窯電流應用機理及典型性分析

貴州   穆興彬

引言：關于窯電流的相關文章，近期在很多公眾號相繼登出，維普資訊、CNKI知網(wǎng)空間查閱顯示：2002年穆興彬《貴州建材》刊發(fā)國內第一篇關于窯電流應用論文《窯轉矩在煅燒中的應用》，2010年林宗壽教授在《水泥廠十萬個為什么》專著中有相關描述，2011年《四川水泥》刊發(fā)過《淺談窯轉矩與煅燒操作的關系》。在二代新型干法水泥生產(chǎn)已發(fā)展到工業(yè)2025的時代，智能化對關鍵數(shù)據(jù)的收集和應用的依賴程度越發(fā)重要，結合部分企業(yè)的中控操作員對窯電流的應只知其然而不知其所以然，機械性的應用于操作指導，造成了能耗和安全生產(chǎn)的隱患。參考《窯轉矩在煅燒中的應用》一文從理論推導到實踐的論述，重新整理，以共享之。

一、新型干法窯內各帶產(chǎn)生扭矩的分析

回轉窯具有恒轉矩特性，這是不爭的事實?；剞D窯載荷的變化是回轉窯旋轉所需克服扭矩的變化。回轉窯旋轉所需克服扭矩主要是機械運動摩擦力、電機電磁力矩、物料在窯內運動變化產(chǎn)生扭矩三部分組成。在正常生產(chǎn)時，前兩部分均是衡定常數(shù)，唯一變化的就是窯內工藝變化，先分析窯內各帶受力產(chǎn)生扭矩情況。

1、過渡帶

經(jīng)過分解爐大部分碳酸鹽分解后入窯的生料，攜帶部分逸出C02氣體使物為量流態(tài)化而快速向前運動。雖然物料也因窯的旋轉而被帶到一定高度。但基本處于窯的中心，因此力臂較?。▽ζ溥M行受力分析可知）。物料運動快速而使料層較薄，碳酸鹽分解只初步形成化合物，所以容重不大。用力矩學的知識分析可知，其機械力矩較小。對于整臺窯轉動矩來說只占很小一部分，窯運轉所需克服的這一部分力矩也較小，故可以忽略。

2、燒成帶

物料燒至部分熔融，化合反應逐漸完成，形成了水泥熟料，其物料容重比前幾個帶內物料容重大得多。物料運動速度和過渡帶相比，相對容重較大，填充率也相對較高，出燒成帶內停留物料重量也相對較大，因為燒成帶內物料重量較大，對窯作用的力也較大。

燒成帶內物料因部分熔融而產(chǎn)生了一定粘性，燒成帶內和窯皮又不如分解帶的窯襯那樣光滑，所以物料隨窯旋轉而被帶起的高度也較高，離窯中心也較遠。

根據(jù)力學公式M=F·d可知，燒成帶內物料運動所需克服的力矩占了窯運轉所需扭矩的主導地位。

燒成帶溫度的高低和燒成帶的長短直接影響窯轉矩的高低。我們可以以此為依據(jù)來控制燒成帶溫度，具體分析如下：燒成帶溫度高時，物料被帶起的高度較燒成溫度低時的高，其力臂δ也因物料離窯中心近而相對δ，較大。燒成溫度高時，物料結粒也比燒成溫度低的大，物料容量G也比燒成溫度低時物料容量G大。兩種情況運動產(chǎn)生扭矩的比較分析如下圖：

燒成帶長時，滾動物料區(qū)軸向也相對燒成帶矩時伸長，其轉矩也會相對較大。反之，則轉矩較小。

新型干法生產(chǎn)線的回轉窯燒成帶占窯長度的40%~50%，燒成帶產(chǎn)生的力矩在整個窯運轉所需力矩中占比最大。在產(chǎn)量一定的情況下，燒成帶溫度的變化也是造成力矩變化的主要因素，因此，窯轉矩在新型干法窯中的控制有很重要的地位。

