1、引言
    回轉(zhuǎn)窯作為水泥生產(chǎn)過程中核心的熱工設(shè)備，經(jīng)預熱分解的物料從窯尾煙室落入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，伴隨著窯體的旋轉(zhuǎn)連續(xù)向窯頭運動，并進行一系列復雜的物理化學反應(yīng)。燃料燃燒放熱為物料反應(yīng)提供熱量，耐火磚防止熱量散失使物料反應(yīng)正常連續(xù)進行，這樣，整個回轉(zhuǎn)窯由于熱量傳遞而處于高溫灼熱狀態(tài)。為了防止回轉(zhuǎn)窯的熱脹冷縮，簡體表面溫度一般不高于400℃。目前，對簡體多采用冷卻風機直接風冷，但冷卻風機的風量和數(shù)量一般都會有很大富余，增加了生產(chǎn)成本，同時冷卻風機位置的不同，對于冷卻效果也產(chǎn)生了很大的影響。
    窯簡體表面溫度間接反映窯內(nèi)物料的反應(yīng)及其與氣流的熱傳遞情況，雖然目前用一些設(shè)備，如紅外線筒體掃描測量、回轉(zhuǎn)窯滑環(huán)式測溫系統(tǒng)、窯頭紅外比色測溫儀、計算機圖像處理等，能夠測量簡體表面的溫度曲線，但由于一些物理上的限制不能將窯內(nèi)的溫度情況直觀地測定和很好地展現(xiàn)出來，應(yīng)用數(shù)值模擬方法來得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場，可以突破上述限制，且用于指導實踐。
    目前，已有許多學者開展回轉(zhuǎn)窯相關(guān)數(shù)值模擬研究。建立了回轉(zhuǎn)窯窯壁非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，并對窯皮厚度進行了優(yōu)化；運用有限元方法對10000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯溫度場與熱應(yīng)力場進行了分析，得到了回轉(zhuǎn)窯的溫度場和熱應(yīng)力分布；研究了10000t/d回轉(zhuǎn)窯風機冷卻情況，并采用生產(chǎn)實踐與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了鼓風冷卻方式。本文依據(jù)回轉(zhuǎn)窯各溫度范圍內(nèi)物料的物理、化學反應(yīng)，以及物料和氣流在回轉(zhuǎn)窯窯長方向上的理論溫度曲線，得到了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁的等效溫度曲線，并對簡體冷卻風機、輪帶冷卻風機的風量選擇及個數(shù)進行了研究，以達到延長耐火磚使用壽命、提高回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)率、降低電耗的目的。
2、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱的基本理論
    根據(jù)傳熱學理論分析回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部發(fā)生的傳熱過程，實際以熱傳導、熱對流和熱輻射三種形式存在。
    回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流的溫度，從理論上來說，在回轉(zhuǎn)窯外殼圓周方向上為一定值。由于窯體的旋轉(zhuǎn)，窯內(nèi)壁不斷與熱氣流和溫度相對較低的物料接觸，并進行熱交換。對于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和氣流對窯內(nèi)壁的傳熱作用，可以看成是物料對其不斷降溫，而氣流對窯內(nèi)壁不斷加熱的過程。這樣，在回轉(zhuǎn)窯周向上窯內(nèi)壁的溫度趨近于恒定，即
 
    而對于窯簡體表面，主要以熱輻射和熱對流的形式向大氣散熱，可以按綜合換熱系數(shù)進行處理。正常連續(xù)生產(chǎn)時，整個回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，流入系統(tǒng)的熱量基本等于流出的熱量，因此可以將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部傳熱近似看成是穩(wěn)態(tài)傳熱。
3模擬方案
3.1本模擬相關(guān)材料的物性參數(shù)
    回轉(zhuǎn)窯用耐火磚、澆注料、鋼及窯皮的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。
 
3.2模型的建立
    結(jié)合新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯的實際生產(chǎn)工藝，使用ANSYS軟件中的Plane 55單元，建立了含窯皮、耐火磚、澆注料以及簡體在內(nèi)的數(shù)值模型。
    圖1為所建的包含窯皮、耐火磚及簡體在內(nèi)的數(shù)值模型徑向剖面的示意圖。圖2為劃分網(wǎng)格后的回轉(zhuǎn)窯軸向剖面二維數(shù)值模型的示意圖（y方向上放大了10倍）。其中，以窯頭的中心位置為原點，窯長方向為x軸，窯徑向方向為y軸，對于厚度較小的簡體處，網(wǎng)格劃分較細。

3.3邊界條件
3.3.1在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁施加物料和氣流溫度邊界條件
    圖3給出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料、氣流的理論溫度曲線以及它們綜合作用的等效溫度曲線。
3.3.2在簡體表面施加綜合散熱系數(shù)邊界條件
回轉(zhuǎn)窯筒體表面以熱對流和輻射的方式向外界空氣侍熱。該項目所用簡體冷卻風機和輪帶冷卻風機的風量均為25000rri3{}1，但因出口截面積不同，風機出口處風速分別為28m/s和20m/s。不同溫差、不同風速下筒體表面的對流換熱系數(shù)如表2所示。
4模擬結(jié)果
4.1初始窯皮厚度時的模擬結(jié)果
    首先建立了初始窯皮厚度為200mm的模型，從模擬結(jié)果中讀取了簡體表面的溫度數(shù)據(jù)，并繪制成窯長方向的曲線如圖4所示，與圖5中從工廠實際生產(chǎn)線上采集的回轉(zhuǎn)窯簡體表面溫度曲線進行對比�？梢钥闯�，兩條曲線的走向基本一致，結(jié)果顯示回轉(zhuǎn)窯的1號和2號輪帶間的簡體表面溫度較高，其他位置的溫度較低，說明
 
