高铝质耐火材料隧道窑设计.docx

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高铝质耐火材料隧道窑设计

设计总说明

本隧道窑的优点是操作连续，生产能力较大，燃料消耗低，使用寿命较长，机械化自动化程度较高，劳动条件较好，产量质量较高。

本隧道窑是由大量的耐火材料所构成，总长度为171米，包括3个带，即预热带，烧成带，冷却带，其中预热带和冷却带是由粘土砖，轻质粘土砖，高炉矿渣，红砖组成，烧成带则是由硅砖，轻质高铝砖，粘土组成，高炉矿渣组成。

该窑属于连续型窑炉，热利用性能较好，使用自然风或从冷却带抽出的1000℃热风助燃，从而使空气预热，保证了烧成温度得以实现。

说明详细介绍了高铝砖隧道窑的总体设计过程，主要内容包括：

窑体结构及主要尺寸的计算、燃料燃烧计算及燃烧设备选型、风机的选择。

窑的规格为：

171m×3.0m×3.1m。

该隧道窑采用曲折密封、砂封、窑底压力平衡系统和窑车的三曲折密封结合方式，防止冷空气漏入窑内，达到密封的目的。

预热带采用排烟与热循环气幕相结合的方式，有效地消除上下温差，保证产品质量的稳定。

在烧成带23—38车位之间，设有15对小功率的高速调温烧嘴；在39—53车位之间，设置14对抽风口，抽出热空气作为干燥空气；在53—57车位两侧窑墙，设置4对分散送风装置，通过调整风机转速和管道上的闸板来调节风量，保证出窑制品冷却到100℃以下[10]。

关键词：

高铝砖，隧道窑，设计

DesignDescription

Theadvantageofthistunnelkilnoperationshavelotoffeaturtions,forexamplecontinuous,largeproductioncapacity,lowfuelconsumption,longerlife,higherdegreeofmechanizationandautomation,betterworkingconditions.theproductionofhighquality.Thistunnelkilnusedalargenumberofrefractorycomposition,lengthofthetotalis171meters,includingthreepart,asapreheatingzone,firingzone,coolingzone,thepreheatingzoneandcoolingzoneweremadebytheclaybrick,lightweightclaybricks,blastfurnaceslag,redbrickcomposition,thefiringzonewasbemadesilicabrick,lightweighthighaluminabricks,clay,blastfurnaceslagcomposition.Thiskilnisacontinuouskilnwithabetterheatutilizationrate,andthenaturalwindorthehotairpumpedfromthecoolingzoneisusedtopreheatthecoldair.

Thispaperintroducesthedetaileddesignprocessofthetunnelkiln,whosespecificationis171m×3.0m×3.1m.Themaincontentincludesthecalculationsofthekilnstructuresize,fuelcombustionvalues,andtheheatbalancebetweenthepreheatingzoneandthefiringzone.Moreover,theselectionsofthecombustionandventilationequipmentaredescribedcarefullytoo.

Topreventtheoutsideairfromleakingintothekiln,Iadoptanewcombinationstyleincludingthelabyrinthpacking,sandseal,thepressurebalancesystemofkilnbottomandthekilncars.Thereare15lowpowerburnerswhichcanadjustthetemperaturebymeansofhighspeedrunningbetweenthe23thandthe38thcarport,andfourthpairsofsuctionopeningwhichcandrawoffthehotairasthedryresourcebetweenthe53thandthe57thcarport,moreoverfourpairsofairdispersedistributiondevicewhichcancontroltheairvolumebymeansofadjustingtheblowerspeedandtheflashboardopeningorclosingstate.

KeyWords:

