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      回轉窯整體結構與加熱方式

      日期:2009-04-21 | 來源:
             回轉窯整體結構與加熱方式的探討   1 引言       在鐵氧體磁性材料生產過程中,通常用于成型的粉體都須經過預先高溫熱處理,這一工藝 過程..

       

           轉窯整體結構與加熱方式的探討

       

      1 引言
             在鐵氧體磁性材料生產過程中,通常用于成型的粉體都須經過預先高溫熱處理,這一工藝

      過程稱為“預燒”。預燒的目的是使原料進行初步固相反應,以獲得部分或全部鐵氧體化,從

      而增大粉體的松裝密度,改善粉體成型的壓制性,減小最終燒結的收縮和變形,確保產品機電

      性能的提高和穩定。
           

          實施預燒工藝的設備經歷了由間歇式箱形爐、連續式推板窯至現代式回轉窯的演變過程。箱

      形爐的生產量小、預燒周期長、溫度重復精度低等缺點是顯而易見的,而推板隧道窯雖然產量

      大、機械化程度高,但因其匣式裝料方式的限制,預燒均勻性自然難以保證,于是回轉窯預燒

      工藝得到廣泛應用。
        

            回轉窯是對散狀粉體或漿狀流體物料進行加熱處理的熱工設備,問世已逾百年歷史。早期回

      轉窯廣泛應用于冶金、化工、水泥、耐火材料等行業,六十年代初期才被引用于鐵氧體行業的

      預燒工藝。雖然它是一種熱效率較低的熱工設備,但就鐵氧體預燒工藝而言,因其具有煅燒物

      料均勻、生產效率較高,易于控制調節、操作維修方便、勞動強度低、環境污染小、適合于連

      續自動化生產等特點,故為國內外鐵氧體生產企業所普遍青睞。
         

            但是,回轉窯整體結構的合理性和加熱方式的合理選擇,對于磁材粉體的預燒品質、生產能

      力、運行成本、環境保護以及生產管理的便利性都是至關重要的。

       2 整體結構探討
        

            軟磁鐵氧體生產預燒工藝使用的回轉窯整體結構有兩種類型。一類是引進德國Riedhammer

      司的一體式結構,另一類是日本赤見株式會社推出的分段式結構。這兩類結構形式利弊互見,

      各有千秋。

        2.1 一體式結構
        

            所謂一體式結構,即是加熱管和冷卻管聯成一體,并置于同一支座之上,前段為加熱部分,

      后段為冷卻部分,用一套驅動裝置同步驅動運行。其整體結構如圖1所示。


         這是一種間熱式回轉窯,它主要由喂料機構、驅動機構、回轉管軸向支撐裝置、耐熱金屬

      回轉管、前后托輪、加熱窯體、前后支架、敲擊裝置、加熱元件、冷卻裝置、排氣口、卸料

      口、窯體傾角調節機構、電氣控制系統等組成。這種一體式回轉窯,其回轉管是由加熱管和冷

      卻管兩段通過法蘭與鍵塊聯成一體,冷卻管長度一般為加熱管的1/2~3/5,厚度約為加熱管的

      1/3~1/2,加熱管材質為1Cr25Ni20Si,冷卻管材質為1Cr18Ni9Ti。

      一體式結構回轉窯由于加熱管和冷卻管聯成一體,因此結構緊湊,只需要一套減速機構驅動,

      其制造與運行成本均低,而且整體占地面積亦小,這是它的主要優點。但是它存在如下諸多缺

      點。
         
      1粉末料預燒容易粘壁
         

            為了降低預燒工藝成本,減少輔助工藝環節,MgZnNiZn鐵氧體粉體制備大都采用粉末料直

      接預燒工藝。由于原始粉料顆粒度小且粒度分布寬,因此粉料在回轉管中的流動性極差,容易

      造成粘壁現象,而粉料粘壁之后不僅影響了粉料在管中的流動速度,同時還由于金屬回轉管的

      導熱性變差使其熱效率降低,結果導致了設備出力下降、粉料預燒一致性差、單位能耗上升、

      回轉管使用壽命縮短等一系列惡性循環現象的產生。
       

