回轉(zhuǎn)窯密封裝置的改造

盧華武，白文生，尤小平，叢曉靜

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回轉(zhuǎn)窯密封裝置的改造

Modification of Rotary Kiln Seal Device

盧華武，白文生，尤小平，叢曉靜

摘 要：回轉(zhuǎn)窯密封裝置的結(jié)構形式眾多，本文介紹了一些常用密封裝置的結(jié)構和使用情況，針對現(xiàn)場密封裝置存在的一些問題，開發(fā)設計了適用于窯尾密封的重錘壓緊端面摩擦片式密封裝置和適用于窯頭密封的雙向疊片式密封裝置。針對在回轉(zhuǎn)窯窯尾經(jīng)常出現(xiàn)的漏料問題，從設備的角度提出了改造方案，并初步分析了密封效果不好，密封處漏風時對系統(tǒng)熱耗的影響。

關鍵詞：雙向疊片；重錘壓緊；窯尾漏料；熱耗

回轉(zhuǎn)窯窯頭、窯尾密封裝置是回轉(zhuǎn)窯設備的重要組成部分，用于固定的窯尾預熱器喂料室和窯門罩與旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯筒體之間的連接，起到防止冷風進入窯內(nèi)和減少密封連接處漏灰的作用。國內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯密封裝置的結(jié)構形式眾多，使用情況差異很大，其密封效果將直接影響到燒成系統(tǒng)的熱耗和能耗指標，對水泥廠的生產(chǎn)環(huán)境也有很大影響。本文結(jié)合一些常用密封裝置的結(jié)構形式和現(xiàn)場使用情況，對密封連接處的使用工況和密封設備的性能要求進行探討，介紹了重錘壓緊端面摩擦片式和雙向疊片式密封裝置，并從設備的角度提出了窯尾處漏料問題的改造方案，最后初步分析了密封處漏風、漏料可能對系統(tǒng)造成的影響。

1　各種結(jié)構密封裝置概況

回轉(zhuǎn)窯密封裝置的結(jié)構形式很多，按照實現(xiàn)密封所用的結(jié)構和材質(zhì)不同，大致可分為疊片式密封、端面摩擦片式密封和石墨塊式密封。

1.1疊片式密封

疊片式密封是使用薄鋼片相互疊壓，通過疊片與設備殼體之間的摩擦來實現(xiàn)密封。按照內(nèi)部結(jié)構形式的不同，還可分為徑向迷宮單層疊片式密封和軸向迷宮復合疊片式密封，如圖1和圖2所示。

徑向迷宮單層疊片式密封多用在回轉(zhuǎn)窯出料端，在窯筒體上套有一個摩擦環(huán)，隨著窯筒體一起旋轉(zhuǎn)，摩擦環(huán)與密封裝置的殼體組成徑向的曲路迷宮結(jié)構。但在回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)過程中，摩擦環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)變形、與殼體磕碰、脫落等問題，密封片也容易燒損、變形，密封效果較差。

圖1　徑向迷宮單層疊片式密封

圖2　軸向迷宮復合疊片式密封

軸向迷宮復合疊片式密封，由密封套與密封裝置殼體組成一個沿窯軸線方向的曲路迷宮結(jié)構，密封疊片使用密封片+隔熱襯+密封片的復合式疊片形式。這種結(jié)構的密封裝置在回轉(zhuǎn)窯的入料端和出料端都有應用，密封效果也不錯，但密封套的連接固定方式不可靠，密封套容易變形而導致和密封片貼合不嚴，特別是在窯尾出現(xiàn)漏料時，高溫的物料很容易造成密封片的損壞和變形，使下半圈密封片與密封套之間出現(xiàn)間隙而影響密封效果。

