热工设备教案.doc

授课班级：09108-0 9111班第 1 次课授课学时： 2 学时教学手段：多媒体、板书甘肃省建筑材料工业学校教案授课名称：热工设备与测试技术授课章节：1水泥工业热工设备 1.1水泥熟料的煅烧方法主要教学内容：第一节：水泥熟料的煅烧方法、水泥熟料的形成、加速水泥熟料煅烧的措施、水泥熟料的煅烧方法及窑型的演变教学要求：掌握水泥熟料的形成过程、加速水泥熟料煅烧的措施。教学难点：经过一个假期，同学们可能对水泥工艺学这门课程中所学的有关水泥煅烧过程的知识记忆模糊。作业：复习思考题1.1、1.2、1.3授课过程：一、前言（5min） 水泥熟料的煅烧是水泥生产工艺过程中最重要的一个工艺环节。水泥熟料的煅烧过程直接决定了水泥熟料的产量、质量，并直接影响到水泥的产量、质量。二、新课（80min）1、水泥熟料的形成 水泥熟料的形成过程，是对合格生料进行煅烧，使其连续加热，经过一系列的物理化学反应，变成熟料，再进行冷却的过程。整个过程主要分为水分蒸发、粘土质原料脱水、碳酸盐分解、固相反应、烧结反应和熟料冷却六个阶段。水分蒸发（吸热） 指自由水的蒸发，蒸发温度约在100150。一般情况下，新型干法生产工艺所需各种原料的含水量比较少，因此水分的蒸发主要是在立式磨内进行，借助窑系统废气对物料进行烘干。粘土质原料脱水（吸热）指结构水的脱离，脱水温度约在400600，粘土的主要组分高岭石将脱水分离出活性的SiO2和Al2O3。反应方程式如下：Al2O32SiO22H20 Al2O3 + 2SiO2 + 2H20碳酸盐分解（吸热） 是指高温下，石灰石中的碳酸钙和碳酸镁分解产生氧化钙、氧化镁和二氧化碳。当CO2分压为一个大气压时： MgCO3 分解始于402408，剧烈分解温度约在700750。 CaCO3 分解反应于600开始，812928快速分解。思考：碳酸盐分解反应的特点？（可逆、强吸热、烧失量大等） 影响碳酸盐分解反应速率的因素有那些？（略）固相反应（放热）硅酸盐水泥熟料的主要矿物C2S、C3A、C4AF通过固相反应生成。思考：固相反应的特点？（放热、多级） 影响固相反应速率的因素有那些？（略）烧结反应（微吸热）C3S通过烧结反应形成,反应方程式：C2S + CaO C3S。此反应时在液相中进行时的反应温度为130014501300。思考：影响烧结反应的因素？（最低共熔温度、液相量、液相粘度、 C2S和CaO溶于液相的速率、烧结时间等）熟料冷却出窑熟料需进行冷却，采用淬冷（急速冷却）的方式，常用的设备是篦式冷却机。思考：冷却的目的？（便于运输储存、回收利用余热、改善熟料质量） 急速冷却熟料对改善熟料的质量有那些好处？（略）2、熟料形成热（略）3、加速熟料煅烧的措施矿化剂的使用：常用的是萤石，矿化作用有2点，一是加速碳酸盐的分解和固相反应，二是加快C3S的形成。使用粒化高炉矿渣配生料。略4、水泥熟料煅烧方法及窑型的演变水泥熟料煅烧方法：干法生产、湿法生产以及半干法生产。窑型的演变：自1885年回转窑作为水泥高温煅烧设备以来，其规格经历了由细变粗、变长、再由长变短的发展过程。它是伴随着干法工艺出现的，但是由于当时水泥生产煅烧工艺还不成熟，有很多问题没有结局，尤其是原料均匀性差。所以出现了湿法生产工艺。1950年前后随着预热器技术的出现和不断完善，加上生料干法预均化技术的改善和应用，使得以干法生产为特征的回转窑，又回到了它应有的发展轨道上来了。1970年以后出现的窑外预分解技术，以及近几十年对预热器和分解炉结构及操作参数的不断优化和完善，新型高效篦冷机的出现，设计合理和控制灵活的多通道燃烧器的推出和应用，使得回转窑的功能发生了实质的变化，实现了水泥工业技术的飞跃。三、本节课小结（5min） 本次课主要讲述了水泥熟料的煅烧的6个过程以及煅烧方法等。甘肃省建筑材料工业学校教案授课班级：09108-0 9111班第 2 次课授课学时： 2 学时教学手段：多媒体、板书授课名称：热工设备与测试技术授课章节： 1.2.1回转窑的结构（1）主要教学内容：回转窑的结构、回转窑的宏观结构、作用、筒体、轮带、托轮教学要求：掌握回转窑的宏观结构和作用、筒体的形状和刚度要求、轮带的形式和固定方式等。