師 浩，趙利軍

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

礦粉填料是瀝青混合料中一個(gè)重要的組成部分，主要由石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到[1]。礦粉顆粒的粒徑在0.075mm以內(nèi)[2]，雖然在混合料中所占的體積比例不大，但其比表面積較大，可以達(dá)到500m2/kg以上[3]。在瀝青混凝土中，礦粉用量只占礦料用量的6%～8%，表面積卻占礦質(zhì)集料的總表面積的70%～90%[4]。由于礦粉直接與瀝青融合形成膠漿，因此它的溫度狀態(tài)對(duì)混合料性能有重要影響[5-8]。加熱礦粉是要它有足夠的溫度，并除去礦粉吸附的潮氣和水分，以便與其他材料，特別是與瀝青充分地融合在一起，使混合料性能有顯著的改善。

澆注式瀝青混合料由于具有優(yōu)良的耐久性、抗老化、抗疲勞性能以及對(duì)鋼橋面板優(yōu)良的追從性等，是目前橋面鋪裝中最為常用的一種材料[9-12]。由于這種混合料需要在高溫下（220℃～260℃）攪拌，依靠自身的流動(dòng)性攤鋪成型，空隙率小于1%，因此混合料中的礦粉含量占比更大，可達(dá)到26%以上[13-15]。根據(jù)澆注式瀝青混合料的拌和工藝，如果礦粉加熱，粗集料溫度需要控制在250℃～300℃；如果礦粉沒(méi)有預(yù)先加熱，粗集料則需要加熱至350℃左右[16-17]。礦粉未預(yù)先加熱拌和時(shí)，由于這些礦粉有一定的含水量，與顆粒較小的細(xì)集料和瀝青的溫差大，會(huì)造成瀝青混合料中產(chǎn)生氣泡和團(tuán)簇，嚴(yán)重影響混合料性能[14]；更高加熱溫度的集料不但對(duì)烘干滾筒的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重傷害[18]，而且能耗也將大幅增加。因此，礦粉加熱是影響澆注式瀝青混合料質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

為了提高礦粉的加熱質(zhì)量和效率，本文在對(duì)目前加熱技術(shù)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了不同加熱方式的原理與特點(diǎn)，并結(jié)合礦粉特性，分析了加熱的關(guān)鍵技術(shù)以及適用的合理加熱方式與方案，為瀝青混合料用礦粉加熱提供了指導(dǎo)。

1 加熱技術(shù)與裝置現(xiàn)狀

對(duì)于瀝青混合料用礦粉的加熱，可根據(jù)熱源的不同可分為導(dǎo)熱油加熱、電加熱、火焰加熱和熱風(fēng)加熱；根據(jù)熱源與礦粉是否接觸可分為直接加熱和間接加熱，間接加熱是利用高溫裝置內(nèi)壁或外壁加熱礦粉；根據(jù)加熱工藝，可分為連續(xù)式和間歇式；根據(jù)加熱礦粉所采用的攪拌方式，可分為無(wú)翻動(dòng)、自落式、強(qiáng)制式和自落強(qiáng)制式；根據(jù)加熱裝置結(jié)構(gòu)的不同可分為立軸多層盤(pán)式、滾筒式、單臥軸葉片式、單立軸葉片式等。

1.1 連續(xù)式加熱

1.1.1 多層盤(pán)式加熱

多層盤(pán)式加熱裝置采用立軸式結(jié)構(gòu)，多層加熱盤(pán)間隔垂直布置，加熱盤(pán)上布置有導(dǎo)熱油管[14-17]或者電加熱管[19]，主要結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。加熱時(shí)，冷礦粉從加熱器頂部落入第一層加熱盤(pán)，加熱盤(pán)上的刮板將礦粉分散推移，并從盤(pán)上的落料口或邊緣處落入下層加熱盤(pán)上，第二層加熱盤(pán)上的刮板繼續(xù)將礦粉分散推移后灑落到第三層，如此往復(fù)，從而礦粉在自落與強(qiáng)制攪拌過(guò)程中通過(guò)與各層電加熱或者導(dǎo)熱油加熱盤(pán)的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)升溫。

圖1 連續(xù)多層盤(pán)式加熱裝置

圖2 的加熱盤(pán)采用了不同的直徑設(shè)計(jì)，大、小加熱盤(pán)間隔布置。加熱時(shí)，大加熱盤(pán)上方的刮板將礦粉向里推移，并從中間落料口處灑落入下層小加熱盤(pán)上；小加熱盤(pán)上方的刮板則是將礦粉向外推移，從邊緣灑落到下層大加熱盤(pán)上。

