特大型回转窑项目实施面临的问题与对策

贲道春，李晓平，李金峰，王复光，查文炜

(1.江苏鹏飞集团股份有限公司，江苏 海安 226623；2.河南龙成煤高效技术应用有限公司，河南 西峡 4745502；3.盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)

特大型回转窑项目实施面临的问题与对策

贲道春1，李晓平1，李金峰2，王复光1，查文炜3

(1.江苏鹏飞集团股份有限公司，江苏 海安 226623；2.河南龙成煤高效技术应用有限公司，河南 西峡 4745502；3.盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)

从特大型回转窑项目实施面临的大件(轮带、大齿圈和筒体)运输、齿轮的承载能力等问题分析入手，提出了设计和适合于现场的制作方案；通过力学平衡实例解算，解决了回转窑用自定位滑履轴承设计的关键技术——滑履托瓦倾角的确定；通过齿轮变位系数选择与分配、螺旋角的选择，解决了常规模数回转窑齿轮承载能力小的问题；运用比照法对特大型回转窑的设计方案进行评估，得出结论：使用滑履轴承、多瓣组合大齿圈、现场组焊滑环、现场制作筒体、现场切削焊接坡口和垫板外圆，可以解决特大型回转窑项目实施的大件运输问题；通过对变位系数进行合理分配和采用斜齿轮传动，可以满足大功率传动要求；采用自定位滑履轴承，不但省去了挡轮装置，而且使滑履与滑环接触面自动吻合，可以避免热工制度改变和操作等原因造成的轮带和托轮不正常磨损。

大型化；回转窑；设计；制造；安装

回转窑是冶金、矿山、煤制油、油砂油页岩炼油、建筑材料等行业常用的设备，迄今已经有了50多年历史，正向大型化方向发展。干法水泥回转窑直径已达到Φ6.2m；抚顺矿业集团页岩炼油厂刚投产的小颗粒油页岩干馏回转窑是国内目前最大规格的回转窑，直径达到Φ8.4m；河南龙成煤高效技术应用有限公司的12台煤制油回转窑直径已达到Φ6.2m，拟新上直径Φ7.2m(或更大直径)煤制油回转窑项目；约旦(Jordan)拥有世界最大的干馏回转窑，直径达到Φ11.5m。特别是近几年煤制油行业开始使用的回转窑，从诞生之日起就以较大的规格出现。随着工业化规模的不断扩大，对特大型回转窑的需求将会越来越大。

现行回转窑一般由筒体、轮带、托轮支承装置、齿轮传动装置等组成。特大型回转窑实施中最为凸出的问题是轮带、齿轮、筒体的运输和筒体现场焊接制作问题。

“化整为零”进行运输，再“化零为整”现场制作，已经成为特大型回转窑大型零部件加工的唯一途径。如何设计出适合现场制造加工的回转窑结构，如何进行现场制造加工，如何保证现场的制造质量，已成为业内人士研究的课题。

1 设备大型化面临的问题

1.1 轮带和大齿圈的运输

回转窑零件轮带(亦称滚圈)的直径一般比回转窑筒体直径大1m以上。大型回转窑的轮带为焊接性能较差的整体铸钢件，由于直径较大，其铸钢件毛坯或成品存在运输超宽问题。轮带一般为实心矩形截面结构整体圆环铸钢件，大型轮带的实心矩形截面尺寸一般为(800～1200)mm×(400～500)mm。由于轮带截面尺寸大、材料的焊接性能差、焊接应力大、容易出现焊接裂纹等原因，不宜采用组合焊接结构。轮带的铸造缺陷补焊要求都有明确规定：切凿宽度不超过工作宽度的10%；切凿深度不超过壁厚的25%；切凿面积总和不超过该面总面积的2%；连同毛坯件的切凿面积在内总和小于该面总面积的4%[1]。为了防止焊接应力的产生，欧美国家的制造商不允许对小面积铸造缺陷进行焊补，只作棱角修圆处理。实施特大型回转窑项目，再采用整体轮带的托轮支承形式已经不太现实。