教学难点：同学们大多没见过实际中的回转窑，尽管有图片展示，但本次教学仍然给大家带来困难。作业：复习思考题1.1、1.2、1.3授课过程：一、前言（5min）回转窑是水泥生产中重要的设备，它担负着熟料的烧结任务。回转窑是一个倾斜放置的回转圆筒体。有很多类型，如中空式回转窑、干法长窑、湿法长窑等。二、新课（80min）1、回转窑的宏观结构及作用回转窑是一个倾斜放置的回转圆筒体，它的规格是用筒体的内径和长度表示的。如3.5m135m回转窑，即表示筒体内径为3.5m，窑身长度为135m。假如窑有扩大带，那么它的直径用分数表示。如4.4m/4.15m180m回转窑，即表示筒体两段内径为4.4m，而中间筒体的内径为4.15m，总长为180m。回转窑的类型有很多，但是从总体结构上来看，基本上由筒体、轮带、托轮及支撑装置、传动装置、窑头和窑尾密封等部分组成。2、回转窑筒体 筒体是回转窑基体，它是一个钢制的圆筒，预先用钢板做成一段一段的圆筒，安装时再把各段铆接或者焊接而成，直径一般26m，长度30200m。筒体外有若干道轮带，安放在相应的托轮上，为使物料能由窑尾逐渐向窑头运动，筒体一般有3%5%的斜度。为了保护筒体，筒体内镶砌有100230mm厚的耐火材料。筒体的形状：物料入窑后发生物理化学变化形成熟料，为了使筒体适应各带物料反应的不同要求，往往将筒体做成各种形状，常见的有：直筒形：回转窑各部分直径都相同，因此结构简单，便于制造、维修，部件和所有的耐火材料尺寸规格及品种少，便于管理。但是由于直径相同，对于提高传热面积、增加窑的产量适应性差。一段扩大：可以是热端扩大或者是冷端扩大。冷端扩大常用于干湿法长窑，扩大后，可多挂链条或其它热交换装置，增加传热面积，提高预烧能力，降低出窑废气温度，降低热耗，同时使窑尾风速减小，减少飞扬损失，有利于降低料耗。在窑内传热面积相同的情况下，可缩短窑的长度。热锻过大就是扩大燃烧带的直径，扩大后，使燃烧带容积增加，提高了燃烧带的发热能力，有利于提高窑产量，减少结圈。两段扩大形，也称哑铃型。这是将一种将冷端扩大和热端扩大结合起来的窑型。筒体刚度： 随着回转窑直径的增加，筒体自重增加，加上耐火材料和窑内物料的重量，在两道托轮中间的筒体会产生轴向弯曲，轮带处产生横截面的径向变形。轴向变形和径向变形是影响回转窑长期安全运转的重要原因之一，因此要求筒体在运转中保持“直而圆”的几何形状是非常必要的，为此筒体必须具有一定的强度和刚度。为达到此目的，在筒体结构上可以采取以下措施：增加回转窑筒体钢板厚度：可增加筒体刚度。筒体钢板的厚度由窑的规格和钢板材质确定，一般为1850mm，大型回转窑要用3060mm后的钢板，轮带所在的这一段筒体，其厚度有的超过90mm，轮带附近的筒体也应选用较厚的钢板，高温区筒体也应用耐高温的防腐蚀性较好的锅炉钢板，使筒体有较好的横向刚度和纵向柔度，降低支撑装置对筒体直线度的敏感性，保护筒体、衬砖和支撑装置。 回转窑筒体径向变形位置发生在回转窑支撑处，与筒体支撑处的钢板厚度成反比，并随着与支撑位置距离的增大而减小，即在支持轮带下筒体变形最大，而离开轮带中心距离越大，筒体径向变形越小。因此轮带下钢板厚度，使回转窑的横断面在支撑处的径向变形尽量小，以延长窑内耐火砖寿命，提高窑的运转率。 加厚筒体，可以减小筒体的轴向和径向变形。焊接筒体：烧成带筒体表面温度较高，铆接的铆钉杆易过热伸长失去初应力，造成铆钉松动，使筒体变形。焊接具有很多优点，只有现场不具备良好的焊接条件时才允许保留局部的铆接结构。新型干法回转窑基本上全部采用焊接筒体。加强轮带刚度：在机械设计中，要保证轮带有足够的刚度，以增强窑筒体的刚度（提高筒体横向刚度，降低筒体径向变形）。选择适当的轮带与筒体垫板之间的间隙，使筒体在热态下与轮带呈无间隙的紧密配合，否则起不到增强窑筒体刚度的作用。 关于回转窑筒体跨距的分布，主要考虑了了筒体表面温度和附加弯曲应力。