Aluminabricks，TunnelKiln,design

1任务书要求

（1）生产任务：

年产量为35000吨/年；

（2）产品的品种和规格：

一，二等高铝标准砖；

（3）工作日：

350天/年；

（4）成品率：

92%；

（5）燃料种类：

天然气；

（6）最高烧成温度：

1550℃；

（7）坯体入窑水分：

≤2%；

（8）当地气象条件：

年平均气温：

20℃，大气压平均值101325Pa，相对湿度75%，室内风速0m/。

2前言

隧道窑属于连续式烧成设备，主要优点是产量大、热效率高、使用寿命长、机械化自动化程度高，易于调节，产品质量较高，因此大批量生产时广泛应用[3]。

本次设计一条年产3.5万吨高铝砖隧道窑，在刘铁民老师和马林老师的悉心指导下，参考国内外的有关资料，加以改进和创新设计出来的。

全窑的自动化水平较高，基本实现自动控制。

本设计参考了洛阳耐火材料厂高铝砖隧道窑的实际情况进行优化，同时设计。

本说明书主要包括窑体结构及主要尺寸的计算、燃料燃烧计算及燃烧设备选型、风机的选择。

3温度、压力和气氛制度的确定

3.1温度制度

隧道窑温度制度的稳定对产品的质量起着重要的作用，因而应具有完整的温度控制系统。

而隧道的温度制度的稳定主要是保持烧成带的温度稳定，烧成带的温度与燃料的发热值供给量，空气和燃料量的比例，一次和二次空气量的比例及其温度，推车时间间隔，窑车装砖量和装砖图等因素有关，在理想情况下，上述所有的因素因保持稳定。

为了使窑内温度制度稳定，目前设计一般可按照以下项目进行控制。

1）根据烧成带的温度调节燃料供给量

2）根据燃料的消耗量调节一次空气的供给量

3）根据预热带与烧成带相连接处的负压要求调节废气排出量

4）根据冷却带与烧成带相连接处的正压要求调节冷却鼓风量及抽出热空气量，

5）窑各带应设若干温度测量

6）其他温度测量项目

以下是本设计的各带安排：

车位

温度

带

1——8

20——150℃

预热带

9——16

200——530℃

预热带

17——22

600——1350℃

预热带

23——28

1350——1550℃

烧成带

28——38

1550℃

烧成带

39——48

1380——900℃

冷却带

49——53

800——300℃

冷却带

55——57

300——100℃

冷却带

3.2压力制度

隧道窑内压力制度的合理确定有助于烧成温度的稳定、燃料消耗量的减少、砖垛截面烧成的均匀、漏气减少及改善人工操作条件等。

烧成带一般采用微正压操作，以避免因负压操作吸入冷空气而破坏了烧成制度。

因此零压车位一般应设于预热带与烧成带相接处或者临近烧成带附近，使烧成带处于微正压区。

零压位一般可根据烧成工艺要求，推车时间间隔、烧成带的长短及高温点车位多少等确定[6]。

此外，由于窑内温度高，为了避免预热带上下温差设有循环气幕。

并采用砂封和窑底压力平衡相结合的方式进行密封[7]。

3.3气氛制度

烧成气氛对制品的烧成、制品的性质有很大关系，直接影响到烧成时一系列物理化学变化。

烧成时采用什么气氛，要根据物料的组成和性质、加入物等确定。

为了在高温阶段使温度缓慢均匀上升，在生产中，高铝砖烧成时应在弱还原气氛下进行。

4隧道窑总体设计

4.1隧道窑内容纳窑车数的确定

N=

（4—1）

式中：

ح—烧成时间104h

—推车时间110min

N—窑车数辆N=104÷110×60=57辆

4.2每辆窑车装砖量的确定

G=JgQ÷

（4—2）

式中：

g—平均装砖量吨/辆

G—年产量25000吨/年

J—窑年工作日数，350日

Q—成品率，92%

ｇ0＝35000×110÷（24×60）×350×92%（1-2%）=8.47（吨/辆）

查质料得取8.5吨/辆

4.3窑车尺寸的确定

根据装砖量，选用窑车长

取窑车长＝3.0×3,1

4.4窑长的确定

L＝N×l（4—3）

式中：

N—窑内容纳的窑车数量57辆

l—窑车长度3.0m

L—窑长度

L＝57×3.0=171（米）

4.5窑的断面尺寸确定

4.5.1窑宽度的确定

隧道窑的内宽为窑内两侧窑墙之间的距离。

确定窑的宽度应考虑到保证截面水平温度均匀性。

根据窑车的宽度为3.1米，窑车与墙应留有缝隙，选窑宽3.248米。

窑顶是用楔形砖砌筑，拱中心角太小，拱砖受力太大，在使用过程中还会产生下沉现象；反之，若拱中心角大，拱半径小，当受热时拱砖膨胀，拱会被挤起而产生开裂现象，同时拱过高，拱顶制品之间孔隙加大，增加上下温差。

拱中心角一般在60°~180°之间，其中60°的拱中心角采用较多，本次设计选用中心角α＝60°，半径R＝3248mm,矢高h＝436mm[2]。

4.5.2窑高度的确定

窑内高为窑车台面至窑顶的空间高度。

根据材料所能允许的堆垛高度来确定窑的内高。

对于高铝砖隧道窑来说，属于烧制高铝砖，根据规范，铝质砖窑内高为1.5-1.9米，考虑到窑高增加，上下温差加大，容易造成烧成质量不均匀。

窑高度的确定应考虑到保证制品在烧成温度下不致变形以及保证截面垂直方向的温度均匀等因素。

为保证制品在烧成带同气流的换热充分，在此部分使窑高增高，窑顶设阻力结构，尽量减少预热带和冷却带内的净空气高度、对制品换热和消除上下温差起到有利作用。

窑高取1.1m。

故窑的规格为：

171m×3.2m×1.1m

4.6窑各带的划分及长度的确定

隧道窑按热工制度（即温度、压力和气氛制度），将窑划分成预热带22个，烧成带15个，冷却带20个[8]。

l1＝

错误!