回转窑的大齿圈一般为半齿圈的组合。特大型回转窑的大齿圈直径一般比回转窑直径大2m以上。目前大型回转窑齿圈直径达到Φ11m以上，半齿圈运输尺寸达到5.5m以上，运输也存在超宽问题。

1.2 筒体段节的运输和现场制作

筒体外径超过5.2m，运输就存在问题，只能现场编焊。江苏鹏飞集团股份有限公司为了方便大型筒体运输，将大件制造基地建在南通港附近。这虽然解决了大件出港运输问题，但无法解决对方港口上岸运输问题。

标准规定筒体段节纵向焊缝对口错边量应不大于1.5mm[1]。制造厂一般在出厂前预先加工筒体的纵向焊缝坡口。由于钢板下料尺寸存在误差，如果段节不再经过落地车床切削加工，会造成段节纵向错边量不符合要求。

小型回转窑筒体大段节为卷制和自动埋弧焊接而成。由于现场安装条件限制，现场大筒体对接焊缝有时采用手工电弧焊接。无论采用哪种焊接方法，筒体每一条焊缝均应超声检测[1]。对于手工电弧焊接，无论焊接外观质量还是内在质量都难以保证。大型回转窑筒体全部在现场焊接，焊接工作量大，要求高，必须采用自动埋弧焊接。

1.3 齿轮模数

回转窑的大齿圈一般为大模数直齿轮，特大型回转窑的齿轮模数必然较大。即便使用两侧双驱动的传动方式，对于传动功率在1000kW以上的特大型回转窑，齿轮模数都在40mm以上。模数达到40mm，加工直径达到10m以上齿轮加工设备在国内只有中信重工和江苏鹏飞集团等公司的几台。最大模数受限制的前提下用超限增加齿轮宽度的方法提高传动承载能力，对齿轮的啮合性能会产生不良的影响。

2 解决方案

2.1 回转支承装置形式

原轮带和托轮之间为线接触，接触应力较大，要求材料有较大的许用接触应力。改变原轮带托轮回转支承形式为滑环滑履轴承支承形式，线接触变为面接触，可大幅度降低回转支承工作面的接触应力，使材料的许用接触应力降低。降低材料的许用接触应力可方便选择焊接性能较好的材料，使大件轮带(或称滑环)能够分片运输和现场组焊。以直径为11m的滑环为例，两片结构的滑环，其运输宽度为5.5m；改成三片结构的滑环，其运输宽度只有3m，运输就不存在问题。

材料ZG230-450、20g-Z25或Q235-C的硬度只有156HB左右，综合焊接性能良好，适合制作滑环；以滑履轴承作为重载回转支承已在大型管磨机和大型水平回转窑上得到成功应用。

2.2 分瓣大齿圈

特大型回转窑的大齿圈直径一般比筒体直径大2m以上。从铸造、运输、防止机加工变形等方面考虑，原回转窑半齿圈结构形式不能适用于特大型回转窑。可以根据齿轮直径大小分成4瓣或者更多瓣制造，见图1示。4瓣组合大齿圈是由4组联接件将4块扇形齿轮把合组成整圆结构，大齿圈常采用双腹板结构，以提高大齿圈整体刚性[2]。大齿圈制造中哈夫面处向外的变形最为明显。由于加工残余变形引起哈夫面处二次把合不严，造成齿距变大、径向跳动大[3]。分多瓣制造将应力集中变形变成分散变形，减小最大变形量，同时解决了运输问题。

图1 四瓣组合大齿圈

2.3 筒体卷制与焊接

因筒体尺寸超大，运输困难，特大型回转窑筒体的所有焊接几乎都需要现场完成。在制造厂根据可运输的尺寸将钢板下料进行坡口加工，分片卷制到预定圆弧尺寸后发运到现场编焊，是解决运输困难的唯一方法。

