回转窑改造及设计的分析及研究

孙铁成

多年以来，回转窑被用于各行各业，用来完成物料经高温烧结发生的化学反应。在水泥业、石灰业、甚至选矿业等领域，回转窑发挥着无可替代的重要作用。在上述各个领域内，物料的热加工工艺各不相同，因此回转窑的使用性能亦各具特色。当然，在其他行业，也有成百上千的回转窑在为各种工业生产服务。

在诸多领域内，对大量物料的热加工首选回转窑。长期的生产实践证明，采用回转窑进行热加工的物料，质量均匀，性能稳定，对环境污染程度较小，能源消耗低。在建材、碳素、选矿等行业，逐渐取代了立式窑炉、倒焰窑、隧道窑等工业窑炉。

说起回转窑的设计及技术改造，首先要考虑的是回转窑的基本原理和基本性能。当然，各种技改、设计、研究等离不开实践的指导，所以在回转窑的技术改造、设计研究中，必须考虑很多在实践中积累的经验和各种详细的数据。图1 是用于水泥熟料生产的湿法回转窑。

图1 湿法水泥熟料窑示意图

1 回转窑烧结物料工艺需求的分析及研究

对于每一台回转窑的烧结物料，都有非常特殊的工艺要求及数据指标，因此对于任何一台回转窑，在改造或设计之前，我们都要做全面的调研，大量广泛地收集数据，然后认真分析评价数据，并把这些数据提炼成改造、设计研究回转窑的重要依据。在改造和设计之前，还要让所有的设备运行和设备维护人员了解新技术的优势及先进性，掌握新的操作及维护技术。

对某一台回转窑的技术改造或研究设计的第一步是要确定一个总体目标，明确我们要完成什么，包括通过对物料的热加工要完成得化学反应，各物料之间要实现什么样的物质交换和能量交换。确定最终目标不仅可以明确回转窑内要发生什么燃烧反应及物质能量交换，而且可以基本明确回转窑的尺寸、结构及各种使用性能要求。

2 回转窑的热分析

在回转窑开展技术改造或研究设计之前，首先要对回转窑烧结的物料展开全面的热分析及化学分析，通过分析全面掌握各种物料及燃料在回转窑中将要发生怎样的变化，是否会出现液相，是否会气化，是否会发生爆裂，水分如何等；还包括物料的堆积密度，热特性，导热性，化学性质等等。所有这些指标都会影响物料在回转窑中的表现。

接下来，我们详细分析所有这些因素如何影响回转窑的技术改造及研究设计的方案制定。

众所周知，在回转式干燥器中，主要目的是要去除物料的水分。而在回转窑中，去除水分是第二位的，及烘干物料不是最终目标。尽管如此，我们在回转窑技术改造或研究设计中，也要重视物料的烘干。

许多案例表明，物料在开始化学反应之前完全去除物料所含水分是最为理想的。当条件允许时，很多单位采用了要外烘干设备，使物料在进入回转窑之前完全去除或部分去除物料所含水分。当然，不采用窑外分解技术的回转窑也很普遍，通过延长物料在回转窑内的停留时间，提高回转窑对物料的烘干能力；由于回转窑内的温度比较高，所以回转窑内不能像回转式干燥器那样加装扬料设施，则物料和高温热气流的热交换效率就会略有降低。

总而言之，不同的回转窑有不同的物料受热方式，从而适应物料的热加工需求。

3 物料的热性能及回转窑内物料的热交换

物料的热性能是回转窑在技术改造或者研究设计之前必须考虑的另一个重要因素。物料的热性能主要是指物料的传热性能计热容量，从某种程度上可以体现物料每升高1℃所需的热能及所需加热时间。例如水具有很高的热性能，这就意味着水在受热温度升高甚至蒸发过程中需要较多的热能和较长的加热时间；相反，如果物料的热性能较低，则该物料在受热温度升高的过程中所需的热能较少，所需加热时间较短。

和物料的热性能相似，物料的传热性能也是回转窑在技术改造或者研究设计之前必须考虑的因素。物料如何传递热量将直接影响到物料在回转窑中的表现。这主要表现为物料是否容易受热，回转窑内料床物料分布是否均匀，物料吸收及传递热量所需时间以及物料是否在受热后形成表面隔热层组织物料的热交换等。

4 物料的热重分析

回转窑在技术改造或者研究设计之前必须分析回转窑需要烧结的物料热重性能。物料的热重分析主要研究物料随温度的变化而产生的变化，是描述物料在相应温度下其质量发生减少的现象，这是一个标准，一个用来确定回转窑内部各区域所需温度的一个标准。例如游离水的蒸发是在112℃，而物料失去结晶水是在400℃左右等。

物料的热重分析还以帮助我们分析各种化学反应的开始温度和结束温度。一般来讲，物料的热重分析曲线显示物料的化学反应开始于某一特定的温度，但是往往要在某以更高的温度点才能结束反应。

总之，我们可以通过物料的热重分析来确定物料开始化学反应的温度和结束化学反应的温度以及完成化学反应所需要的保温时间，而且这些数据是回转窑在技术改造或者研究设计时用来确定回转窑各种指标的基本数据。

