多场耦合作用下回转窑窑衬损伤的本构关系及破损缓和研究

Under the combined effects of thermal loads, mechanical loads and chemical erosion, the kiln lining will uplift，deform or crack，and ultimately the kiln will stop running owing to kiln lining damage. In this project, thermal-mechanical-chemical coupling damage constitutive model of kiln lining material will be established. Based on this, the temperature-mechanical-chemical coupling damage simulation model of kiln lining will be established about the whole process from ignition to normal running, in which the heat and mass transfer model of kiln crust formation, the holographic simulation model of heat process with multivariable coupling conditions will be integrated. After analyzing the impact factors of kiln lining material performance, and their roles on the formation and evolution of kiln lining damage, the weak points and key factors will be find out which will easily cause the kiln lining deformation and damage, thus the kiln lining damage mechanism will be revealed, effective methods will be proposed to reduce the kiln lining damage. Scientific suggestion will be provided for good choice of kiln lining material, suitable kiln lining structure, reasonable kiln crust thickness, optimal production process, kiln lining service life enhancement. After the project, the development of new kiln lining materials with long life and high performance and reasonable kiln lining structure will have good direction and methods, which will be helpful to improve the kiln lining life.

在热负荷、机械载荷和化学侵蚀的综合作用下，回转窑窑衬会隆起、变形或开裂，最终因窑衬破损而停窑。本项目在建立窑衬材料热-力-化学耦合损伤本构关系模型的基础上，以回转窑整体为解析对象，针对回转窑点火升温－转入正常生产的全过程，建立考虑物理化学变化的窑皮形成过程的传热传质模型，多变量耦合工况下回转窑热工过程的全息仿真模型，及温度－机械-化学耦合作用下窑衬损伤的综合仿真模型；分析各种因素对窑衬材料物性参数的影响，及在窑衬损伤的形成与演变中所起的作用，找出导致窑衬变形与破损的薄弱环节及影响因素，进而揭示窑衬破损机理，提出缓和窑衬破损的有效方案，为合理选择窑衬材料、优化窑衬结构及窑皮厚度、确定最佳生产工艺、提高窑衬使用寿命提供科学依据。项目的实施将为长寿命、高效能窑衬的开发及窑衬的合理砌筑形式提供新的思想、方法和手段，对提高回转窑窑衬使用寿命具有重要指导意义。

在热负荷、机械载荷和化学侵蚀的综合作用下，回转窑窑衬会隆起、变形或开裂，最终因窑衬破损而停窑。为缓和窑衬破损，项目从颗粒层面系统地研究了物料在回转窑中的流动及混合过程，阐明了颗粒物料在回转窑中的相关流动特性及混合机理。通过高温下熟料侵蚀耐火砖的一系列化学反应，及化学势梯度与质量扩散的本构关系，建立了反映窑衬材料热－力－化学耦合损伤行为的本构模型，及硫、氯侵蚀耐火砖后产生的碱裂损伤模型，揭示了窑衬材料结构变形及破损规律，并提出了窑衬材质的优选方案及缓和窑衬化学损伤的措施。将窑皮形成过程视为熔融熟料在耐火砖表面的沉积与脱落的动态平衡过程，建立了窑皮形成过程的动力学方程，结合窑体截面的热交换情况，建立了窑皮形成过程的传热传质模型，揭示了回转窑的风量、风压、温度等对窑皮形成过程的影响规律，提出了形成一层理想窑皮的措施。以回转窑筒体及其内容物作为解析对象，结合回转窑内物料运动特性及混合机理，建立了回转窑热工过程的全息仿真模型，得出了回转窑内物料、烟气、窑壁温度场的分布情况，揭示了窑体转速、喷料量、喷煤量等生产工艺参数对熟料质量的影响规律，为实现回转窑的优质低耗生产提供了依据和对策，为准确计算窑衬热应力提供初始参数。以回转窑整体结构作为解析对象，建立了筒体与滚圈的多体热接触仿真模型，得出了回转窑结构参数、机械运行参数与窑衬、筒体、滚圈应变的定量关系，找出了导致窑衬变形与破损的主要影响因素、窑衬早期破损的关键部位。为缓和窑衬破损，针对设计阶段发明了筒体支承位置及筒体厚度的协同优化方法，针对运行阶段，利用高效无线信息交互网络协议及分级路由方法两个发明专利，开发了回转窑运行状态监控系统，提出了基于轴线调整的筒体等强度优化方法。项目从理论上揭示了窑衬破损机理，在实践中提出了缓和窑衬破损的方案，有利于提高回转窑窑衬使用寿命，也为长寿命、高效能窑衬的开发提供了理论依据。