石灰回转窑设备技术参数及选型方法研究河南宏科

石灰回转窑设备技术参数及选型方法研究

第1 章 绪论 1 第1 章 绪论 1.1 活性石灰概述 石灰作为一种基础原料，在工业生产中占有一定的比重。通常所说的石灰是 指石灰石在高温煅烧下放出 CO 2 气体以后得到的以 CaO 为主要成份的产物。石 灰按照其活性度(availability of lime)的大小可分为活性石灰和普通石灰。石灰 的活性度是指熔渣中与其它物质的反应能力，用石灰在熔渣中的熔化速度来表 示。由于直接测定石灰在熔渣中的熔化速度(热活性)比较困难，通常采用酸碱 滴定法测定，石灰的活性大小是表征水化反应速度的一个指标，是指在充足时间 内，是以中和生石灰消化时产生的 Ca(OH) 2 所消耗的 4mol/L 盐酸的毫升数来表 示 [1,2] 。一般石灰的活性度平均值超过 300ml/4N-HCl(4NHCl·40±1°C，10min 盐 酸滴定值)，被称为活性石灰。活性石灰与普通石灰的主要成份都是 CaO，但 活性石灰 CaO 的含量高达 85%以上，是一种性能活泼、反应能力强、含硫量低 的优质石灰，具有体积密度小、气孔率高(50%左右)、比表面积大(1.5~2.0 ㎡/g)、氧化钙的矿物结晶细小(一般为 1~3μm)等特性，SiO 2 +Fe 2 O 3 +AL 2 O 3 等杂质含量小于 2%，残余 CO 2 含量一般不超过 2%，甚至有的石灰的活性度最 高能达到 420ml 以上。活性石灰又称软烧石灰，其外观呈现乳白色的块状物， 当含有杂质时，呈灰色、淡黄色或褐色 [2,3] 。 生产活性石灰所用的原料石灰石是一种天然的矿物，不是一种纯净的物 质，由 CaCO 3 、MgCO 3 、SiO 2 、K 2 O、Al 2 O 3 、FeO 3 、P、S、Na 2 O 等物质组成。 其矿物组成以方解石(CaCO 3 )为主，有些也有白云石共生。石灰组成中有游离 CaO 和结合 CaO，游离氧化钙中又分活性氧化钙和非活性氧化钙。非活性氧化 钙在普通消解条件下，不能同水发生反应，但是有可能转化为活性氧化钙，如磨 细后。而活性氧化钙则是在普通消解条件下，能同水发生反应的那部分游离氧化 钙。结合氧化钙是不可回复的，故不能称为非活性氧化钙。石灰的活性主要取决 于活性氧化钙的质量分数。石灰石的锻烧是石灰石菱形晶格结构重新结晶转化为 石灰的立方晶格结构的变化过程。其变化所得到的晶体结构与形成新晶核的速度 和它的生长速度有关。当前者大于后者时，所得到的为细粒晶体，其活性氧化钙 分子数量多;反之，所得为低表面能的粗粒晶体，其活性氧化钙分子数量少。石 灰石在低温下锻烧，所得到的为细粒晶体结构的石灰即活性石灰 [5,6] 。活性石灰 河南科技大学硕士学位论文 2 的质量指标主要有两个，一是化学成份，有效 CaO 含量要高，杂质成分 SiO2、 P、S 等含量要低。另一个是石灰的活性度要高。 活性石灰是炼钢的重要辅助原料，与普通石灰相比，采用活性石灰炼钢， 不仅可缩短冶炼时间，降低石灰消耗约 40%，延长炉衬寿命 20%以上，还能使 炼钢造渣成分比较稳定，造渣速度快，脱磷、脱硫、脱硅等彻底，加入活性石灰 的目地是脱磷、脱硫、脱硅等其它杂质。从而可以提高钢铁产品的质量，增加钢 铁的产量，降低炼钢各种消耗和成本，稳定操作等一系列优点。实践证明，凡采 用活性石灰炼钢的企业都取得了显着的经济效益，因此，采用活性石灰炼钢已成 为世界钢铁企业发展的必然趋势，我国“十五”规划对钢铁行业提出了新的要求 即限制普通钢的产量，大力发展优质钢及特殊钢的产量和品种。从而活性石灰作 为提高钢的质量和产量的关键造渣材料将得到广泛的应用和发展。