窯電流應(yīng)用機(jī)理及典型性分析

貴州   穆興彬

引言：關(guān)于窯電流的相關(guān)文章，近期在很多公眾號(hào)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(guó)內(nèi)第一篇關(guān)于窯電流應(yīng)用論文《窯轉(zhuǎn)矩在煅燒中的應(yīng)用》，2010年林宗壽教授在《水泥廠十萬(wàn)個(gè)為什么》專著中有相關(guān)描述，2011年《四川水泥》刊發(fā)過(guò)《淺談窯轉(zhuǎn)矩與煅燒操作的關(guān)系》。在二代新型干法水泥生產(chǎn)已發(fā)展到工業(yè)2025的時(shí)代，智能化對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用的依賴程度越發(fā)重要，結(jié)合部分企業(yè)的中控操作員對(duì)窯電流的應(yīng)只知其然而不知其所以然，機(jī)械性的應(yīng)用于操作指導(dǎo)，造成了能耗和安全生產(chǎn)的隱患。參考《窯轉(zhuǎn)矩在煅燒中的應(yīng)用》一文從理論推導(dǎo)到實(shí)踐的論述，重新整理，以共享之。

一、新型干法窯內(nèi)各帶產(chǎn)生扭矩的分析

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

1、過(guò)渡帶

經(jīng)過(guò)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(yùn)動(dòng)。雖然物料也因窯的旋轉(zhuǎn)而被帶到一定高度。但基本處于窯的中心，因此力臂較小（對(duì)其進(jìn)行受力分析可知）。物料運(yùn)動(dòng)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(xué)的知識(shí)分析可知，其機(jī)械力矩較小。對(duì)于整臺(tái)窯轉(zhuǎn)動(dòng)矩來(lái)說(shuō)只占很小一部分，窯運(yùn)轉(zhuǎn)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(yīng)逐漸完成，形成了水泥熟料，其物料容重比前幾個(gè)帶內(nèi)物料容重大得多。物料運(yùn)動(dòng)速度和過(guò)渡帶相比，相對(duì)容重較大，填充率也相對(duì)較高，出燒成帶內(nèi)停留物料重量也相對(duì)較大，因?yàn)闊蓭?nèi)物料重量較大，對(duì)窯作用的力也較大。

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

根據(jù)力學(xué)公式M=F·d可知，燒成帶內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)所需克服的力矩占了窯運(yùn)轉(zhuǎn)所需扭矩的主導(dǎo)地位。

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

燒成帶長(zhǎng)時(shí)，滾動(dòng)物料區(qū)軸向也相對(duì)燒成帶矩時(shí)伸長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)矩也會(huì)相對(duì)較大。反之，則轉(zhuǎn)矩較小。

新型干法生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯燒成帶占窯長(zhǎng)度的40%~50%，燒成帶產(chǎn)生的力矩在整個(gè)窯運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)窯中占全窯長(zhǎng)度比例很小，這一帶物料運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)矩的控制，在煅燒中有很重要的意義。

二、窯電機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

 我國(guó)水泥回轉(zhuǎn)窯一般都用直流電機(jī)。根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性有：

M=Mem—M0

式中：M：電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；

Mem：電機(jī)電磁力矩；

M0：渦流磁帶與通風(fēng)摩擦阻轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，是常數(shù)。

根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式可知：

Mem=M0，+MZ+Mj

式中：M0，：窯空載運(yùn)轉(zhuǎn)所需扭矩，基本是常數(shù)；

           MZ：窯負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

           Mj：慣性轉(zhuǎn)矩，窯速不變時(shí)可略去不計(jì)。

因此，在窯速不變的悄況下，可用電機(jī)電磁力矩Mem近似地表示窯的負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ，即窯轉(zhuǎn)矩可直接計(jì)算電機(jī)電磁力矩來(lái)表示。

根據(jù)電機(jī)調(diào)速方法的不同，有兩種計(jì)算電機(jī)電磁力矩 Mem的方法：

一種是用電樞串電阻調(diào)速或降低電樞電壓調(diào)速即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的計(jì)算方法：