圖2 大小加熱盤(pán)式結(jié)構(gòu)

根據(jù)熱源的不同，加熱路線有：熱源→導(dǎo)熱油→加熱盤(pán)盤(pán)壁→礦粉；電源→電加熱管→加熱盤(pán)盤(pán)壁→礦粉。

1.1.2 滾筒式加熱

滾筒加熱裝置多采用臥式的雙層滾筒結(jié)構(gòu)[20-22]，如圖3所示。內(nèi)滾筒為燃燒器作用的燃燒區(qū)，可用來(lái)加熱粗集料，也可只產(chǎn)生高溫?zé)煔?；?nèi)滾筒與外滾筒之間的區(qū)域或整個(gè)外滾筒內(nèi)部為礦粉加熱腔。為便于礦粉的分散和運(yùn)動(dòng)，加熱腔內(nèi)布置有不同類(lèi)型的葉片。加熱時(shí)，內(nèi)滾筒或外滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，礦粉從高處一端的進(jìn)料口進(jìn)入加熱腔，在葉片強(qiáng)制地連續(xù)分散和推進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)高溫內(nèi)筒外壁的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)加熱，并不斷地從另一端低處的出料口出料。

圖3 連續(xù)式滾筒加熱裝置

滾筒式加熱裝置的具體結(jié)構(gòu)有不同變化，因此加熱路線也有所不同。圖4的內(nèi)滾筒設(shè)計(jì)為鼠籠狀的煙氣散熱管，外滾筒內(nèi)壁上布置有螺旋狀的提料葉片，可在外滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)使礦粉形成自由散落的料幕，提高了礦粉與高溫?zé)煔獾臒峤粨Q效率。圖5的內(nèi)滾筒用來(lái)加熱粗集料，外滾筒的外壁還固定有電加熱板，兩方面共同加熱礦粉，加強(qiáng)了加熱效果。

圖4 鼠籠火焰管式內(nèi)滾筒

圖5 電加熱式外滾筒

1.1.3 連續(xù)式加熱特點(diǎn)分析

連續(xù)式加熱具有產(chǎn)量高、能耗低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)特點(diǎn)是連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)加熱和連續(xù)出料，加熱過(guò)程載荷比較平穩(wěn)，動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性相對(duì)易于保證。但是現(xiàn)有連續(xù)式加熱裝置的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，維護(hù)困難，增加了成本。

對(duì)于多層盤(pán)式，其主要問(wèn)題有：一是為保證加熱效果，礦粉進(jìn)入加熱盤(pán)的流量小，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量低，而增大流量會(huì)導(dǎo)致加熱不均勻和達(dá)不到目標(biāo)溫度；二是刮板與盤(pán)接觸，有磨損，影響工作性能；三是加熱盤(pán)因熱變形會(huì)有凸起或凹坑，直接影響刮板的工作性能；四是導(dǎo)熱油加熱方式，要先加熱導(dǎo)熱油，然后導(dǎo)熱油再加熱礦粉，熱效率低，能量損失較大。

對(duì)于滾筒式，雖然可以在現(xiàn)有集料的單滾筒基礎(chǔ)上，通過(guò)增加外層礦粉加熱滾筒來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但由于礦粉在滾筒內(nèi)停留時(shí)間直接決定熱交換的效果，因此需要的滾筒長(zhǎng)度較大；同時(shí)，大直徑的轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒難以密封，易造成礦粉泄漏和污染；圖4中礦粉與高溫?zé)煔饨佑|會(huì)造成礦粉焦化失效的問(wèn)題。

1.2 間歇式強(qiáng)制攪拌加熱

間歇式加熱分為臥軸或立軸強(qiáng)制式。臥軸裝置頂部進(jìn)料，底部端面出料，兩個(gè)火焰燃燒器對(duì)稱布置在礦粉攪拌鍋端面底部并分別接有含噴孔的火焰管，結(jié)構(gòu)如圖6所示[23]。作業(yè)時(shí)，燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥苫鹧婀車(chē)娍琢鞒?，并沿?cái)嚢桢佂獠贾玫腟型裝置導(dǎo)流以加熱鍋壁大部分面積，鍋內(nèi)攪拌葉片強(qiáng)制推動(dòng)礦粉循環(huán)運(yùn)動(dòng)，不斷地與鍋內(nèi)內(nèi)壁接觸受熱。另一種變體是單根火焰管位于攪拌鍋?zhàn)畹忘c(diǎn)的正下方，鍋下部的雙層鍋壁中儲(chǔ)有導(dǎo)熱油，火焰和高溫?zé)煔夤餐訜嵘鲜鰧?dǎo)熱油和鍋壁以加熱礦粉，如圖7所示。

