回转窑轮带应力和材质探索.docx

中图分类号：tq172.6文献标识码：b文章编号：1007-0389（2010）05-37-04回 转 窑 轮 带 应 力 和 材 质 探 索刘启元，陈华（中建材国际装备有限公司，北京 100000）摘 要： 回转窑轮带主要承受温差应力、弯曲应力和接触应力。因此，正确计算并合理控制这三种应力就可有效提高轮带的使用性能和使用寿命。如在支撑结构位置的设计、耐火材料的选用、原料选择及操作控制方面，都应考虑降低轮带内外温差的 技术措施，以降低温差应力。文章详细介绍了这三种应力的计算公式；并分析了合金元素 cr，mn，si，mo 对铸钢组织性能的影 响。最后，还介绍了回转窑轮带材质的发展及其许用应力的确定。关键词：轮带；温度应力；接触应力；弯曲应力；材质discussion on stress and material of rotary kilnliu qiyuan, chen hua(cbmi international engineering co.,ltd., beijing, 100000)abstract: thermal stress, bend stress and contact stress are the main stress that rotary kiln live ring bear, accurate calculation and res onable control of the three kinds of stress can improve the performance and prolong the lifespan of the live ring. and the measures to lowering the temperature difference between the outside and inside of live ring should be considered when you design the supporting position, select raw material and control operation to decrease the thermal stress. and the calculation formulas for the three types of stress was recommended, and the influence of alloy element as cr，mn，si，mo on cast steel performance was analysed. finally, the de velopment of live ring material and the allowable stress were introduced.key words: live ring; thermal stress; contact stress; bend stress; material大，易导致轮带产生裂纹甚至开裂。由温差产生的0前言应力分析计算如下（计算中我们忽略了两侧边壁，只讨论轮带中部）。 应变和弹性模量之间的关系：回转窑已成为生产水泥的主力军。到 2008 年底我国已投产的回转窑有 912 条（其中产量 4 000 t/d 以上的 241 条），还有 200 多条在建设中。我国水泥 产量占世界 50%，我国机械出口 2008 年也超过德国 和美国，居世界第一。除中国外，世界上在建水泥厂1/3 以上由中国承建，这就要求我们对回转窑更加关 注。我国的回转窑总体说来运行可靠，一般运转率 都超过了 320 d/a，能满足生产要求。但由于回转窑 数量多，有些窑也存在一些问题。本文就轮带应力 分析和材质选用进行研究。 = l = （1）le式中：纵向应变；l 物体外部长度，对于轮带运 转 时 l = d + d ；l 升 温 后 外 部 伸 长 量 ，2l = d t；e 弹性模量； 不允许物体外 部伸长而产生的应力。则： = e 2d ( d + d) t（2）1轮带应力分析式中：d 轮带外径；d 轮带内径； 轮带线胀系数；t 轮带内外圆温差。 