未找到引用源。

×L（4—4）

l2＝错误!

未找到引用源。

×L（4—5）

l3＝错误!

未找到引用源。

×L（4—6）

式中：

l1、l2、l3分别为预热带、烧成带、冷却带长度，m

ح1、ح2、ح3分别为预热带、烧成带、冷却带时间，h

l1＝错误!

未找到引用源。

×L＝22×110÷（60×104）×171=69m

l2＝

×L＝15×110÷（104×60）×171=42m

l3＝错误!

未找到引用源。

×L＝20×110÷（104×60）×171=60m

4.7有效容积的计算和装窑密度的计算

横断面积2.417m2

密的有效容积V＝1.1×3.2×171＝602m3

装窑密度ρ＝错误!

未找到引用源。

（4—7）

式中：

g—每车装砖量

N—窑内容纳窑车数

V—窑的有效容积

P=8.5×57÷602=0.8048kg/m3

4.8窑车数量的确定

（1）装砖台应占用窑车数量

装砖台一般用3个，应占用窑车3辆。

（2）由于装砖、卸砖班制不同，卸砖采用两班制，推车时间按110min计，故应占用窑车4辆。

（3）窑车上贮坯占用的窑车数

本计算窑车贮坯按1班考虑，应占用窑车4辆。

（4）窑车容纳的窑车数量。

据计算为57辆。

（5）卸砖台应占用窑车数量

卸砖台设3个，占用窑车3辆。

（6）窑外冷却砖占用窑车数量

高铝砖制品按3班出窑的窑车数计算为12辆。

（7）检修用窑车数量

本设计检修窑车占5辆。

则窑车数为57+3+4+4+3+12+4＝83（辆）

5隧道窑各带结构的确定

5.1预热带烟道和热循环气幕

排烟系统的作用：

排除燃烧产生的废气，维持窑内一定的压力并保证一定的温度曲线。

排烟量的调节：

用变频调速器调节排烟机的转速，可以调节排烟总量，调节排烟支管的闸板开程，可以调节各车位的排烟量。

排烟方式采用地上排烟方式，采用这种排废气管，机构简单，但是场内的温度较高，闸板长期受温度的影响容易变形，管道容易受到腐蚀，寿命短，本设计设有15组排烟气孔其中4—18号车位每个车位一组，前10对烟孔排出的烟经垂直烟道混总再经总烟道由排烟机排出。

后5对烟孔排出的烟用作热循环气幕的气体使用。

（气幕是指在隧道窑的横截面上，从窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内，从而形成一片气体帘幕。

）

采用排烟与热循环气幕相结合的方式有效的消除上下温差，采用地上排烟烟道，结构比较复杂，砌筑质量要求比较高，否则空气极易被吸入烟气中，增大排烟的负荷[1]。

5.2燃烧系统及烧嘴

5.2.1燃烧系统

燃烧系统的作用：

窑炉的热量来源。

将天然气喷入窑内，与助燃空气混合进行燃烧，放出热量，加热制品。

5.2.2烧嘴

根据相关规范和实践证明在高铝质耐火材料隧道窑的烧嘴布置应该以三米或者是三米以内为佳，间距达到三米时仍然可以保证制品的均匀烧成，而烧嘴的布置一般是在窑车与窑车之间，所以23—34车位之间布置有12对小功率高速调温烧嘴，设置在窑车和窑车之间而且对称布置。

在窑的高度方向上，高速烧嘴往往是设置在窑的偏上部，这样的布置有利于窑内气体形成强烈的循环。

高速调温烧嘴属无焰烧嘴，它是指燃气和空气在烧嘴内“完全”进行燃烧，再与二次空气（调温空气）混合来调节所喷出的气体温度。

使用高速调温烧嘴，燃烧效率高，燃烧室的体积小，燃烧室的容积能力强度非常高，最高可达2.1×108W/m3，且窑内温度均匀，这样有利于消除窑内的过热部位，减小窑体的蓄热损失和散热损失。