1.2端面摩擦片式密封

端面摩擦片式密封是靠動、靜端面摩擦片之間的摩擦來實現(xiàn)密封，按照摩擦片壓緊力的來源不同，可分為氣缸壓緊、彈簧壓緊和鋼絲繩配重拉緊（見圖3、4）。

氣缸壓緊端面摩擦片式密封多用在窯尾密封處，氣缸氣源的壓力可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，氣缸的壓緊力不會隨著窯的上下移動而改變，并可在圓周方向均勻布置多個氣缸。但氣缸對工作環(huán)境的要求較高，窯尾處高溫多塵的工作環(huán)境，設備的變形以及可能發(fā)生的漏料都會影響氣缸的使用壽命，氣缸損壞會導致密封失效，而且氣缸產(chǎn)生的壓緊力偏大，可能會加劇摩擦片的磨損。

彈簧壓緊端面摩擦片式密封改用壓縮彈簧而產(chǎn)生的壓力壓緊摩擦片，彈簧壓緊裝置是機械式結(jié)構，不易損壞，但彈簧壓緊力的大小會隨著窯的上下移動而改變，對安裝位置要求嚴格，長時間在高溫環(huán)境下運轉(zhuǎn)會影響彈簧自身的剛性，彈簧的壓緊裝置也容易被銹蝕而無法調(diào)整壓緊力的大小。

有的現(xiàn)場改用配重拉緊鋼絲繩來壓緊摩擦片，窯上下行時壓緊力不變，且壓緊力的大小可通過配重現(xiàn)場隨時調(diào)節(jié)，結(jié)構簡單可靠，只是周向可布置配重的數(shù)量偏少。還可以通過費力杠桿裝置將彈簧的力傳遞給摩擦片，這可減少筒體移動時壓緊力大小的變化，但彈簧裝置也不便于調(diào)節(jié)且容易失效。

圖3　氣缸壓緊端面摩擦片式密封

圖4　彈簧壓緊端面摩擦片式密封

1.3石墨塊式密封

石墨塊式密封需將石墨塊壓緊在設備殼體上，通過石墨塊與設備殼體之間的摩擦來實現(xiàn)密封，由于石墨塊自身具有自潤滑功能，因而摩擦阻力小。按照石墨塊壓緊方式的不同，可分為彈簧直壓和彈簧拉緊兩種結(jié)構（見圖5、6）。

彈簧直壓石墨塊式密封將彈簧的壓力直接傳遞給石墨塊，結(jié)構簡單可靠。但長期運轉(zhuǎn)后，由于粉塵的堆積和設備的變形，石墨塊容易卡死，窯的偏擺產(chǎn)生的沖擊也容易使石墨塊碎裂，彈簧也容易失效或不便于調(diào)節(jié)，從而導致石墨塊與殼體貼合不嚴，間隙加大，密封失效。

彈簧拉緊石墨塊式密封，每個石墨塊都通過兩側(cè)的兩根彈簧產(chǎn)生的拉力使其與設備表面緊密貼合，石墨塊兩側(cè)均勻受力，受力情況好，彈簧的剛度小。但經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)后，也容易產(chǎn)生石墨塊卡死、碎裂、彈簧失效的情況，特別是當窯筒體出現(xiàn)較大的變形偏擺時。

也有通過彈簧杠桿機構來間接壓緊石墨塊的結(jié)構形式，但由于石墨塊自身容易碎裂，目前石墨塊式密封裝置已較少使用。

圖5　彈簧直壓石墨塊式密封

圖6　彈簧拉緊石墨塊式密封

圖7　重錘壓緊端面摩擦片式密封裝置

2　重錘壓緊端面摩擦片式密封裝置

回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度高，粉塵含量大，窯筒體有時由于彎曲而產(chǎn)生較大的偏擺、變形，窯尾偶爾還會出現(xiàn)漏料的情況，這就要求窯尾的密封裝置應具有很好的密封性能，而且結(jié)構穩(wěn)定可靠，對各種工況的適應性強。我公司汲取已有窯尾密封裝置結(jié)構的優(yōu)點，針對現(xiàn)場存在的問題，結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，開發(fā)設計了重錘壓緊端面摩擦片式密封裝置（圖7），并已獲得了相關的技術專利。

