窑电流应用机理及典型性分析
贵州 穆兴彬
引言：关于窑电流的相关文章，近期在很多公众号相继登出，维普资讯、CNKI知网空间查阅显示：2002年穆兴彬《贵州建材》刊发国内第一篇关于窑电流应用论文《窑转矩在煅烧中的应用》，2010年林宗寿教授在《水泥厂十万个为什么》专著中有相关描述，2011年《四川水泥》刊发过《浅谈窑转矩与煅烧操作的关系》。在二代新型干法水泥生产已发展到工业2025的时代，智能化对关键数据的收集和应用的依赖程度越发重要，结合部分企业的中控操作员对窑电流的应只知其然而不知其所以然，机械性的应用于操作指导，造成了能耗和安全生产的隐患。参考《窑转矩在煅烧中的应用》一文从理论推导到实践的论述，重新整理，以共享之。
一、新型干法窑内各带产生扭矩的分析
回转窑具有恒转矩特性，这是不争的事实。回转窑载荷的变化是回转窑旋转所需克服扭矩的变化。回转窑旋转所需克服扭矩主要是机械运动摩擦力、电机电磁力矩、物料在窑内运动变化产生扭矩三部分组成。在正常生产时，前两部分均是衡定常数，唯一变化的就是窑内工艺变化，先分析窑内各带受力产生扭矩情况。
1、过渡带
经过分解炉大部分碳酸盐分解后入窑的生料，携带部分逸出C02气体使物为量流态化而快速向前运动。虽然物料也因窑的旋转而被带到一定高度。但基本处于窑的中心，因此力臂较小（对其进行受力分析可知）。物料运动快速而使料层较薄，碳酸盐分解只初步形成化合物，所以容重不大。用力矩学的知识分析可知，其机械力矩较小。对于整台窑转动矩来说只占很小一部分，窑运转所需克服的这一部分力矩也较小，故可以忽略。
2、烧成带
物料烧至部分熔融，化合反应逐渐完成，形成了水泥熟料，其物料容重比前几个带内物料容重大得多。物料运动速度和过渡带相比，相对容重较大，填充率也相对较高，出烧成带内停留物料重量也相对较大，因为烧成带内物料重量较大，对窑作用的力也较大。
烧成带内物料因部分熔融而产生了一定粘性，烧成带内和窑皮又不如分解带的窑衬那样光滑，所以物料随窑旋转而被带起的高度也较高，离窑中心也较远。
根据力学公式M=F·d可知，烧成带内物料运动所需克服的力矩占了窑运转所需扭矩的主导地位。
烧成带温度的高低和烧成带的长短直接影响窑转矩的高低。我们可以以此为依据来控制烧成带温度，具体分析如下：烧成带温度高时，物料被带起的高度较烧成温度低时的高，其力臂δ也因物料离窑中心近而相对δ，较大。烧成温度高时，物料结粒也比烧成温度低的大，物料容量G也比烧成温度低时物料容量G大。两种情况运动产生扭矩的比较分析如下图：
烧成带长时，滚动物料区轴向也相对烧成带矩时伸长，其转矩也会相对较大。反之，则转矩较小。
新型干法生产线的回转窑烧成带占窑长度的40%~50%，烧成带产生的力矩在整个窑运转所需力矩中占比最大。在产量一定的情况下，烧成带温度的变化也是造成力矩变化的主要因素，因此，窑转矩在新型干法窑中的控制有很重要的地位。
3、冷却带
冷却带在新型干法生产线的回转窑中占全窑长度比例很小，这一带物料运动产生的扭矩也很小，且接近常数。
综上所述，烧成带所受力矩变化是全窑力矩变化中最大的影响因素。所以，窑转矩的控制，在煅烧中有很重要的意义。
二、窑电机负荷转矩的计算
我国水泥回转窑一般都用直流电机。根据直流电机转矩特性有：
M=Mem—M0
式中：M：电机输出转矩；
Mem：电机电磁力矩；
M0：涡流磁带与通风摩擦阻转矩，其作用方向与电机转向相反，是常数。
根据电机运动方程式可知：
Mem=M0，+MZ+Mj
式中：M0，：窑空载运转所需扭矩，基本是常数；