根据目前预分解窑入窑物料分解率大于93%的情况，一般烧成带长度占到回转窑长度的50%左右，出窑物料温度一般在13701400，窑筒体高温区域长。从实际生产情况看，窑皮长度为5.56D左右，窑皮之后的筒体因失去了窑皮的保护作用而表面温度增高，因增产而强化窑内煅烧造成窑皮之后的筒体表面温度经常在450 。若按照等支撑反力原则分配跨距，则第一档、第二档轮带和支撑装置都将处于高温区域，容易因为轮带和垫板之间的间隙不当或即使有合适的间隙但因操作不当，窑升温速度太快产生筒体“缩颈”，耐火砖很难砌牢，影响窑的运转率。 轮带与垫板之间的间隙应控制在多少? 答：冷态时限制在78mm左右。 热态时不应超过23mm，最佳间隙状态为零。 回转窑因安装误差，各窑墩基础下沉不匀，各档轮带、托轮、轴承磨损不同，运转中托轮调整误差等原因会破坏窑中心线的直线度，造成各档支反力发生很大变化，并在窑内产生附加应力。回转窑筒体的附加弯曲应力的大小与回转窑筒体纵向刚度及支撑装置间的跨度有关。 为保证横截面的刚性，改善支撑装置的受力状态，有的在筒体进、出料端分别装有耐高温、耐磨损的窑口护板。其中，窑头护板与冷风套组成环形分隔的套筒空间，冷风从冷风室的喇叭形端口吹入，冷却窑头护板的非工作面，保证该部件的长期安全运转。为保证靠近窑头温度较高的两档支撑装置运行可靠，在窑头两档轮带下装有特设的冷风装置。2、轮带 支撑装置是回转窑的重要组成部分，它承受着窑的全部重量，对窑起定位作用，使回转窑能安全平稳的运转。支撑装置包括轮带、托轮、轴承和挡轮组成。我们先来学习轮带。 轮带是一个坚固的大圆钢圈，套装在窑筒体上，整个回转窑（包括窑砖和物料）的全部重量，通过轮带传递给托轮，由托轮支撑，轮带随筒体在托轮上滚动，其本身还起着增加筒体刚性的作用。 由于轮带附近的筒体的变形大，所以轮带不应安装在筒体的接缝处。 轮带在运动中受到接触应力和弯曲应力的作用，使表面呈片状脱落、龟裂，有时径向断面上还出现断裂，所以要求轮带有足够的刚度来抵抗接触应力和弯曲应力。 轮带可以采用铸钢，也可以用锻钢。锻钢的轮带其截面为实心结构，质量好，热应力小，使用寿命长，但是散热慢，刚性小，制造工艺复杂，成本较高。截面尺寸大的轮带，一般采用铸造，其截面有实心矩形和空心箱型。 轮带的型式 矩形轮带：断面是实心矩形，形状简单。由于断面是整体，所以铸造缺陷不突出，裂缝少。矩形轮带加固筒体的作用较好，既可以铸造，也可以锻造。箱形轮带：特点是刚性大，有利于增强筒体的刚度，散热较好。但是由于截面形状复杂，铸造时，在冷缩过程中容易产生裂缝等缺陷，这些缺陷有时导致横截面断裂。轮带在筒体上的安装方式轮带在筒体上的安装方式有两种：一种是固定式，将轮带通过垫板直接铆接在筒体上；另一种是活套式，将轮带活套在筒体上。活套式：轮带与筒体垫板之间留有空隙，弥补筒体与轮带温差过大引起的热膨胀量，所以轮带活套在筒体垫板上。铆接或者焊有垫板时，为了适应热膨胀，轮带内径和垫板外径留有间隙，合适的间隙应使窑在正常生产中，轮带正好箍住筒体垫板，既无过盈又无缝隙，这样使轮带下的筒体变形与轮带变形一样，既起到加强筒体径向刚度的作用，又不致于产生大的热应力。轮带在长期运转中由于磨损使间隙变大，导致筒体径向变形很快加大，为此可将垫板做成可更换的结构，定期更换，也可使用耐磨材料做垫板，在轮带内表面加润滑脂润滑，以减小磨损。思考：为什么活套式安装方式的轮带与简体之间应有合适的间隙?答：一方面加强了散热，另一方面降低了由窑体到轮带的热传导并使轮带内外缘温度差较小，降低了轮带的温度应力。当窑运转时轮带与筒体之间要产生相对滑动和互相磨损，同时留有间隙的目的是补偿筒体壁和垫板的温度高于轮带所产生的热膨胀值。活套安装垫板厚度一般为20-50mm，垫板形式很多。现在介绍2种：如图，垫板与挡圈一起铆接在筒体上，垫板被分成2段，可节约钢板，但这种方式限制了筒体的自由膨胀，轮带与筒体热应力较大。如图，轮带活套在筒体上，垫板一端自由，一端与筒体焊接，轮带与垫板间留有36mm的间隙，它既可以控制热应力又可以充分利用轮带的刚性，使之对筒体起到