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Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Ofenwandauskleidungen
von Drehöfen in der Zementindustrie sowie mit einer solchen Vorrichtung ausgerüsteter
Drehofen Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät zur Erhöhung e Lebensdauer
des zum Klinkerbrennen dienenden Drehofens in der Zementindustrie, einen mit dem
Gerät versehenen Drehofen, sowie ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer der
Wandauskleidung durch die fortlaufende Bestimmung der Spalte zwischen dem Ofenmantel
und dem Laufring.
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Die vollkommene Ausnützung der Produktivität von Hochleistungsdrehöfen
wird durch die häufigkeit des Schadhaftwerdens der feuerfesten Wandauskleidung und
den zur Wandauskleidungsreparatur erforderlichen Zeitaufwand beeinträchtigt.
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Die feuerfeste Wandauskleidung wird infolge chemischer, thermischer
und mechanischer Beanspruchungen schadhaft. Durch die Entwicklung von Hochleistungsdrehöfen
und öfen mit großen Durchmessern nahm die die feuerfeste Wandauskleidung belastende
Beanspruchung zu. Trotz der Entwicklung und Anwendung immer besserer Wandauskleidungsmaterialien
erhöhte sich der spezifische Aufwand an feuerfestem Material; gleichzeitig ergab
sich für die Lebensdauer der Wandauskleidung und die Abnutzung eine abnehmende Tendenz.
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Die Gestaltung der Lebensdauer der feuerfesten Wandauskleidung stellt
das Ergebnis eines Prozesses mit zahlreichen Veränderlichen dar. Die einen gewissen
Grenzwert überschreitende Zunahme der die Wandauskleidung beeinflussenden Belastung
- die sich überwiegend aus der sich ständig ändernden elastischen radialen Deformation
des Metallmantels ergibt - löst an sich selbst das Schadhaftwerden der Wandauskleidung
und die verminderte Lebensdauer aus.
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Die zum Klinkerbrennen dienenden Hochleistungsdrehöfen der Zementindustrie
weisen eine lockere Laufring-Mantelkonstruktion auf; das bedeutet, daß zwischen
dem Mantel und dem einbettenden Laufring nur die von den auftretenden Scherkräften
erzeugte Reibkraft die kinematische Verbindung zustande bringt, wobei zwischen dem
Mantel und dem Laufring ein Spalt vorhanden ist. Unter den sich ständig ändernden
Betriebsverhältnissen ändert sich jedoch die Größe der während de Montage eingestellten
Spalte, insbesondere infolge der Wärmeausdehnung,in einem bedeutenden Maß.
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Der relative Nachlauf des Laufringes gegenüber dem Mantel während
einer Umdrehung des Ofens gibt Auskunft über den jeweiligen Betriebs spalt.
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Einen vollkommen starren Laufring und Mantel voraussetzend beträgt
die Größe des relativen Nachlaufs u u =4D zur mm/U wobei t D die tatsächliche Differenz
zwischen dem Aussendurchmesser des Mantels und dem Innendurchmesser des Laufrades
in mm bedeutet.
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Die Erzeugende des kreisförmigen, die untere Erzeugende des Mantels
(der theoretisch ein Kreisprofil aufweist) tangierenden Laufrades legt infolge des
Durchmesserunterschiedes AD während einer Umdrehung des Ofens einen um den Nachlauf
u längeren Weg als die Erzeugende des Mantels zurück.
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In der Praxis paßt sich der Unterteil des theoretisch ein Kreisprofil
aufweisenden Ofenmantels unter der Wirkung der Belastungen, seiner Elastizität entsprechend,
dem elastisch deformierten Laufring an, während der mit dem Laufring nicht in Berührung
kommende Mantelabschnitt sich annähernd elliptisch deformiert. Als Ergebnis der
erwähnten Einflüsse ergeben sich anstatt der Durchmesserdifferenz a D bzw. der Konstruktionsspalte
die tatsächliche Betriebsspalte; dadurch ergibt sich aus den in der Praxis durchgeführten
Messungen im Idealfall für die Abhängigkeit der mechanisioii;-n Charakteristiken
des Mantels und der Betriebsverhältnisse die Korrelation von u/AD = u/s2, oder ein
noch niedrigerer Wert.
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Es ist bekannt, daß die Größe der Betriebsspalte zwischen Ofenmantel
und Laufring und damit auch die relative Ovalität des Ofenmantels einen entscheidenden
Einfluß auf die Lebensdauer
der Wandauskleidung des Drehofens hat.