這種密封裝置是通過在圓周方向均勻布置的若干個重錘壓緊裝置，來壓緊固定靜摩擦片的支撐板，使動、靜摩擦片之間能夠一直保持緊密接觸，通過動、靜摩擦片之間的摩擦滿足回轉(zhuǎn)設備的密封要求。重錘壓緊裝置結(jié)構簡單，可以根據(jù)現(xiàn)場實際接觸情況，通過改變配重的位置和數(shù)量，實現(xiàn)對四周各處壓緊力大小的隨時在線調(diào)整。且重錘壓緊裝置為機械結(jié)構，性能可靠，不受各種不利工況影響，壓緊力大小穩(wěn)定，操作維護方便。

可以通過干油泵向動、靜密封片之間加入潤滑脂，以延長密封片的使用壽命并提高密封性能。對密封裝置回料勺的結(jié)構進行了優(yōu)化，提高了其回料能力，可以將更多的從回轉(zhuǎn)窯內(nèi)漏出的物料帶回到喂料舌頭上。優(yōu)化了支撐板兩側(cè)吊裝裝置的結(jié)構，使其更好地適應運轉(zhuǎn)要求，便于密封裝置的調(diào)節(jié)。

3　雙向疊片式密封裝置

在原疊片式密封裝置基礎上，開發(fā)設計了雙向疊片式密封裝置，該密封裝置設置了面向設備外部的正向密封疊片和面向設備內(nèi)部的反向密封疊片，通過密封疊片與密封套之間的摩擦來實現(xiàn)密封（圖8）。

圖8　雙向疊片式密封裝置

面向設備外部的正向密封疊片可防止外部的冷空氣進入設備內(nèi)，面向設備內(nèi)部的反向密封疊片可防止設備內(nèi)部的氣體排出，這就有效保證了大型回轉(zhuǎn)設備旋轉(zhuǎn)時的密封要求，密封性能可靠、效果好，特別適用于設備內(nèi)部易出現(xiàn)正壓的工況。通過配重分別拉緊上、下兩根鋼絲繩，可對外部上、下半圈密封片的貼緊程度分別進行靈活的調(diào)整，使外部正向密封疊片在密封套筒上緊密貼合，避免出現(xiàn)間隙。內(nèi)部的反向密封疊片在安裝時有一定的預變形，靠自身的彈性貼緊在密封套筒上。

使用彈簧板支撐裝置來連接密封套和設備殼體，彈簧板結(jié)構可吸收筒體的變形和熱膨脹，結(jié)構連接穩(wěn)定可靠。密封套與設備殼體之間組成沿窯軸向的曲路迷宮結(jié)構，氣體通過時會減速、沉降、降溫，進入密封疊片與密封套接觸面之間的氣體含塵量減少，溫度降低，能有效減少密封疊片與密封套之間的磨損，同時曲路迷宮結(jié)構也能增加系統(tǒng)的密封性能（圖9）。

該密封裝置結(jié)構新穎，性能穩(wěn)定可靠，對各種工況適應性強，可滿足設備殼體旋轉(zhuǎn)、熱膨脹、軸向移動和一定范圍內(nèi)偏擺變形時的密封要求，密封效果好，安裝維護方便，使用壽命長，特別適用于設備內(nèi)部易出現(xiàn)正壓的工況。

圖9　雙向疊片式密封裝置

4　針對窯尾漏料問題設備的改造方案

一些現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)窯尾漏料的問題，窯尾漏料的問題一方面和喂料舌頭、窯尾護板及該處的澆注料結(jié)構有關，另一方面與系統(tǒng)的工藝狀況也有關，如在窯內(nèi)結(jié)圈、窯尾塌料、急停窯后再重新啟動、煙室結(jié)皮、窯尾處物料黏散等情況下，都容易造成窯尾處漏料的現(xiàn)象。下面僅從設備的角度出發(fā)，提出一些針對窯尾漏料問題的改造方案（圖10）。