轮带一般采用铸钢制造，其断面为矩形，弹性模量 为 e =172202 gpa=（172202） 103 n/mm2, 线 胀 系 数 在 采 用 cr 钢 温 度 在 20200 时 ， =11.8 10-6/,代入（2）式得轮带温差应力公式：多数轮带使用寿命都超过 15 年的设计寿命，但也有一些不足 15 年，个别的不到 10 年就开裂损坏， 需要更换或补焊。轮带主要承受温差应力、弯曲应 力和接触应力，这些应力过大，会导致轮带损坏。另 外轮带选用材料的铸造质量和热处理，也与使用寿 命密切相关，下面就这些问题进行讨论。1.1温度应力 由于轮带内径与温度较高的回转窑筒体垫板接触，两侧和外圆被周围空气冷却，因此轮带内圆温度 高，外圆温度低，内、外圆存在温差。1.1.1温度应力及其计算 早期人们对轮带温差应力认识不足，后来越来越感到温差应力的重要性。因为有时内外圈温差过2d = (172202) 103 11.8 10-6 t( d + d)= (2.029 62.383 6) d t（3）( d + d)1.1.2轮带钢材达到屈服极限的温差计算低 合 金 cr 钢 一 般 屈 服 极 限 s 345 n/mm2，以 5.2 m 78 m 窑 为 例 ，其 轮 带 内 外 径 分 别 为: d =6 300 mm，d =5 479 mm，由（3）式得:- 37 -2010 年第 5 期 刘启元，等：回转窑轮带应力和材质探索t = 1 ( d + d)镁铝尖晶石砖（主要化学成分 mgal2o4,并含 fe，cr，mn，zn 等类质同相混入物）。在制造过程中，内 部形成大量已终止扩展的微裂纹，因此具有较强的 抗热震性和抗剥落能力；另外它改善了基质部分的 组 织 结 构 ，故 耐 磨 损 性 好 ，强 度 高（经 800 1 400 800 热循环 30 次以后，抗折强度是直接 结合镁铬砖的 3.5 倍）；同时微量的杂质孤立存在，封 闭了气孔，堵塞了溶渣的通道，因此抗侵蚀性能好， 还具有粘挂窑皮的性能，被广泛应用。但尖晶石砖 非常致密，导热系数很高，是高铝砖导热系数的 3 倍，使窑筒体外表温度高，导致轮带内外圈温差大， 使轮带热应力增大，这对轮带十分不利。从这一角 度，应尽量不选尖晶石砖。（3）合理选择原料和加强操作控制，以降低轮 带的温差应力。一些厂生产原料中碱、硫含量高，使 窑皮比较致密，因此导热系数高，也使窑筒体温度升 高，使轮带内外圈温差增大。有的厂原料由于成分 造成熟料中 f-cao 高，为解决这一问题往往采取加 大喷煤量，从而提高了烧成带温度，也造成烧成带附 近轮带温差过大。因此合理进行生产原料的选择， 不仅对熟料产质量产生影响，同时也影响轮带的内 外温差。（4）配置冷风装置。三通道特别是四通道燃烧 器的应用使风煤得到充分混合，煤粉燃烧速度快，火 焰形状也较为活泼，火力集中，为进一步提高烧成温 度创造条件，但同时也使窑筒体温度提高，从而加大 了轮带内、外的温差。设备要为工艺服务，要适应工 艺的变化及技术进步，因此轮带与筒体间垫板处应 设有冷风装置，以有效降低轮带内外的温差，确保保 轮带不开裂，能长期安全运转。 s =(2.029 62.383 6)2d(6300 + 5479) 1 (2.02962.3836) 345 = 155183 2 5479即轮带内外温差达到 155183 时其温差应力就达到屈服极限，而材料的弹性模量 e 是材料在弹 性范围内应力与应变的比值，因此温差超过 155183时，公式（3）不适用。另外由弹塑性力学可知 钢材在超过屈服极限进入塑性变形状态初期，工程 计算的误差范围内，我们可以认为其应力仍为屈服 极限值而不再增加。现在很多轮带在回转窑运转时内外圈温差比较 大（超过 120），有的甚者超过 170。由以上分析 可知，其轮带要承受较大的温度应力，其中外圈会产 生拉应力。由于接近弹性变形极限，其外圈产生的 拉应力远大于我们一般机械设计的许用应力，而接 近屈服极限。只是因为窑运转速度低，载荷变化均 匀，所以仍能使用很长时间。毕竟温差应力非常大， 对轮带的长期稳定运行不利，因此我们要使轮带内 外圈温差尽量小。使用经验证明，轮带内外圈温差 一般不应超过 120 ，若超过 170 则很容易损坏。1.2 控制温度应力的技术措施（1）机械设计中应充分考虑采用减小轮带温差 应力的措施。