除了钢铁行业 大量需要活性石灰外，也是其它冶金工业的重要辅助原料。在电厂脱硫和污水处 理、各种卫生和矿山废液的处理都需要大量的活性石灰;现在新法氧化铝生产也 需要活性石灰。活性石灰深加工产品超细氧化钙、轻质碳酸钙、氢氧化钙、氰氨 化钙等。用在轻工和食品方面的造纸、皮草行业、制糖和食用钙等方面;此外， 在橡胶工业中用做补强型填充剂、在涂料工业和塑料工业中用作填充剂等方面， 每年也需要大量活性石灰 [7,8,9] 。从而可知，活性石灰的用途是十分广泛的，市场 需求十分巨大。而活性石灰的生产，以前传统的方法是采用土窑来生产活性石 灰，活性度不高，生烧率较大，产品质量不稳定，且生产能耗高，污染严重。随 着国家环保力度加大，土窑石灰很难再有生存空间。在现代的所有活性石灰生产 工艺中，目前最先进的还是回转窑生产工艺，由于煅烧均匀，对原料适应性强， 其产

品的活性度很高，所以得到广泛应用并迅速发展。 1.2 石灰回转窑的发展和应用 图 1-1 为实际生产中的石灰回转窑系统。回转窑最先是用于水泥生产上的， 1824 年英国水泥工人 J.阿斯普发明了间歇操作的土立窑;1883 年德国人狄茨发 明了连续操作的多层立窑;1885 年英国人兰萨姆发明了回转窑，随后在英国、 美国取得专利后开始将它投放实际生产中，很快就获得了相当可观的经济效益。 回转窑的发明，使得水泥工业生产迅速发展，同时也促进了人们对回转窑新应用 的研究，很快回转窑被广泛应用到许多生产领域，并在这些生产领域中起着越来 越重要的作用，成为相应企业生产的核心设备。它的技术性能和运转情况，在很 大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本，随着科技的进步、生产的需求， 回转窑的发展呈现一个物料流、信息流、能量流不断改进，整个系统整体不断优 第1 章 绪论 3 化的趋势 [3] 。回转窑应用于活性石灰的生产，使活性石灰的产量和质量都得到更 大的提高。 图1-1 石灰回转窑系统 Fig.1-1 The system of lime rotary kiln 现代生产活性石灰的窑炉种类有很多，有传统式直筒竖窑、回转窑、并流蓄 热式竖窑、环形套筒式竖窑、双梁石灰竖窑、沸腾窑、外火箱窑及双斜坡窑等。 从有关统计分析可知，我国大部分符合炼钢用的高档活性石灰是由回转窑和先进 的竖窑生产的。前几年我国花巨资从国外引进技术先进的竖窑，如贝肯巴赫套筒 窑、麦尔兹双膛蓄热式竖窑和弗卡斯竖窑等，这些窑的窑体结构复杂，适合煅烧 40~120 ㎜的大块石灰石，这就不能够充分利用矿山资源，且投资大，单位产品 投资在350~400 元/吨石灰。日产500 吨活性石灰生产线投资在500 万元以上， 甚至高达800 万元，况且竖窑生产活性石灰的质量不稳定是其最大的缺点。所以 从总的发展趋势，我国冶金工业用的石灰窑应立足于国内国情，应重点发展带预 热器和冷却器的回转窑，以适应大多数钢铁企业的生产的需求。回转窑又可分为 长回转窑和短回转窑，长径比不大于 16 的称为短回转窑，长回转窑的长径比大 于 16，长回转窑的热耗比较高，现在长回转窑正在逐渐被短回转窑所取代。自 1939 年美国Kengnedy Van Sanun 公司设计制造了带竖式预热器和竖式冷却器的 回转窑，使回转窑系统的发展更进一步，随后在世界上很多国家相继建造并使 用，用回转窑系统烧石灰已成为一个发展方向 [8] 。德国在 60 年代自已成功研制 河南科技大学硕士学位论文 4 了带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑，其发展速度远远超过了其它国家，成为 向世界各国出售这一技术的主要国家。