喬 斌，耿文棟，劉曉春，胡向軍，朱玲利

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3中信重工工程技術(shù)有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

4洛陽師范學(xué)院 河南洛陽 471000

回 轉(zhuǎn)窯主要應(yīng)用于礦山、冶金、建材等領(lǐng)域，不同應(yīng)用領(lǐng)域回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)度和直徑不同。目前我國(guó)生產(chǎn)的最大回轉(zhuǎn)窯直徑達(dá)到了 7.2 m，長(zhǎng)度達(dá)到了 135 m。回轉(zhuǎn)窯主要由筒體裝置、傳動(dòng)裝置、支撐裝置等部件組成。支撐裝置的作用是支撐回轉(zhuǎn)窯的筒體裝置以及內(nèi)部的耐火材料及物料等。支撐裝置的數(shù)量稱為擋數(shù)，支撐裝置之間的筒體長(zhǎng)度被稱為跨距。

大跨距回轉(zhuǎn)窯具有同等產(chǎn)量下質(zhì)量輕，摩擦消耗功率小等優(yōu)點(diǎn)，因此大跨距回轉(zhuǎn)窯研發(fā)是回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)研究的主要方向之一。李延民等人[1]對(duì)φ3.3 m×52 m 回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了檔數(shù)優(yōu)化；王琳等人[2]以φ5.6 m×87 m 回轉(zhuǎn)窯為例，進(jìn)行了筒體各段節(jié)的應(yīng)力分析，提出了大型回轉(zhuǎn)窯各筒體段節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；李學(xué)軍等人[3]建立了支承載荷求解的力學(xué)模型和線性方程組，導(dǎo)出了支承載荷分配與支承偏差的關(guān)系式。但是，對(duì)于大跨距兩檔回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)與計(jì)算研究尚沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)。筆者以某項(xiàng)目φ5.8 m×80 m 回轉(zhuǎn)窯為例，介紹了大跨距兩檔回轉(zhuǎn)窯的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

1 影響因素分析

大跨距回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于支撐位置的選擇。因?yàn)槠涫问街饕峭搀w鋼板彎曲應(yīng)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(zhuǎn)窯支撐位置密切相關(guān)。筒體與輪帶接觸應(yīng)力與回轉(zhuǎn)窯跨距的設(shè)計(jì)沒有直接關(guān)系，且可以通過簡(jiǎn)單增加墊板與輪帶寬度的方式，以滿足許用接觸應(yīng)力的要求。因此，筒體墊板與輪帶的接觸應(yīng)力不作為本次研究的內(nèi)容。

1.1 彎曲應(yīng)力的分析

筒體的彎曲應(yīng)力不足會(huì)造成筒體鋼板開裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。筒體鋼板的彎曲應(yīng)力不僅受到筒體的抗彎截面系數(shù)、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(guān)。

1.2 筒體撓度的分析

筒體撓度過大時(shí)，由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部砌筑有耐火材料，致使耐火材料和筒體鋼板位移錯(cuò)位，造成耐火材料脫落，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯不得不停機(jī)修復(fù)。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(nèi)徑的比值來衡量。筒體內(nèi)徑越大，則允許筒體的撓度也越大。

2 回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)

某項(xiàng)目φ5.8 m×80 m 回轉(zhuǎn)窯是目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)量最大的石灰回轉(zhuǎn)窯。回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)度和直徑之比為 13.79，該長(zhǎng)徑比的回轉(zhuǎn)窯支撐裝置以三檔較為常見。由于三檔結(jié)構(gòu)多了 1 個(gè)支撐裝置，因此回轉(zhuǎn)窯質(zhì)量較重。為此，采用理論計(jì)算和計(jì)算仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，合理分配筒體的跨距，并給出筒體彎曲應(yīng)力和撓度判定標(biāo)準(zhǔn)，滿足大跨距兩檔回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)要求。

2.1 回轉(zhuǎn)窯的基本參數(shù)

回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)部物料填充率為 7% 左右，其單位長(zhǎng)度的物料質(zhì)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(zhǎng)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(zhǎng)度為 50 m。

φ5.8 m×80 m 回轉(zhuǎn)窯的主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 回轉(zhuǎn)窯的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of rotary kiln