圖6 雙火焰管間歇式臥軸強(qiáng)制攪拌加熱裝置

圖7 單火焰管間歇式臥軸強(qiáng)制攪拌加熱裝置

立軸結(jié)構(gòu)[24]如圖8所示，煙道布置在攪拌鍋底部和筒周，加熱原理與臥軸結(jié)構(gòu)類(lèi)似。

1.2.1 臥/立軸強(qiáng)制式對(duì)比

第一，立軸與臥軸的邊界條件不同，立軸的攪拌鍋對(duì)礦粉是不可穿透的，而臥軸只有鍋底與側(cè)面是不可透的，而上部是可透的，從而使得臥軸結(jié)構(gòu)會(huì)造成粉料與空氣頻繁熱交換的現(xiàn)象，熱效率較低；第二，由于礦粉的粉末狀特性，對(duì)攪拌機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的動(dòng)密封性能要求較高，臥軸攪拌裝置的軸端密封需要特別設(shè)計(jì)，立軸結(jié)構(gòu)如果采用懸臂立軸則軸端密封要求較低，但工作時(shí)受力較大；第三，由于在加熱過(guò)程中需要排出礦粉水汽，所以鍋?lái)敳恳话悴贾糜信艢饪?，臥軸結(jié)構(gòu)的排氣開(kāi)口與物料線速度方向有重合，因此在攪拌線速度較高時(shí)會(huì)發(fā)生甩料現(xiàn)象。

圖8 立軸強(qiáng)制攪拌間歇式加熱設(shè)備攪拌鍋

1.2.2 間歇式強(qiáng)制攪拌加熱特點(diǎn)分析

與連續(xù)式加熱相比，間歇式攪拌使得熱交換充分并且礦粉停留時(shí)間可控，礦粉溫度均勻性好，在不改變熱源的情況下加熱最終溫度范圍廣；礦粉與熱源通過(guò)鍋壁分隔，避免了礦粉的焦化和礦粉揚(yáng)起對(duì)燃燒器的損害；礦粉進(jìn)料口可充當(dāng)人孔，維護(hù)方便。

存在的不足主要有：第一，產(chǎn)量較低，如要增加產(chǎn)量則須增加攪拌鍋的體積，相應(yīng)會(huì)增大整個(gè)裝置的體積；第二，耗能高和存在葉片磨損；第三，熱源位于礦粉攪拌鍋外部，須在裝置最外層設(shè)置保溫棉層以減緩熱量流失。

2 技術(shù)關(guān)鍵與總結(jié)

1）因?yàn)榈V粉顆粒粒徑小，比表面積大，因此礦粉會(huì)彌散在氣流中，造成材料損失并影響裝置正常工作，所以不能與高溫?zé)煔庵苯咏佑|。

2）為滿足加熱指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算使用電源作為直接熱源所需加熱裝置的功率大，需再額外配置發(fā)電機(jī)或小型發(fā)電站，在文中各間接加熱方案中該方式是能量傳遞級(jí)數(shù)最多的四級(jí)能量傳遞，這意味熱效率的降低和成本的增加，因此該方案技術(shù)可行性最低。

3）邊強(qiáng)制攪拌邊加熱，有助于礦粉分散，均勻受熱，因此強(qiáng)制攪拌式效果較佳。需要注意的是，在連續(xù)滾筒式結(jié)構(gòu)中，采用自落和強(qiáng)制攪拌共同作為翻料方式表面上加強(qiáng)了礦粉的翻動(dòng)，但同時(shí)也使礦粉在加熱區(qū)域的停留時(shí)間較短，減少了熱交換的作用時(shí)間。

4）間歇式強(qiáng)制攪拌不僅能加強(qiáng)礦粉分散，提高與熱源的作用面積和作用時(shí)間，并且加熱時(shí)間可根據(jù)礦粉狀態(tài)調(diào)整，既保證了加熱質(zhì)量也能夠改善加熱效率。各加熱方案對(duì)比列于表1。推薦間歇式強(qiáng)制攪拌的礦粉加熱方案，導(dǎo)熱油或者燃燒器作為熱源加熱攪拌筒壁，并建議合理優(yōu)化煙道和攪拌機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)更高的熱交換效率。

表1 各加熱方案對(duì)比