3、冷卻帶

冷卻帶在新型干法生產(chǎn)線的回轉窯中占全窯長度比例很小，這一帶物料運動產(chǎn)生的扭矩也很小，且接近常數(shù)。

綜上所述，燒成帶所受力矩變化是全窯力矩變化中最大的影響因素。所以，窯轉矩的控制，在煅燒中有很重要的意義。

二、窯電機負荷轉矩的計算

 我國水泥回轉窯一般都用直流電機。根據(jù)直流電機轉矩特性有：

M=Mem—M0

式中：M：電機輸出轉矩；

Mem：電機電磁力矩；

M0：渦流磁帶與通風摩擦阻轉矩，其作用方向與電機轉向相反，是常數(shù)。

根據(jù)電機運動方程式可知：

Mem=M0，+MZ+Mj

式中：M0，：窯空載運轉所需扭矩，基本是常數(shù)；

           MZ：窯負載轉矩；

           Mj：慣性轉矩，窯速不變時可略去不計。

因此，在窯速不變的悄況下，可用電機電磁力矩Mem近似地表示窯的負載轉矩MZ，即窯轉矩可直接計算電機電磁力矩來表示。

根據(jù)電機調速方法的不同，有兩種計算電機電磁力矩 Mem的方法：

一種是用電樞串電阻調速或降低電樞電壓調速即恒轉矩調速的計算方法：

Mem=CmIaφ

式中：Cm：轉矩常數(shù)；

     Ia：電樞電流；

     Φ：每極磁通，是常數(shù)。

所以，常用電樞電流Ia來代表轉矩。

另一種是改變磁通來調整，即恒功率調速。水泥窯用電機很少用這種方法調速。有資料表明，這種方法調速的不能用電樞電流來代表轉矩。但Mem可以表示為：

Mem=1/C·（V-Ir0)·I/n

式中：C：常數(shù)；

     V：電樞電壓；

     I：電樞電流；

     r0：電機內阻；

     N：轉速。

對于雙電機拖動的電流可用下式計算：

I=1/2·(I1+I2)

經(jīng)過以上計算和分析，可以用電樞電流的變化來近似地表示為窯轉矩的變化，這也是近期相關公眾號文章和相關期刊文獻以窯電流講述回轉窯操作控制理論基礎的來源。

三、典型性窯電流趨勢的分析

1.窯電流趨勢很平穩(wěn)，其軌跡細且直。這是熱工制度穩(wěn)定，整個系統(tǒng)運行良好的表現(xiàn)。此時無須調節(jié)。只要繼續(xù)注意監(jiān)控即可。

2.窯電流趨勢雖然較細，波幅不大，但是較大的周期性波動。窯傳動部分機械故障，窯筒體與窯頭、窯尾局部摩擦的機械故障原因外，有兩種可能：

（1）窯內可能結圈。因為物料堆積在圈后隨窯旋轉被帶到一定高度。然后全部翻滾下來，有的物料甚至翻滾到中心線的另一邊所造成的。結合其它參數(shù)如窯頭、窯尾負壓、紅外線掃描結合成像儀測量的筒體溫度情況等來加以判斷、確認。如果有結圈，則先將圈處理掉，然后逐漸恢復正常。結圈時的窯電流相對沒有圈時的電流高。其高的程度以圈的厚度和圈的類型有關。圈處理下來后，窯電流的波動性會變小，窯電流值也會變低。其它相關參數(shù)也會發(fā)生變化，要注意觀察監(jiān)控。

（2）筒體變形，呈橢圓型可以通過現(xiàn)場觀察得以進一步證實。變形嚴重時，可能有“息輪”現(xiàn)象出現(xiàn)，需逐步調整回歸正常，根據(jù)具體情況采取不同的處理措施。

3.窯電流較粗，波幅較大，而且呈周期性波動。除窯機械故障造成外，極可能是窯皮不平，甚至窯皮出現(xiàn)嚴重的半邊厚半邊薄的情況。可以結合筒體溫度掃描得到的窯皮平整度來綜合判斷。如果確定是窯皮不平。則要導出其成因．然后“對癥下藥”調整處理。

4.窯電流居高不下，則有如下幾種可能：

（1）燒成溫度過高，可以通過 NOX含量，窯頭高清攝像頭，甚至是燒成溫度檢測參數(shù)等來輔助判斷。如果是這種情況，適當減少窯頭用煤量就可以了。

（2）窯內有圈，物料填充率增高造成。其中，前圈影響尤為明顯。其它類型的圈也有不同程度的影響。

（3）燒成帶控制過長或窯皮偏厚也會造成這種情況。

（4）窯中心線不直以致產(chǎn)生剪切應力造成。一般情況下很少出現(xiàn)這類現(xiàn)象。如果這種情況出現(xiàn)，常伴隨有托輪溫度高、托輪息輪等現(xiàn)象。如果是由于盤窯制度不合理造成，則需逐步調整校正，如果是安裝或托輪位移造成，嚴重時須要重校正窯中心線。

5.窯電流一直偏低的情況有：

（1）調控不及時，造成欠燒或跑生料。而且燒成溫度沒有升高的趨勢。這時需要提高燒成溫度。

（2）物料易燒性好，或者窯外分解窯入窯真實分解率高，為防止損傷窯襯而將其數(shù)值控制偏低些，若是這樣，應結合其它參數(shù)和現(xiàn)場實際情況，嚴格控制。

