随着电解槽电流的不断加大, 电解铝厂的单系列产能越来越大, 要求配套的预焙阳极系统的产能也要求越来越大, 这样要求阳极系统各工序的生产能力必须提高。2001年至2002年我院成功开发50m回转窑煅烧系统, 从而可以满足1 5 0 k t/a到200kt/a预焙阳极产能煅烧工序的需要。但是近年电解技术的发展, 350kA槽, 400kA槽甚至更大的500kA槽和600kA槽相继投入生产或紧张地开发中, 电解产能更大, 500kt级规模的甚至1000kt级规模的电解厂已经列入我们的工程设计范围, 这样要求的预焙阳极产能将成倍增长, 开发产能更大、装备及控制水平更先进的回转窑将成为降低基建成本、提高竞争能力、提高工程承包赢利能力的有利手段和必然选择。
我院于2007年开始着手设计开发适应现阶段电解铝产能要求的炭素煅烧回转窑, 并走访了国内众多炭素阳极生产厂家, 根据客户在原回转窑中存在的问题及提出的建议, 设计开发了产能为15t/h的炭素煅烧回转窑 (见图1) 。现该回转窑已在青铜峡铝业公司投入使用, 运行良好, 生产中已超过了设计产能。
1 有限元分析在回转窑筒体设计中的应用
多支承回转窑是一种重载、超长、多支点、超静定机械运行系统, 由于其形大体重, 普遍采用多组托轮支承形式。主回转体为筒体, 用于加工物料和固定相应的辅助装置。圆筒外壳一般为薄壁圆筒结构, 为保护筒体及减少筒体散热, 筒体内彻有耐火窑衬。筒体由数挡支承系统支承, 每挡支承系统由两个托轮、两根托轮轴和一个滚圈组成。每挡支承系统由两个托轮、两根托轮轴和一个滚圈组成[1]。
回转窑筒体的力学行为的研究, 目前国内仍沿用一些假设条件, 一般将筒体简化为连续梁, 用材料力学的方法计算, 校核其轴向应力和横向变形, 以保证简体满足强度、刚度条件, 这种计算方法是非常复杂的。工程设计中, 为了计算方便, 一般都对载荷作了较大的简化, 并将跨闻作为等截面考虑, 这样简化造成的计算误差是不可忽视的。
通过建立回转窑有限元模型, 来模拟回转窑主体部件的受力状况, 取得回转窑主体部件的应力应变规律, 为此, 运用Cosmos软件在冷态条件下对回转窑进行有限元分析, 通过建立不同窑皮厚度和各挡间距工况下的有限元分析模型, 得出了各种工况下应力的大小和分布, 实现了对该窑本体结构的评定研究。
圆转窑所受的外载主要有传动系统即齿轮的驱动力和由产量确定的物料载荷, 窑筒体、轮带以及耐火砖的自重。由于筒体是活套在轮带中的, 因而筒体所受的约束为轮带在筒体档位段对简体的支承, 以及挡轮在长度方向上的约束。将轮带对筒体的接触支承方式简化为档位段的简单支承, 挡轮的约束则简化为简体在长度方向上的零位移[2]。
运用C o s m o s对回转窑筒体进行有限元分析, 回转窑3 D有限元模型和单元应力分布云图见图2所示;可以看出应力比较大的地方出现在各挡及筒体变径的位置。根据分析结果我院在炭素煅烧回转窑的设计中, 对各挡间距进行了优化。确定从窑尾到Ⅰ挡、Ⅱ挡、Ⅲ档、窑头间距分别为9 m、2 2 m、2 1 m和8 m;大齿圈处筒体为32mm, 各挡支撑处筒体厚50mm, 其余处筒体厚为22mm。
2 回转窑筒体窑尾变径
回转窑变径筒体由大筒体1, 变径段2, 筒体3所组成 (见图3所示) 。窑尾进料端直径由筒体3处的扩径为筒体1处的。碳素回转窑变径筒体的特点是可以使碳素回转窑筒体内进料端处物料的厚度与出料端物料的厚度基本保持一致或厚度的差之较小, 这种情况有利于物料的煅烧, 有效降低窑尾预热带生焦的填充率, 增大物料与回转窑内衬的接触面积, 有利于生焦中水分和挥发分的快速逸出, 对于延长煅烧带的长度, 提高煅烧带的温度有利。同时, 由于回转窑预热带直径的扩大, 降低了回转窑窑尾密封圈处的烟气流速, 减少了随烟气进入沉灰室的粉料量, 从而使回转窑实收率得以提高[3]。
3 回转窑窑头窑尾密封装置的改进
回转窑窑头罩和窑尾罩与笥体之间装有密封装置, 目的是为了减少外界冷空气进入窑内, 影响窑内的热工制度;同时防止窑内空气携带物料外泄, 污染环境, 造成浪费, 故对熟料烧成的整个工艺参数和设备高效运行具有重大意义[4]。然而回转窑属高温连续运转的大型设备, 筒体径向跳动、轴向窜动、磨擦大、温度高、结疤严重以及恶劣的环境对密封性能提出了较高的要求。回转窑窑头窑尾密封一直是困扰生产厂家的难题, 由于传统形式的密封易失效, 不仅漏风漏料, 而且影响了回转窑热工制度的稳定, 导致热耗增高, 严重污染环境[5]。