2.2 回轉(zhuǎn)窯的支撐布置方案

對(duì)于兩檔回轉(zhuǎn)窯，按照筒體所處支撐裝置的位置，將回轉(zhuǎn)窯的筒體分為窯頭懸伸段、中間跨、窯尾懸伸段 3 個(gè)部分，如圖 1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度增加，筒體的變形過大，則彎曲應(yīng)力與撓度不滿足設(shè)計(jì)要求；如果窯頭、窯尾的懸伸段過長(zhǎng)，由于制造安裝誤差的存在，會(huì)造成窯頭、窯尾擺動(dòng)量過大，不利于窯體內(nèi)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(dòng)量以及中間跨的長(zhǎng)度影響，設(shè)計(jì)了 2個(gè)筒體跨距的方案，如表 2 所列。

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

3 彎曲應(yīng)力計(jì)算

以方案 1 為例，計(jì)算回轉(zhuǎn)窯的彎曲應(yīng)力。

3.1 剪力和彎矩

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的基本參數(shù)，將回轉(zhuǎn)窯上的載荷轉(zhuǎn)換為均布載荷后，計(jì)算出筒體上的支反力和彎矩，并畫出回轉(zhuǎn)窯上的剪力和彎矩，如圖 2 所示。經(jīng)計(jì)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(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)。危險(xiǎn)點(diǎn) 1 為輪帶筒節(jié)焊縫處，窯頭支點(diǎn)右側(cè) 1.2 m 處力矩為 2 690×104N·m；危險(xiǎn)點(diǎn) 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(yīng)力

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯筒體承受的彎矩，分別選取窯頭支點(diǎn)右側(cè) 1.2 m 處和筒體距窯尾 40 m 焊縫彎矩最大處作為危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行校核。

(1) 輪帶筒節(jié)焊縫處為窯頭支點(diǎn)右側(cè) 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(yīng)力，MPa；M為所受到的彎矩，N·m；k1為溫度系數(shù)，取0.72；k2為焊縫系數(shù)，取0.9；w為此處的抗彎截面系數(shù)，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(huán)向焊縫。相關(guān)系數(shù)k1取 0.78，k2取 0.95。

同理計(jì)算出方案 2 的危險(xiǎn)點(diǎn)彎曲應(yīng)力。2 種方案計(jì)算結(jié)果如表 3 所列。

表3 2 種方案的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Stress calculation results of two schemes MPa

4 筒體位移的有限元分析

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

回轉(zhuǎn)窯筒體有限元模型如圖 3 所示。各筒節(jié)按二維單元?jiǎng)澐?，筒體和各檔輪帶均采用六面體單元進(jìn)行劃分，其中，各輪帶筒節(jié)和各筒節(jié)焊縫進(jìn)行局部細(xì)化。

圖3 筒體網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of barrel

約束條件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)回轉(zhuǎn)窯中的堆料角度，物料按流體靜壓力加載與筒體內(nèi)壁上。對(duì)稱面設(shè)置對(duì)稱約束，各輪帶處墊板外表面與輪帶內(nèi)表面按照黏合進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)溫度分布對(duì)輪帶材料進(jìn)行設(shè)置，參考回轉(zhuǎn)窯參數(shù)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(jié)上。2 種方案的撓度計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果Tab.4 Deflection calculation results of two schemes

5 方案討論

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

如前所述，若筒體位移較大，會(huì)造成窯內(nèi)耐火材料脫落。因此，筒體位移必須限定在一定范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，要求筒體撓度與筒體內(nèi)徑的比值不大于 2%，各種耐火材料就能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)φ5.8 m×80 m 回轉(zhuǎn)窯跨距方案的確定 根據(jù)表 3、4 的計(jì)算結(jié)果，綜合考慮彎曲應(yīng)力和筒體位移的計(jì)算，方案 2 布置形式的回轉(zhuǎn)窯，筒體危險(xiǎn)截面的最大彎曲應(yīng)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(yīng)力與許用撓度的要求。因此φ5.8 m×80 m 回轉(zhuǎn)窯跨距的布置按照方案 2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

通過計(jì)算筒體彎曲應(yīng)力和筒體位移，避免了簡(jiǎn)化簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)帶來的計(jì)算誤差，相較于三檔回轉(zhuǎn)窯，大跨距兩檔回轉(zhuǎn)窯質(zhì)量較輕，節(jié)約了制造成本。許用彎曲應(yīng)力和許用撓度的判定方法為大跨距回轉(zhuǎn)窯的開發(fā)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。