MZ：窑负载转矩；
Mj：惯性转矩，窑速不变时可略去不计。
因此，在窑速不变的悄况下，可用电机电磁力矩Mem近似地表示窑的负载转矩MZ，即窑转矩可直接计算电机电磁力矩来表示。
根据电机调速方法的不同，有两种计算电机电磁力矩 Mem的方法：
一种是用电枢串电阻调速或降低电枢电压调速即恒转矩调速的计算方法：
Mem=CmIaφ
式中：Cm：转矩常数；
Ia：电枢电流；
Φ：每极磁通，是常数。
所以，常用电枢电流Ia来代表转矩。
另一种是改变磁通来调整，即恒功率调速。水泥窑用电机很少用这种方法调速。有资料表明，这种方法调速的不能用电枢电流来代表转矩。但Mem可以表示为：
Mem=1/C·（V-Ir0)·I/n
式中：C：常数；
V：电枢电压；
I：电枢电流；
r0：电机内阻；
N：转速。
对于双电机拖动的电流可用下式计算：
I=1/2·(I1+I2)
经过以上计算和分析，可以用电枢电流的变化来近似地表示为窑转矩的变化，这也是近期相关公众号文章和相关期刊文献以窑电流讲述回转窑操作控制理论基础的来源。
三、典型性窑电流趋势的分析
1.窑电流趋势很平稳，其轨迹细且直。这是热工制度稳定，整个系统运行良好的表现。此时无须调节。只要继续注意监控即可。
2.窑电流趋势虽然较细，波幅不大，但是较大的周期性波动。窑传动部分机械故障，窑筒体与窑头、窑尾局部摩擦的机械故障原因外，有两种可能：
（1）窑内可能结圈。因为物料堆积在圈后随窑旋转被带到一定高度。然后全部翻滚下来，有的物料甚至翻滚到中心线的另一边所造成的。结合其它参数如窑头、窑尾负压、红外线扫描结合成像仪测量的筒体温度情况等来加以判断、确认。如果有结圈，则先将圈处理掉，然后逐渐恢复正常。结圈时的窑电流相对没有圈时的电流高。其高的程度以圈的厚度和圈的类型有关。圈处理下来后，窑电流的波动性会变小，窑电流值也会变低。其它相关参数也会发生变化，要注意观察监控。
（2）筒体变形，呈椭圆型可以通过现场观察得以进一步证实。变形严重时，可能有“息轮”现象出现，需逐步调整回归正常，根据具体情况采取不同的处理措施。
3.窑电流较粗，波幅较大，而且呈周期性波动。除窑机械故障造成外，极可能是窑皮不平，甚至窑皮出现严重的半边厚半边薄的情况。可以结合筒体温度扫描得到的窑皮平整度来综合判断。如果确定是窑皮不平。则要导出其成因．然后“对症下药”调整处理。
4.窑电流居高不下，则有如下几种可能：
（1）烧成温度过高，可以通过 NOX含量，窑头高清摄像头，甚至是烧成温度检测参数等来辅助判断。如果是这种情况，适当减少窑头用煤量就可以了。
（2）窑内有圈，物料填充率增高造成。其中，前圈影响尤为明显。其它类型的圈也有不同程度的影响。
（3）烧成带控制过长或窑皮偏厚也会造成这种情况。
（4）窑中心线不直以致产生剪切应力造成。一般情况下很少出现这类现象。如果这种情况出现，常伴随有托轮温度高、托轮息轮等现象。如果是由于盘窑制度不合理造成，则需逐步调整校正，如果是安装或托轮位移造成，严重时须要重校正窑中心线。
5.窑电流一直偏低的情况有：
（1）调控不及时，造成欠烧或跑生料。而且烧成温度没有升高的趋势。这时需要提高烧成温度。
（2）物料易烧性好，或者窑外分解窑入窑真实分解率高，为防止损伤窑衬而将其数值控制偏低些，若是这样，应结合其它参数和现场实际情况，严格控制。
（3）窑皮过薄。如果筒体温度偏高，则要采取窑皮补挂措施。
6.窑电流逐渐升高，有以下几种可能：
（1）窑系统温度控制逐渐上升。如果上升速率过快应采取措施让它慢慢恢复正常。
