大缩口回转窑运转功率的计算

柴玉川，高鹏，崔丽霞

回转窑广泛应用于冶金、化工、建材、环保等工业领域，其筒体结构形式主要有直筒型、窑尾扩大型、窑头扩大型、哑铃型、窑尾缩口型、窑头缩口型六种。在常规设计功率计算中，前五种结构形式均可采用筒体分段方式进行功率计算，设计资料和相关文献较多，而对于最后一种窑头缩口型结构，因窑头正常缩口幅度普遍偏小，可忽略不计，往往等同于直筒型回转窑进行功率设计计算。窑头大缩口回转窑不常用，功率计算参考资料较少。

笔者参与了某公司钛铁精矿还原窑头大缩口回转窑的设计，该回转窑规格为φ4m×62m，设计时采用理论推导和实验验证的方法准确计算出了运转所需功率，保证了设备的正常运转。新回转窑与原回转窑相比，电机选用功率大幅降低，节能效果显著。

1 现场原有回转窑运行情况

现场原有4 台钛铁精矿还原窑头大缩口回转窑，原料为钛铁矿和煤，用于生产富钛料，最高还原温度在1 150℃～1 200℃之间，有时存在轻微结圈的情况，回转窑规格为φ4m×62m，均为旧回转窑改造利用；窑头缩口筒体直径φ2.36m，缩口过渡段长度1.5m，缩口后直径长度1m，耐火材料厚度300mm，安装斜度2.5%，三档托轮支承，液压挡轮，托轮轴承组为滑动轴承传动；实际投料量10t/h，最大设计转速0.3r/min，实际转速0.18r/min，电机功率380V、2×90kW，实际运行频率25Hz，电流为140A，功率约35kW。筒体结构简图如图1所示。

图1 筒体结构简图

2 新回转窑设计要求

为提高产能，客户决定弃用旧窑，重新设计制造两台新回转窑用于生产。新回转窑筒体结构按原有回转窑设计，最高设计转速提高到0.42r/min，在转速0.21r/min 时，设计投料量为12t/h。在回转窑低转速情况下，旧回转窑托轮轴承组采用滑动轴承传动，轴瓦很难产生有效润滑油膜，所以新回转窑托轮轴承组改为滚动轴承传动。

3 主要设计参数的确定

3.1 物料停留时间的确定

回转窑窑头缩口幅度大，必然会延长物料在窑内的停留时间，一般理论计算公式不适用于物料停留时间的计算，因此采用下述方法进行推导：

（1）理论推导

假设料面高度小于缩口处高度时，物料不能越过缩口前进排出；料面高度超过缩口时，高于缩口部分的物料才能前进排出。据此，可以假设只有高于缩口的物料一直在沿着缩口后直径的整个筒体长度内做移动。

按照理论公式（1），筒体内无扬料板物料的停留时间计算如下：

式中：

t1——物料停留时间，min

L——筒体长度，m

Di——筒体缩口处有效内径，m

θ——物料的自然倾角，°

a——物料的水平倾角，°

n——筒体转速，r/min

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

（2）实验验证

在设计期间有一条停产检修的回转窑正准备投产，窑内物料已清理干净，在业主配合下进行了投料实验。在回转窑转速0.18r/min 的情况下进行投料，从物料投入到有物料排出时间为1 400min。

按照式（1）计算，窑转速在0.21r/min 时，物料在回转窑内实际停留时间为1 200min，与理论公式计算结果相差41.3min，误差3.44%，理论计算结果和实验验证结果接近，最终以实验验证结果1 200min 为计算依据。理论公式计算与实验验证结果产生误差的原因主要有两种可能：一是因窑头缩口，导致缩口前的物料在移动过程中，厚度和横向截面不断扩大，物料被提升路径也随之不断增大，导致物料向下滑移的时间（即窑内停留时间）延长；而通过缩口进入直段后，不存在因缩口直径变小导致的缩口前积料，物料移动的横向截面和提升路径变小。因此，在物料被提升过程中，筒体缩口前存在部分路径大于筒体缩口后物料被提升的路径，而在理论公式中，筒体直径值代入的是缩口后直径值（即物料被提升路径短），这是导致计算数值小于实际运行数值的一个原因。二是物料在还原过程中，在高温段熔融状态下，物料休止角会变大，物料实际停留时间比理论停留时间稍长。若要进行更为准确的计算，则需要通过生产实践统计大量的数据，从而获得一个合理范围的修正系数进行修正。

图2 sinθ与填充率相关的系数

3.2 物料填充系数的确定

物料在回转窑运转过程中，窑内停留的物料量=物料在窑内停留的时间×每小时投料量，经计算，回转窑内物料停留量为240t。

窑内物料填充系数=物料体积占窑内容积的百分比，经计算，填充系数为21.36%。

4 回转窑电机功率的计算

按下列基本公式进行计算：

式中：

N——传动所需总功率，kW

N1——有效功率，kW

N2——摩擦功率，kW

Di——筒体各段有效内径，m

Li——筒体各段长度，m

n——筒体转速，r/min

γ——物料堆积密度，t/m3

sinθ——与填充率有关的系数，可由图2查得

ω——物料安息角，°

P——托轮轴上的总压力，kN

Dγ——滚圈外径，m

Dt——托轮直径，m

d——托轮轴轴承处直径，m

f——托轮轴与轴承摩擦系数，滚动轴承取0.01，滑动轴承取0.1～0.3

ND——电机功率，kW

C1——启动过载系数，一般取1.2～1.4

C2——功率增大系数，一般取1.1～1.2

其中：轮带直径4.8m，托轮直径1.5m，托轮轴轴承处直径0.48m，托轮轴上的总压力12 350kN，启动过载系数取1.3，功率增大系数取1.2。

当转速为0.21r/min，计算可得：

在转速0.42r/min 时，按投料量增加、填充率不变进行计算，可得ND=97.44kW。

因此，可选用功率为110kW 的变频调速电机（原有电机功率180kW）。但因用户担心在转速提高、投料量增加的前提下，电机功率反而大幅减小，可能会影响正常生产运行，所以电机功率最终选用了132kW。

5 实际运转效果

安装投运后，设备运转正常且达标达产，投料量12t/h，实际电机运转频率25.5Hz，电机电流130A，运行功率约31.5kW。新旧回转窑电机运行情况对比如表1所示。

6 结语

（1）窑头大缩口回转窑功率计算中，对于物料在窑内停留时间的确定，经实验验证，可以采用假设物料沿着缩口后的有效内径在整个回转窑移动进行近似的计算，但较为准确的计算仍需要通过生产实践统计大量的数据，从而获得一个合理范围的修正系数进行修正。

（2）从实际运行数据来看，110kW 电机即可满足正常运转需要，理论正常运行电流负荷率约56%，用户原有回转窑电机选用功率偏大，利用率太低。

（3）新回转窑在转速提高、投料量增加的情况下，电机电流和功率反而减小，其主要原因是原回转窑在低转速情况下，滑动轴承轴瓦和轴之间不能产生良好的润滑油膜，过大的摩擦力消耗了部分电机功率。在提产提速条件下，新旧窑运行情况对比见表2。

由表2 可知，在相同情况下，使用滑动轴承传动的旧窑的运行功率比使用滚动轴承传动的新窑多32%，正常情况下两者相差10%～30%，表明在低转速情况下，旧窑滑动轴承轴瓦油膜成型非常不理想，摩擦损耗功率大。

表1 新窑和旧窑电机运行情况对比

表2 提产提速条件下新旧窑运行情况对比