    圖(b)和(c)中可以看出，2號和3號輪帶兩側(cè)的溫度相對較高。這是由于回轉(zhuǎn)窯簡體（鋼）的導熱系數(shù)相對較大，熱量向外界傳遞的多；另外，2號輪帶處沒有窯皮的保護，使得更多的熱量傳到窯簡體表面，同時，本項目中所用燃料為石油焦，所含揮發(fā)分少，燃盡時間長，火焰長度較長，使得2號輪帶兩側(cè)簡體溫度較高。這也說明在此處使用輪帶冷卻風機是十分必要的，它可以防止輪帶因為溫度過高而產(chǎn)生較大的膨脹。建議使用火焰較長燃料的生產(chǎn)線，必須在2號輪帶處增加一臺輪帶冷卻風機，而且若此處沒有窯皮保護，所用的冷卻風機風量應(yīng)該適當比3號輪帶大一些。
    圖7為窯皮厚度不均一時筒體表面的溫度曲線，可以更加明顯地看出窯皮較薄的位置，簡體表面溫度較高，窯皮較厚的位置，筒體表面溫度較低。同時，可以看出2號輪帶兩側(cè)的溫度比3號輪帶兩側(cè)的溫度高近100℃。這是因為2號輪帶兩側(cè)比3號輪帶兩側(cè)熱量傳遞得多，而本項目中兩個輪帶使用的冷卻風機風量相同，建議2號輪帶冷卻風機的風量比3號輪帶的要大一些，防止2號輪帶膨脹變形，影響正常生產(chǎn)。
    2號輪帶靠向窯尾一側(cè)的輪帶因為沒有窯皮的保護，溫度較高，建議在此位置加兩臺冷卻風機，避免耐火磚因受高溫沖刷而嚴重損飭，同時可延長耐火磚的使用壽命，提高回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)率。
    簡體和輪帶冷卻風機的冷卻作用，主要受風機風量大小和風機出口形狀及相應(yīng)尺寸的影響。本文中研了僅改變風機風量大小而其他條件不變的情況，而在該情況下，一定風量對應(yīng)一定的風機出口速度。圖8給出了不同2號輪帶冷卻風機出口速度與該位置筒體表面溫度的關(guān)系。從中可以看出，簡體表面溫度與冷卻風機出口速度基本呈線性關(guān)系，冷卻風機出口速度越大，相應(yīng)位置處簡體表面溫度越低。然而，風機出口速度不能太大，以防噪音污染，因此，本文中將2號筒體冷卻風機出口風速調(diào)整到35m/s．其效果如圖9中所示。
    圖9給出了在2號輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺冷卻風機，并加大2號輪帶冷卻風機風量后的簡體表面溫度曲線，從該圖中能明顯看出，在2號輪帶靠向窯尾一側(cè)加兩臺冷卻風機，并加大2號輪帶冷卻風機風量后，該位置處簡體表面的溫度降低了5℃左右。
4.3不同簡體冷卻風機數(shù)量時的模擬結(jié)果
    隨著生產(chǎn)趨于正常，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的窯皮厚度相對穩(wěn)定，這樣，就不需要所有的簡體冷卻風機都對簡體進行冷卻，可停開部分冷卻風機。為此，建立了7臺簡體冷卻風機工作時的數(shù)值模型，并將結(jié)果與II臺簡體冷卻風機工作時的情況進行比較。

    圖10力簡體冷卻風機數(shù)量不同時，簡體表面溫度曲線。從中可以看出，用7臺簡體冷卻風機與用11臺相比，簡體表面的溫度隨風機數(shù)量減少，在窯長方向上9～23m的局部區(qū)域，溫度起伏周期變大，但溫度值范圍基本無變化，從耐火材料的使用性能考慮，這種局部區(qū)域周期變大對耐火材料不會產(chǎn)生任何影響，對簡體的熱交換能力亦無明顯影響。
5結(jié)論
    本文通過建立新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯數(shù)值模型，利用ANSYS有限元分析軟件對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的傳熱情況進行了模擬，得到以下結(jié)論：
    (1)根據(jù)實際工況參數(shù)、條件，用ANSYS軟件構(gòu)造了二維模型，實現(xiàn)了對新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯熱工過程的數(shù)值模擬，且模擬結(jié)果與實測窯體表面溫度參數(shù)吻合較好。
    (2)窯皮厚度較厚時，熱量散失較少，有利于熟料的正常生產(chǎn)。因此，實際生產(chǎn)中要盡量維持較厚的窯皮，最好在200mm左右。
    (3)2號輪帶兩側(cè)的溫度比3號輪帶兩側(cè)的溫度高，建議使用石油焦傲燃料生產(chǎn)水泥熟料的生產(chǎn)線．2號輪帶冷卻風機的風量比3號輪帶的要大一些。2號輪帶靠向窯尾一側(cè)的簡體表面溫度較高，建議使用兩臺冷卻風機。
    (4)當實際生產(chǎn)中窯皮厚度穩(wěn)定時，可以適當減少簡體冷卻風機的數(shù)量，降低電耗，若停開4臺簡體冷卻風機，可每天節(jié)省用電720 kWh。
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