ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЦЕПНЫХ ЗАВЕС ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ

УДК 666.9.04

Польский Л.Л., Златковский А.Б.
Гос ОАО НИИ «Укрдицемент» (Харьков, Украина)

Эффективность использования цепных завес во вращающихся печах определяется не только тепловыми и аэродинамическими режимами, но и в значительной степени технологическими свойствами обжигаемых цементно-сырьевых шламов.

Так, в процессе продвижения шлама вдоль печи под воздействием высоких температур и присадки пыли (или совместно с золой твердого топлива) значительно изменяются его влажность, растекаемость, липкость и другие характеристики, влияющие на процесс сушки шлама и теплообмен между обжигаемым материалом и газовым потоком.

Одним из основных условий обеспечения низкого расхода топлива при обжиге клинкера является хорошая предварительная подготовка материала, учитывая при этом, что до сорока процентов тепла расходуется на сушку шлама.

Известно, что с изменением температуры шлама изменяются и его реологические свойства, однако, до настоящего времени эти факторы при выборе цепной завесы практически не учитываются в связи с отсутствием достаточно апробированных данных и методов оценки изменения свойств шламов в зависимости от температуры.

Указанное обстоятельство обусловлено недостаточной изученностью механизма изменения свойств цементно-сырьевых шламов в области повышенных температур, отсутствием достоверных данных о предельных границах перехода из пластичного состояния в непластичное из коагуляционных структур в конденсационные, роли и количества присаживающейся пыли и в смещении при этом предельных границ переходных структур. Нет также достаточных данных об изменении адгезионных свойств шламов при их налипании на горячие звенья цепи.

Знание и умение определять изменения столь сложного и многофакторного комплекса свойств шламов при повышенных температурах позволило бы более квалифицированно решать вопросы выбора конструкции цепных завес.

На основании анализа опубликованных литературных материалов (1-5), обобщения практического опыта эксплуатации печей и результатов проведенных нами исследований, процесс образования слоя налипаемого материала на звенья цепи обуславливается:

• реологическими свойствами сырьевого шлама в данном температурном интервале;
• плотностью исходного шлама;
• геометрической формой и состоянием поверхности цепи;
• скоростью сушки шлама.

Аналитическое исследование функциональных воздействий указанных факторов показало следующее:

• повышение поверхности теплообмена пропорционально увеличению диаметра тела цепи;
• прирост поверхности теплообмена тем больше, чем толще шламовая пленка;
• толщина пленки не зависит от скорости извлечения звена цепи из шлама.

Следует подчеркнуть, что недостаточная поверхность цепи приводит не только к повышению температуры отходящих газов, но и к изменению остаточной влаги в материале. С другой стороны, при излишней поверхности цепной завесы шлам пересушивается, что повышает его пылевынос с отходящими газами и ухудшает теплообмен. Кроме того, чем при более низкой влажности достигается максимальное налипание шлама на цепях, тем больше зона вязкопластичного шлама, тем больше и зона пылеулавливания. И чем быстрее при этом происходит сход материала с поверхности цепи, тем вероятнее образование гранул и тем меньше зона пылеобразования.

Об эффективности влияния цепных завес на скорость сушки шлама при его продвижении по длине печи позволяют судить результаты наших экспериментов на вращающихся печах Æ5,0 х 185 м двух украинских заводов: ОАО «Балцем» (табл. 1) и «Югцемент» (табл. 2).

Из приведенных данных следует, что интенсивность сушки шлама на начальном 20-метровом участке цепной завесы печи происходит одинаково как для мелово-глинистого шлама ОАО «Балцем», так и для известняково-глинистого шлама ОАО «Югцемент». На последующем этапе процесс сушки известняково-глинистого шлама идет более интенсивно. Эта зависимость прослеживается и на изменении температуры сырьевой смеси.

Указанное положение обусловлено как различием в свойствах приведенных шламов, так и недостаточной плотностью цепной завесы на отдельных участках печи ОАО «Балцем». Для достижения нулевой влажности (при температуре шлама 100-105 ⁰С) для шлама ОАО «Югцемент» требуется 40 мин. (из них в режиме постоянной скорости сушки 3,6-3,7 кг/м²·час – 20 мин.), а для шлама ОАО «Балцем» – 45 мин.

Не рассматривая весь механизм объемного изменения образующихся в процессе сушки сырьевых гранул, следует особо подчеркнуть, что чем выше скорость сушки (dW/dt, кг/м²·ч), тем больше вероятность растрескивания высушенных гранул. Кроме того, при большей скорости сушки из-за интенсивного парообразования не происходит хорошее сцепление отдельных частиц высыхающего шлама, и вместо сырьевых гранул будут преобладать частички материала размером от  0.5 до 1.0 мм.

Следовательно, величину поверхности теплообмена цепей для каждой сырьевой смеси следует выбирать с учетом интенсивности отдачи влаги сырьевой смесью в различных режимах сушки (постоянной и падающей скорости сушки), с последующим пересчетом на температуру и скорость  движения теплоносителя  и др. сопутствующие параметры.

Как указывалось выше, под воздействием высоких температур резко изменяется весь комплекс свойств  сырьевых шламов при их продвижении вдоль печи. Это связано с тем, что структура в дисперсной системе шлама изменяет свою основу. Т.е. коагуляционная структура переходит в конденсационную, обусловленную уже прямыми связями сцепления, как вследствие непосредственного сближения частиц при утоньшении или исчезновении водных прослоек между ними, так и за счет образования и роста новой фазы, что приводит к изменению пластичных и упругих свойств шлама (рассматривая его как систему).

При этом новое образование имеет прочную структуру, которая до начала разрушения характеризуется определенной прочностью (пределом прочности, модулями упругости и др.).

