回轉(zhuǎn)窯膨脹縫留設(shè)的計(jì)算與應(yīng)用

賈旭鋼 王新民 劉建秀 趙傳亮

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450003；2.澠池金泰剛玉有限公司，河南 三門(mén)峽 472400）

熱脹冷縮是自然界普遍存在的一種物理現(xiàn)象，因此工程設(shè)計(jì)中需要考慮材料的熱膨脹性，通過(guò)預(yù)設(shè)空隙來(lái)避免因溫度變化引起的結(jié)構(gòu)形變，進(jìn)而使基體受擠壓、拉伸和破壞[1]。作為核心熱工設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度高達(dá)1400℃，并且回轉(zhuǎn)窯具有高長(zhǎng)徑比（約15 ∶1），溫度梯度變化較大。因此，在軸向方向需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)膨脹縫的分布和尺寸[2]。如果膨脹縫的尺寸或數(shù)目預(yù)留不足，會(huì)使耐火保溫材料受熱膨脹、擠壓進(jìn)而破壞脫落；膨脹縫預(yù)留尺寸過(guò)大或分布過(guò)于密集則會(huì)降低窯體密封性、破壞保溫性且容易燒傷窯體骨架[3]。因此，在回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮膨脹縫的預(yù)留尺寸和分布至關(guān)重要。

作為非標(biāo)準(zhǔn)晶體材料，耐火保溫材料熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)各向異性。因此，進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯膨脹縫設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮軸向和徑向方向膨脹率。由于回轉(zhuǎn)窯具有較高的長(zhǎng)徑比，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中通常使用線變化率替代體積變化率，即考慮回轉(zhuǎn)窯的徑向與軸向方向膨脹縫的尺寸與預(yù)留數(shù)目。

1 徑向方向膨脹縫設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)窯實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?；剞D(zhuǎn)窯總長(zhǎng)度L為1.1×105mm；回轉(zhuǎn)窯徑向方向由內(nèi)及外分別為5.5×103mm 直徑的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)腔、厚250mm 的耐火保溫材料，外表以40mm厚的鋼板筒體作為骨架進(jìn)行支撐，最大外徑為5.79×103mm，是一種典型的高長(zhǎng)徑比（19 ∶1）回轉(zhuǎn)窯。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)窯膨脹縫設(shè)計(jì)主要受如下影響因素：1）窯體外殼與窯襯分別為金屬材料與非金屬材料，兩者相同溫度差下的膨脹量不同，容易引起回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)異常變化而影響使用壽命。2）外殼與內(nèi)襯厚度相差較大（210mm）。在相同的溫差下，窯體膨脹量隨厚度增加而增大。3）在回轉(zhuǎn)窯不同工作段溫度相差較大，當(dāng)高溫熟料從窯頭位置喂入回轉(zhuǎn)窯時(shí)，窯內(nèi)溫度最大。隨著熟料逐漸向窯尾輸送，溫度不斷降低，兩者之間的溫差在1000℃以上。此外，耐火保溫材料作為保溫材料，與燒制高溫熟料直接接觸溫差變化較大，而鋼板筒體與耐火保溫材料相接觸則溫差變化較小，同樣會(huì)引起兩者膨脹量的不同。

綜上所述，回轉(zhuǎn)窯膨脹量與其結(jié)構(gòu)尺寸、溫度變化等因素密切相關(guān)，如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理且對(duì)使用條件測(cè)算不準(zhǔn)確，造成無(wú)法準(zhǔn)確留設(shè)膨脹縫，回引起窯體結(jié)構(gòu)異常，影響使用安全性和壽命。因此如何對(duì)窯體鋼結(jié)構(gòu)和窯襯材料膨脹量不同進(jìn)行補(bǔ)償成為回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)和施工中的重要技術(shù)問(wèn)題。

在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中，回轉(zhuǎn)窯不同位置的溫度、窯內(nèi)與殼體溫度的對(duì)比情況如圖2 所示。由于回轉(zhuǎn)窯殼體支撐位于耐火保溫材料外側(cè)，不與燒結(jié)高溫熟料直接接觸，因此整體溫度較低（＜175℃）且溫度變化平緩、溫差較低；窯內(nèi)窯頭燒制溫度高達(dá)1350℃，隨著燒結(jié)熟料向窯尾移動(dòng)，溫度快速降至200℃，溫度變化較大且整體溫度遠(yuǎn)高于窯體表面溫度。

圖2 窯內(nèi)與窯體表面溫度隨距窯尾距離變化示意圖

回轉(zhuǎn)窯膨脹縫的留設(shè)應(yīng)根據(jù)耐火保溫材料與殼體的線膨脹系數(shù)、所承受的最高溫度差以及設(shè)計(jì)尺寸來(lái)確定。通常需要根據(jù)公式（1）分別計(jì)算兩者的膨脹量。