特大型回转窑项目实施现场必须配备自动埋弧焊接设备。在温度偏低的地区，一般采用电加热带现场预热，以保证焊接质量。

国家标准《水泥工业用回转窑》2016年终审稿规定：筒体段节纵向焊缝区域的形状应与筒体圆形理论值一致，其偏差值应不大于2.0mm。要达到这一要求，现场必须配备一台卷板机用于修圆。

2.4 现场机加工

2.4.1 筒体环向焊接坡口和垫板加工

为保证特大型筒体段节纵向焊缝对口错边量在标准规定的范围内，筒体的段节端面焊接坡口需进行切削加工；垫板外圆直径和圆柱度要求是保证滑环与筒体之间预留膨胀间隙关键项次；筒体上与回转跳动有关的所有联接法兰也需进行切削加工。

缺少段节纵向坡口加工设备，就不能解决因下料误差产生的纵向焊缝错边量超差问题。现场需要临时安装专用落地车床满足小段节坡口的加工，同时满足带垫板的大段节加工，以保证垫板外圆的加工质量。

如图2所示，可采用小型落地车床进行现场坡口和垫板外圆加工。当专用落地车床承载能力不够时，可使用液压附加支承提高了机床承载能力，减少现场大型加工设备的投资[4]。

图2 液压附加支承

2.4.2 滑环机加工

大型滑环机加工设备一般为大型立式车床，现场机加工一般不具备条件。某安装单位采用专用旋转轨道走刀现场加工组焊滑环，这种切削加工为不连续切削，再通过砂带磨使滑环表面达到粗糙度要求。这种方法是可行的，但专用加工装备的投资较大。

为减轻现场机加工负担，对于组焊滑环的机加工可以分两步(制造基地加工和现场加工)完成，以减小现场机加工难度。分片滑环的加工其步骤为：分片铸造→退火处理消除内应力→粗加工分片滑环的结合面→装夹进行圆周各面的粗加工→粗加工后进行结合面的二次加工→设置单片防运输搬运变形支撑→设置片与片联接定位装置→精加工→拆分开设焊接坡口→分片运输至现场→编接联接定位→预热组焊→焊缝修磨和抛光。

过大的余量去除会产生较大的应力变形[5]。预先加工去除多余的余量，减少以后工序加工的变形[6]。在各切削工序之间均进行释放装夹将最大程度减小后道工序的工件变形[7]。滑环圆周和结合面多次装夹加工，在精加工前设置防变形支撑更为合理。因此在设置防变形支撑前余量应尽量控制在最小状态。

2.5 变位斜齿轮传动

回转窑一般采用(x1=0.4，x2=0)的直齿轮传动。由于回转窑转速较低，很少有人对传动齿轮齿形做深刻研究。特大型回转窑的传动功率较大，考虑到齿轮的使用寿命，应对齿轮参数进行优化设计。

对变位系数进行合理分配，使大小齿轮滑动率差趋近于0[8]。综合考虑制造和使用情况，xΣ取值在(0.8～0.96)范围内，既保证极小的滑动率差，又有较高的重合度，具有较好的综合效果。

回转窑一般采用直齿轮传动，齿轮重合度一般在1.5左右。从齿轮参数方面分析，随着大齿轮直径的增大，大小齿轮的齿数悬殊更大，齿轮重合度减小，承载能力降低，容易产生振动；从大功率齿轮传动角度分析，提高齿轮重合度可以提高齿轮承载能力，减小齿轮模数；从制造的可行性分析，模数超过40mm的齿轮加工设备极少。采用小螺旋角斜齿轮传动能够使齿轮重合度提高到2以上。和边缘传动管磨机传动齿轮一样，螺旋角β的取值范围主要考虑到重合度、传动平稳性和附加轴向力对支承的影响[8]。在提高固定端滑履轴承的轴向承载能力的前期下，齿轮螺旋角可增加到(6～9°)，重合度可增加到2.5以上。