         2解決粘壁問題困難
        

             解決回轉管“粘壁”問題一般有四種辦法:一是在進料端裝設鋼球或重錘敲擊裝置;二是

      在加熱管中放置自由翻滾的三翼刮壁器;三是在加熱管內設置逆流順壁壓力氣流;四是人工定

      期清壁操作。第一種方法,無論是一體式或分段式結構回轉窯都可方便地使用,但效果因料狀

      不同而不同。對于球料或粒料預燒,敲擊裝置對防粘壁尚有一定效果,對于粉末料預燒,效果

      則微乎其微。第二種方法適用于粉末料直接預燒工藝,但不宜在一體式結構的回轉窯上使用。

      這是因為三翼刮壁器單只長度達500~700mm,單只重量達50~70kg,這就要求加熱管管壁加厚、

      管子低端設有支撐機構、裝卸十分方便的窯體結構,而對一體式結構的回轉窯而言,顯然不易

      實現。第三種方法是美國Harper公司提出的一種設想,實施似非易事,效果亦未為實踐所驗

      證,至今未有任何一廠家采用過。第四種方法是目前眾多用戶所慣用的方法。此法即是在一根

      金屬管的一端焊上一塊類似鍋鏟的鋼板,將其從回轉管出料端伸入管中,通過人工來回推動刮

      擊,使管壁上的粘料剝落下來,達到清除目的。此法雖說簡單實用,但操作麻煩辛苦,實不可

      取。
          3預燒料冷卻效果不佳
         

              一體式結構回轉窯的加熱管和冷卻管是直接聯為一體的,且冷卻管一般短于加熱管,雖然

      從管外以水淋方式冷卻,但由于金屬材質的兩管互相傳熱,同時預燒料在管中移動路程又短,

      因此冷卻效果較差,這不僅影響了設備本身的出力,而且還因為預燒料自身溫度較高而直接流

      入砂磨機中化漿,使料粒硬度提高而降低了砂磨效率。
          4預燒處理能力有限
         

           由于“粘壁”問題的存在又難以通過有效措施得以解決,不僅降低了粉體的預燒品質,增加

      了單位能耗,惡化了加熱管的工作條件,而且還因為管內外溫差大和粉體隨管壁移動速度降低

      而限制了設備的生產能力。通過生產實踐驗證,Di250管回轉窯,其生產能力僅為60kg/h,

      Di300管回轉窯,其生產能力僅達80~100kg/h,Di500回轉窯,其產量亦限制在150~180kg/h

      范圍內??梢?,一體式結構回轉窯的生產能力實在是不盡如人意。

         2.2 分段式結構
        

            顧名思義,分段式結構是指加熱管和冷卻管分成兩段,各自獨立形成加熱窯和冷卻窯兩部

      分,分別由各自的托架支撐和傳動裝置驅動,且回轉管的工況亦是各自控制調節,兩體之間由

      通道接口互聯起來。其整體結構如圖2所示。


         它同樣是間熱式回轉窯,喂料、支撐、驅動等機構與一體式相似,所不同的主要是加熱管

      和冷卻管分開,各自有獨立的支撐和傳動裝置。加熱部分由喂料機構、耐熱金屬回轉管、前后

      托輪和支架、敲擊裝置或刮壁器、加熱窯體、加熱裝置、電傳動和手傳動裝置、排氣口、出料

      口、窯體傾角調節機構等組成。冷卻部分則是由冷卻管、前后托輪和支架、水套和水淋管、水

      循環裝置、管回轉驅動機構等所組成。一般將前段加熱部分稱為加熱窯,后段冷卻部分稱為冷

      卻窯。前后段之間通過安裝高差由過渡通道和風罩聯接起來,構成預燒系統。
         

              分段式結構回轉窯是一種改進型回轉窯。結構改進的目的顯然是為了解決料粉粘壁問題和

      改善成料冷卻效果,進而提高粉體的預燒品質,提高設備的生產能力。實現如此目的,主要是

      由下列因素決定的。
          1)加熱管獨立構成加熱窯,有利于加設防粘壁裝置
         

           對于鐵氧體粉體采用回轉窯預燒而言,無論是粉末料直接預燒,還是粒料或球料預燒,粘壁

      現象總是不同程度地存在。要解決這個問題誠如前文所述,有多種途徑可供選擇。但如果要實