Следует также учитывать, что высушенный и измельченный цепями материал выходит из цепной завесы в виде гранул и части пыли, значительный процент которой помимо безвозвратного пылеуноса смешивается со шламом. Эта присадка пыли к шламу повышает его способность к структурообразованию и упрочняет  структуру шлама, оказывает определенное влияние на толщину шламовой пленки на звеньях цепи. При добавлении 7-15 %  пыли к шламу  предельное статическое напряжение сдвига  увеличивается примерно в 7-8 раз, вязкость в 2.5-3.0 раза, а толщина пленки шлама, налипшей на звенья цепи, пропорциональна log Q_сдв и log h. В интервалах влажности шлама 44-35 % толщина пленки составляет  2-12 мм.

Важным фактором в выборе оптимальной длины цепной завесы является определение границ зон текучего и пластичного состояния и зоны грануляции.

В результате аналитической обработки результатов проведенных исследований изменения всего комплекса реологических параметров под воздействием высоких температур (применительно к условиям движения шлама во вращающейся печи) составлена общая схема состояния структур и соответствующих им параметров (таблица 3). В схеме приняты следующие обозначения: W – влажность шлама, %; t – температура шлама, ⁰С; Р – растекаемость, мм; h₀ – вязкость шлама практически неразрушенной структуры, Н·сек/м²; h_m – вязкость предельно разрушенной структуры, Н·сек/м²; Q — динамическое напряжение сдвига, Н/м²; Л – липкость, г/см².

Данные определения влажностных границ переходных состояний на шламах различных составов, отобранных более чем на 20 цементных заводах, послужили основой построения номограммы для определения соответствующих переходных границ состояний (рис. 1). Приведенные границы переходных состояний относятся к цементно-сырьевым шламам без присадки пыли. В случае присадки пыли к шламу границы переходных состояний  сдвигаются и их значения  устанавливаются экспериментально.

Следует отметить, что приведенные данные согласуются с результатами исследований «СибНИИЦемента». Изменение технологических параметров мелово-глинистого шлама по длине вращающейся печи о 5,0 х 185 м ОАО «Балцем» приведены на рис. 2.

Результаты проведенных исследований были положены в основу разработки метода определения величины налипания пленки шлама на поверхность цепных завес. Определения проводились при изменении температуры поверхности цепи от 100 до 500 ^ОС и сырьевого шлама от 20 до 80 ^ОС. Было установлено, что максимальная толщина слоя (14-15  мм), налипающего на поверхность цепи, создается при следующих значениях влажности:

• для мелово-глинистых шламов – в интервале 32-33 %, при температуре поверхности цепи 300 ^ОС;
• для известняково-глинистых шламов в интервале 28-36 % и при температуре поверхности цепи 300-400  ^ОС.

Дальнейшее понижение влажности шлама приводит к потере способности его налипания на поверхность цепи. Следовательно, при выборе конструкции цепной завесы (длина зоны навески цепей, плотность на отдельных участках и др.) необходимо исходить из того, что толщина пленки должна быть не менее определенного значения, при котором не имеет место быстрая пересушка материала и оголение цепей, приводящее к снижению срока их службы. Это вызвано тем, что в результате длительного пребывания цепей в высокотемпературном газовом потоке и сравнительно незначительно в материале происходит их перегрев.

С другой стороны, слишком большая толщина пленки сдвигает кривую сушки в область разогрева, что также является нежелательным. Следовательно, обеспечение оптимального режима сушки шлама можно достичь регулированием скорости движения материала по длине печи за счет изменения плотности навески цепей на отдельных участках зоны сушки.

Приведенные выше данные по влажности шламов в основном соответствуют тем пределам, при которых величина липкости шлама достигала максимального значения.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что при разработке комплекса технических мероприятий по снижению  расхода топлива и интенсификации процесса обжига во вращающихся печах действующих цементных заводов следует проводить предварительно изучение реологических свойств обжигаемых сырьевых шламов.

При проведении расчетов цепных завес необходимо учитывать, что на участках цепной завесы, где шлам находится в текучем и вязкопластичном состоянии и налипает на звенья цепей, испарение влаги из него происходит непосредственно с поверхности зеркала  его слоя и с пленки налипшей на цепи. Роль регенеративного теплообмена здесь незначительна. На участке сыпучего материала (пониженной пластичности и непластичности) теплопередача осуществляется, в основном, за счет регенеративного цикла теплообмена. Следовательно, необходимо учитывать и различные величины коэффициентов теплоотдачи от поверхности цепей материалу, а также материалу в единице объема цепной зоны. Это позволит определить на граничных участках поверхностный (K_F/м²/м³) и объемный (K_V/м²/м³) коэффициенты плотности навески цепей, длину участков (м) и длину цепи (м).

Библиографический список

1. В.З. Нестеренко, И.Г.Мосьпан. Об оптимальном режиме работы цепной завесы вращающейся печи. //Цемент. — 1974. — № 6.
2. Интенсификация процесса обжига клинкера во вращающейся печи на Карагандинском цементном заводе. /О.И. Авраменко, Г.Т.Афанасенко, В.К.Балицкий, Л.Л.Польский. //Труды института Южгипроцемент, сб. ХII, 1971.
3. А.М.Дмитриев, И.А.Фридман. Пути снижения расхода тепла при обжиге клинкера. //Цемент. — 1978. — № 7.
4. А.Ф.Мешик. Исследование конвективного теплообмена в цепных зонах. Труды НИИЦемента, вып. 16, 1963.
5. Исследования состава сырьевых шихт с учетом различных видов компонентов и изменений модульных характеристик шлама. / А.В.Брызжик, Е.В.Текучева, В.М.Семенова, В.К.Классен и др. //Цемент и его применение. — 1999. — № 3.