Mem=CmIaφ

式中：Cm：轉(zhuǎn)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(lái)代表轉(zhuǎn)矩。

另一種是改變磁通來(lái)調(diào)整，即恒功率調(diào)速。水泥窯用電機(jī)很少用這種方法調(diào)速。有資料表明，這種方法調(diào)速的不能用電樞電流來(lái)代表轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)阻；

     N：轉(zhuǎn)速。

對(duì)于雙電機(jī)拖動(dòng)的電流可用下式計(jì)算：

I=1/2·(I1+I2)

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算和分析，可以用電樞電流的變化來(lái)近似地表示為窯轉(zhuǎn)矩的變化，這也是近期相關(guān)公眾號(hào)文章和相關(guān)期刊文獻(xiàn)以窯電流講述回轉(zhuǎn)窯操作控制理論基礎(chǔ)的來(lái)源。

三、典型性窯電流趨勢(shì)的分析

1.窯電流趨勢(shì)很平穩(wěn)，其軌跡細(xì)且直。這是熱工制度穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好的表現(xiàn)。此時(shí)無(wú)須調(diào)節(jié)。只要繼續(xù)注意監(jiān)控即可。

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

（1）窯內(nèi)可能結(jié)圈。因?yàn)槲锪隙逊e在圈后隨窯旋轉(zhuǎn)被帶到一定高度。然后全部翻滾下來(lái)，有的物料甚至翻滾到中心線的另一邊所造成的。結(jié)合其它參數(shù)如窯頭、窯尾負(fù)壓、紅外線掃描結(jié)合成像儀測(cè)量的筒體溫度情況等來(lái)加以判斷、確認(rèn)。如果有結(jié)圈，則先將圈處理掉，然后逐漸恢復(fù)正常。結(jié)圈時(shí)的窯電流相對(duì)沒有圈時(shí)的電流高。其高的程度以圈的厚度和圈的類型有關(guān)。圈處理下來(lái)后，窯電流的波動(dòng)性會(huì)變小，窯電流值也會(huì)變低。其它相關(guān)參數(shù)也會(huì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察得以進(jìn)一步證實(shí)。變形嚴(yán)重時(shí)，可能有“息輪”現(xiàn)象出現(xiàn)，需逐步調(diào)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(dòng)。除窯機(jī)械故障造成外，極可能是窯皮不平，甚至窯皮出現(xiàn)嚴(yán)重的半邊厚半邊薄的情況?？梢越Y(jié)合筒體溫度掃描得到的窯皮平整度來(lái)綜合判斷。如果確定是窯皮不平。則要導(dǎo)出其成因．然后“對(duì)癥下藥”調(diào)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(guò)高，可以通過(guò) NOX含量，窯頭高清攝像頭，甚至是燒成溫度檢測(cè)參數(shù)等來(lái)輔助判斷。如果是這種情況，適當(dāng)減少窯頭用煤量就可以了。

（2）窯內(nèi)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(guò)長(zhǎng)或窯皮偏厚也會(huì)造成這種情況。

（4）窯中心線不直以致產(chǎn)生剪切應(yīng)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(diào)整校正，如果是安裝或托輪位移造成，嚴(yán)重時(shí)須要重校正窯中心線。

5.窯電流一直偏低的情況有：

（1）調(diào)控不及時(shí)，造成欠燒或跑生料。而且燒成溫度沒有升高的趨勢(shì)。這時(shí)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(shí)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(yīng)結(jié)合其它參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，嚴(yán)格控制。

（3）窯皮過(guò)薄。如果筒體溫度偏高，則要采取窯皮補(bǔ)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(guò)快應(yīng)采取措施讓它慢慢恢復(fù)正常。

（2）厚窯皮或圈在逐漸形成。如果窯度過(guò)厚，或圈過(guò)高，則應(yīng)加以處理。

7.窯電流趨勢(shì)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(diào)整便可恢復(fù)。