同时在窑内，温度均匀气流的强烈循环与搅拌作用又强化了烟气对制品的传热，这样既可以实现安全快速的加热，又可以降低烟气排除的温度，使窑炉的燃料消耗量下降。

调温方便，而且高温烟气高速喷出，喷出的速度通常在70m/s以上，高达200m/s～300m/s。

5.3热风抽出系统

为了使制品有效的冷却，从冷风带鼓入的冷空气量比燃烧所需的空气量要大，因此，热空气在进入烧成带之前要从窑内抽出一部分，并可利用作干燥砖坯用。

抽热风孔位置的确定：

为避免烧成带烟气向冷却带倒流，热风出口的位置不宜太靠近烧成带。

一般应距最后一对烧嘴9m左右，此外还要符合以下要求

1）抽出的风温度以400度为佳。

2）大型窑炉抽热风孔的位置距烧成带不小于三个车位或者9米，

3）当烧成带设有喷射装置的隧道窑，抽热风孔的位置与喷射装置的位置距离，大型窑炉一般不小于3个车位。

4）设置有余热炉的隧道窑，抽热风孔的位置可设计在余热炉后一个车位。

本窑在39—52车位之间设置窑顶抽风口14对。

风量的调节由风机进风口和出风口的闸板调节。

5.4冷风鼓入系统

本系统的作用是供给制品冷却所需要的冷风，以及窑底均压所需要的冷风。

窑尾在53—57车位两侧窑墙设置5对分散送风装置。

送风孔的位置和数量确定；

1）为保护窑门不变形，靠窑门两侧应该设置送风孔一对

2）送风孔的数量一般为3到5对，大型窑炉一般取5对，均匀布置在最后一个车位上，按一个车位布置一对。

3）对设有分散送风装置的隧道窑，集中送风孔数量一般为2—3对。

冷风鼓入量的调节：

本系统设有变频调速装置，用以调整风机转速来调节

冷风流量。

另外，也可以用封口管道上的闸板，调节冷风量。

5.5窑底压力平衡系统

本系统的作用是通过对窑车下部进行鼓风和抽风，在窑车下部造成一个与窑车上部相平衡的状态，从而减少以致消除上下部的气体流动。

本窑共有3段组成全窑的均位系统，在检查廊内设有金属管道通过支管道通到窑车下部。

用门形板将窑车底部与检查廊隔离，在门形板两侧及上部形成一个面积小、阻力大的通道。

本系统和砂缝及窑车与窑墙的曲缝共同组成本窑的密封系统[9]。

实践证明，采用窑底压力平衡的优点是：

（1）采用压力平衡，改善窑内热工制度，可以强化隧道窑的生产，加快推车速度，降低燃料消耗。

（2）可以减小窑内上、下温差，提高制品质量，窑车底部欠烧品明显减少。

（3）改善窑车烧损和变形，延长窑车轴承的使用寿命。

改善劳动条件，减轻劳动强度，往砂封槽内加砂的工作次数由每推两车加一次减少到每天加一次砂。

从检查廊底部掏砂工作量也相应地由每周掏1～2次，减少到每月掏一次。

消除了窑车轮烧坏变形情况的发生。

5.6窑门的设置

全窑共设有2道2段式窑门，即前窑门、后窑门，每道窑门都有窑门提升机实施窑门的开降。

窑门的封闭防止推车时大量冷空气窜入窑内，保证窑的烧成制度的稳定性，减轻排烟机负荷。

推车机和窑门提升机的联锁操作程序是：

（1）将装入半成品的窑车，置窑前准备室的固定位置上（人工推入）关闭前门。

（2）将窑尾部的窑车用拖车拉出。

（3）推开中间窑门到规定高度后，液压推车机自动启动，推车机推头带动窑车前进。

当推到固定位置时，推车机自动返回，中间窑门自动降到轨面，整个推车过程结束。

6窑墙、窑顶和窑车衬砖设计

6.1砌筑体材质的选择原则

选择砌筑体材质时要充分考虑砌筑体所处的工作条件，其中包括：

工作温度：

窑炉因用途不同，工作温度相差很大，用区别选用不同品种或不同等级的制品砌筑；

温度应力：

承受温度应力较大的窑炉或部位，因选择稳定性较好的材料，特别是间歇操作的窑炉更应充分注意。

承重载荷：

承受荷重打的部位应选择强度大的砖。

轻质砖和硅藻土砖不能用于砌筑承重拱顶或拱角砖，也不能用于砌筑同钢结构立柱相接触的窑垟。

在温度下承重还要考虑材料的荷重软化点；

机械损伤：

如煅烧原料的竖窑和回转窑都要考虑受料的冲击和磨损；

化学浸蚀：

不同种类的耐火制品砌筑接触时，都要考虑他们之间的反应；对于整个窑来说，还要防止由于局部砌体过早损坏而导致停产。

6.2窑墙设计

查《热工设计指导书》附录3可知，墙外表面温度为100℃，周围空气温度为20℃时，q=1000kcal/m2·h=1162w/m2

