一種啞鈴型水泥回轉窯筒體強度校核

王繼光 劉建平

（洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司， 河南 洛陽 471039）

現有的新型干法水泥回轉窯的筒體一般為通長的圓柱體結構，早期也有為了增加燒成帶發熱能力、增加產量的窯頭直徑擴大型筒體，也有為了降低窯尾風速、提高分解帶換熱能力的窯尾直徑擴大型筒體[1]，還有窯頭端和窯尾端直徑都擴大型。兩端直徑擴大型的筒體，外觀形似啞鈴，通常也成為啞鈴型筒體。本文針對一種啞鈴型特種水泥回轉窯筒體的鋼板、耐材、物料等載荷條件，對其筒體鋼板彎曲應力進行了校核計算。

1 基本條件

某水泥廠有一臺規格為Φ3.3/2.5/3.3X57m 的水泥回轉窯，基本參數如下：

喂料量：11t/h

筒體安裝斜度：3.5%（正弦）

筒體轉速：1.5r/min

支承檔數：3

齒圈重量：20t

窯皮分布長度為從出料段15m，窯皮平均厚度200mm

窯尾懸伸段長度9.5m，二三檔跨距24m，一二檔跨距19m，窯頭懸伸段4.5m。

筒體鋼板厚度分布如圖1 所示，進料端筒節厚度26mm，三擋輪帶筒節厚度60mm，齒圈筒節厚度30mm，二三檔中間跨筒節及過渡筒節厚度26mm，二檔輪帶筒節厚度40mm，燒成帶筒節及過渡筒節厚度30mm，一檔輪帶下筒節厚度60mm，出料端筒節厚度30mm。

根據文獻[2]中鋼板厚度與筒體直徑之比為設計經驗系數：低溫區一般筒節取值0.006，燒成帶0.007，輪帶下0.015，根據經驗系數計算出來的筒體鋼板厚度分別為：一般筒節20mm，燒成帶23mm，一三檔輪帶下50mm，二檔輪帶下38mm，因此該窯筒體鋼板厚度均符合厚度要求。

圖1 筒體鋼板厚度分布圖

筒體內部耐火材料載荷分布見圖2: 1.進料端黏土磚段長度25.225m，重量平均3.7t/m；2.錐段澆筑料段長6m，重量平均4t/m；3.高鋁磚段長4.55m，重量平均3.9t/m；4.燒成帶錐段澆筑料段長6m，重量平均4t/m；5.燒成帶高鋁磚段長度15.225m，重量平均5.3t/m；各段耐材厚度均為180mm。

圖2 耐火材料分布圖

2 筒體強度計算

2.1 由于回轉窯筒體是一種梁結構的低速旋轉的設備，斜度較小，因此在筒體強度計算時做以下簡化：

(1).將筒體視作圓環截面水平連續梁，不考慮截面變形后對截面模數的影響，不考慮窯斜度的影響；

(2).物料在窯內由于筒體旋轉物料重心與筒體軸線不在同一豎直面內，但筒體計算時只計算筒體作為一根連續梁的整體受力，不考慮物料重心對窯軸線的偏移；

(3).由于筒體轉速較低，筒體載荷按靜載荷計算，筒體在旋轉時所受扭矩為筒體內力，在計算強度時不考慮。

2.2 筒體載荷計算

筒體載荷主要分為兩類，一類可以簡化為沿筒體軸向上的均布載荷：筒體鋼板重量，耐材重量，物料重量，窯頭結圈重量；另一類是集中在筒體某一位置的集中載荷：三擋支承的支反力，齒圈重力。

2.2.1 筒體鋼板單位長度載荷計算qs

單位長度筒體鋼板：

式中，qs：單位長度鋼板重量，t/m；

D：筒體內徑，m；

δ：鋼板厚度，m；

2.2.2 物料單位長度載荷qm：

按物料流通量11t/h 計算：物料容重按1.2t/m3 計，進料段內徑3.3m 直段處：物料移動速度經驗公式：

式中：v,物料在窯內軸向移動速度，m/min；

D，內徑，m；

n，筒體轉速，r/min；

β，筒體傾斜角度，按3.5%斜度計算值2.00576°；

α，物料自然堆積角，水泥熟料取值35°；

計算物料移動速度為0.84m/min。

計算單位長度物料載荷：

式中：Gm，物料流通量，t/h;

計算得每米物料重量為0.22t，即物料載荷0.22t/m。

同理計算2.5m 內徑中間筒節：

物料移動速度為0.61m/min，物料載荷0.3t/m。

窯皮段載荷計算：

窯皮容重按2.0t/m3 計算得窯皮量為：51.6t，平均3.4t/m。

燒成帶與出料段3.3m 筒節考慮窯皮后的物料載荷0.25t/m。

將上述筒體鋼板、耐材、物料、窯皮載荷簡化為筒體各段均布總和，加上齒圈集中載荷，得出筒體各段節的簡化載荷，如圖3 所示：窯尾懸伸段均布載荷q1=6.36t/m，二三檔跨間均布載荷q2=6.31t/m，一二檔跨間均布載荷q3=9.45t/m，窯頭懸伸段均布載荷q4=12.0t/m，齒圈載荷F1=20t，從窯頭到窯尾的三擋支反力分別為R1，R2，R3。

圖3 筒體載荷簡化圖

利用三彎矩方程計算筒體所受的支反力R1=132t，R2=183t，R3=150t。

筒體彎曲應力按薄壁環形截面梁計算，根據各處的筒體厚度計算筒體截面系數：

筒體彎曲應力公式：

計算各處筒體彎曲應力，見下表。

窯筒體彎曲應力計算表

可以看出：筒體最大彎曲應力為27.95MPa，出現在二擋支承輪帶下，其次二檔圓柱段與進料側錐段結合處筒體最大彎曲應力22.41MPa，跨間最大彎曲應力12.11 MPa，出現在一二檔跨間。

根據文獻[4]，筒體的許用彎曲應力值為20MPa，允許個別點為20-25MPa。總體來說一般不應該超過25MPa，因此二檔帶下的27.95MPa 過大，若將該處筒體鋼板厚度改為同一三檔一樣的60mm 厚度，則彎曲應力下降至18.5MPa，基本上可以接受。

如果將二檔進料側錐段鋼板厚度由26mm 增加為30mm，則彎曲應力降為19.4MPa，可以滿足設計要求。

3 結論

1.筒體強度在二檔輪帶下筒節、二檔圓柱段與進料側錐段結合處彎曲應力過大，將二檔輪帶筒節鋼板厚度增至與一三檔一致，將二檔進料側錐段筒節鋼板厚度增加至與出料側錐段厚度一致，可以滿足設計要求。

2.按筒體經驗公式計算的鋼板厚度在啞鈴型回轉窯中部細段時不適用，中間支承處為筒體受彎矩最大處，較小的直徑導致的較小的截面模數會加大筒體彎曲應力，因此在設計該類型回轉窯時應校核該處的筒體鋼板彎曲應力，適當增加鋼板厚度以避免該處筒體在交變應力的作用下失效。