（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(dāng)?shù)姆绞街浦惯@種狀況進(jìn)一步發(fā)展。必要時(shí)，要補(bǔ)掛窯皮。

（3）垮圈或垮窯皮后，積在后邊的未預(yù)燒好的物料涌進(jìn)燒成帶。使燒成帶溫度下降。操作時(shí)要防止火焰“發(fā)死”或是說(shuō)防止“通燒”，根據(jù)窯電流下降的速率來(lái)采取相應(yīng)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(huì)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(yù)熱器或分解爐系統(tǒng)塌料，未經(jīng)預(yù)熱好的物料進(jìn)人窯內(nèi)，造成各帶前移，窯前逼燒。有效的預(yù)防方法是合理運(yùn)用系統(tǒng)用風(fēng)、處理好內(nèi)漏，保證窯外系統(tǒng)相對(duì)理想的三維流場(chǎng)。窯外系統(tǒng)的溫度、壓力和廢氣分析參數(shù)往往會(huì)伴隨塌料出現(xiàn)相應(yīng)的變化，如果細(xì)加觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)后，可適當(dāng)?shù)叵忍岣吒G內(nèi)溫度，甚至慢點(diǎn)窯，以求小調(diào)整防止大波動(dòng)。

（2）大塊結(jié)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(yán)格控制配料的化學(xué)成分，嚴(yán)格控制窯尾溫度，防止跑煤后燃。以防止大塊結(jié)皮出現(xiàn)。

9 .轉(zhuǎn)矩趨勢(shì)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(shí)，在燃燒完全的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高燒成溫度。如果升高幅度過(guò)大則要減產(chǎn)慢窯處理。如果垮窯皮過(guò)多有危及窯安全運(yùn)轉(zhuǎn)，則應(yīng)補(bǔ)掛窯皮或采取更強(qiáng)烈的措施。在垮落物料進(jìn)人篦冷機(jī)前，要注意冷機(jī)的操作。還要注意入窯分解率的控制和用風(fēng)的調(diào)節(jié)。

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

四、窯電流應(yīng)用注意事項(xiàng)及易產(chǎn)生誤斷的幾個(gè)問題

1.窯電流是燒成溫度、窯速、喂料量、物料液相量、窯皮、機(jī)械及電氣等情況的綜合反應(yīng)，切不可單獨(dú)依靠這一參數(shù)來(lái)控制生產(chǎn)。要有效地結(jié)合其它相關(guān)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(duì)代表燒成溫度的高低。要結(jié)合物料化學(xué)成份、預(yù)燒情況及窯況來(lái)合理控制才能達(dá)到生產(chǎn)要求。

3.要注意以下幾個(gè)易造成誤操作的情況。

（1）來(lái)料不均的情況下，出窯物料變少，火焰相對(duì)伸長(zhǎng)，燒成帶變長(zhǎng)，電流顯示偏高。此時(shí)，如果將燒成溫度放低，則會(huì)出現(xiàn)預(yù)燒差的物料進(jìn)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(lái)料增大，火焰后縮，燒成帶變矩，窯電流值下降。如果此時(shí)加大窯頭用煤和凈風(fēng)，勢(shì)必造成“逼火”。所以，應(yīng)先使火焰順楊后再提燒成溫度。

（3）窯內(nèi)“燒流”，顯示窯電流值偏低，此時(shí)減煤，窯電流反而會(huì)上升，若不結(jié)合其它參數(shù)判斷失誤，后果不堪設(shè)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(shí)質(zhì)是燒成熱力強(qiáng)度不夠，溫度偏低，若不結(jié)合其它參數(shù)判斷失誤，會(huì)造成熟料質(zhì)量失控。

（5）窯速大幅變動(dòng)時(shí)窯電流會(huì)產(chǎn)生跳躍，窯速偏低時(shí)窯電流會(huì)反而增長(zhǎng)很多，這可能是電氣原因引起的，不能反應(yīng)窯內(nèi)鍛燒情況。

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

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