柴玉川,高鵬,崔麗霞
回轉(zhuǎn)窯廣泛應(yīng)用于冶金、化工、建材、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域,其筒體結(jié)構(gòu)形式主要有直筒型、窯尾擴(kuò)大型、窯頭擴(kuò)大型、啞鈴型、窯尾縮口型、窯頭縮口型六種。在常規(guī)設(shè)計(jì)功率計(jì)算中,前五種結(jié)構(gòu)形式均可采用筒體分段方式進(jìn)行功率計(jì)算,設(shè)計(jì)資料和相關(guān)文獻(xiàn)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(jì),往往等同于直筒型回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行功率設(shè)計(jì)計(jì)算。窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯不常用,功率計(jì)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(shè)計(jì),該回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4m×62m,設(shè)計(jì)時采用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法準(zhǔn)確計(jì)算出了運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率,保證了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。新回轉(zhuǎn)窯與原回轉(zhuǎn)窯相比,電機(jī)選用功率大幅降低,節(jié)能效果顯著。
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(shí)際投料量10t/h,最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速0.3r/min,實(shí)際轉(zhuǎn)速0.18r/min,電機(jī)功率380V、2×90kW,實(shí)際運(yùn)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
為提高產(chǎn)能,客戶決定棄用舊窯,重新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速提高到0.42r/min,在轉(zhuǎn)速0.21r/min 時,設(shè)計(jì)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。
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(jì)算公式不適用于物料停留時間的計(jì)算,因此采用下述方法進(jìn)行推導(dǎo):
(1)理論推導(dǎo)
假設(shè)料面高度小于縮口處高度時,物料不能越過縮口前進(jìn)排出;料面高度超過縮口時,高于縮口部分的物料才能前進(jìn)排出。據(jù)此,可以假設(shè)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(yáng)料板物料的停留時間計(jì)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(jì)算得出物料停留時間t1=1 159.7min。
(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在設(shè)計(jì)期間有一條停產(chǎn)檢修的回轉(zhuǎn)窯正準(zhǔn)備投產(chǎn),窯內(nèi)物料已清理干凈,在業(yè)主配合下進(jìn)行了投料實(shí)驗(yàn)。在回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速0.18r/min 的情況下進(jìn)行投料,從物料投入到有物料排出時間為1 400min。
按照式(1)計(jì)算,窯轉(zhuǎn)速在0.21r/min 時,物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)實(shí)際停留時間為1 200min,與理論公式計(jì)算結(jié)果相差41.3min,誤差3.44%,理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果接近,最終以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果1 200min 為計(jì)算依據(jù)。理論公式計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dǎo)致縮口前的物料在移動過程中,厚度和橫向截面不斷擴(kuò)大,物料被提升路徑也隨之不斷增大,導(dǎo)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(jìn)入直段后,不存在因縮口直徑變小導(dǎo)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(dǎo)致計(jì)算數(shù)值小于實(shí)際運(yùn)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(shí)際停留時間比理論停留時間稍長。若要進(jìn)行更為準(zhǔn)確的計(jì)算,則需要通過生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)大量的數(shù)據(jù),從而獲得一個合理范圍的修正系數(shù)進(jìn)行修正。
圖2 sinθ與填充率相關(guān)的系數(shù)
物料在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)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(jì)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(jì)算,填充系數(shù)為21.36%。
按下列基本公式進(jìn)行計(jì)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(guān)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(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)速為0.21r/min,計(jì)算可得:
在轉(zhuǎn)速0.42r/min 時,按投料量增加、填充率不變進(jìn)行計(jì)算,可得ND=97.44kW。
因此,可選用功率為110kW 的變頻調(diào)速電機(jī)(原有電機(jī)功率180kW)。但因用戶擔(dān)心在轉(zhuǎn)速提高、投料量增加的前提下,電機(jī)功率反而大幅減小,可能會影響正常生產(chǎn)運(yùn)行,所以電機(jī)功率最終選用了132kW。
安裝投運(yùn)后,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常且達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn),投料量12t/h,實(shí)際電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率25.5Hz,電機(jī)電流130A,運(yùn)行功率約31.5kW。新舊回轉(zhuǎn)窯電機(jī)運(yùn)行情況對比如表1所示。
(1)窯頭大縮口回轉(zhuǎn)窯功率計(jì)算中,對于物料在窯內(nèi)停留時間的確定,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以采用假設(shè)物料沿著縮口后的有效內(nèi)徑在整個回轉(zhuǎn)窯移動進(jìn)行近似的計(jì)算,但較為準(zhǔn)確的計(jì)算仍需要通過生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)大量的數(shù)據(jù),從而獲得一個合理范圍的修正系數(shù)進(jìn)行修正。
(2)從實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來看,110kW 電機(jī)即可滿足正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要,理論正常運(yùn)行電流負(fù)荷率約56%,用戶原有回轉(zhuǎn)窯電機(jī)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(jī)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(jī)功率。在提產(chǎn)提速條件下,新舊窯運(yùn)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(yùn)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(jī)運(yùn)行情況對比
表2 提產(chǎn)提速條件下新舊窯運(yùn)行情況對比