1、引言
回轉窯作為水泥生產過程中核心的熱工設備，經預熱分解的物料從窯尾煙室落入回轉窯內，伴隨著窯體的旋轉連續向窯頭運動，并進行一系列復雜的物理化學反應。燃料燃燒放熱為物料反應提供熱量，耐火磚防止熱量散失使物料反應正常連續進行，這樣，整個回轉窯由于熱量傳遞而處于高溫灼熱狀態。為了防止回轉窯的熱脹冷縮，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量一般都會有很大富余，增加了生產成本，同時冷卻風機位置的不同，對于冷卻效果也產生了很大的影響。
窯簡體表面溫度間接反映窯內物料的反應及其與氣流的熱傳遞情況，雖然目前用一些設備，如紅外線筒體掃描測量、回轉窯滑環式測溫系統、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的溫度情況直觀地測定和很好地展現出來，應用數值模擬方法來得到回轉窯內的溫度場，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窯相關數值模擬研究。建立了回轉窯窯壁非穩態數學模型，并對窯皮厚度進行了優化；運用有限元方法對10000t/d水泥回轉窯溫度場與熱應力場進行了分析，得到了回轉窯的溫度場和熱應力分布；研究了10000t/d回轉窯風機冷卻情況，并采用生產實踐與數值模擬相結合的方法，確定了鼓風冷卻方式。本文依據回轉窯各溫度范圍內物料的物理、化學反應，以及物料和氣流在回轉窯窯長方向上的理論溫度曲線，得到了回轉窯內壁的等效溫度曲線，并對簡體冷卻風機、輪帶冷卻風機的風量選擇及個數進行了研究，以達到延長耐火磚使用壽命、提高回轉窯運轉率、降低電耗的目的。
2、回轉窯內部傳熱的基本理論
根據傳熱學理論分析回轉窯內部發生的傳熱過程，實際以熱傳導、熱對流和熱輻射三種形式存在。
回轉窯內物料和氣流的溫度，從理論上來說，在回轉窯外殼圓周方向上為一定值。由于窯體的旋轉，窯內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。對于回轉窯內物料和氣流對窯內壁的傳熱作用，可以看成是物料對其不斷降溫，而氣流對窯內壁不斷加熱的過程。這樣，在回轉窯周向上窯內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進行處理。正常連續生產時，整個回轉窯系統處于熱平衡狀態，流入系統的熱量基本等于流出的熱量，因此可以將回轉窯內部傳熱近似看成是穩態傳熱。
3模擬方案
3.1本模擬相關材料的物性參數
回轉窯用耐火磚、澆注料、鋼及窯皮的物理性質參數如表1所示。
3.2模型的建立
結合新型干法水泥回轉窯的實際生產工藝，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的數值模型。
圖1為所建的包含窯皮、耐火磚及簡體在內的數值模型徑向剖面的示意圖。圖2為劃分網格后的回轉窯軸向剖面二維數值模型的示意圖（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，網格劃分較細。
3.3邊界條件
3.3.1在回轉窯內壁施加物料和氣流溫度邊界條件
圖3給出了回轉窯內物料、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邊界條件
回轉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如表2所示。
4模擬結果
4.1初始窯皮厚度時的模擬結果
首先建立了初始窯皮厚度為200mm的模型，從模擬結果中讀取了簡體表面的溫度數據，并繪制成窯長方向的曲線如圖4所示，與圖5中從工廠實際生產線上采集的回轉窯簡體表面溫度曲線進行對比。可以看出，兩條曲線的走向基本一致，結果顯示回轉窯的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號輪帶兩側的溫度相對較高。這是由于回轉窯簡體（鋼）的導熱系數相對較大，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，所含揮發分少，燃盡時間長，火焰長度較長，使得2號輪帶兩側簡體溫度較高。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生較大的膨脹。建議使用火焰較長燃料的生產線，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號輪帶兩側的溫度比3號輪帶兩側的溫度高近100℃。這是因為2號輪帶兩側比3號輪帶兩側熱量傳遞得多，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。
2號輪帶靠向窯尾一側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，提高回轉窯的運轉率。
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系，冷卻風機出口速度越大，相應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量時的模擬結果
隨著生產趨于正常，回轉窯內的窯皮厚度相對穩定，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值模型，并將結果與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量減少，在窯長方向上9～23m的局部區域，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，這種局部區域周期變大對耐火材料不會產生任何影響，對簡體的熱交換能力亦無明顯影響。
5結論
本文通過建立新型干法水泥回轉窯數值模型，利用ANSYS有限元分析軟件對回轉窯內部的傳熱情況進行了模擬，得到以下結論：
(1)根據實際工況參數、條件，用ANSYS軟件構造了二維模型，實現了對新型干法水泥回轉窯熱工過程的數值模擬，且模擬結果與實測窯體表面溫度參數吻合較好。
(2)窯皮厚度較厚時，熱量散失較少，有利于熟料的正常生產。因此，實際生產中要盡量維持較厚的窯皮，最好在200mm左右。
(3)2號輪帶兩側的溫度比3號輪帶兩側的溫度高，建議使用石油焦傲燃料生產水泥熟料的生產線．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)當實際生產中窯皮厚度穩定時，可以適當減少簡體冷卻風機的數量，降低電耗，若停開4臺簡體冷卻風機，可每天節省用電720 kWh。
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