陶瓷工业热工设备.docx
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陶瓷工业热工设备
陶瓷工业热工设备
热工设备
第三章隧道窑
烧成过程
1、20-200℃预热排除残余水分
2、200-500℃排除结构水
3、500-600℃石英晶型转化：
β-SiO2→α-SiO2，体积膨胀控制不当（温度不均）导致开裂
4、600-1050℃氧化阶段：
硫化铁、有机物中碳的氧化，碳酸盐分解等
5、1050-1200℃还原阶段：
氧化铁还原为氧化亚铁
6、1200-1300℃烧结阶段：
7、冷却阶段：
①1300-700℃急冷段
②700-400℃缓冷段石英晶型转化
③400-80℃
烧成制度的确定原则
包括：
温度制度气氛制度压力制度
1、合理的温度变化速率：
考虑制品内部温度均匀及物理-化学变化所需时间
2、适宜的保温时间
3、气氛控制：
4、合理的压力制度：
烧成制度举例P5
耐火材料的主要性能
1、耐火度：
高温下抵抗熔化的能力（三角锥试样软化）
2、荷重软化点：
在一定压强下加热，发生变形和坍塌时的温度
3、热稳定性（温度急变抵抗性、抗热震性）：
热震试验
4、抗氧化腐蚀性
5高温体积稳定性：
在高温下长期使用，抵抗体积不可逆变化的能力（用残余收缩/膨胀表示）
1、粘土砖：
弱酸性耐火材料，热稳定性较好，荷重软化开始温度1250-1300℃，使用温度1300℃以下。
2、半硅砖：
半酸性耐火材料，荷重软化开始温度高于粘土砖，但热稳定性比粘土砖稍差。
3、高铝砖：
耐火度及荷重软化温度高于粘土砖，抗化学腐蚀性较好，但热稳定性稍差，使用温度1400-1600℃。
4、硅砖：
酸性耐火材料，荷重软化开始温度高，热稳定性差，不适于间歇式窑炉。
5、镁砖：
碱性耐火材料，耐火度很高，荷重软化温度低，热稳定性差。
6、镁硅砖：
荷重软化开始温度较镁砖略高
7、镁铝砖：
耐火度很高，荷重软化温度和热稳定性均好于镁砖，使用温度1700-1900℃。
8、刚玉砖：
使用温度1800℃以下。
9、碳化硅耐火制品：
导热系数高，高荷重软化温度和热稳定性，高的抗渣性和耐磨性。
（可用于匣钵、棚板、隔焰板等）
10、含锆耐火材料及其它
砌窑用耐火混凝土
1、矾土水泥耐火混凝土（1300-1400℃）
2、磷酸盐耐火混凝土（1400-1600℃）
3、镁质耐火混凝土（1800℃）
砌窑用隔热材料
1、轻质耐火砖：
制造耐火砖时加入特殊发泡物质，生成多孔的轻质耐火砖强度低、耐磨性和热稳定性差，不能直接与火焰接触。
2、高铝空心球砖：
高温绝热性好、收缩性小、强度大、耐磨性好、抗腐蚀性强。
3、硅酸铝耐火纤维（陶瓷棉）：
高耐火度、低导热系数、低蓄热量、轻质、吸音、耐热冲击、耐腐蚀等。
4、其它
工作系统及分带
1、分带：
预热带、烧成带、冷却带
2、流程：
坯体：
预热带（烟气预热）→烧成带（火焰及燃烧产物加热烧成）→冷却带（冷空气）
燃烧产物：
烧成带→预热带→排烟口→支烟道→主烟道→烟囱→窑外
空气：
冷却带（被加热）→烧成带（作为助燃空气）
→抽出（用于干燥或气幕）
3、工作系统
①简单窑工作系统，无鼓风机和抽风机，只依靠烟囱吸入空气。
结构简单，但温度分布不均，烧成温度低。
②一般窑工作系统（如图1-3）
烧油或气自燃烧室喷入烧成带，用风机控制压力。
少/无冷风进入烧成带，燃烧温度高并维持气氛。
温度均匀、低热耗。
③隔焰窑工作系统
烟气不进入隧道而在隔焰道中流动换热。
隧道窑利用烟气预热坯体，利用产品冷却加热空气，且为连续性窑，窑墙、窑顶温度不变，热耗低。
隧道窑结构
窑体：
窑体是由窑墙、窑顶和窑车衬砖围成码烧坯体的空间。
燃烧装置：
包括燃烧室，烧嘴。