6.2.1预热带窑墙尺寸的确定

粘土砖：

λ1=0.698+0.64×10-3t=

=1.45w/m·C

δ1=λ1×（t内－t外）/q=1.45×350/1162=437mm

查附录5，化整δ1=464mm

轻质粘土：

λ2=0.262+0.232×10-3t=0.262+0.232×10-3×

=0.4244w/m·℃

δ2=λ2×（t内－t外）/q=0.4244×400/1162=146mm

查附录5，化整δ2=232m

红砖：

λ3=0.465+0.51×10-3t=465+051×10-3×

=0.5925w/m·℃

δ3=λ3×（t内－t外）/q=0.5925×300/1162=153mm

查附录5，化整δ3=232mm

6.2.2烧成带窑墙尺寸的确定

高铝砖：

λ1=0.815+0.756×10-3t=0.815+0.756×10-3×÷2=1.912w/m·℃

δ1=λ1×（t内－t外）/q=1,912×200/1162=329mm

查附录5，化整δ1=348mm

轻质高铝砖：

λ2=0.175+0.268×10-3t=0.175+0.268×10-3×

错误!

未找到引用源。

=0.4564w/m·℃

δ2=λ2×（t内－t外）/q=0.4564×950/1162=231mm

查附录5，化整δ2=232mm

粘土砖：

λ3=0.698+0.64×10-3t=0.698+0.64×10-3×

=1.066w/m·℃

δ3=λ3×（t内－t外）/q=1.066×350/1162=222mm

查附录5，化整δ1=232mm

红砖：

λ4=0.465+0.51×10-3t=0.465+0.51×10-3×

=0.5925

δ4=λ4×（t内－t外）/q=0.5925×350/1162=152

查附录5，化整δ4=232

6.2.3冷却带窑墙尺寸的确定

粘土砖：

λ1=0.698+0.64×10-3t=0.698+0.64×10-3×

=1.4756w/m·℃

δ1=λ1×（t内－t外）/q=1.4756×330/1162=419mm

查附录5，化整δ1=464mm

轻质粘土砖：

λ2=0.262+0.232×10-3t=0.262+0.232×10-3×

=0.4418w/m·℃

δ2=λ2×（t内－t外）/q=0.4418×550/1162=209mm

查附录5，化整δ2=232mm

红砖：

λ3=0.465+0.51×10-3t=0.465+0.51×10-3×

=0.618w/m·℃

δ3=λ3×（t内－t外）/q=0.618×400/1162=213mm

查附录5，化整δ3=232mm

6.3窑顶设计

查《热工设计指导书》附录3可知，墙外表面温度为100℃，周围空气温度为20℃时，q=1200kcal/m2·h=1394.4w/m2

6.3.1预热带窑顶尺寸的确定

粘土砖：

λ1=0.698+0.64×10-3t=0.698+0.64×10-3×

=1.45w/m·℃

δ1=λ1×（t1－t2）/q=1.45×350/1394.4=364mm

查附录5，化整δ1=408mm

轻质粘土砖：

λ2=0.262+0.232×10-3t=0.262+0.232×10-3×

=0.4534w/m·℃

δ2=λ2×（t2－t3）/q=0.4534×350/1394.4=114mm

查附录5，化整δ2=136mm

高炉渣：

λ3=0.08+0.25×10-3t=0.08+0.25×10-3×

=0.18625w/m·℃

δ3=λ3×（t3－t4）/q=0.18625×450/1394.4=60mm

查附录5，化整δ3=68mm

红砖：

λ4=0.465+0.51×10-3t=0.465+0.51×10-3×

=0.542w/m·℃

δ4=λ4×（t4－t5）/q=0.542×100/1394.4=39mm

查附录5，化整δ4=68mm

6.3.2烧成带窑顶尺寸的确定

硅砖：

λ1=0.815+0.756×10-3t=0.815+0.756×10-3×

=1.912w/m·℃

δ1=λ1×（t内－t外）/q=