大型回转窑筒体载荷计算方法

闫 伟

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 外协管理部， 辽宁 沈阳 110141)

大型回转窑筒体载荷计算方法

闫 伟

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 外协管理部， 辽宁 沈阳 110141)

本文针对中国有色(沈阳)冶金机械有限公司承制的缅甸达贡山还原镍红土矿回转窑项目的主体设备——Φ5.5 m×115 m大型焙烧回转窑的筒体载荷进行计算分析，通过对窑体自重、物料重量、窑衬重量、窑皮重量、齿圈重量等诸多方面进行综合考虑，为科学、准确地确定回转窑的筒体载荷提供依据。

回转窑； 筒体载荷； 计算

0 前言

回转窑时对散状或浆状物料进行热处理的热工设备，回转窑广泛用于有色冶金、黑色冶金，耐火材料。水泥、化工和造纸等工业部门。回转窑属于回转圆筒类设备。筒体内有耐火砖衬及换热装置，以低速回转，物料与烟气一般为逆流换热，物料从窑的高端(又称为冷端或窑尾端)加入[1]。由于筒体倾斜安装，在回转窑内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动。

筒体是回转窑的基体，由钢板卷成，是物料完成物理及化学变化的容器，窑内物料温度可达1450 ℃以上，故筒体内均砌筑耐火材料(即窑衬)，起保护筒体和减少散热的作用。筒体分为若干跨：换热装置、滚圈、支承装置、传动装置、窑头罩、燃烧器、窑尾罩、喂料设备[2]。所以筒体窑有足够的刚度和强度，筒体刚度主要是筒体截面的巨大的横向切利作用下抵抗向变形的能力。筒体强度问题表现为筒体在载荷作用下产生裂纹，尤其是滚圈附近的筒体，引起筒体强度变形和刚度变形的因素就是载荷[3]。

本文针对中国有色(沈阳)冶金机械有限公司承制的缅甸达贡山还原镍红土矿回转窑项目的主体设备——Φ5.5 m×115 m焙烧回转窑的筒体载荷进行计算，并根据计算结果选择合适的电机和设计结构。

1 回转窑筒体载荷计算

1.1 回转窑的技术参数

筒体内径D=Φ5500 mm

筒体长度L=115000 mm

生产能力 按产出焙砂：80～100 t/h

筒体转速n=1.2 r/min

窑净空内径De=5.02 m

窑体有效长度Le=115 m

物料堆比重γ=1300 kg/m3

物料休止角ψ=38°

填充率φ=5%～15%；

窑倾斜角β=3.5%(2.0045°)

1.2 筒体自重计算

钢圆筒每米长的自重q′s：

q′s=7.85π(D+δ)δ

(1)

式中q′s—钢圆筒每米长的自重，t/m；D—筒体内径，m；δ—壁厚，m；

1.筒节一 2.筒节二 3.筒节三 4.筒节四 5.筒节五 6.筒节六 7.筒节七 8.筒节八 9.筒节九图1 筒体构造图

已知：D=Φ5500 mm=5.5 m、L=115 m、δ1=0.04 m、δ2=0.05 m、δ3=0.07 m、δ4=0.09 m，将D和δ带入公式后求得：

q′s1=7.85×3.14×(5.5+0.04)×0.04=5.46 t/m,

q′s2=7.85×3.14×(5.5+0.05)×0.05=6.84 t/m,

q′s3=7.85×3.14×(5.5+0.07)×0.07=9.61 t/m,

q′s4=7.85×3.14×(5.5+0.09)×0.09=12.4 t/m。

一般将q′s加大25%～35%，为了能够将筒体滚圈下有加厚部分和垫板、窑口护板等件的重量包含其中：

qs=(1.25～1.35)q′s

(2)

所以有：

qs1=1.35×5.46=7.37 t/m，
qs2=1.35×6.84=9.23 t/m，
qs3=1.35×9.61=12.97 t/m，
qs4=1.35×12.4=16.74 t/m。

Ws=q′s×L×n

(3)

式中Ws—每节筒节的重量，t；L—每筒节的长度，m；n—同一长度、同一厚度筒节的数量，个。

如图1所示，将筒体分为9个筒节，长度分别用L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9表示，筒体厚度用δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δ7、δ8、δ9表示。