通风设备：
排烟系统，气幕，气体的循环装置，冷却系统。
窑内输送设备：
窑车、推板、输送带等。
窑体结构图
1-烧嘴；2-烧嘴砖；3-燃烧室；4-窑墙；5-拱顶
窑墙：
作用：
分隔，支撑，保温。
性能：
耐温，强度，隔热。
窑墙尺寸应为窑砖尺寸整数倍。
窑顶
结构如图：
1-拱顶；2-拱脚；3-拱脚梁；4-立柱；5-拉杆；6-检查坑；R-拱半径；B-跨度；α-拱心角；S-拱厚；f-拱高
类型有：
半圆拱f=（1/2）B标准拱（1/3~7/3）倾斜拱（1/8~1/10）平拱（0）f=拱高，B=跨度
窑顶需具备的性质:
1、耐高温，积散热小具有一定机械强度。
2、结构好不漏气，坚固耐用。
3、质量小，减轻窑墙负荷。
4、横推力小，少用钢材
5、减少窑内气体分层。
检查坑道：
①作用：
清理、冷却、检查、处理故障等②缺点：
增加基建费用
窑门：
升降式，进口设施内外双重门。
出口设置一道窑门。
隧道窑进车段最好用金属卷帘式窑门。
下缘接窑车上，进入车位后松开连接装置。
外卷帘门返回，放下内卷帘门，新一车进入。
砂封：
窑车上钢制裙板+窑墙上砂封遭构成砂封。
群板插入窑内两侧墙上砂封槽中。
作用：
隔断窑车上下空间，不使冷空气漏入窑内和热气体漏出。
需由窑墙上加砂管定时补充
另：
曲折封闭：
防止高温部分热量直接辐射给窑车金属部分，并增加漏气阻力，在窑墙与窑车衬砖之间作成曲折封闭。
推车机：
使窑车在窑内移动，推动应平稳。
油压推车机：
由油泵，推进器组成。
连续推车：
产品温度均匀上升，推车慢，平稳。
若预热带使用高速调温烧嘴，料垛间有对准喷嘴的气体循环空隙则需要间歇推车。
燃烧设备：
⑴燃烧室的布置：
1集中或分散（视窑尺寸、气氛而定）
集中布置易于操作和自动调节。
分散布置燃烧室，利于保证窑内温度均匀性。
2相对或相错（高速烧嘴多为相错）
相对布置：
砌筑简单易于安置钢架结构，但喷火口两侧料垛温度较高，烧成带长度上出现温差，喷出火焰长而速度高产生火焰冲击的不良影响
相错布置：
窑内气体循环，使温度进一步均匀。
间距一个到半个车位，料垛留适当气体通道，或喷火口对装载制品的下部或垫砖通道。
③一排或二排
烧煤气的隧道窑采用上下两层烧嘴。
料垛较密，棚板装车造成上下气体沟通困难，避免下部温度高于上部。
窑体断面较大，煤气或油可以采用顶烧式烧嘴。
燃烧室的种类：
分为烧煤，烧重油，烧煤气的燃烧室。
烧嘴的种类：
①燃气烧嘴：
烧煤气压力不高，使用短焰烧嘴，低压涡流式烧嘴。
天然煤气或液化石油气：
使用喷射式无焰烧嘴。
高速烧嘴。
2燃油烧嘴：
要求有一定调节范围，雾化要好，雾滴小而均匀，与空气混合好，火焰软而短不直接冲刷制品或匣钵，扩散角适当20°~30°
排烟系统：
包括烟气由窑内向窑外排出锁经过的排烟口，支烟道，排烟机，烟囱等。
1、排烟口：
分布于预热带全长的70%，控制各点的烟气流量。
排烟口的面积应等于支烟道的总截面积，等于主烟道的截面积，等于烟囱出口截面积。
2、支烟道：
联接排烟口和主烟道。
3、主烟道：
汇集各支烟道的烟气送入烟囱
布置方式：
主烟道穿过窑底与另一侧主烟道会合然后进烟囱。
两侧主烟道平行至窑头会合再进烟囱。
此种烟囱高度较低。
4、排烟机和烟囱：
自然抽风的窑炉：
烟囱作用有①造成足够的抽力能克服窑内阻力②将烟气送到足够高的地方避免污染住宅区。
机械通风的窑炉：
照顾卫生条件，烟气也不能放在低空。
烟囱至少高于附近100m范围内最高屋顶3m。
气幕、搅动循环装置
气幕：
在隧道窑横截面上自窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内形成的一片气体幕帘。
搅动气幕：
位于预热带，克服预热带气体分层，预热带处于负压，易漏入冷风使热空气向上。