(vgl. z.B. Erni, H: Betriebserfahrungen mit großen Drehöfen und Folgerungen für
Konstruktion und Überwachung, Zement-Kalk-Gips, 1974/10, Seiten 486-489; Keller,
H. und Jöhnk, H: Überwachung bei Laufringen, Zement-Kalk-Gips, 1976/12, Seiten 557-564;
Liebler, K.W.: Ovalitätsverformungen während des Anfahrbetriebes, Zement-Kalk-Gips,
1976/12, Seiten 565-567; Duda, W.H.: Cement-Data Book, Bauverlag GmbH, Wiesbaden
und Berlin, 2. Ausgabe, 1977, Seite 335 und Kapitel 19.1.10.).
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Näherungsweise kann die die Größe derradialen elastischen Verformung
des Mantels charakterisierende relative Ovalität durch die folgende Gleichung angegeben
werden (vgl. Steinbiss, E.: Messung der Ovalitätsverformung und des Laufringspiels
von Drehöfen, Zement-Kalk-Gips, 1976/10, Seiten 321-328): 5 rK - rF + K D (in %)
wobei rK bk = die relative Ovalität des Ofenmantels (in %) rF = die relative Ovalität
des Laufringes (in %) s = den Betriebs spalt (in mm) DK = den Außendurchmesser des
Ofenmantels (in mm) K = eine Konstante im Bereich von 0,1 bis 0,3 in Abhängigkeit
von den Festigkeitseigenschaften des Mantels und den Betriebsverhältnissen bedeuten.
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Es wird allgemein anerkannt, daß eine relative Mantelovalität von
#rK = 0,3% noch keine mechanische Beschädigung der Wandauskleidung hervorruft.
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Die Mantelverformung wurde mehrere Jahre gemessen. Durch diese Messungen
konnte nachgewiesen werden, daß die Laufringe zeitgemäßer Hochleistungsdrehöfen
einer Deformation entsprechend den Werten Q rF = 0,1-0,15 % unterworfen sind, daß
aber das Maß der Mantelverformungen im allgemeinen über dem zulässigen Wert X rK
= 03 » liegt, und an einer gegebenen Stelle und zu einer bestimmten Zeit eine zunehmende
Tendenz zeigt. Die Änderung des Wertes xrK wird von dem zwischen Mantel und Laufring
vorhandenen Konstruktionsspalt A D sowie von den zu einem bestimmten Zeitpunkt herrschenden
Betriebsverhältnissen - thermischen und mechanischen Einflüssen - gemeinsam bestimmt.
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Es kann vorkommen, daß bei einem gewissen #D-Wert der Wert der Betriebsspalte
gleich Null ist, d.h. der Ofenmantel klemmt sich in dem Laufring ein, oder aber
der Wert ist zu groß. Beide Erscheinungen sind schädlich, da sie eine weitere Zunahme
der Verformung und dadurch die Gefahr des Schadhaftwerdens der Wandauskleidung mitsichbringen.
Es ist wohlbekannt, daß die Häufigkeit des Schadhaftwerdens der Wandauskleidung
und der zur Reparatur erforderliche Zeitaufwand die Ausnützung der vollen Produktionskapazität
beeinträchtigen.
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Die unerwünschte zu starke Mantelverformung kann am wirtschaftlichsten
durch die geeignete Einstellung des Betriebsspaltes verhindert werden. Aufgrund
des oben beschriebenen Zusammenhangs können wir den Bereich des optiamlen Betriebsspalts
bestimmen: #rK - #rF Sopt = rK rF . DK (in mm) opt K K wobei rK = den Grenzwert
0,3 (in %) rF = 0,1-0,15 (in %) DK = der Aussendurchmesser der öfen 3-10 (in m)
und K = 0,1-0,3 bedeuten;
im Falle der Drehöfen in der Zementindustrie
liegt die optimale Spaltgröße daher zwischen 1,5 und 20 mm.
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Bei einem diesen Wert überschreitenden Betriebs spalt nimmt die versteifende
Wirkung des Laufringes dermaßen ab, daß die erböhte Manteldeformation zum Schadhaftwerden
der Wandauskleidung führt, während bei einem niedrigeren Wert eine sich aus der
verhinderten Wärmeausdehnung des Mantels ergebende plastische Ausbeulung, ja sogar
das Bersten des zwischen dem Laufring liegenden Mantelabschnittes, d.h. eine vollkommene
mechanische Zerstörung stattfinden können.
