環(huán)向的交變應(yīng)力，加之軸向的交變應(yīng)力在筒體輪帶附近的疊加，在縱向和環(huán)向上壓縮擠壓和拉伸窯內(nèi)襯體，使窯襯之間產(chǎn)生縫隙，破壞了窯襯的穩(wěn)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(yán)重的會(huì)觸發(fā)損壞部位磚的軸向和圓周運(yùn)動(dòng)，造成耐火磚的剪切和扭曲。

圖5 回轉(zhuǎn)窯筒體在輪帶處交變應(yīng)力

4 筒體橢圓度對(duì)耐火襯體的影響案例

（1）ZY 3號(hào)窯，產(chǎn)量5 000t/d，回轉(zhuǎn)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(jìn)窯發(fā)現(xiàn)，該部位耐火磚已脫落，前后耐火磚扭曲、擠碎嚴(yán)重，使用周期9個(gè)月，未達(dá)到正常使用周期，業(yè)主決定對(duì)0.5～12.0m耐火磚進(jìn)行更換，如圖7所示。

停窯后，測(cè)量冷態(tài)下一檔輪帶間隙為48.0mm，大大超出經(jīng)驗(yàn)范圍（23.4mm），如圖8所示。2017年12月對(duì)該窯進(jìn)行中心線系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，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(nèi)（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(dá)40.0mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了允許范圍。

（2）BL 1號(hào)窯，產(chǎn)量5 000t/d，回轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)窯口澆注料脫落約2/3，脫落部位均可見(jiàn)到錨固件根部，護(hù)鐵上端面完好，一檔輪帶（6m）位置附近耐火磚“爆頭”現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行挖補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)耐火磚有斷裂、大頭磨損脫空擠碎現(xiàn)象，如圖9、圖10所示。

業(yè)主要求對(duì)一檔輪帶處耐火磚薄弱點(diǎn)進(jìn)行挖補(bǔ)處理，窯口澆注料進(jìn)行整體更換，并規(guī)范養(yǎng)護(hù)（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(yùn)行周期僅為4個(gè)月，屬于異常消耗。

2020年3月24日檢修期間，測(cè)量冷態(tài)下輪帶間隙一檔輪帶為37.0mm，5月18日故障停窯后測(cè)量冷態(tài)下一檔輪帶間隙為36.0mm，大大超出經(jīng)驗(yàn)值（23.4mm）。回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)至5月24日，測(cè)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(yè)主對(duì)窯口澆注料進(jìn)行了整體更換和窯內(nèi)挖補(bǔ)，并對(duì)一檔、二檔和三檔輪帶間隙進(jìn)行了調(diào)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(xiàn)象

圖7 ZY 3號(hào)窯一檔輪帶部位掉磚紅窯

圖8 ZY 3號(hào)窯一檔輪帶冷態(tài)下頂部間隙

圖9 BL 1號(hào)窯一檔輪帶附近耐火磚“爆頭”情況

圖10 BL 1號(hào)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(yīng)對(duì)措施

為降低因筒體橢圓度過(guò)大對(duì)耐火襯體造成的損害，日常維護(hù)和檢修過(guò)程中應(yīng)做好以下工作：

（1）關(guān)注輪帶滑移量，控制各檔滑移量在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)熱態(tài)下滑移量＞24mm/r時(shí)，要時(shí)刻監(jiān)控輪帶滑移量，當(dāng)滑移量超過(guò)范圍時(shí)，通過(guò)增加墊片或更換浮動(dòng)墊板來(lái)調(diào)整輪帶間隙，控制滑移量。

（2）定期測(cè)量回轉(zhuǎn)窯筒體厚度。當(dāng)筒體厚度降低為原厚度的70%時(shí)，應(yīng)考慮更換，避免筒體厚度過(guò)薄造成筒體開(kāi)裂。

（3）定期檢查浮動(dòng)墊板的磨損情況、墊板位置、擋環(huán)和擋塊完好情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)修正。

（4）定期檢測(cè)和調(diào)整回轉(zhuǎn)窯筒體中心線和橢圓度。對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體橢圓度進(jìn)行年度檢測(cè)1次/年，避免橢圓度過(guò)大，損壞耐火磚。

（5）加強(qiáng)對(duì)換磚部位的評(píng)測(cè)及砌筑質(zhì)量的控制。換磚位置應(yīng)距離輪帶中心半個(gè)窯徑或以上，輪帶前后2m應(yīng)規(guī)范濕砌；砌筑過(guò)程中，嚴(yán)格控制每米環(huán)向偏差、封口壓力等技術(shù)參數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于僅輪帶間隙為變量的輪帶結(jié)構(gòu)而言，輪帶間隙越大，對(duì)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(xiàn)在滑移量上即為滑移量偏大。

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

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