通过合理分配变位系数使滑动率差趋近于0，通过螺旋角提高目标模数齿轮的承载能力，是特大型回转窑项目实施中解决传动问题的有效的途径。

3 特大型回转窑结构构思

3.1 总体结构型式

传统的回转窑都是依靠圆柱形轮带、圆柱形托轮支承旋转的。无论是否带有安装斜度，回转窑都具有一组防止或控制回转筒体上下窜动的挡轮装置，轮带带有与挡轮滚动接触的锥面。建材、冶金、矿山行业广泛使用的滑履磨的滑履轴承应用于特大型回转窑的支承上成为可能和趋势。

常规回转窑依靠托轮的歪斜调整和挡轮控制回转筒体的上下窜动。因此，要使滑履轴承能在回转窑上达到应用，必须在滑履结构上做必要的改进。

如图3所示，滑履支承回转窑由活动滑履轴承、固定滑履轴承、滑环、回转筒体、传动装置组成。固定滑履轴承的托瓦为V型锥面结构，起定位功能，可控制筒体上下窜动。不再需要常规回转窑的液压挡轮装置。如图3(a)所示，对于带斜度的回转窑，活动滑履轴承的托瓦为单锥面结构，其底部锥面呈水平，使支承不产生水平分力。如图3(b)所示，对于水平回转窑，活动滑履轴承的接触面为圆柱面(图4)。由于回转窑筒体有较高的温度，因而滑环具有隔热结构的“工”字截面的结构，而不是常规管磨机的单层钢板制作兼作筒体的不隔热滑环结构。滑环与筒体的固定方式和原先轮带与筒体的固定方式(垫板+挡块)相同。

3.2 支承装置

3.2.1 采用滑履轴承

如图4(c)和图4(d)所示，滑履轴承具有凹凸球面的支承结构，因而具有自动调心效果。如图3和图4(d)所示，活动滑履带有可滚动的托辊随筒体热膨胀的伸出而跟随滑环轴向移动。只要留足托辊的滚动距离，无论热工参数如何，都不会因热膨胀计算误差造成支承面的不正常磨损。而传统回转窑托轮或轮带宽度范围内的非全接触会造成不正常磨损。

图3 滑履支承回转窑

图4 滑履轴承和传动位置与滑履轴承结构

3.2.2 滑履轴承轴向力的平衡

回转窑根据工艺要求可水平安装或安装成不同斜度，运转时产生的轴向力与安装斜度有关。干法水泥回转窑的斜度(正弦值)一般为3.5%和4.0%[1]，即倾角约为2°和2.3°。和滑履磨一样，轴向力由靠近传动的固定滑履轴承平衡。因此固定滑履轴承在结构设计上要充分考虑对轴向力的承载能力。

常见的固定滑履轴承有防止回转筒体轴向窜动的夹板，该结构适用于轴向力较小的水平安装设备。在水平安装的设备中也经常出现因轴向力造成的夹板不正常磨损现象[9-10]。而对于有较大斜度的回转窑，其固定滑履轴承需要承载较大的轴向力。常规的夹板结构已不能适应这种工况。如图3所示，带锥面的滑履轴承，利用V型双锥托瓦或弧面托瓦的支承分力能够平衡回转筒体的轴向力。

根据扭矩计算公式(T=9550P/n)和小齿轮啮合圆半径R，可以得到大齿轮的切向受力计算式 (f=9550P/n)；如图5(a)所示，螺旋角为β的齿轮切向力f产生的轴向分力为(f1=ftgβ)，见式(1)[11]。

f1=9550Ptgβ/nR

(1)

如图5(b)所示，G1＇=G1/2cos30°，两个托瓦的总支承力∑G1＇≈2G1＇(忽略安装斜度)，则有式(2)。

(2)

如图5(a)所示，轴向不窜动的条件是托瓦锥面上的支承轴向分力f3=f1。

可以根据式(3)确定托瓦的倾角。

(3)