在我院设计中, 采用了如图4所示的复合密封结构。在窑筒体9部有径向迷宫式密封1、安装支座2和摩擦环7, 鱼鳞片6的一端与安装支座2连接、另一端贴在摩擦环7上, 在鱼鳞片6的外面还有箍紧装置4。箍紧装置4均布在安装支座2的环面上。在箍紧装置4的外面用钢丝绳5箍紧。钢丝绳5穿过箍紧装置4起到箍紧作用, 防止脱松。鱼鳞片6、箍紧装置4通过安装螺栓3与安装支座2连接。摩擦环7与窑筒体9焊接, 通过调整螺栓8穿过摩擦环7的螺纹孔, 一端顶在窑筒体9上。调整螺栓均布筒体9的圆周上, 用以调整摩擦环与窑筒体的同轴度, 避免窑口变形对摩擦环圆度的影响。
工作时, 摩擦环随窑筒体一起转动, 鱼鳞片在弹性作用下紧贴在摩擦环上, 能够起到很好的密封作用。随着工作时间的增长, 鱼鳞片会磨损。由于窑内为负压, 空气有可能通过鱼鳞片的间隙或因鱼鳞片机械变形或磨损残缺所形成的缝隙中进入径向迷宫, 迷宫式密封让空气流经弯曲通道, 产生流体阻力, 使风速显著降低, 也具有较好的密封效果。确保碳素回转窑更加安全、稳定、可靠地运行, 且具有维护检修方便的优点。
4 回转窑窑尾过渡装置
在以往的回转窑设计中, 回转窑窑尾直接与沉灰室相连, 下料溜管从沉灰室顶部斜插到回转窑窑尾段的筒体内。由于窑尾处回转窑筒体直径较小, 在回转窑负压作用下此处烟气流速会明显增大, 一些刚从下料溜管中下来的细小石油焦颗粒在风速的作用下被带进沉灰室内, 加大了石油焦煅烧的烧损, 减少了石油焦煅烧的实收率, 使窑尾处温度过高。并且在窑尾处出现大面积返料的时候, 在以往的设计中很难处理, 不利于节能环保。
此次设计中, 在回转窑窑尾与沉灰室之间增加了一过渡装置。其结构如图5所示, 过渡装置由连接法兰1, 箱体2, 下料溜管3, 回转窑筒体4, 支腿5, 下料口6, 沉灰室7所组成。安装时连接法兰与沉灰室相连, 下料溜管通过箱体斜插到回转窑筒体中, 回转窑筒体的进料端伸进箱体内, 生产时, 回转窑筒体作回转运动, 筒体内的烟气夹带着一些粉尘以较快的速度向沉灰室方向运行。当经过过渡装置时, 由于箱体的截面尺寸比回转窑的截面尺寸大, 烟气的速度迅速减慢, 烟气夹带着的一部分粉尘沉降到箱体内, 由下料口6排出, 可集中回收使用。当返料发生时, 返出的物料落入箱体内, 同样由下料口排出, 再经过斗式提升机提到饲料室, 使回转窑进料端处的环境保持清洁。
5 结语
回转窑是石油焦煅烧生产中的核心系统, 其性能的好坏直接影响到石油焦的煅烧质量及产量, 进而影响到整个工厂的生产效益。除了对回转窑进行上述改进之外, 还在此次设计中改用了液压挡轮, 进行自动控制回转窑筒体的上下窜动, 使的滚圈与托轮、大齿圈和小齿轮在全宽度上均匀磨损;在筒体沿轴向分布上安装了22个热电偶温度测量仪, 并通过无限传输信号到控制室的显示器上, 使得工人可以实时了解到回转窑内部各处的温度。以便及时调节回转窑的各控制参数, 减少烧损, 提高煅后焦的质量。
摘要：炭素煅烧回转窑是石油焦煅烧生产中的核心系统, 其性能的好坏直接影响到石油焦的煅烧质量及产量。新投入使用的回转窑在设计中使用了有限元分析优化, 并做了多项技术改进。减少了工厂的投资和运行成本, 提高了生产效益。
关键词：回转窑,有限元分析,筒体变径,密封,过渡装置
参考文献
[1] 肖友刚.多支承回转窑接触体系的力学特征研究及参数优化[D].中南大学博士学位论文, 2004, 6.
[2] Heydenrych M.D.Modeling of Rotarykilns:Ph.D.Thesis, University ofTwente, The Netherlands, 2001.
[3] 穆二军, 陈杰.美国METSO炭素回转窑在国内的应用[J].炭素技术, 2008, 5
[4] 崔世谦.回转窑密封结构探讨[J].山西冶金, 2003, 2.
[5] 回转窑编写组.回转窑[M].冶金工业出版社, 1978, 5.