可用高速调温烧嘴代替搅动气幕。
90°垂直向下或者120-180°逆烟气流动方向喷出
封闭气幕：
位于预热带窑头，窑头形成正压，避免冷空气进入窑内。
连续推车时在窑顶做成出车方向的45°缝隙，喷出气流阻止热烟气外溢。
在两侧窑墙上作出进车方向的45°缝隙，喷出气流阻止冷气入窑。
循环气幕：
利用轴流风机或喷射泵使窑内烟气循环流动，达到均匀窑温的目的。
气氛幕：
在气氛改变的地方，设置氧化气幕。
急冷阻挡气幕：
起急冷和阻挡作用。
缩短烧成时间提高产品质量，在冷却带700°以前急冷。
冷却系统：
1、直接冷却的冷却带结构P29页图
2、设引射装置的冷却带结构：
若烧嘴喷出速度不高，另外采用喷射泵引流P29页图
3、窑顶和侧墙急冷气幕
4、间接冷却结构冷空气鼓入两侧窑墙空隙、夹壁及窑顶双层拱内，并抽出这些热空气作为气幕、二次风及干燥用。
不可使用装设余热锅炉或水汽锅间接冷却。
钢架结构:
用于克服拱顶的横推力。
窑炉基础：
作用：
支持窑体所受重力。
结构形式：
①灰土窑基②毛石窑基③砖层窑基④有检查坑道的窑基
隧道窑工作原理
窑内气体流动
（一）压头对气体流动的影响
1、位压头：
hp=（ρg-ρa）gz2、静压头：
hs=pg-pa
3、动压头：
hd=1/2ρω24、阻力损失压头：
克服预热带气体分层，减少上下温差的方法:
1窑的结构上：
预热带采用平顶或低于烧成带；两侧窑墙上部向内倾斜；适当缩短窑长；适当降低窑的高度，减低几何压头的影响；烟气排出口开在下部近车台面处，迫使烟气多次向下流动；设立封闭气幕，搅动气幕，循环气流装置；提高气体流速增加动压的作用。
2窑车结构；减轻窑车重量减少窑车吸热；车上砌有气体通道气体能够通过提高隧道下部温度；严密窑车接头、砂封板和窑墙曲折密封。
3码坯方法：
料垛码的上密下稀，增加上部阻力减少下部阻力，使热气体多向下流；适当稀码料垛，减少窑内阻力，减少预热带负压，减少冷风漏入量。
（二）料垛码法对气体流动的影响（见上条）
隧道窑内的传热
（一）气体对流传热
（二）料垛空隙尺寸与对流传热的关系
（三）明焰窑内的气体辐射（四）料垛空隙尺寸与辐射传热的关系
（五）匣钵对传热的影响（六）明焰窑内的综合传热
（七）隔焰窑内的传热（八）窑车的积热和散热
（九）制品的加热和冷却
操作控制
各带温度控制
（一）预热带温度控制
1、调节排烟闸2、气幕调节
3、提高密封性4、合理码坯
（二）烧成带温度控制
1、燃烧温度实际火焰温度应高于制品烧成温度50~100℃。
2、火焰温度点最高温度点控制在最末一二对烧嘴之间。
前移使保温时间过长，制品过烧。
（三）冷却带温度控制
700℃之前急冷，靠急冷阻挡气幕喷入的冷空气将产品急冷。
烧成带的气氛控制
1、通过控制燃料与空气比例实现气氛控制
2、气氛控制与温度控制密切相关。
烧氧化气氛时原料空气过多，如果维持燃料不变而减少过多空气则火焰温度提高，减少空气至空气过剩系数接近与1时温度最高。
压力控制：
服务于温度制度和气氛制度的实现
隧道窑设计：
包括1、窑体主要尺寸及结构计算；2、燃料燃烧及燃烧设备的计算；3、通风设备及其他附属设施计算。
对于大件产品，先确定窑车的尺寸，根据每车制品的装载量直接求出要的长度和各带长度，再根据窑车宽和制品的尺寸，确定窑的内宽和内高。
工作系统的确定：
包括燃烧系统和通风系统，原则是满足制品的焙烧要求，减少窑内温差温差，加速传热和充分利用余热，便于施工以及操作控制等。
窑体材料及厚度的确定：
确定原则：
根据各段温度，按照对窑墙、窑顶的要求，并考虑砖型、外型整齐及经济性。
燃料燃烧计算：
包括：
燃烧所需空气量，燃烧生成烟气量，实际燃烧温度。
经验数据决定燃料消耗量
预热带和烧成带的热平衡计算：