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Die bekannten, zur kontinuierlichen Überwachung des Spaltes während
des Betriebes vorgeschlagenen Lösungen (vgl. hierzu die Publikationen von Keller
und Duda) beruhen auf dem Prinzip, die zur Messung erforderlichen Signale von dem
auf dem Ritzel des Antriebes des Drehofens oder an der Welle des Antriebsmotors
angeordneten Impulsgeber abzuleiten. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß
erst dann fehlerJose Angaben zur Verfügung stehen, wenn die mechanische Konstruktion
zwischen dem Impuls geber und dem zu messenden Laufrad, die aus den Zahnradverbindungen,
der elastischen Verbindung zwischen dem Ofenmantel und dem Zahnkranz, sowie aus
dem eventuell 40 m überschreitenden Abschnitt des Ofenkörpers besteht, als vollkommen
steif betrachtet werden könnte.
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In der Tat ist das beschriebene kinematische System zu einer elastischen
Torsion fähig, deren Maß von der Einstellung des Ofens und den Betriebsverhältnissen
wesentlich abhängt, wodurch die bekannten Methoden zur präzisen Messung des relativen
Nachlaufs, der während einer Ofenumdrehung zwischen dem Ofenmantel und dem Laufring
zustandekommt, keineswegs geeignet sind.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dessen Hilfe der die elastische Verformung des Ofenmantels hauptsächlich beeinflussende
Faktor, nämlich die Größe des Spaltes, während des Ofenbetriebes kontinuierlich
bestimmt und berücksichtigt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, den Nachlauf des Laufringes
gegenüber dem Ofenmantel während der Umdrehung des Ofens fortlaufend und mit höchster
Genauigkeit mit einem von dem Ofenantrieb unabhängig arbeitenden Impulsgenerator
und zwei Fühlern zu bestimmen, von denen der eine die Bewegung des Laufringes, der
andere die Bewegung des Ofenmantels messen. Auf diese Weise kann die Impulszahl
des Nachlaufs bestimmt werden, woraus der Nachlauf des Laufringes maschinell (elektronisch)
errechnet wird.
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Zusätzlich wurde erkannt, daß das Verhältnis zwischen dem Betriebsspalt
(s) und dem Nachlauf (u) des Laufringes sich unter gegebenen Umständen und an einer
gegebenen Meßstelle nur geriny ändert, wobei das Verhältnis von Zeit zu Zeit bestimmt
und zwischenzeitlich als konstant betrachtet wird. Mit diesem Wert kann u in Annahme
eines konstanten Verhältnisses SU aus dem Nachlauf (u) der Wert des Spaltes (s)
fortlaufend errechnet und angezeigt werden.
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Demnach besteht das Wesentliche der erfindungsgemäßen Vorrichtung
n, n, daß es an dem Ofenmantel und an dem Laufring befestigte Anzeigeorgane, sowie
entlang der Bewegungsbahnen derselben angeordnete Fühler aufweist. Die Fühler sind
an eine zentrale elektronische Auswerteinheit angeschlossen, die ein Versorgungsteil,
einen Impulsgenerator, einen Speicher und eine Auswerteinheit enthält. Die zentrale
Einheit ist der Ausgangseinheit bzw. dem Anzeiger angeschlossen.
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Bei einem Drehofen zum Klinkerbrennen in der Zementindustrie ist dieser
mit am Ofenmantel und am Laufring befestigten Anzeigeorganen und entlang der Bewegungsbahn
derselben angeordneten Fühlern versehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale von Patentanspruch
4 gekennzeichnet.
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Aus dem Verhältnis u/s kann die Größe des Spaltes errechnet werden,
wobei dieser Wert durch einen Eingriff in den Drehofenbetrieb zwischen 1,5 und 20
mm, vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5-2,0 Promille des Außendurchmessers des Ofens
gehalten wird.
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Der Eingriff in den Drehofenbetrieb findet zweckmäßig durch die Änderung
der Feuerführung, der Rohmaterialaufgabe bzw. der Mantelkühlung statt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das Gerät in einer Ansicht quer zur Ofenachse sowie
in Form eines Blockschaltbildes.
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Im Blockschal.tbild bezeichnen die gestrichelten Linien die Verbindungen
der Energieversorgung und die durchlaufenden Linien die Logikverbindungen.