圖10　窯尾漏料問題設備改造方案

以前設計的窯尾喂料室，喂料舌頭的包角普遍偏小，多在140°左右，當下料不均勻時，物料容易從喂料舌頭的兩側(cè)漏出，造成漏料。可以通過加大喂料舌頭的包角至接近180°，并增加喂料舌頭伸入窯內(nèi)的長度，使喂料室內(nèi)的物料可以順暢地進入窯內(nèi)，避免物料從窯內(nèi)漏出。在進行內(nèi)襯施工時，要特別注意窯尾護板處澆注料的結(jié)構，嚴格控制窯尾護板上澆注料與喂料舌頭之間的間隙，這會對窯尾漏料情況造成很大的影響。當有少量的物料從窯內(nèi)漏出進入窯尾密封內(nèi)時，窯尾密封的回料勺可將物料帶起并灑落回喂料舌頭內(nèi)，因而加大回料勺的回料量和帶起物料的高度，使灑落的物料盡量多落回到喂料舌頭內(nèi)，也可改善窯尾漏料問題。

5　密封處漏風對系統(tǒng)熱耗影響的初步分析

當回轉(zhuǎn)窯窯頭窯尾密封處密封不嚴，密封片存在較大間隙時，由于窯內(nèi)是負壓操作，就會有大量的冷風進入窯內(nèi)。由于密封裝置的寬度相對于窯體的直徑要小得多，可以考慮使用流體力學中的薄壁節(jié)流小孔流量的公式［1］來近似計算漏入窯內(nèi)冷空氣的流量。

式中：

Q——小孔流量，m3/s

Cd——薄壁小孔流量系數(shù)，取Cd= 0.6

A0——孔的面積，m2

ρ——流體的密度，kg/m3，取20℃時空氣的密度為1.2kg/m3

Δp——壓力差，Pa

以φ4.8m回轉(zhuǎn)窯，產(chǎn)量5 500t/d為例，環(huán)境溫度取為20℃，密封片處為環(huán)形間隙，取環(huán)向平均間隙量為10mm，窯尾處窯內(nèi)氣體溫度按950℃，壓力為-250Pa考慮，則總的間隙面積為：

若將這些進入窯內(nèi)的冷空氣加熱至950℃，20℃時空氣的比熱為1.296kJ（/m3·℃），950℃時空氣的比熱為1.403kJ（/m3·℃），則這些漏入的冷空氣每秒鐘吸收的熱量為：

每天增加的熱耗為：

窯頭處窯內(nèi)氣體溫度按1 050℃，壓力為-50Pa考慮，按上述公式可計算出窯頭密封處漏入冷空氣的流量為0.827m3/s，因漏風熟料增加的熱耗為18.9kJ/kg熟料。

由上面的計算可以看出，若現(xiàn)場窯頭窯尾密封的狀態(tài)差，密封片存在較大間隙，漏入的冷風會增加大量的系統(tǒng)熱耗，并且會增加系統(tǒng)的廢氣量，進而增加高溫風機的電耗，同時會影響窯內(nèi)的熱工制度，影響工藝操作的穩(wěn)定性。冷風的漏入在窯尾密封處還容易造成煙室結(jié)皮、窯內(nèi)結(jié)圈等，在窯頭密封處，會降低二次風溫，若密封不嚴，窯頭處的漏灰會造成環(huán)境污染，并加劇托輪輪帶的磨損。

6　結(jié)語

近年來，我公司開發(fā)設計的適用于窯尾密封的重錘壓緊端面摩擦片式密封裝置和適用于窯頭密封的雙向疊片式密封裝置，已在公司新設計的各規(guī)格水泥生產(chǎn)線上廣泛應用，同時在祁連山永登、華盛天涯、都江堰拉法基、白峴南方、廣州珠水等幾十個改造項目上投入使用?，F(xiàn)場的應用實踐表明，優(yōu)化后的窯頭和窯尾密封裝置密封效果好，結(jié)構穩(wěn)定可靠，操作維護簡便，密封片使用壽命長，對各種工況的適應性強，有效解決了回轉(zhuǎn)窯設備窯頭和窯尾密封的問題。

參考文獻：

［1］成大先.機械設計手冊［K］.第五版.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

中圖分類號：TQ172.622.29

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6171（2016）01-0072-04

通訊地址：中材裝備集團有限公司，天津 300400；

收稿日期：2015-05-13； 編輯：趙 蓮