（2）厚窑皮或圈在逐渐形成。如果窑度过厚，或圈过高，则应加以处理。
7.窑电流趋势逐渐下降的情况有：
（1）烧成温度逐渐下降，一般情况下可以小加调整便可恢复。
（2）窑皮正在被灼蚀。有可能是火焰形状不合理，也有可能是火焰位置不正确。还有可能是配料原因等其它因素造成。根据具体情况分析判断，采取适当的方式制止这种状况进一步发展。必要时，要补挂窑皮。
（3）垮圈或垮窑皮后，积在后边的未预烧好的物料涌进烧成带。使烧成带温度下降。操作时要防止火焰“发死”或是说防止“通烧”，根据窑电流下降的速率来采取相应措施。
8.窑电流突然下降，如附图一所示。一般窑外分解窑才会有这种情况发生，窑外分解窑出现这种情况有两种原因：
（1）预热器或分解炉系统塌料，未经预热好的物料进人窑内，造成各带前移，窑前逼烧。有效的预防方法是合理运用系统用风、处理好内漏，保证窑外系统相对理想的三维流场。窑外系统的温度、压力和废气分析参数往往会伴随塌料出现相应的变化，如果细加观察就会发现。发现后，可适当地先提高窑内温度，甚至慢点窑，以求小调整防止大波动。
（2）大块结皮掉在窑尾烟室的下料斜坡上，造成物料堆积，积到一定程度后突然塌下，产生一了与第一种情况相间的影响，在生产中要严格控制配料的化学成分，严格控制窑尾温度，防止跑煤后燃。以防止大块结皮出现。
9 .转矩趋势突然升高，然后逐渐下降，如附图二所示。一般是垮圈或垮窑皮造成，升高的幅度越大，则垮落得越多。操作时，在燃烧完全的基础上适当提高烧成温度。如果升高幅度过大则要减产慢窑处理。如果垮窑皮过多有危及窑安全运转，则应补挂窑皮或采取更强烈的措施。在垮落物料进人篦冷机前，要注意冷机的操作。还要注意入窑分解率的控制和用风的调节。
10.窑电流出现毛刺型。如果趋势信号采集密度小，则不易判断；但常有窑尾负压大，火焰反扑等现象。一般是因为窑内物料液相量多、垮窑皮，不完全燃烧或塌料混料等造成结球所致。生产中要根据结球的大小、数最来采取合理有效的措施。操作时一定，要注意窑衬保护，以防窑皮和窑衬损坏。
四、窑电流应用注意事项及易产生误断的几个问题
1.窑电流是烧成温度、窑速、喂料量、物料液相量、窑皮、机械及电气等情况的综合反应，切不可单独依靠这一参数来控制生产。要有效地结合其它相关参数，才能很好地发挥作用。
2.窑电流数值的高低并不绝对代表烧成温度的高低。要结合物料化学成份、预烧情况及窑况来合理控制才能达到生产要求。
3.要注意以下几个易造成误操作的情况。
（1）来料不均的情况下，出窑物料变少，火焰相对伸长，烧成带变长，电流显示偏高。此时，如果将烧成温度放低，则会出现预烧差的物料进人烧成带的情况，使热工制度和均恒生产受到损坏。
（2）窑处于非正常情况下，来料增大，火焰后缩，烧成带变矩，窑电流值下降。如果此时加大窑头用煤和净风，势必造成“逼火”。所以，应先使火焰顺杨后再提烧成温度。
（3）窑内“烧流”，显示窑电流值偏低，此时减煤，窑电流反而会上升，若不结合其它参数判断失误，后果不堪设想。
（4）熟料由于部分“跑生”，产生混料，熟料出现未烧透的大颗粒黄心料，显示电流值偏高，实质是烧成热力强度不够，温度偏低，若不结合其它参数判断失误，会造成熟料质量失控。
（5）窑速大幅变动时窑电流会产生跳跃，窑速偏低时窑电流会反而增长很多，这可能是电气原因引起的，不能反应窑内锻烧情况。
（6）筒体变形、窑头窑尾机械摩擦而造成的窑电流值偏大，并不能说明窑内温度就偏高。
4.窑电流采集信号的密度不同，其电流趋势轨迹变化的明显程度也不同。不能千篇一律死搬照用。