      現粉末料直接預燒,則最好是選擇在加熱管中加設三翼刮壁器,而獨立的加熱窯結構對這種防

      粘壁裝置的加設卻是十分方便和可行的。
         

              三翼刮壁器在加熱管中是按軸向串排的形式放置的,在加熱管低端(即出口端)設置十字

      形支持架,以制約刮壁器在管中低端的極限位置。當加熱管運轉時,刮壁器在管中隨加熱管轉

      動借助磨擦和離心力作用,作無序的自由滾滑運動,從而實現沖擊和刮壁功能,使管壁上剛已

      粘結而未及粘牢的粉料被震脫或擦落下來,以達到清壁的目的。
        

                三翼刮壁器的清壁效果與刮壁器三翼端周徑有關。周徑小時,沖擊距離和跌落高度大,沖

      擊動能亦大,清壁效果好。但沖擊距離和跌落高度太大時,加熱管內壁受到刮壁器翼端擊傷程

      度愈甚,這一則會造成管內壁被擊毛后反而容易使物料粘壁的弊端,二則還會因為沖擊動能過

      大而有損窯管和窯體的使用壽命。圖3示出三翼刮壁器在加熱管中的初始靜止狀態和轉動時的

      運動狀態。以內徑Di=542mm的窯管為例,經過實驗分析得到的刮壁器沖擊距離S、跌落高度h、

      沖擊動能比i與三翼端周徑di的參數關系列于表1。由表1可看出,di愈小,Sh值愈大。因

      此,在三翼刮壁器的幾何形狀和翼片厚度相同情況下,適當調整di值,即可控制刮壁器運動時

      所產生的沖擊動能和清壁效果。如果從清壁效果和確保窯管最佳使用壽命的雙重因素綜合考

      慮,顯然取di =486mm是最優選擇。



            2)粘壁問題有效解決,促成了生產能力提高
         

              回轉窯的生產能力與許多因素有關,包括物料特性、水分含量、流動情況、操作因素等。

      這些因素很難用公式來定量表達,但對條件相似的窯而言,可用填充率指標來進行估算。即

      式中:G—回轉窯生產能力(t/h);
            r
      —物料容重(t/m3);
            L
      —回轉管長度(m);
            Di
      —回轉管內徑(m);
            t
      —物料在回轉管中停留時間(min);
           
      φ—填充率,即物料層的截面積與回轉管內筒截面積之比。一般取值0.20.25;
          C
      —回轉管內物料流通量變化與管內設施對物料流通影響的有關系數。管內無擋料設施時,C=1,一般C=1.11.45。
          1)式中的L、Di由回轉管尺寸決定,r與物料特性有關,φ按有無刮壁器或揚料擋圈取值,而t值則按經驗公式計算。即

      式中:Vm—物料在回轉管中的移動速度(m/min);
            a
      —物料自然堆積角或稱物料安息角(°);
           
      β—加熱窯體傾斜角(°),一般β=15°;
            n
      —回轉管轉速(r/min),一般n= 1~6.5r/min。
          由(2)式可見,停留時間與回轉管的有效長徑比成正比,與窯體的斜率和回轉管轉速成反比。但回轉窯在實際運行中,如果沒有采取有效的防粘壁措施,物料粘壁現象是客觀存在的,這就會導致物料在回轉管內的流動性變差,若維持窯體斜率和回轉管轉速不變的工況條件,則物料的流動速度也會因此隨之降低,從而延長了物料在管中的停留時間,降低了回轉窯的生產能力。相反,對于分段式結構,可以方便地在窯管中增設刮壁器,實現有效的清壁作用,使物料的流速不會受到影響,這無疑確保了回轉窯生產能力的穩定和提高。
          3)冷卻管獨立構成冷卻窯,極大提高了冷卻效果
          冷卻管與加熱管分離成為獨立的冷卻窯后,其強冷過程得以更有效的加強。這不僅克服了預

      燒料由于溫度較高而即時化漿所造成砂磨效率低的缺點,而且對于加熱窯提高生產效率也創造了較為富裕的冷卻條件。
          4)加熱管內外溫差小,延長了加熱管使用壽命
        

