炭素煅烧回转窑结构的改进与优化

铝用炭素行业是电解铝工业极其重要的辅助行业，而石油焦是铝电解用预焙阳极和电极生产的主要原料，石油焦的煅烧是预焙阳极生产的第一道工序，要提高预焙阳极的质量，提高煅烧工艺技术水平而提高煅后焦质量是很重要的。煅烧工艺因煅烧设备不同而不同，主要有罐式炉煅烧、回转窑煅烧、回转床煅烧工艺。我国在铝用炭素行业中使用罐式炉和回转窑进行煅烧。回转窑以其生产能力大、自动化程度高、使用寿命长、原料适应性强等诸多优点而被广泛采用，特别是较高的生产能力适应了预焙阳极用量日益增大的需要，目前，世界上约有85%的石油焦采用回转窑煅烧。

目前，在国内运行的炭素煅烧回转窑主要是最早引进日本的回转窑技术，回转窑规格为Φ2.2*45m，产能6t/h，然后国内在此基础上陆续开发了的Φ2.6*50m回转窑和Φ3.0*60m，产能分别为9t/h及15t/h;近几年山西华泽、中海油惠州石化及云南建水源鑫又陆续引起了美国Metso的回转窑技术。我院根据近几年回转窑技术的发展示，与2008年设计了Φ3.0*60m炭素煅烧回转窑，并应用在了青铜峡宁东铝业和青海黄河再生铝业项目，分别与2009年和2010年初建成投产。根据近几年的生产使用经验及出现的问题，我院对此Φ3.0*60m炭素煅烧回转窑进行了多项改进和优化，并成功出口到了哈萨克斯坦阿特牢炼油厂。

回转窑下料溜管安装在回转窑尾的过渡段上，通过过渡段斜插到窑筒体内。生石油焦通过定量给料机从锻前仓输送到下料溜管，再通过下料溜管进入到回转窑筒体内部进行高温煅烧。所以下料溜管的安全可靠对于回转窑的正常运行至关重要。由于回转窑筒体内温度较高，一般的耐热钢材根本不能长期承受1000℃的高温，如采用特殊的钢材制作，价格昂贵且可靠性较低。国内现在一般采用水冷夹套形式制作;或者采用风冷夹套及外打耐火浇注料的形式，比如Metso回转窑技术。

我院设计的Φ3.0x60m炭素煅烧回转窑采用水冷夹套设计，最早的设计中，由于受安装高度限制，水冷夹套与下料管的设计如图1中a图所示。下料管上接管穿过外水冷夹套与下接管相贯焊接，由于两接管直径相同，相贯面积较大。在使用中发现冷却水夹套回水不畅，由于回转窑筒体内温度较高，冷却水又不能得到充分循环，使夹套内的水迅速变成了水蒸汽，夹套内压力升高，给生产带来了极大的不安全隐患。

图1  下料溜管结构

改进后的下料溜管结构如图1中b图所示。通过调整下料溜管上部结构，把冷却水套调整到下料管上下接管相贯焊接处之下，不但很好的解决了冷却循环水回流不畅的问题，也使下料溜管的焊接制造工艺变得更加方便容易。通过在现场冷却循环水的回水管路上增加一回水池，现场更能直观的监测到冷却循环水的回流状况及水温状况。

窑头罩是处于回转窑低端的装置，一般用于安装燃烧器、火焰扫描仪、温度及压力检测装置等。此外窑头罩还起到联接回转窑筒体及冷却机下料溜槽的作用。因此高温物料通过此处传递和辐射了大量的热量。检修门一般安装在窑头罩的中下部，便于回转窑内衬施工及维修时进出材料和人员。正常工作时检修门一直处于关闭状态。由于窑头罩在生产运营中一直处于高温状态，尽管窑头罩的内侧都打有耐高温的浇注料，窑头罩还是会产生变形。在此次设计中把窑头罩的材质改为耐热不锈钢，但使用效果并不明显。在青铜峡宁东铝业公司的回转窑窑头罩检修门处曾发生高温变形撕裂的情况，如图2中a图所示。