热平衡计算分两部分：
①预热带和烧成带的热平衡，计算每小时热耗（目的：
计算燃料消耗量）②冷却带热平衡，计算冷空气鼓入量和热风抽出量。
将预热带和烧成带合并而将冷却带独立的原因：
燃料消耗发出之热是用于制品自入窑起至最高烧成温度为止的全部化学反应，而进入冷却带，不但不要供给热量，产品还有热量放出，所以分开计算。
计算之前确定：
①热平衡计算基准1h，0℃。
②热平衡计算范围③热平衡示意图。
过程：
（一）热收入项目（Q1坯体带入显热、Q2匣钵或棚板带入显热、Qf燃料带入化学热及显热、Qa助燃空气带入显热、Qa’漏入空气带入显热）
（二）热支出项目（Q3产品带出显热、Q4匣钵或棚板带出显热、Q5窑墙窑顶散热、Q6窑车散热、Q7物化反应耗热、Q8其他热损失、Qg废气带走显热）
（三）热平衡方程：
热收入=热支出
冷却带热平衡计算
目的：
确定冷空气鼓入量、热风抽出量
计算之前确定：
计算基准（如：
1h，0℃），计算范围（冷却带），热平衡示意图
过程：
热收入项目：
Q3产品带入显热，Q4匣钵棚板带入显热，窑车带入显热Q9，冷却带末端送入空气带入显热Q10。
热支出项目：
产品带出显热Q11，垫板，支柱带出显热Q12，窑车带走和向车下散失热Q13，抽送干燥用的热空气带走显热Q14，窑顶窑墙散热Q15。
烧嘴的选用及燃烧室的计算
计算流程：
（燃料消耗量）→单一烧嘴燃料消耗量→选择烧嘴类型；
（由空间热强度）→燃烧室体积
（由窑墙厚度、烧嘴砖尺寸）→燃烧室深度、截面积
（依砖形及工艺）→燃烧室结构（宽、高）
烟道和管道计算、阻力计算和风机选型
目的：
计算确定各部分具体尺寸、选择风机
其他隧道窑
隔焰隧道窑及半隔焰隧道窑
用隔焰板将燃烧产物与制品隔开，借隔焰板的辐射传热使制品烧成的窑。
火焰在隔焰道内，制品在隧道窑内，不相互接触，不用匣钵。
常用的有单隔焰道和多隔焰道两种
特点:
窑内温差小，不用装钵，烧成周期短、产品质量高、劳动强度低。
但对材料要求高。
非窑车式隧道窑:
①推板窑特点：
截面小，窑底密封，温度均匀，易于快速烧成；结构简单、操作方便，易于机械化自动化。
推板易磨损。
②辊底窑（辊道窑）③输送带式窑
④步进梁式窑⑤气垫式窑
多通道隧道窑
特点:
多通道，隔焰式，截面小，温差小，质量好；空间利用率高，占地面积小。
但各孔道温度不一致，施工质量要求高。
间歇窑
灵活性强，容积可大可小，适于多品种、多规格、多规模生产；窑内温度均匀；基建投资少。
但产量低、能耗大、劳动条件差。
倒焰窑：
工作流程：
煤加进燃烧室2的炉栅上，一次空气由灰坑3穿过炉栅，经过煤层与煤进行燃烧。
燃烧产物经挡火墙7和窑墙8所围成的喷火口10喷至窑顶，再自窑顶经过窑内制品倒流至窑底，由熄火孔4，支烟道5及主烟道6向烟囱排出。
火焰流经制品时，热量以对流和辐射的方式传给制品，火焰在窑内自窑顶向窑底流动，称倒焰窑。
窑箍和看火孔未画出
窑体：
圆形窑①温度更易均匀。
②向外界散失和积聚的热量比矩形窑③火箱控温范围有限，容积大于100立方米以上的窑多为矩形④需要大量异型砖，容积不大的窑也用矩形。
窑体：
窑墙，窑顶，窑门。
燃烧设备：
燃烧室，挡火墙，喷火口。
通风设备：
吸火孔（为了使窑内水平截面上温度均匀，要在烟气不易到达的地方如远离烟囱的一段，窑的角落处，散热较大的地方吸火孔应布设多一些或者大一些）烟道，烟囱。
倒焰窑的工作原理
窑内气体流动
窑内气体流动动力
hp1=（ρa–ρg1）gH1燃烧产物由炉栅上升至窑顶时的几何压头所转变的
hp2=（ρa–ρg2）gH2正静压头能够克服气体在窑内流动时的全部阻力。
hp1-hp2＞0
窑内压强分布：
零压面维持在窑底平面，烟囱所要克服的阻力只是从窑底吸火孔算起，经支烟道主烟道至烟囱本身这一段。