在国外，煅烧活性石灰大都采用回转窑煅 烧方式。回转窑在环保方面也开始得到了极大应用，美国、欧盟、日本等世界上 一些发达的国家早在20 世纪70 年代已开始采用回转窑处理工业、生活废弃物以 及有害废弃物等。在化学工业中，用回转窑可以生产小苏打，锻烧磷肥、硫化钡 等。近年回转窑又用于生产人造轻骨料，对医术水平有一定的提高。现在美国已 经有几十座回转窑，用于将有害废弃物作为替代燃料在回转窑中进行锻烧处理， 替代量一般在 20%-60%。欧洲一些国家的回转窑将有害废弃物作为替代燃料的 替代量最高已经达到 75%。瑞典己制订了具体措施，计划 2008 年全国使用废弃 物作为替代燃料的量的比例达到 50%以上，而我国远远低于这一水平，有待进 一步持续快速发展 [7,8] 。 我国对回转窑的应用和发展都相对起步比较晚，最先也是应用于水泥工业 上的。1920 年，在上海龙华建起了我国第一座湿法水泥回转窑，解放前回转窑 在我国的应用都相对极少。新中国成立后，回转窑迅速发展并应用到冶金、建 材、化工等行业中。1988 年北京市水泥厂、上海金山水泥厂开始利用水泥回转 窑焚烧危险废弃物等，从此我国在环保方面开始使用回转窑处理废弃物和垃圾， 取得了一定的进步，随后也在其它地区相继使用，不过数量相对于发达国家还是 很少的 [8] 。 对于煅烧石灰石的回转窑系统及设备，无论在国外还是在国内进行研究的 单位和人员都比较缺乏。在国外活性石灰回转窑先进设计研究单位，主要有美卓 矿机(Metso)、伯力鸠斯、日本川崎等公司，其中美卓公司最具代表性，处于 世界领先的地位。而在我国回转窑系统锻烧石灰在 70 年代初期才开始进行研究 和试验，但由于理论基础差，没有一定的经验，试验手段落后等原因，所以技术 水平上没有很大的突破，且没有能取得在工业上的推广使

用。八十年代我国开始 引进国外先进的工艺及设备，通过转化设计和安装调试，开始积累了一定的经 验，开始测绘、翻版移植，自行设计了国内带竖式预热器、竖式冷却器的回转窑 系统，但这二十年来，由于实验手段和试验条件的不建全，科研开发的投入又相 对很少，再加上科研人员的短缺，致使我国虽然在引进国外先进回转窑系统设备 的基础上，回转窑锻烧石灰的工艺及设备没有较大的进步，导致与国外先进的回 转窑技术的差距加大了。1976 年吉林铁合金厂用φ0.9×15m 回转窑做活性石灰 煅烧试验取得可喜成果，为我国的活性石灰回转窑系统及设备开发及研制打下了 坚实的基础 [5] 。鞍山焦化耐火材料设计研究院在焙烧工艺和武钢进口活性石灰设 第1 章 绪论 5 备国内配套设计方面，洛阳矿山机械工程设计研究院在测绘和翻版移植武钢进口 设备方面都做了大量工作，并积累了一定的经验和理论基础。洛阳矿山机械工程 设计研究院在六十年代初开始了回转窑的开发和设计，在七十年代初开始了活性 石灰生产工艺及设备的开发研制，并在七十年代中期采用小型回转窑进行活性石 灰煅烧试验取得了成功。并相继自行设计了回转窑系统，提高了我国回转窑系统 的设计技术水平 [6,8] 。 洛阳矿山机械工程设计研究院于 1993~1995 年为武钢二期，1995~1998 年 为鞍钢二期各设计、制造了一套 KMAG 改进型的日产 600 吨石灰回转窑系统设 备。随着我国近几年来钢产量的迅速增长，使活性石灰能在大、中、小型钢铁企 业均得到广泛应用，矿研院开发研制了日产150~1000 吨石灰回转窑系统工艺及 设备。并根据我国国情及设计、制造业的水平，矿研院研制的活性石灰回转窑以 发展短回转窑为主，且致力于发展带竖式预热器和竖式冷却器的石灰回转窑。实 践证明，这种生产活性石灰工艺、设备不论用于大、中、小型规模生产线，或是 用于新建回转窑还是旧窑改造，都取得显着效果。