式中：ΔL為物體尺寸變化量，mm；α為線脹系數(shù)，℃-1；L0為窯體尺寸，mm；ΔT表示物體溫度變化量，℃，其為窯體最高溫度t減去窯體初始溫度t0。

由于耐火保溫材料與窯體鋼板的熱膨脹系數(shù)、溫度變化以及厚度差異較大，因此在使用回轉(zhuǎn)窯過(guò)程中兩者將會(huì)發(fā)生不同程度的膨脹，可根據(jù)膨脹量差值來(lái)設(shè)計(jì)膨脹縫的尺寸和分布[4]。

1.1 徑向方向耐火保溫材料膨脹量計(jì)算

以（110×5.5）103mm 回轉(zhuǎn)窯為例，莫來(lái)石磚、厚尖晶石磚等常見(jiàn)耐火保溫材料線膨脹系數(shù)α約為6×10-6，耐火保溫材料初始厚度L0為250mm，窯內(nèi)溫度取窯頭處溫度最大值t，即1350℃。設(shè)環(huán)境溫度為t0：25℃。ΔT=t-t0=1325℃。由公式（1）可知徑向方向耐火保溫材料徑向膨脹量ΔL=1325×6×10-6×250=1.99mm。

1.2 徑向方向筒體鋼板膨脹量計(jì)算

如圖2 所示，回轉(zhuǎn)窯殼體鋼板在窯頭處溫度最高（175℃），溫差變化為150℃，殼體鋼板線膨脹系數(shù)α約為11×10-6，殼體鋼板厚度為40mm。由公式（1）可知，窯頭處殼體變化量ΔL最大（0.07mm）。

進(jìn)行膨脹縫預(yù)留設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)膨脹縫留設(shè)位置不當(dāng)或尺寸不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致耐火保溫材料沒(méi)有膨脹延伸的余地，內(nèi)部膨脹應(yīng)力會(huì)突破自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而造成擠壓損壞，進(jìn)而斷裂脫落。另外，在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下應(yīng)盡可能減少膨脹縫的數(shù)量和尺寸，以確保窯體的嚴(yán)密性并增加其保溫性能。

如上所知，回轉(zhuǎn)窯窯頭部位耐火保溫材料與筒體鋼板間熱膨脹量差值最大（＜2mm），鋼板殼體膨脹變化量較小，可忽略不計(jì)。在工程應(yīng)用中，耐火保溫材料與窯體鋼板膨脹差值較小且自身強(qiáng)度能夠滿足自身膨脹應(yīng)力。此外耐火保溫材料存在向窯體內(nèi)側(cè)膨脹的余地。因此，窯體鋼板與耐火保溫材料間通常無(wú)須預(yù)留膨脹縫，在實(shí)際工程應(yīng)用中效果良好[5]。

2 軸向方向膨脹縫的設(shè)計(jì)

如圖1 所示，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)表面的耐火保溫材料與燒制材料直接接觸，溫度變化明顯，而鋼板筒體與低導(dǎo)熱系數(shù)的耐火保溫材料相接觸，溫度變化差值較小。因此，兩者間隨溫度變化的膨脹量不同，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互擠壓，造成破裂并最終脫落。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，軸向膨脹縫的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。另外，回轉(zhuǎn)窯具有較高的長(zhǎng)徑比，從窯頭至窯尾溫度變化顯著（如圖2 所示）。因此，需要根據(jù)實(shí)際工況合理調(diào)整膨脹縫的尺寸、數(shù)目等，從而在保障回轉(zhuǎn)窯安全質(zhì)量的情況下充分發(fā)揮其保溫性能。

以（110×5.5）103mm 回轉(zhuǎn)窯為例，由于回轉(zhuǎn)窯具有較高的長(zhǎng)徑比，從窯頭至窯尾的溫度變化顯著，不同溫度梯度區(qū)間的單位長(zhǎng)度膨脹量不同。為方便統(tǒng)計(jì)，以窯尾為起點(diǎn)，每1.5×104mm 為一個(gè)單位長(zhǎng)度S，（0～15）×103mm 記為S1，（15～30）×103mm 記為S2，同理一直到S8。耐火保溫材料單位長(zhǎng)度軸向膨脹量為L(zhǎng)1（mm），鋼板筒體單位長(zhǎng)度軸向膨脹量為L(zhǎng)2（mm），兩者之間單位長(zhǎng)度膨脹量差值為ΔL（mm），兩者之間在不同單位長(zhǎng)度的平均溫度差值記為ΔT（℃）。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。隨著距窯尾距離的增加，耐火保溫材料與鋼板筒體溫度出現(xiàn)了不同程度的升高，膨脹量相應(yīng)增加。然而，由于兩者間的平均溫差迅速增加，因此兩者均出現(xiàn)了不同程度的膨脹且膨脹量差值隨溫度差的升高而增加。