图2   窑头罩检修门

原检修门结构是最早使用耐火砖时所设计的，现在炭素锻烧回转窑国内基木采用耐火浇注料形式。但原设计结构并未做改变，使得检修门背后结构过于复杂，在长期受高温状况下，检修门变形严重。改进后的结构如图2中b图所示，检修门只保留了门板、铰链及门锁等结构。由于内衬采用耐火浇注料，去除了原使用耐火砖门板北部的槽型结构，结构变的更加简单。解决了原浇注料的检修门板受热膨胀不一致的问题，热应力减小。门板材料改用普通的Q235-B,更节省了成本。

回转窑内部煅烧温度较高，筒体内部一般存耐火砖或浇注料以保护筒体。目前，在回转窑筒体进出料两端的窑口处，往往使用昂贵的耐热合金铸钢挡砖圈结构，以用来固定耐火砖或浇注料。在回转窑运行中，由于窑体内温度过高，这种结构的挡砖圈极易烧损破坏，严重地影响了生产的正常运行。因此这种回转窑窑口结构还是不够理想。

改进后的窑口防护结构如图3所示，a图为窑尾(进料端)，b图为窑头(出料端)。在回转窑筒体的进出料端的窑口部位处都覆盖有一层耐火浇注料层，并且在耐火浇注料层内设有焊接在回转窑筒体上的锚钩，以防止浇注料剥落。由于窑头温度远高于窑尾温度，所以窑头部分增加保温层和陶瓷纤维板。此外耐火浇注料中含有不锈钢纤维，以增加浇注料的耐磨性。采用此结构取消了原有的昂贵的挡砖圈，立接在回转窑筒体的端板上浇注耐火浇注料层。改进后的结构不仅具有结构简单、制作成本低的优点，而且还具有使用寿命较长、能降低生产成本、提高生产效率。

图3    回转窑窑口防护结构

回转窑的转动一般采用小齿轮与大齿圈啮合传动。由于回转窑属于大型高温设备，其传动部位很容易出故障，因而降低了设备的运转效率。传动部位最常见的问题是齿圈在工作中发生振动，加剧轮齿的磨损并引起基础振动。在使用中由于基础下沉、筒体弯曲变形或不适当的调窑操作等因素，使齿轮间的齿顶间隙发生变化，很容易产生轮齿“卡死”或冲击“打齿”现象。大齿圈与回转窑筒体的之间一般用若干弹簧板联接，弹簧板的受力只能为拉力。我院原设计弹簧板分拉板和板座两部分，板座与回转窑筒体焊接，拉板和板座使用4个螺柱和3处塞焊联接。弹簧板与大齿圈的销轴采用螺栓固定，使得销轴做的过长，在回转窑上下窜动过程中，极易碰到齿轮罩侧壁。原弹簧板结构过于复杂。一般大齿圈安装在回转窑筒体上之后不会再做过多的调整，这样设计显得有点多余，给制造安装维护带来很大的不便。改进后的方案如图4所示，弹簧板的末端做成弧形与回转窑筒体贴合，并3边施焊。大齿圈与弹簧板的销轴取消螺栓紧固，采轴端挡板形式固定，有效的缩短了销轴的长度。

回转窑是一个系统、大型复杂的设备，面对着当前煅烧石油焦需求多米越大的状况下，回转窑的产能也要求不断增大。回转窑直径和长度的增大给回转窑的设计、制造及安装带来了很多新的课题。有报道称，近2年来先后有印度RainCII碳素公司、美国铝业集团，三菱商事、俄罗斯铝业，印度GOA碳素公司等大型境外企业计划或己经在以并购或单独投资的方式，在中国设立煅后焦产能项目。国外大型煅后焦公司对中国市场的进入，势必对国内很多煅后焦企业造成冲击，国内现有煅烧回转窑装置有待升级，煅烧工艺理念有待提升，以应对挑战。

本文设计的直径3.0x60m炭素煅烧回转窑在使用中遇到的问题及解决，改进与优化做了详细的阐述。经过改进与优化后的回转窑经过近2年的生产实践，设备运行稳定，节约了生产维护成本，提高了生产效率。

参考资料：

[1]段全斌，张景楠.炭素回转窑内衬砌筑及烘窑(炉)方式的探索

[2]孙夏明，季泉生，刘琼.柔性传动在回转窑上的使用与设计

[3]张景楠.美国美卓(METSO)大型煅烧回转窑在40万t/年煅后焦项目中的应用