回转窑中烧成带的温度最高，燃烧器 的 火 焰 中 心 温 度 可 达 1 920 ，物 料 温 度 可 达1 450 ，虽然耐火砖有一层窑皮保护层，但是窑皮 被物料冲刷厚度不稳定，有时甚至会有局部塌落，造 成窑筒体局部高温，故烧成带窑筒体特点是温度高， 而且容易造成局部高温区，因此设计窑时支承装置 应尽量避开烧成带。新型干法窑一般窑头冷却带很 短，只有（0.51.15）d，而烧成带长度高达（55.5）d， 因此有的公司把窑头，挡间距设计成 6.6d 的大 跨度来避开烧成带。（2）合理进行耐火砖的选型和设计。正常情况 下，回转窑各段所用耐火砖的寿命要求如下：窑口38 月，烧成带和过渡带 38 月，分解带热端部位 612 月，分解带非热端部位 25 年。为确保使用寿命 要求并能合理控制热损失，耐火砖的设计一定要有 足够厚度，其中常用耐火砖厚度要求见表 1。表 1 耐火砖厚度与窑直径的关系2弯曲应力和接触应力2.1轮带的弯曲应力计算要求轮带的弯曲应力，首先采用奈斯公式求出 轮带的弯矩，即：( - )tan cos - 1 -cos qt m =（4）2 cos - sin 2式中：q t 该挡轮自重加窑筒体重量、耐火砖重量及窑内物料重量对该支点的作用力；托轮位置 角，即托轮中心与窑筒体中心连线与中垂线夹角，一 般=30；轮带上一断面与中垂线夹角。轮带上弯矩最大值发生在=30处（即轮带与托 窑筒体内径/m 3.6 3.64.2 4.25.2 碱性砖厚度/mm高铝砖厚度/mm180200150180200220180200220230200220 黏土砖厚度/mm 150180 180200 180200 - 38 -2010 年第 5 期 工艺装备抡接触处），将已知数据代入后得轮带上最大弯矩为 ：mmax = -0.045qt ，则 最 大 弯 曲 应 力 为 ：因分析如下。钢材达到屈服极限，是由于金属晶体间在外力 作用下沿滑移面滑动而产生滑移变形引起的错位运 动，从而产生了塑性变形。人们把这一科学领域叫 “位错理论”。位错的中心正如具有一个原子距离的 原子错排，应变程度与原子中心距变化成正比，其本 质是切应变；同时在刃型位错中都存在着压应变和 拉应变，在引力和斥力的作用下结合后形成割阶。 刃型位错的应变与碳和氮之类间隙固熔元素以及 mn，si，mo 之类的置换型固熔元素有关，由于引力作 用（即位错具有线性力 t，t= b2/2，其中 为刚性模 量；b 为错位的柏格斯矢量，是一个表示位错中心滑 动的矢量），这些元素会聚集在错位周围，应变呈球 形性对称，使错位钉扎，互相影响，使位错的易动性 降低，从而提高了钢材的韧性。另外钢中的硫容易使钢材分层，且当 s 与铁化 合成为 fes，会引起钢材热加工时的兰脆性。当加 入适当的 mn 时，mn 能与“s”化合成为无害的 mns； 但若 mns 形成过多，会导致钢材的塑性降低。3.3加入 sisi 通过对铁素体的固熔强化，可提高钢的屈服 强度。中碳钢中，加入硅的质量分数为 1%左右，经 调质后钢材强度可提高 15%20%，而韧性并不显著 降低。另 si 和 mn 的适当配合，可以稍微减少锰钢 热处理对晶粒长大的倾向。其中，提高钢的屈服强 度的原理分析如下。钢铁材料都是多晶体，晶粒直径越小，晶界越 多；而位错是不能通过晶界的，所以晶界能强化屈服强度。钢材屈服强度 y与晶粒直径 d 由“ 佩奇”通过 mmaxa2 b，其中 w 为断面模数，w =6 （式中 a 为 max =w轮带厚度，b 为轮带宽度），代入得到轮带最大应力为：0.27qt max =2（5）a b2.2轮带与托轮的接触应力计算两轴极平行的圆柱体最大接触应力计算公式如 下：r1 + r3pe max = 0.418（6）br r12 qt qt 其中p =（7）2 cos 301.732将（7）式代入（6）式后得：qt e r1 + r2 max = 0.318（8）br r1 23合金元素对铸钢组织与性能的影响加入少量合金元素可以提高钢材的性能，下面我们进行具体的分析探讨。3.1加入 cr铬能使钢的淬透性和抗回火性能提高，但不降 低塑性，它还能使钢在回火中碳化物的析出和聚集 缓慢。在调质处理后 zg40cr 具有较高的力学性能， 因 铬 固 溶 于 铁 素 体 中 ，可 使 其 强 化 而 又 不 降 低 塑 性。