表1 回轉(zhuǎn)窯不同位置膨脹量變化

以高溫部位中間段S6（75～90）×103mm 為例，參照公式（1）進(jìn)行驗(yàn)證：高溫段S6殼體鋼板平均溫度為150℃，耐火保溫材料平均溫度為150℃+518℃=668℃。長(zhǎng)度為1.5×104mm，線脹系數(shù)分別為11×10-6和6×10-6℃-1。根據(jù)公式（1），殼體鋼板S6段膨脹量為L(zhǎng)1=150×1.5×104×11×10-6=24.75mm，耐火保溫材料在S6段膨脹量L1=668×1.5×104×11×10-6=60.12mm，S6段理論膨脹量差值ΔL=60.12-24.75=35.37mm。與實(shí)際工程的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者膨脹量與膨脹量差值相近，能夠滿足指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的要求。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)不同位置的膨脹量針對(duì)性地留設(shè)膨脹縫。

2.1 軸向方向低溫段膨脹縫留設(shè)

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，隨著距窯尾距離增加，耐火保溫材料與殼體鋼板的膨脹差值不斷增加。在兩者在軸向方向能夠自由膨脹的情況下，在（0～60）×103mm（S1～S4）低溫段，兩者間膨脹差值ΔL較?。?6.6mm）。在回轉(zhuǎn)窯施工過(guò)程中，通常以6×103mm 作為一個(gè)施工段，各施工段間會(huì)形成一個(gè)原始的膨脹縫，因此需要在施工段間添加1mm～3mm 的高溫彈性纖維接縫材料，隨著溫度升高，接縫材料尺寸會(huì)增加，以便精準(zhǔn)補(bǔ)償兩者間的膨脹量差（如圖3 所示）。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，添加施工段間接縫材料能夠有效調(diào)節(jié)膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，未出現(xiàn)體積膨脹的異步、結(jié)構(gòu)變形以及耐材剝落等情況，回轉(zhuǎn)窯自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠承受其膨脹應(yīng)力。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，在回轉(zhuǎn)窯低溫段采用整體設(shè)計(jì)，無(wú)須針對(duì)性地留設(shè)膨脹縫。采用該施工方法能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)窯低溫區(qū)域無(wú)縫施工和整體化設(shè)計(jì)，在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下可顯著提升回轉(zhuǎn)窯的密封性。

圖3 軸向方向低溫段膨脹縫示意圖

2.2 軸向方向高溫段膨脹縫留設(shè)

在回轉(zhuǎn)窯高溫段，耐火保溫材料與殼體鋼板溫差快速升高，膨脹差值顯著增大，內(nèi)應(yīng)力頁(yè)相應(yīng)增加。因此，在高溫段不同位置設(shè)計(jì)不同規(guī)格的膨脹縫能夠降低膨脹過(guò)程對(duì)窯體造成的破壞，保證生產(chǎn)過(guò)程的氣密性。在（60～110）×103mm（S5～S8）高溫段，兩者間膨脹差值ΔL為98.5mm。實(shí)際工程中以6×103mm 為一個(gè)施工段，在（S5～S8）高溫段共8 個(gè)施工段設(shè)計(jì)7 個(gè)膨脹縫。隨著距窯尾距離的增加，施工段間膨脹縫尺寸采用逐步遞增設(shè)計(jì)，且膨脹縫尺寸之和小于膨脹差值ΔL（98.5mm），以保證回轉(zhuǎn)窯整體氣密性（如圖4所示）。由于高溫段末端施工段在一端能夠自由膨脹，因此應(yīng)適當(dāng)減少最后一個(gè)膨脹縫尺寸。

圖4 軸向方向高溫段膨脹縫示意圖

3 結(jié)論

首先，在徑向方向，耐火保溫材料與筒體鋼板膨脹差值較小，自身強(qiáng)度能夠滿足自身膨脹應(yīng)力，無(wú)須針對(duì)性留設(shè)膨脹縫。其次，在軸向方向低溫段，在施工段間添加1mm～3mm高溫彈性纖維接縫材料能夠補(bǔ)償耐火保溫材料與筒體鋼板的膨脹差，滿足工程需求。最后，在軸向方向高溫段，需要根據(jù)回轉(zhuǎn)窯不同部位膨脹差值的變化，在各施工段間針對(duì)性地留設(shè)膨脹縫。