将式(1)和式(2)带入式(3)，并考虑制造安装误差等引起的轴向力，可合并为以下的托瓦的倾角α计算式(4)。

α≈ψarctg(8.27Ptgβ/ G1nR)

(4)

式中：α为托瓦倾角，°；ψ为安全系数，取1.5；P为主电机满载最大功率，kW；β为齿轮螺旋角，°； G1为固定支承的垂直载荷，kN；n为小齿轮转速，r/min；R为小齿轮啮合圆半径，m。

图5 受力分析

如图5(a)所示，单锥面的的托瓦(活动膨胀档)远离传动齿轮，其托瓦倾角只要考虑支承不产生轴向分力，即托瓦倾角γ与回转窑安装倾斜角相同。对于传动端的V型双锥托瓦的另一锥面的倾角γ′取值需考虑因传动功率波动引起的齿轮轴向分力f1变化、固定支承档因倾斜安装产生的下滑力、安装斜度误差等导致筒体下窜的可能性。γ′取值应比γ大一些，建议γ′取值为(γ+α)。

以Φ7 m×68 m煤化工回转窑为例，已知满负荷功率P=560 kW，其小齿轮转速n为40 r/min，小齿轮节圆半径为0.35 m，齿轮斜度为3.5°，窑的安装倾斜角为2.3°，固定支承的垂直载荷为4500 kN。则托瓦各倾角：γ=2.3°(与窑的安装倾斜角一致)；α=1.5arctg(8.27×560tg3.5°/4500×40×0.35)≈0.39°；γ′=2.3°+0.39°=2.69°。

为了方便制造和测量，同时兼顾安全裕度，固定支承的托瓦两个倾角α和γ′统一角度取整数值3°。

3.2.3 滑履轴承的使用效果评估

原先的大型回转窑，为了使轮带托轮的宽度方向不产生不均匀磨损，均设置液压挡轮装置，人为控制回转窑筒体的轴向窜动量和窜动方向。但是由于回转窑设计时的热膨胀计算数据不准确，或者由于使用中热工参数不稳定，或者由于托轮操作工的水平和经验原因，经常会造成轮带托轮的宽度方向产生台阶式不均匀磨损，导致需要进行不定期的修复。

如图4(c)所示，固定端(传动端)的支承采用自定位滑履轴承后，滑环、滑履和基础位置相对一致，可以省去原带挡轮支承的液压挡轮装置、挡轮液压站及挡轮装置控制系统；如图4(d)和图4(e)所示，活动端的各支承采用带托辊的滑履轴承后，无论回转窑设计时的热膨胀计算数据是否准确或者使用中热工参数是否稳定，滑履始终跟随滑环轴向移动，保证滑履和滑环宽度方向始终保持全接触和均匀磨损。因此，大型回转窑使用滑履轴承更能适应其工况，避免使用中的不定因素对回转支承正常运行的影响。

原先的大型回转窑的每档支承分别有4个轴承，检测点较多；每档支承的轮带托轮均需要冷却和润滑。如图6所示，滑环的表面积大，具有较好的散热冷却效果。滑履的冷却点和检测点明显减少。

图6 滑环对接焊坡口与焊接定位联接

图7 滑环对接焊坡口与焊接定位联接

3.3 滑环结构

滑环的受力接触面积远远大于大轮带，接触应力和弯曲应力明显小，因此滑环可以设计成截面为“工”字形或箱形结构件，重量也明显小于实心轮带，如图6(a)所示。活动端滑环为单锥面结构(水平安装的回转窑活动端滑环为圆柱面结构)，固定端滑环为V型双锥面结构，如图6(b)、图6(c)和图6(d)所示。

编焊坡口为侧面平行的对接焊坡口，如图7(a)所示。为了现场焊接不影响滑环的圆度，防止对接产生错边，必须有精确可靠的定位，如图7(b)所示。可以采用铰孔螺栓定位，定位铰孔须在内外圆柱面和圆锥面精加工前实施。对于带有斜度安装的回转窑，为了配件能够互换，无论是固定端滑环还是活动端滑环都可以采用V型双锥面结构，从而省去常规使用的夹板。