         間熱式回轉窯如果加熱管內不產生粉料粘壁問題,則窯管內外溫差甚微,一般不會超過

      5℃,這不僅提高了熱能利用率,降低了單位能耗,而且也不會造成因需要滿足預燒工藝要求

      而故意提高管外加熱溫度,以彌補管內溫度不足的問題。長期保持加熱管在材質允許工作溫度

      的下限使用,其壽命自然可以有效地延長。
         

              分段式結構回轉窯雖然有許多優點,但也有不足之處,這主要是制造和運行成本略高,且

      整體占地面積亦大??墒且蚱漕A燒工藝性能和技術經濟指標優于一體式結構回轉窯,目前應為

      磁材行業預燒工藝所首選。

       3 加熱方式比較
        

          間熱式回轉窯的加熱方式,主要有電熱、燃油、燃氣(人工煤氣或液化石油氣)三種。

         3.1 電熱回轉窯
        

             電熱回轉窯是采用電阻材料作為電熱元件而進行加熱的。1980年代從德國Riedhammer公司

      引進的回轉窯,其加熱元件是采用鎳鉻合金(1Cr18Ni9TiCr25Ni20Si2)或鐵鉻鋁合金(

            0Cr13Al40Cr25Al5)制成螺旋形發熱體,一般按窯墻兩側和窯底三面布置安裝。優點

      是窯管三面受熱,加熱均勻,熱效率高;缺點是一旦窯墻發熱體損壞,必須掀起窯頂蓋,吊出

      窯管后方可進行修換,操作非常麻煩,而且費工費時,大大地影響了生產。幾經國產化后,現

      已改進為用硅碳棒(SiC)作加熱元件,在窯底單面布置。 這樣雖然是單面輻射傳熱,但由于

      窯管是勻速旋轉的,管子受熱仍很均勻,因此,在不影響回轉窯熱效率和正常工況條件下,很

      好地解決了加熱元件方便修換的問題。
         

                過去一直認為電熱窯的生產能力有所限制,其實這是一種盲從習慣經驗的誤解。如果合理

      采取防粘壁措施,有效解決粉料粘壁問題,同時適當改進窯體的保溫性能,并規范工藝操作紀

      律,電熱回轉窯的產量仍可與燃油或燃氣回轉窯相媲美。南京某磁性材料公司的生產實踐證

      明,Di500分段式結構電熱回轉窯,其生產能力已達500kg/h以上。盡管有人對此表示懷疑,但

      事實畢竟是事實。目前該公司又添置了Di300、Di400同樣類型回轉窯各一臺,用于軟磁粉體生

      產的擴能,以滿足市場對磁材粉體成品的需求。

        3.2 燃油回轉窯
        

              國產的燃油回轉窯是在消化吸收日本赤見株式會社產品的基礎上改進設計而成的產品。其

      加熱方式系采用3~4臺輕柴油燃燒器,成直線地均布于加熱窯體的一側,明焰式火焰直接噴射

      在窯管外表面上,使窯管受熱后將熱能傳遞給管內物料。特點是油霧燃燒反應迅速,升溫過程

      較快,有利縮短窯爐冷態升溫過程,縮短升溫時間。
         

            但是,從燃油組成的分析可知,它的成分是C、H、O、N、S、灰分和水分的質量百分含量。

      在燃燒反應過程中,燃油受熱蒸發成氣態烴,一部分氣態烴遇熱燃燒時,又使一部分氣態烴裂

      化為固態碳及氣態氫,故燃油的燃燒可視為固態碳和氣態烴兩種基本燃燒成分的燃燒。在油蒸

      汽碳氫化合物燃燒反應過程中放出的氫原子,除了與氧分子作用生成羥基之外,還可能與S

      子生成H2S,H2S雖然也可以燃燒并放出一定的熱量,但燃燒后又可生成SO2氣體,這種氣體不

      僅對窯管起腐蝕作用,而且通過排氣管排出后還會污染大氣環境。

         3.3 燃氣回轉窯
       

                 燃氣回轉窯的燃料一般有人工煤氣和液化石油氣兩種。采用的燃燒裝置則分別是人工煤氣

      燃燒器和液化石油氣燃燒器。燃燒器使用的數量和安裝布置的形式與燃油回轉窯基本相同。燃

      氣燃燒也是明焰式火焰燃燒,同樣有升溫速度較快的特點。
         

             人工煤氣的熱值較低,一般為5400kJ/m3,不能獲得較高的火焰溫度。液化石油氣的熱值較

      高,一般在22500~62800kJ/m3的范圍內,只要有變壓設備就能方便使用。液化石油氣的氣態和

      液態體積比高達2501,有利于實現液體貯運,氣態使用。但貯站和變壓設備投資較大,且安

      全管理工作亦十分重要。
         

               氣體燃料通常是可燃氣體和非可燃氣體的混合物。煤氣中的可燃成分是CO、H2、CH4、

      C2H4、CmHmH2S等,不可燃成分有CO2、N2、O2等;液化石油氣中的可燃成分主要是C3H8、

