大縮口回轉窯運轉功率的計算

柴玉川，高鵬，崔麗霞

回轉窯廣泛應用于冶金、化工、建材、環保等工業領域，其筒體結構形式主要有直筒型、窯尾擴大型、窯頭擴大型、啞鈴型、窯尾縮口型、窯頭縮口型六種。在常規設計功率計算中，前五種結構形式均可采用筒體分段方式進行功率計算，設計資料和相關文獻較多，而對于最后一種窯頭縮口型結構，因窯頭正?？s口幅度普遍偏小，可忽略不計，往往等同于直筒型回轉窯進行功率設計計算。窯頭大縮口回轉窯不常用，功率計算參考資料較少。

筆者參與了某公司鈦鐵精礦還原窯頭大縮口回轉窯的設計，該回轉窯規格為φ4m×62m，設計時采用理論推導和實驗驗證的方法準確計算出了運轉所需功率，保證了設備的正常運轉。新回轉窯與原回轉窯相比，電機選用功率大幅降低，節能效果顯著。

1 現場原有回轉窯運行情況

現場原有4 臺鈦鐵精礦還原窯頭大縮口回轉窯，原料為鈦鐵礦和煤，用于生產富鈦料，最高還原溫度在1 150℃～1 200℃之間，有時存在輕微結圈的情況，回轉窯規格為φ4m×62m，均為舊回轉窯改造利用；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；實際投料量10t/h，最大設計轉速0.3r/min，實際轉速0.18r/min，電機功率380V、2×90kW，實際運行頻率25Hz，電流為140A，功率約35kW。筒體結構簡圖如圖1所示。

圖1 筒體結構簡圖

2 新回轉窯設計要求

為提高產能，客戶決定棄用舊窯，重新設計制造兩臺新回轉窯用于生產。新回轉窯筒體結構按原有回轉窯設計，最高設計轉速提高到0.42r/min，在轉速0.21r/min 時，設計投料量為12t/h。在回轉窯低轉速情況下，舊回轉窯托輪軸承組采用滑動軸承傳動，軸瓦很難產生有效潤滑油膜，所以新回轉窯托輪軸承組改為滾動軸承傳動。

3 主要設計參數的確定

3.1 物料停留時間的確定

回轉窯窯頭縮口幅度大，必然會延長物料在窯內的停留時間，一般理論計算公式不適用于物料停留時間的計算，因此采用下述方法進行推導：

（1）理論推導

假設料面高度小于縮口處高度時，物料不能越過縮口前進排出；料面高度超過縮口時，高于縮口部分的物料才能前進排出。據此，可以假設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做移動。

按照理論公式（1），筒體內無揚料板物料的停留時間計算如下：

式中：

t1——物料停留時間，min

L——筒體長度，m

Di——筒體縮口處有效內徑，m

θ——物料的自然傾角，°

a——物料的水平傾角，°

n——筒體轉速，r/min

由L=62m，Di=1.76m（耐火材料厚度300mm），θ=31°，sina=0.025，n=0.21r/min，計算得出物料停留時間t1=1 159.7min。

（2）實驗驗證

在設計期間有一條停產檢修的回轉窯正準備投產，窯內物料已清理干凈，在業主配合下進行了投料實驗。在回轉窯轉速0.18r/min 的情況下進行投料，從物料投入到有物料排出時間為1 400min。

按照式（1）計算，窯轉速在0.21r/min 時，物料在回轉窯內實際停留時間為1 200min，與理論公式計算結果相差41.3min，誤差3.44%，理論計算結果和實驗驗證結果接近，最終以實驗驗證結果1 200min 為計算依據。理論公式計算與實驗驗證結果產生誤差的原因主要有兩種可能：一是因窯頭縮口，導致縮口前的物料在移動過程中，厚度和橫向截面不斷擴大，物料被提升路徑也隨之不斷增大，導致物料向下滑移的時間（即窯內停留時間）延長；而通過縮口進入直段后，不存在因縮口直徑變小導致的縮口前積料，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），這是導致計算數值小于實際運行數值的一個原因。二是物料在還原過程中，在高溫段熔融狀態下，物料休止角會變大，物料實際停留時間比理論停留時間稍長。若要進行更為準確的計算，則需要通過生產實踐統計大量的數據，從而獲得一個合理范圍的修正系數進行修正。

圖2 sinθ與填充率相關的系數

3.2 物料填充系數的確定

物料在回轉窯運轉過程中，窯內停留的物料量=物料在窯內停留的時間×每小時投料量，經計算，回轉窯內物料停留量為240t。

窯內物料填充系數=物料體積占窯內容積的百分比，經計算，填充系數為21.36%。

4 回轉窯電機功率的計算

按下列基本公式進行計算：

式中：

N——傳動所需總功率，kW

N1——有效功率，kW

N2——摩擦功率，kW

Di——筒體各段有效內徑，m

Li——筒體各段長度，m

n——筒體轉速，r/min

γ——物料堆積密度，t/m3

sinθ——與填充率有關的系數，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，滾動軸承取0.01，滑動軸承取0.1～0.3

ND——電機功率，kW

C1——啟動過載系數，一般取1.2～1.4

C2——功率增大系數，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，啟動過載系數取1.3，功率增大系數取1.2。

當轉速為0.21r/min，計算可得：

在轉速0.42r/min 時，按投料量增加、填充率不變進行計算，可得ND=97.44kW。

因此，可選用功率為110kW 的變頻調速電機（原有電機功率180kW）。但因用戶擔心在轉速提高、投料量增加的前提下，電機功率反而大幅減小，可能會影響正常生產運行，所以電機功率最終選用了132kW。

5 實際運轉效果

安裝投運后，設備運轉正常且達標達產，投料量12t/h，實際電機運轉頻率25.5Hz，電機電流130A，運行功率約31.5kW。新舊回轉窯電機運行情況對比如表1所示。

6 結語

（1）窯頭大縮口回轉窯功率計算中，對于物料在窯內停留時間的確定，經實驗驗證，可以采用假設物料沿著縮口后的有效內徑在整個回轉窯移動進行近似的計算，但較為準確的計算仍需要通過生產實踐統計大量的數據，從而獲得一個合理范圍的修正系數進行修正。

（2）從實際運行數據來看，110kW 電機即可滿足正常運轉需要，理論正常運行電流負荷率約56%，用戶原有回轉窯電機選用功率偏大，利用率太低。

（3）新回轉窯在轉速提高、投料量增加的情況下，電機電流和功率反而減小，其主要原因是原回轉窯在低轉速情況下，滑動軸承軸瓦和軸之間不能產生良好的潤滑油膜，過大的摩擦力消耗了部分電機功率。在提產提速條件下，新舊窯運行情況對比見表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 新窯和舊窯電機運行情況對比

表2 提產提速條件下新舊窯運行情況對比