近年来，我国活性石灰回转窑 有了较快发展。然而，由于我国机械制造和自动化水平限制，再加上回转窑新技 术和新结构的推广耗资巨大，使得我国目前回转窑应用技术和装备水平相当落 后，在生产工艺和设备的设计、制造方面等需要更多的精力来研究 [7,8] 。 1.3 课题研究的背景及意义 随着钢铁产量的提高和冶炼周期的加快，钢厂对冶炼造渣用的活性石灰的 质量的要求越来越严格，产量需求越来越大，对活性石灰的研发越来越重视。活 性石灰的产量和质量不仅影响钢铁工业的发展，也影响着我国其它行业的发展， 对我国经济的发展具有十分重大意义。其它行业对活性石灰的应用也在加大，活 性石灰的需求量十分巨大。因此对回转窑的技术水平也提出了更高的要求。目前 我国拥有各种规格的回转窑 2000 余台，随着工业和科技的发展，国民生产各部 门对回转窑的应用会越来越广泛，数量需求也会越来越多，规格要求也会越来越 大 [3,8] 。 最初设计回转窑时，支承点有很多，从理论上看，多支点、厚筒体有利于回 转窑的运转。但由于安装误差，很难将窑中心安装调整成一直线，并且由于各支 承点对基础受力不均以及地耐力不一致，在回转窑工作一段时间后，基础下沉不 均;又由于各档托轮、轮带及轴承磨损不同;还有温度的不同对其影响，必然会 造成各档支承力发生很大变化，会在窑筒体内产生附加弯曲应力，这对窑的寿命 有很大影响。随着技术的发展，二支座回转窑已成为石灰回转窑的发展趋势。二 河南科技大学硕士学位论文 6 支座回转窑是静定的支承系统，支承力变化不大，且减少了建设回转窑的费用。 但二支座回转窑中间跨的挠度大，易使传动装置的大齿圈及小齿轮齿面啮合不良 和托轮与轮带产生边缘接触，另外二支座回转窑的进料端和出料端相对悬臂较 长，端部偏摆量会较大，要求采用更先进的密封装置，二支座回转窑的设计技术 水平不高，迫切需要新型的回转窑设计方法及理论，需要对传统的设计理论与方 法进行优化。 通过对多档支承回转窑的研究和分析，并总结前期的研发成果，由于实验手 段的逐渐健全及完善，通过现场测试数据分析，得到不同燃料、海拨、石灰石性 能对回转窑系统有主要影响的基础数据，优化回转窑计算的数学模型，使系统三 大主机的配置更加合理，并形成一套完整的确定回转窑主要参数的软件。有利于 提高两档支承回转窑的设计水平，促进我国石灰窑的技术水平，对填补国家空白 的大型活性石灰生产线有重要意义，并提高活性石灰

的产量和质量，有利于大力 提高钢产品的产量及质量，也有利于促进其它行业的发展，促进我国国民经济的 发展具有重要意义，也必将带来显着的综合经济效益和社会效益。 1.4 课题的来源和本文的主要研究内容 1.4.1 课题的来源 课题来源于国家科技支撑计划(2007BAF26B03 ):低能耗、智能化、高 活性大型石灰成套关键技术及设备。 1.4.2 本论文的主要研究内容 1. 了解活性石灰生产设备的市场需求和发展方向。 2. 对活性石灰回转窑系统的组成、结构及工艺流程进行研究。 3. 熟悉多档支承回转窑的结构及工作原理，确定两档支承回转窑的基本结 构，分析各自的优缺点。 4. 研究回转窑的传统设计理论及方法，通过对检测、试验数据的分析比 较，总结出回转窑设计参数的影响因素，完善和优化石灰回转窑的主要参数的计 算和选型。 5. 设计编写回转窑主要参数确定的软件，实现两档支承石灰回转窑的选型 和计算。 第2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 7 第2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 2.1 石灰回转窑的结构及特点 2.1.1 石灰回转窑的结构 在许多行业的工业生产中，使用各种不同的大型回转圆筒体设备对物料进 行机械、物理和化学等加工处理，这类大型设备被称为回转窑(俗称旋 窑) [5,6] 。