L1=8800 mm=8.8 m，δ=0.04，n=1个。

Ws1=q′s1×8.8×1=5.46×8.8×1=48.05 t；

L2=2000 mm=2 m，δ=0.07 m，n=7个。

Ws2=q′s3×2×7=9.61×2×7=134.5 t；

L3=2400 mm=2.4 m，δ=0.09 m，n=4个。

Ws3=q′s4×2.4×4=12.4×2.4×4=119 t；

L4=2000 mm=2 m，δ=0.04 m，n=1个。

Ws4=q′s1×2×1=5.46×2×1=10.92 t；

L5=6000 mm=6 m，δ=0.07 m，n=1个。

Ws5=q′s3×6×1=9.61×6×1=57.66 t；

L6=20800 mm=20.8 m，δ=0.04 m，n=1个。

Ws6=q′s1×20.8×1=5.46×20.8×1=113.57 t；

L7=4800 mm=4.8 m，δ=0.05 m，n=1个。

Ws7=q′s2×4.8×1=6.84×4.8×1=32.83 t；

L8=23600 mm=23.6 m，δ=0.05 m，n=2个。

Ws8=q′s2×23.6×2=6.84×23.6×2=322.85 t；

L9=3740 mm=3.74 m；δ=0.05 m，n=1个。

Ws9=q′s2×3.74×1=6.84×3.74×1=25.58 t；

筒体总重Ws—九个筒节重量的总和，t。

Ws=W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7+W8+W9=
48.05+134.5+119+10.92+57.66+113.57+
32.83+322.85+25.58=865 t

(4)

1.3 窑衬重量qb

qb=πγb(D-h1)h1

(5)

式中qb—窑衬重量，t；h1—窑衬底泥总厚度，m；

γb—窑衬容重即窑衬的比重，t/m3。

h1=h+0.05

(6)

式中h—窑衬厚度即耐火材料的厚度，m，取各段窑衬厚度平均值得h=0.3；

对于这部分重量有工艺设计部门给出，所以此处计算取窑衬和底泥的平均厚度，求得：

qb=πγb(D-h1)

(7)

h1=3.14×1.2(5.5-0.35)×0.35=6.79 t/m
Wb=6.79×115=781 t

1.4 窑皮重量qp

回转窑在烧成带挂有窑皮，在操作过程中保护衬砖，窑皮长度：Lp=(1.5～2)D，烧油取小值，烧煤取大值，该回转窑烧煤所以取2。

Lp=2D=2×5.5=11 m

(8)

qp=πγp(Dp-hp)hp

(9)

式中qp—长度窑皮的重量，t；γp—窑皮比重，此处γp=5；Dp—烧成带有效直径，m；hp—窑皮厚度，此处hp=0.3 m。

Wp=qp×lp

(10)

式中Wp—窑皮的总重，t/m3；

Wp=3.14×5×(5.02-0.3)×0.3×11=244.5 t

1.5 物料重量qm

(11)

式中qm—物料重量，t；γ—物料容重，t；φ—填充率；

由于qm占载荷总重的比例较小，可取全窑平均值：

(12)

式中C″—窑内各段物料通量的变化及窑内设施对物料量影响有关的系数，此处C″=1.25；

G—为窑的产量，t/h；

t—物料在窑内停留的时间，min。

(13)

式中n—窑转速，r/min；β—窑倾斜的斜度，°； sinβ—斜度，%；a—物料自然堆角(静态值)，°；L—筒体的有效长度，m；D1—筒体的有效直径，此处取筒体的净空内径De。

将各数值代入公式(13)中得：

将t=28带入公式(12)得：

Wm=qm×L=0.5×115=57.5 t

1.6 各种换热装置重量

(1)回转窑为喷入法窑用的刮料器，单位长度重量一般为0.3～0.4 t/m。

(2)挡料板重量包含在窑衬重量内。

1.7 齿圈重量

GG=0.19mBG2dr2

(14)

式中GG—齿圈重量，kg；m—齿圈模数；BG2—齿宽,m；dr2—分度圆直径,m。

因为：m=40，BG2=500 mm=50 cm，dr2=8400 mm=840 cm。故：

GG=0.19×40×50×840=319200 kg=319.2 t。

筒体重量为所有筒节重量的总和：

W=Ws+Wb+Wp+Wm+GG=

865+781+244.2+57.5=1947.7 t

2 结论

在计算Φ5.5 m×115 m大型回转窑的传动功率过程中，考虑了回转窑窑头、窑尾密封装置有一部分重量通过筒体传递到支承装置上，凡是与筒体回转的载荷均计入，上述各项载荷计算与最终图纸完成后的实际重量相符合，根据筒体所计算出的重量，能够更加准确的估算出电机功率。

[1] 崔和涛，雪萍，徐有生.我国镍冶金的发展与工艺技术进步[J].矿冶，1997.

[2] 谭世雄.我国镍冶炼工艺技术发展[J].科学中国人，1999.

[3] 刘鸿文.材料力学(第4版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

Method of Load Calculation for Large Rotary Kiln Shell

YAN Wei

(The Assist Production and Management Department, NFC(Shenyang) Metallurgical Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

The paper calculates shell load of Ф5.5 m×115 m large rotary kiln in Myanmar Dagon Hill project, which made by NFC(Shenyang) metallurgical machinery Co., Ltd., analyses effects of kiln weight, the material weight, the liner weight, the calcinations material weight, the ring gear weight, helps to calculate kiln shell load scientifically and exactly.

rotary kiln； shell load； calculation

2013-09-22

闫伟(1981-)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，大学本科，主要从事现场技术施工和技术管理工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司外协管理部副部长。

TQ172.622

B

1003-8884(2014)01-0029-03