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Der in der Zementindustrie übliche, zum Klinkerbrennen dienende Drehofen
besteht aus dem Ofenmantel 1, der Wandauskleidung 2 und den Laufringen 3; die letzteren
werden von den Tragrollen 4 unterstützt. Das Anzeigeorgan 5 ist an dem Ofenmantel
1 befestigt während das Anzeigeorgan 6 an dem Laufring 3 befestigt ist. Entlang
der Bewegungsbahn beider Anzeigeorgane 5 und 6 ist je ein
Fühler
7 und 8 derart angeordnet, daß im stationären Zustand des Ofens der Fühler 7 neben
dem Anzeigeorgan 5 und der Fühler 8 neben dem Anzeigeorgan 6 liegen.
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Bei der Umdrehung des Ofens geben die Fühler 7 und 8 anlässlich der
Vorbeifahrt der Anzeigeorgane 5 bzw. 6 elektrische Signale ab.
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Die Ausgänge der Fühler 7 und 8 sind an die zentrale Einheit 9 angeschlossen,
die aus dem Versorgungsteil 12, dem Impulsgenerator 13, dem Speicher 14 und der
Auswerteinheit 15 besteht.
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Der zentralen Einheit 9 schliessen sich die Ausgangseinheit 10 und
der Anzeiger 11 an.
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Zweckmäßig werden die Fühler 7 und 8 wegen der Ofennähe gekühlt.
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Die zentrale Einheit 9 wird zweckmäßig in einer allgemeinen gerätetechnischen
Umgebung angeordnet; der Anzeiger 11 liegt vorteilhaft in der Instrumententafel
des Ofens.
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Während jeder einzelnen Ofenumdrehung bestimmt die zentrale Einheit
9 die Impulszahl, die die Verzögerung des Signals des Fühlers 8 gegenüber dem Signal
des Fühlers 7 anzeigt; diese Impulszahl wird in dem Speicher 14 gespeichert und
anschliessend die Differenz zwischen den Impulszahlen jeweils zweier aufeinanderfolgender
Umdrehungen gebildet. Aus den Impulszahldifferenzen und der auf eine Ofenumdrehung
entfallenden Impulszahl errechnet die zentrale Einheit 9 den relativen Nachlauf
u aes Laufringes 3 aufgrund der geometrischen Daten und daraus den Betriebsspalt
s mit Hilfe der Gleichung: =ni i 1 (mm/U) wobei = i = die gemessene Impulsdifferenz
(1/Zeiteinheit) i = die Zahl der Impulse während einer Umdrehung des Ofens (1/ Zeiteinheit
Umdrehung C = Berechnungskonstante (mm) bezeichnen.
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Die Grösse des effektiven Betriebs spaltes beträgt daher u s = u/
(mm) s wobei u Us = eine mittels periodischer kalibriermessung bestimmbare Konstante
(1/Umdrehung) ist.
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Sollte der Betriebs spalt von einem vorgegebenen Bereich abweichen,
wird die Ausgangseinheit betätigt, die über einen Starkstromausgang zur Signalisierung
und zum Eingriff in den Ofenbereich verfügt.
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Das zur Kalibrierung der Konstante u/s dienende Mittel besteht aus
einem in der Zeichnung nicht dargestellten am Ofen befestigten Schreiber (vgl. Erni),
der mit dem Diagrammpapier auf einer in der Zeichnung gleichfalls nicht dargestellten
befestigten Tafel auf dem Laufring 3 zusammenwirkt. Als Erfolg der Kalibrierungsmessung
kann aus der aufgezeichneten Kurve im Maßstab 1:1 mit einfachen Mitteln und mit
einer Genauigkeit von etwa 0,5 mm der relative Nachlauf u, der Betriebsspalt s sowie
der Wert der Konstante u/s errechnet werden.
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Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemßen Verfahrens liegen darin,
daß die fortlaufende Anzeige der Größe des zwischen Mantel und Laufring des Drehofens
liegenden Spaltes mit einfachen Mitteln und geringem Kostenaufwand ermöglicht wird,
wodurch die Ofenwandauskleidung innerhalb des "Schonungsbereiches" gehalten werden
kann. Bezogen auf die im Einsatz befindlichen Drehöfen für die Zementklinkerproduktion
bringt die Erhöhung der Lebensdauer aller öfen um nur einen einzigen Tag eine erhebliche
Mehrproduktion mit sich.