5 物料的化学分析

回转窑在技术改造或者研究设计之前，搞清楚物料的化学组成是非常重要的，主要表现为以下几个方面的原因：

（1）许多物料在回转窑内的化合反应可能会释放热量，所以回转窑在设计时必须考虑如何释放或者吸收这些热量，而在其他的回转窑应用领域，相反的情况也会发生。

（2）物料的化学反应需要特定的氧化或者还原气氛，所以回转窑必须能够构建这些氧化或者还原气氛以实现这些物料的化学反应。

（3）通过化学分析确定回转窑排放废气的化学组成。物料及燃料在回转窑内发生并完成复杂的化学反应时，同时也产生了许多不同化学性质的气体，而废气在排放大气之前需要做无害化处理，以确保环境不受影响。

6 回转窑的尺寸确定

回转窑的尺寸主要是指回转窑的直径和长度。通过对回转窑烧结物料的各种分析，依据企业的生产需求，来确定回转窑的尺寸。回转窑不仅要有足够的容积，而且要有燃烧系统来确保物料热加工以及保持物料反应环境温度所必需的热量。通过物料热化学分析我们大致能确定物料反应时间，这样就可以大致确定回转窑的长度。

回转窑的直径和长度的确定最终基于企业对回转窑烧结物料的需求量、物料化学反应持续时间以及生产中回转窑横断面的物料填充比。

当这些数据确定后，我们可以通过计算机模拟系统对回转窑的设计进行进一步优化。

7 回转窑的耐火内衬

一旦我们确定了回转窑的尺寸，我们就开始研究回转窑的内衬设计。对于直接加热的回转窑来说，其内部都有燃烧的火焰，因此回转窑内必须设有耐火材料建造的内衬，用来保护用碳钢制成的回转窑筒体。

选用何种耐火材料来建造回转窑内衬要因地制宜，依据不同的需求，选择相应的设计方案。有两种耐火材料建造的回转窑内衬最具有代表性，即浇注料内衬和耐火砖内衬。这两种内衬各有自己的优势和不足，如何选用主要依据回转窑内各区域的温度、物料的化学组成以及物料的磨损性能。

7.1 回转窑浇注料内衬

浇注料属于不定型耐火材料，在施工前加水或其他业态结合剂调制搅拌而成。浇注料在施工前必须安装锚固件，用来将浇注料内衬和回转窑筒体锚固在一起。浇注料内衬的特点是可以采用机械化施工，人工成本相对较低；其缺点是质量不太稳定，施工工期较长，特别是在浇注料内衬拆除过程中，施工效率低，作业条件恶劣。

浇注料内衬的另一个优点是当内衬局部损坏时，修理方便。只需要将损坏部位周围做少量的拆除清理，安装合适数量的锚固件，按照浇注料施工工艺完成修补。工作量小，工期短，大幅度缩短停窑时间。浇注料内衬结构示意图如图2 所示。

图2 回转窑浇注料内衬示意图

7.2 回转窑耐火砖内衬

回转窑内衬采用的耐火砖大多数属于硅酸铝系耐火材料，其质量和耐火度取决于其中的氧化铝含量。

以黏土砖为例，其坯料采用压力机压制成型，在倒焰窑或者隧道窑内经过合适的烧制，其性能优于浇注料。耐火砖的成本比浇注料略高一些，但耐火砖内衬不需要锚固件，质量比较稳定，比较容易实现施工中的质量控制。耐火砖内衬的耐磨损性能优于浇注料内衬。

耐火砖内衬的缺点表现为以下几点：

（1）耐火砖内衬砌筑时完全采用手工作业，人工成本很高。

（2）耐火砖内衬和回转窑筒体没有连接，耐火砖内衬的整体强度主要来自于砖与砖之间的挤压产生的拱圈作用，这就在耐火砖内部产生了很强的挤压应力，容易造成耐火砖内衬的剥落损坏。

（3）耐火砖内衬出现局部损坏后，修理起来比较困难，往往必须将整段内衬完全拆除后重新砌筑，工作量大，工期长，造成比较高的检修成本。

8 回转窑内衬的工作层和绝热保温层

当回转窑内衬耐火材料选定以后，接下来要进行回转窑窑体的散热损失的评估。

当我们认识到回转窑内工作温度较高，物料对内衬冲刷磨损严重，那么在内衬设计是就要考虑双层内衬，两层内衬分别称为工作层和绝热保温层。

工作层选用重质耐火材料，满足抵御高温火焰和物料冲刷磨损；绝热保温层选用轻质耐火材料，用来提高内衬的保温性能，减少回转窑窑体散热损失。

回转窑内衬有了绝热保温层，可有效降低回转窑的散热损失同时亦有利于保护回转窑筒体及其他筒体组件。

一般来讲，带有绝热保温层的回转窑内衬往往用于操作温度较高的回转窑。绝热保温层内衬和工作层内衬耐火材料有着类似的化学组成，最大的区别在于各自的强度和导热性。绝热保温层内衬耐火材料密度较低，强度较小，但其热阻比较大，可有效降低回转窑窑体散热损失。