但铬钢导热性差，且在一次结晶中易得粗大的 树枝晶，会增大铸件的热裂倾向，同时具有回火脆 性。故大铸钢件中，宜加少量 mo 来改善这一性能并 提高钢的高温强度。cr 可以提高钢的抗氧化能力，一般不锈钢具有 耐蚀性的主要元素就是 cr。当钢中 cr 量达到一定浓度时，钢的晶粒表面就会形成一层主要由 cr2o3 构 成的致密的膜，它有很高的化学稳定性，能耐酸腐蚀。另外 cr 能提高钢中碳化物的稳定性，防止他们 在高温下长期工作而发生石墨化，损害钢的性能。3.2加入 mn锰能减少晶界碳化物，细化珠光体，相应地细化 了铁素体晶粒，故能提高韧性，提高钢材的屈服极 限，也适合于在低温下工作。其中，提高钢韧性的原 1实验得出公式：= 0 + k，式中 k y 为一个直线yyd的斜率。加入 si，可使晶粒直径相对小一些，因此提高了屈服强度；尤其是硅和锰同时加入低合金钢中， 硅可以使锰钢产生明显的强化作用，而塑性几乎不 降低；同时硅的加入可以提高锰钢的耐磨性、耐蚀 性，且使其铸造中的流动性高、铸件性能好，加工时 的焊接性能也得到提高 。3.4加入 momo 在钢中有多种作用。如：可以提高钢的淬透 性；通过固熔强化基体；有良好的空气硬化性能，部 分溶解在其它硬化相中，提高硬化相的密度；采用正 火热处理后，仍可得到高强度的力学性能，并可以提 高钢的高温力学性能；且有优良的抗回火脆性能力， 在高温下仍能保持较高的强度；等等。所以，加有- 39 -2010 年第 5 期 刘启元，等：回转窑轮带应力和材质探索工艺装备刘启元，等：回转窑轮带应力和材质探索cr，mo 铸钢易于制造大型或复杂形状的铸件。同时，mo 在渗碳体中固熔度小且能单独析出碳化物， 利用马氏体回火析出呈细小及均匀分布的碳化物， 引起二次硬化，从而能提高铸钢的蠕变抗力及防止 断裂的能力和强度。此外，mo 密度大，熔点高，与氧 的亲合力小，故钼钢的抗氧化性和高温强度都比较 高。应力是多少呢？有关资料给出了不同的数值，也引起了不少的争论，到底哪个对呢？我们认为不能简 单的说谁对谁错。因 为 随 着 技 术 进 步 ，轮 带 的 材 质 也 在 不 断 改 进 。 20 世 纪 60 年 代 以 前 ，我 们 的 轮 带 材 料 选 用 zg35 钢；由于 zg35 钢的使用性能较差，70 年代改用 zg45 钢。随后随着低合金钢的广泛应用，又采用了 zg35simn 钢 ，再 后 来 采 用 了 材 质 更 优 的 ni，cr 合 金，如 zg40cr 钢。近年来认识到在含 cr 的低合金 钢 中 加 入 mo 后 性 能 更 好 ，因 此 又 开 始 使 用 zg42crmo 钢制作轮带了。轮带所用材料主要化学 组成及强度性能如表 2。4轮带选材及其许用应力的确定我们设计一台新窑或验算一台运转中的窑，都可以通过2 介绍的方法计算得到轮带最大弯曲应 力和轮带与托轮的最大接触应力。但是他们的许用表 2 轮带所用材料表钢号 化学组成质量分数/% s/mpab/mpahbcsimnspcrmo zg270-500 (zg35) 0.4 0.5 0.9 0.04 0.04 270 500 zg310-500(zg45)0.50.60.600.800.500.750.200.400.300.500.91.101.400.901.200.040.0350.0350.040.0350.0350.0350.035310345 415345345调质510570570 64069021763021274088035simnzg35crmnsi zg40cr zg35crmo0.300.400.300.400.350.450.300.370.500.800.801.100.801.200.500.80 0.0350.500.80 0.0350.200.30 zg42crmo 0.380.45 0.300.60 0.601.00 0.035 0.035 0.81.20 0.200.30 350 650800 因此我们认为,早期采用 zg35 及 zg45 的轮带许用弯曲应力取弯 曲 =50 mpa，轮带与托轮接触应 力取接触=400 mpa。后来采用 zg35simn 和 zg40cr时，由