这类设备应用于活性石灰的生产中，被称为石灰回转窑。石灰 回转窑以小角度倾斜安装，低速回转。如图 2-1 所示的正在实际生产运行 的石灰回转窑设备。 图 2-1 石灰回转窑设备 Fig.2-1 Lime rotary kiln equipment 两档支承的活性石灰回转窑的外形与结构见下图 2-2 所示。 河南科技大学硕士学位论文 8 a.燃烧器 b.窑头罩 c.筒体 d.滚圈 e.支承装置 f.窑衬(耐火砖) g.传动装置 h.齿圈 i.进料口 j.窑尾罩 图 2-2 回转窑基本结构图 Fig.2-2 Basic structure figure of rotary kiln 回转窑的窑型有直筒、扩大热端(窑头扩大)、扩大冷端(窑尾扩大)、 及双端扩大 [5] 。现代设计的回转窑多采用直筒型，因为其部件和衬砖的规格较 少，结构简单，有利于统一零部件、简化制造和安装维修等。筒体由钢板卷成圆 筒，然后一段一段地采用自动焊焊接而成，是物料完成物理与化学变化的容器， 是回转窑的基体。窑内物料温度可达 1300℃左右，故筒体内砌筑有耐火材料 (即窑衬)，减少对筒体的热辐射和热流损失，提高回转窑系统的热效率，降低 物料的热耗，起保护筒体和减少散热的作用，有利于提高筒体的寿命。一般回转 窑的高温带窑衬需要经常更换，它的更换周期即为窑的生产运转周期，使用优质 的耐火材料，砌筑且维护好窑衬，对窑的长其稳定生产运行起着重要作用。按照 石灰物料在回转窑筒体内部的变化过程，可将筒体内部在长度方面上化分成各个 工作带，即预热带、分解带、烧成带、冷却带。滚圈为一厚圆环，也称为轮带， 套在筒体上，与筒体外表面的连接方式分为固定式和活套式两种 [5,8] 。固定式连 接方式是将滚圈(或轮带)处的筒体外表面与滚圈通过焊接连在一起，这种连接 结构的筒体刚度好，但是由于回转窑工作时和非工作时的筒体和滚圈的温差较 大，会产生较大热应力，现在的回转窑设计中很少采用此连接方式。活套式连接 方式是将滚圈松套(或轮带)在筒体外表面上，滚圈和筒体之间加装焊接式垫 板，垫板可以加强筒体的刚度、垫板之间的空隙增大了滚圈的散热面积，减小滚 圈对筒体的磨损以及调整筒体与滚圈的间隙大小，防止由于温度变化引起的筒体 “缩颈”现象 [5,10,11,12] 。现在回转窑多用活套式连接。当轮带内径磨大，筒体垫 板外径磨小，其间隙会加大，超出允许范围时，可以更换垫板来重新调整间隙。 如图2-3 所示的滚圈。 第2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 9 图2-3 滚圈 Fig.2-3 Supporting wheel 回转窑筒体、齿圈、物料等所有回转部分的载荷，通过滚圈加到托轮上。 支承装置承受了回转部分的全部重量，由托轮轴承组和基础(大底座)组成，每 档支承装置由一对托轮、托轮轴、轴承组和一个大底座组成，支承装置的组数称 为档数 [8] 。托轮支承着滚圈，允许筒体自由转动，又承受巨大的载荷，是支承装 置中最容易损坏的部件。托轮与垂直方向成 30°的夹角安装，支承截面示意图如 图2-4 所示。 图 2-4 支承截面示意图 Fig.2-4 Schematic drawing of supporting section 河南科技大学硕士学位论文 10 在一档附近还装有挡轮支承装置，它用来限制或控制回转窑运转时的 轴向窜动。图 2-5 是实际中工作时的状况。 图 2-5 挡轮