（3）窯皮過薄。如果筒體溫度偏高，則要采取窯皮補掛措施。

6.窯電流逐漸升高，有以下幾種可能：

（1）窯系統(tǒng)溫度控制逐漸上升。如果上升速率過快應采取措施讓它慢慢恢復正常。

（2）厚窯皮或圈在逐漸形成。如果窯度過厚，或圈過高，則應加以處理。

7.窯電流趨勢逐漸下降的情況有：

（1）燒成溫度逐漸下降，一般情況下可以小加調整便可恢復。

（2）窯皮正在被灼蝕。有可能是火焰形狀不合理，也有可能是火焰位置不正確。還有可能是配料原因等其它因素造成。根據(jù)具體情況分析判斷，采取適當?shù)姆绞街浦惯@種狀況進一步發(fā)展。必要時，要補掛窯皮。

（3）垮圈或垮窯皮后，積在后邊的未預燒好的物料涌進燒成帶。使燒成帶溫度下降。操作時要防止火焰“發(fā)死”或是說防止“通燒”，根據(jù)窯電流下降的速率來采取相應措施。

8.窯電流突然下降，如附圖一所示。一般窯外分解窯才會有這種情況發(fā)生，窯外分解窯出現(xiàn)這種情況有兩種原因：

（1）預熱器或分解爐系統(tǒng)塌料，未經(jīng)預熱好的物料進人窯內，造成各帶前移，窯前逼燒。有效的預防方法是合理運用系統(tǒng)用風、處理好內漏，保證窯外系統(tǒng)相對理想的三維流場。窯外系統(tǒng)的溫度、壓力和廢氣分析參數(shù)往往會伴隨塌料出現(xiàn)相應的變化，如果細加觀察就會發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)后，可適當?shù)叵忍岣吒G內溫度，甚至慢點窯，以求小調整防止大波動。

（2）大塊結皮掉在窯尾煙室的下料斜坡上，造成物料堆積，積到一定程度后突然塌下，產(chǎn)生一了與第一種情況相間的影響，在生產(chǎn)中要嚴格控制配料的化學成分，嚴格控制窯尾溫度，防止跑煤后燃。以防止大塊結皮出現(xiàn)。

9 .轉矩趨勢突然升高，然后逐漸下降，如附圖二所示。一般是垮圈或垮窯皮造成，升高的幅度越大，則垮落得越多。操作時，在燃燒完全的基礎上適當提高燒成溫度。如果升高幅度過大則要減產(chǎn)慢窯處理。如果垮窯皮過多有危及窯安全運轉，則應補掛窯皮或采取更強烈的措施。在垮落物料進人篦冷機前，要注意冷機的操作。還要注意入窯分解率的控制和用風的調節(jié)。

10.窯電流出現(xiàn)毛刺型。如果趨勢信號采集密度小，則不易判斷；但常有窯尾負壓大，火焰反撲等現(xiàn)象。一般是因為窯內物料液相量多、垮窯皮，不完全燃燒或塌料混料等造成結球所致。生產(chǎn)中要根據(jù)結球的大小、數(shù)最來采取合理有效的措施。操作時一定，要注意窯襯保護，以防窯皮和窯襯損壞。

四、窯電流應用注意事項及易產(chǎn)生誤斷的幾個問題

1.窯電流是燒成溫度、窯速、喂料量、物料液相量、窯皮、機械及電氣等情況的綜合反應，切不可單獨依靠這一參數(shù)來控制生產(chǎn)。要有效地結合其它相關參數(shù)，才能很好地發(fā)揮作用。

2.窯電流數(shù)值的高低并不絕對代表燒成溫度的高低。要結合物料化學成份、預燒情況及窯況來合理控制才能達到生產(chǎn)要求。

3.要注意以下幾個易造成誤操作的情況。

（1）來料不均的情況下，出窯物料變少，火焰相對伸長，燒成帶變長，電流顯示偏高。此時，如果將燒成溫度放低，則會出現(xiàn)預燒差的物料進人燒成帶的情況，使熱工制度和均恒生產(chǎn)受到損壞。

（2）窯處于非正常情況下，來料增大，火焰后縮，燒成帶變矩，窯電流值下降。如果此時加大窯頭用煤和凈風，勢必造成“逼火”。所以，應先使火焰順楊后再提燒成溫度。

（3）窯內“燒流”，顯示窯電流值偏低，此時減煤，窯電流反而會上升，若不結合其它參數(shù)判斷失誤，后果不堪設想。

（4）熟料由于部分“跑生”，產(chǎn)生混料，熟料出現(xiàn)未燒透的大顆粒黃心料，顯示電流值偏高，實質是燒成熱力強度不夠，溫度偏低，若不結合其它參數(shù)判斷失誤，會造成熟料質量失控。

（5）窯速大幅變動時窯電流會產(chǎn)生跳躍，窯速偏低時窯電流會反而增長很多，這可能是電氣原因引起的，不能反應窯內鍛燒情況。

（6）筒體變形、窯頭窯尾機械摩擦而造成的窯電流值偏大，并不能說明窯內溫度就偏高。

4.窯電流采集信號的密度不同，其電流趨勢軌跡變化的明顯程度也不同。不能千篇一律死搬照用。