自然通风时窑底可能出现负压，可使炉栅平面比窑底下落一定深度，使燃烧产物上升时具有较大的几何压头推动力，窑底仍为零压面。
窑内传热
特点：
窑内传热属于不稳定传热。
温度均匀：
热气体是由窑顶倒向窑底流动时被冷却，根据垂直方向气流法则可知，倒焰窑内温度分布会自动达到均匀。
火焰流动中，逐渐放热温度降级密度增加，在流过需要多供热量的地方热气体多一些，放出热量多，该处温度趋向于全窑水平截面上的均匀温度。
单位制品热耗大：
①间歇操作，升温过程中窑墙窑顶向外散热，并同时被加热，积聚的热量在燃料消耗总量中占大比例10~15%，这部分热量会在冷窑过程中放出而无法利用。
2烧好的产品和高温匣钵带走大量热，20%~30%，冷却时不易利用而浪费（气体热量不能回收使用）。
3高温气体需要比烧成温度高30~50℃才能用于烧成，温度低了离开窑底就成为废气。
30%~50%
燃料燃烧的操作控制
因为点火后，温度逐渐升高，升温过程中，随窑内温度不同，升温速度和气氛的性质不同．
新型间歇窑
梭式窑
结构：
1窑室2窑墙3窑顶4烧嘴5升降窑门6支烟道7窑车8轨道
窑车之间已经窑车与窑墙之间设有曲封和砂封，利用卷扬机或其他机械牵引设备使装载制品的窑车在窑室底部的轨道上移动。
采用高速调温烧嘴
烟气与制品间的温差不大，而窑内烟气的流速却比使用一般的烧嘴增大数十倍，从而保证制品的烧成质量的同时提高传热速率，实现制品允许的尽可能快的烧成目的。
钟罩窑（升降窑）
从送料方式可分为炉底升降与炉膛升降两种，从炉体结构可分圆形与方形两种.
电热窑炉
一、特点
与火焰窑炉的比较
设计计算
传热方式
火焰窑
需燃烧及设备计算
通风及设备计算
气体辐射和强制对流
电热窑
电热元件选择与尺寸计算
供电与控制设备
固体辐射与自然对流
优点：
结构简单，占地面积小；热效率高；温度高，可实现特殊的压力和气氛条件；烧成质量好。
缺点：
尺寸受限；电器设备复杂，元件消耗多，电费高。
二、分类
电阻炉、感应炉、电弧炉、电子束炉、等离子炉
电热材料的性能
1、发热温度（通常高于炉膛50-100℃）
2、好的电阻特性（电阻系数和电阻温度系数）
3、高温稳定性
4、优良的机械性能
5、热膨胀系数小
6、成本低
常用电热体材料
1、钼－高熔点（2630℃），但易氧化、与耐火材料反应。
2、钨－难熔（3410℃），电阻温度系数大，高温下易与含碳气氛及耐火材料反应。
3、镍铬合金－熔点约1400℃，电阻温度系数低，不易氧化。
4、铁铬铝合金－熔点约1500℃，电阻系数大，电阻温度系数小，不易氧化，价格低。
但高温下与酸性耐火材料反应强烈。
5、硅碳棒－熔点约2227℃，使用温度1400℃，易老化。
（表3-4）
6、硅钼棒－熔点约2030℃，使用温度1650℃，抗氧化，电阻特性好，寿命长，硬而脆。
7、石墨－耐高温、易加工，使用温度可达2500℃，但易氧化，需真空或气体保护。
8、碳－高熔点（3500℃），使用温度可达2500-3000℃，但易氧化。
电热体尺寸计算
基本要求：
①合适的电阻；②合适的表面积
电阻炉的使用
1、用前检查
2、电热元件损坏的原因：
①机械损伤机械外力损伤
②过热
③腐蚀
其它电热窑炉
1、加热原理
感应电流频通过金属块，使金属块加热，这种交变磁场中加热金属的方法称为感应加热法，原来通入交流电的导体称为施感导体。
当加热非金属材料时，用导电坩埚做发热体——间接加热
2、电源设备：
工频50HZ
中频50-10000
高频20000以上
3、特点：
加热速度快、温度高、质量好，功率控制方便、易于实现自动化，劳动条件好。
但有局限性。
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