4 实 例

2008年在抚顺矿业集团页岩炼油厂安装了一台国内目前最大直径回转窑(Φ8.4m×63m)为的小颗粒油页岩干馏水平回转窑。其筒体为现场制作，支承装置采用滑履轴承，大齿轮分多瓣制造。其中滑环半成品分两片出厂，现场编焊后再采用专用工装机加工。目前回转窑已安全运转近3年。

1999年斯图尔特(STUART)安装了一台滑履支承水平回转窑(Φ8.3m×65m)安全运转10多年。

2010年在约旦(JORDAN)安装目前世界上最大规格回转窑(Φ11.5m×76m)采用滑履轴承支承。目前项目正在实施过程中。

带斜度安装的滑履回转窑目前虽然没有实施先例，但特大型回转窑的实施方法从理论上分析是可行的，还待于在实践中验证和提高。

5 结 论

支承装置改为滑履轴承、现场编焊滑环、大齿圈多瓣组合、筒体分片现场编焊机加工，解决了特大型回转窑大件运输问题；通过加工工艺改进，解决了滑环现场加工中的变形问题；通过对变位系数进行合理分配和采用螺旋角，提高齿轮的承载能力、减小齿轮模数，使齿轮传动达到较好的综合效果；采用锥面滑履轴承，避免了热工制度改变等原因造成的轮带托轮不正常磨损，同时使倾斜安装的回转窑运转时重力产生的轴向力得到平衡，省去挡轮装置、挡轮液压站及挡轮装置控制系统；用焊接性能好的低碳钢滑环代替了焊接性能差的中高碳钢铸钢件轮带，降低了铸钢件的铸造风险和现场制造难度。

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Discussion on the problems and countermeasures of project implementation for super large rotary kiln

BEN Daochun1，LI Xiaoping1，LI Jinfeng2，WANG Fuguang1，ZHA Wenwei3

(1.Jiangsu Pengfei Group Co.，Ltd.，Haian 226623，China；2.Henan Longcheng Coal High Efficient Technology Application Co.，Ltd.，Xixia 4745502，China；3.Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China)

From the project of large rotary kiln in the implementation of large (wheel，gear ring and cylinder) of transport，gear bearing capacity problems，puts forward the design and suitable for the on-site production plan；through the example of mechanical equilibrium solution，solves the key technology to determine the self positioning slide shoe bearing design of the sliding pillow with the angle of the rotary kiln；through the modification coefficient of the gear selection and distribution of spiral angle and choice，solve the bearing capacity problem of small modulus gear of conventional rotary kiln；the use of contrast method for large rotary kiln design evaluation，draw the conclusion：the use of sliding shoe bearings，gear ring，combined with multi site group welding ring，on-site production of cylinder，spot welding groove and cutting plate outer circle，can solve the large project type rotary kiln implementation of the transportation problem；based on the displacement coefficient Rational distribution and adopt bevel gear transmission，can meet the requirements of high power transmission；the self positioning slide shoe bearing，not only eliminates the block wheel device，and the sliding contact surface of the shoe and the slip ring automatic anastomosis，can avoid thermal system change and operational and other reasons caused by the tyre roller is not normal wear and tear.

large scale；rotary kiln；design；manufacture；installation

2016-03-19

江苏省重大科技成果转化专项资金项目资助(编号：BA2008068)；河南省重大科技成果转化专项资金项目资助(编号：151100211800)；国家火炬计划项目资助(编号：2008GH050545)；国家重点新产品计划项目资助(编号：2010GRC10003)

贲道春(1965-)，男，江苏海安人，高级工程师，主要从事建材机械、矿山机械、石油化工机械的设计与制造。

TH122；TD403；TQ172.6；TE963

A

1004-4051(2016)12-0132-06