9 回转窑内衬的维护

回转窑内衬砌筑完成后，在还要在运行过程中要对内衬进行必要的维护，从而尽量延长其使用寿命。回转窑内衬的使用寿命可达1 年甚至几年，但有以下几个因素的影响会缩短回转窑内衬的使用寿命。

9.1 “激冷激热”

当回转窑开窑时其筒体和内衬受热产生膨胀，当回转窑停窑时筒体和内衬冷却产生收缩。就在膨胀—收缩的循环过程中，内衬就会产生很多裂纹，裂纹的增多及扩展会引起内衬的局部损坏，因此，尽量减少回转窑的开停次数对保护内衬至关重要。

9.2 化学侵蚀

硅酸铝系耐火材料对酸性气体的侵蚀不具抵抗性，因此如果在生产中，回转窑内产生了酸性气体，则内衬就会迅速腐蚀造成损坏。这种现象在物料或燃料化学成分发生较大变化时最容易发生，因此，回转窑在运行过程中物料及燃料的化学成分尽量保持稳定，减少因化学气体侵蚀造成的内衬损坏。

作为保证回转窑内衬使用寿命的补充手段，回转窑窑体表面温度的定期测量比较重要。当发现高温点出现时，及时采取补救措施，以免造成更大的损坏。

10 回转窑的承托系统和传动系统

10.1 回转窑的承托系统

回转窑的承托系统如图3 所示。

图3 回转窑的承托系统示意图

回转窑的筒体外部安装2 个～6 个轮带。回转窑窑体越长，轮带数量就越多。每个轮带都配有托轮、托轮座等承托组件。

挡轮是控制回转窑上行和下行蹿动的部件，通过挡轮的推动，可使得托轮和轮带磨合均匀，避免出现因局部严重磨损造成的损坏。

10.2 回转窑的传动系统

图4所示为回转窑的传动系统示意图

图4 回转窑的传动系统示意图

如图所示回转窑的转动由小齿轮驱动。电机、减速机等传动系统驱动小齿轮转动，小齿轮驱动大齿圈最终带动整个回转窑转动。

11 紊乱料床

回转窑在转动中，料床中心部位的物料受热状况较差。如果能在回转窑内衬的内表面增加“扰乱”装置，促使料床紊乱，就会实现窑内物料受热均匀。

为了使物料“紊乱”，使物料温度均化，需要在回转窑内衬的内表面设置一些凸起的“台”或“岭”，当回转窑转动时，这些“台”或“岭”搅动、翻动物料，不留任何“死区”，从而使物料均匀受热。

强制换热型内衬开起来非常简单，没有什么高深的技术含量，但却非常实用，对于提高物料烧结质量，提高回转窑台时产能，降低燃料消耗等起到了非常重要的作用。

12 挡料圈

为了保证物料在回转窑内足够的停留时间来完成物料物料化学反应，就要使物料的在窑内的行进速度受到抑制。比较有效的方法是降低回转窑的转速，但转速降低就会影响物料的受热及化学反应的顺利进行，所以多数回转窑设计时考虑在窑内设置挡料圈。

如图5 所示，挡料圈的工作原理和建在河流上的水坝相似，把物料聚集在挡料圈的后面，当停留时间足够以后，物料依然要越过挡料圈流向窑口。根据回转窑长度不同，设置2 个甚至2 个以上的挡料圈是必须的。

图5 挡料圈挡料原理示意图

13 回转窑的密封系统

要保证回转窑的温度稳定，从而保证回转窑的台时产能及物料烧结质量，如果回转窑的密封系统选择不当，回转窑运行时就会遇到很多困难。

大多数回转窑采用负压操作，回转窑内的气体不易逸出，但外界空气却容易漏进窑内。由于回转窑内的温度远高于窑外气温，所以空气的漏入会引起窑内局部温度大幅度降低，不仅造成能源浪费，而且降低了回转窑台时产能，降低物料烧结质量。

所以回转窑的密封系统必须稳定可靠，既要不影响回转窑的转动，又能有效防止空气漏入窑内。

回转窑的密封方式多种多样。成本合适，密封效果较为理想的密封方式为鱼鳞片是密封。

如图所示，鱼鳞片式密封中的鱼鳞片采用薄钢板制作，安装时片鱼片之间重叠压紧，从而阻止空气漏入窑内。随着该技术的不断进步，鱼鳞片式密封已经发展成双层鱼鳞片式密封、复合式多层鱼鳞片式密封等多项技术，密封效果得到大幅度提高。

14 结语

回转窑经过长期的发展，在各行各业应用的回转窑都经过了不断地改进。改进的目的都是最大程度地满足企业对物料烧结的需求。一方面要提高物料烧结质量，另一方面是尽量减少燃料的浪费，本文强调了回转窑在技术改造或者研究设计之前必须考虑的各方面因素，从物料燃料分析入手，积极采用紊乱料床、鱼鳞片密封等新技术，在同类型回转窑应用领域具有一定的借鉴价值和推广意义。