      C4H10和少量CO、H2、H2S等,不可燃成分也有少量CO2、N2、O2等。因此,氣體燃料在燃燒過程

      中也會產生一定數量的SO2和尚未充分燃盡的CO等有害氣體,這無疑會腐蝕窯管及污染大氣環

      境。但是液化石油氣燃燒后無煙、無灰、無殘渣,比起燃油和煤氣來,也算得是一種比較清潔

      的能源。

          3.4 電、油、氣加熱方式比較
        

               在電、油、氣三種加熱方式中,電熱是一種最清潔的能源,除了取用和分配方便之外,還

      具有熱效高、無煙氣、無灰渣帶走顯熱、窯體結構簡單緊湊、散熱面積小、散熱損失少、易于

      自動控制調節、窯溫控制精度高、適合較窄預燒溫度工藝要求等特點,這是燃油和燃氣加熱方

      式所不能比擬的。
         

                另外,電熱回轉窯不僅無需建設燃料貯運站場,簡化了燃料采購運輸和安全管理工作,而

      且還可以避免因SO2氣體腐蝕窯管和污染環境的弊端,因此其經濟社會效益是非常明顯的。三

      種加熱方式的經濟指標比較情況列于表2。從表2分析可見,在生產能力指標相同條件下,假定

      貯油站投資以10萬元計,液化氣貯站投資以30萬元計,則設備初期投資總額,燃油回轉窯是電

      熱回轉窯的2.6~2.9倍,燃氣回轉窯是電熱回轉窯的3.1~3.3倍,而運行耗能成本則燃油、燃氣

      回轉窯分別高出電熱回轉窯48%25%。

      4 結束語

       (1)盡管一體式和分段式結構回轉窯各有利弊,但從適應鐵氧體預燒工藝的多樣性和提高設

      備自身的生產效率綜合考慮,分段式整體結構顯然優于一體式整體結構,因此分段式整體結構

      回轉窯是值得推薦優選的窯型。
       

          2)選擇防粘壁裝置應根據預燒工藝而定,粉末料直接預燒宜選用三翼刮壁器,噴霧干燥造

      粒料或機械式造球料預燒宜選用重錘敲擊裝置,否則清壁效果會適得其反。
         

        3)按初期投資、運行成本、簡化管理、保護環境等多方面因素分析比較,回轉窯選擇電加

      熱方式最經濟、最合適。
         

        4)對于盛產液化石油氣的地區來說,回轉窯采用燃氣加熱方式亦不失為較好的選擇。因為

      液化氣燃燒無煙、無灰、無殘渣,也是一種比較清潔的能源,且就地取用方便,價格又較便

      宜,即使初期投資費高些,但從長遠計,還是合算的。

         回轉窯主要技術參數:

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    3.  
       
        型號規格
              技術參數
                   主減速機
          主電機
       
      擋輪形式
      支撐數量
       
      重量(t)
       
       轉速r/min
      斜度(%)
      產量t/h
       
         型號
       
       速比
        
          型號
      功率(kw)
      轉速r/min
      Ф1.9/1.6×36m
      0.53-1.59
      4
      2.5-3
      JZQ750-1
      48.85
      JZT-72-4
      30
      1200/400

      機械
      3
      53
      Ф2.1/1.8×36m
      0.5-1.51
      4
        4
      UT2-110
      163.36
      JZS-81
      30/10
      1410/470
       機械
        3
      75
      Ф1.2×35m
      0.5-1.6
      3
       1.5
      PM650
      40.17
      JZTY71-4
      22
      1200/120
      機械
      3
      34
      Ф1.6×32m
      0.158-0.258
      3
       2
      PM750
      48.57
      JZTY61-4
      15
      1200/120
      機械
      3

      責任編輯:商永剛
      本文關鍵詞:回轉窯
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