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《窑炉课程设计》说明书

景德镇陶瓷学院

《窑炉课程设计》说明书

题目：

日产4000平米建筑瓷砖

辊道窑设计

院（系）：

专业

姓名：

学号：

指导教师：

二○一一年十月三日

一、前言……………………………………………2

二、设计任务书……………………………………2

三、窑体主要尺寸的确定…………………………3

四、烧成制度的确定………………………………4

五、工作系统的确定………………………………5

六、燃料燃烧的计算………………………………8

七、窑体材料及厚度的确定………………………9

八、热平衡的计算…………………………………10

九、烧嘴的选用……………………………………16

十、参考文献………………………………………17

1.前言

辊道窑是近几十年来发展起来的新型快烧连续式工业窑炉，目前已广泛用于釉面砖、墙地砖、彩釉砖等建筑陶瓷工业生产中。

我国陶瓷窑炉专家刘振群教授找在80年代初九指出陶瓷窑炉要“煤气化、轻体化、滚刀化、自动化”四化发展方向，辊道窑代表了现代陶瓷工业窑炉的发展方向。

2．设计任务书

2.1设计题目：

日产4000平米建筑瓷砖辊道窑设计

2.2设计原始数据

2.2.1坯料组成（%）

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

K2O

Na2O

IL

68.35

16.27

2.30

2.65

0.85

2.20

2.15

4.85

2.2.2产品规格：

800*800*10mm,单重15.3公斤／块

2.2.3入窑水分：

＜1%

2.2.4产品合格率：

95%

2.2.5烧成周期：

60分钟（全氧化气氛）

2.2.6最高烧成温度：

1200°C

2.2.7燃料：

液化气

液化气

H2

CH4

C2H6

C2H4

C3H8

C3H6

C4H10

C4H8

C5H12

C5H10

Qnet（MJ/Nm3）

10

6

5

16

15

15

2

8

10

13

110

2.2.8夏天最高温度：

38°C

2.3设计基本要求

2.3.1设计辊道窑，燃料为液化气；

2.3.2课程设计应成为创造性劳动，应表达出自己的实际思想，独立思考完成；

2.3.3窑炉结构和工作系统合理，设计计算正确，独立完成，大胆创新；

2.3.4图纸清晰干净，制图规范，尺寸齐全，图纸上墨；

2.3.5设计图纸范围：

窑体结构图，窑体主要断面图；

2.3.6说明书完整详细。

2.4设计进度安排

2011.9.19～2011.10.9共三周时间完成

2011.9.19～2011.9.25确定窑体主要尺寸和结构、设计计算

2011.9.26～2011.10.2绘图、图纸上墨

2011.10.3～2011.10.9编写打印说明书

3.窑体主要尺寸的确定

3.1窑内宽的确定

产品宽度为800mm，烧成收缩率为8%，则

坯体尺寸=产品尺寸/（1-烧成收缩率）

=800/（1-8%）=870mm

坯体离窑墙内壁一般应有100～200mm间隙，取200mm;

暂定窑内宽B=2000mm，则可排砖数为：

（2000-200×2）÷870=1.8

确定并排2片，则窑内宽B=870×2+200×2=2140mm

最后定窑内宽B=2140mm

3.2窑体长度的确定

3.2.1窑容量

窑容量=[日产量（m2/a）×烧成周期（h）]/[24小时×合格率（%）]

=（4000×50／60）/（24×95%）=146.19

3.2.2装窑密度

装窑密度=每米排数×每排片数×每片砖面积（m2／每米窑厂）

（1000÷870）×2×0.8×0.8=1.471（m2／每米窑厂）

3.2.3窑体长度

窑容量（m2/每窑）146.19

窑长=--------------------=-------=99.4（m）

装窑密度（m2/每米窑长）1.471

利用装配式,由若干节联接而成,设计每节长度为2100mm,节间联接长度8mm,总长度2108mm,则节数=99400/2108=47.2，故取节数为48节。

因而窑体总长度=48×2108=101.184m。

3.2.4窑体各带长度的确定

预热带：

（25～900°C），取15节，15×2108=31620（mm），占总长15/48=31.25%；

烧成带：

（900～1200°C），取13节，13×2108=27404（mm），占总长13/48=27.08%；

冷却带：

（1200～80°C），取20节，20×2108=42160（mm），占总长20/48=41.7%。

考虑到辊道窑两侧,即窑头窑尾各应留有工作台,设计取窑头窑尾工作台长度分别为2m、3m

故窑体总长=101.184+2+3=106.184m.

3.3窑内高的确定

窑道内高等于辊上高与辊下高之和,辊上高应大于制品厚度,本设计玻化砖的厚度为10mm,厚度小,采用明焰焙烧,只要考虑气流顺畅就可以了.辊下高是保证处理事故的方便.从理论上说,辊下高取制品的对角线长.但实际中由于掉砖都发生了破损,通常大于制品长边即可.本设计的各段内高如下所示：

名称

辊上高（mm）

辊上高（mm）

辊上高（mm）

预热带

300

500

800

烧成带

350

550

900

冷却带

300

500

800

4.烧成制度的确定

4.1温度制度

4.1.1烧成温度：

25～250°C5分钟

250～500°C5分钟

500～900°C4分钟

900～1100°C5分钟

1100～1200°C11分钟

1200～800°C3.8分钟

800～550°C5.2分钟

550～200°C6分钟

200～80°C5分钟

合计50分钟

4.1.2温度烧成曲线图

4.2气氛制度：

全窑氧化气氛

4.3压力制度：

预热带-40～-250Pa，烧成带＜8Pa。

5.工作系统的确定

5.1排烟系统

明焰辊道窑的燃烧火焰直接进入窑道内的辊道上下空间，对制品进行直接加热。

为提高热利用率，一般采用集中排烟方式。

即在窑头不远处的窑顶，窑底设在排扣抽出，经排烟总管，排管机抽至烟囱排出室外。

参照意大利WELKO公司FRW2000型气烧辊道窑，在窑头设置了6节窑前干燥段，其目的是使坯体内残余的自由水分在200°C前能基本上排除在第7节，设两处主排烟口，下面的排烟口则设置在辊下两侧窑墙上。

烟气在这里排除时的温度较高（≥400℃），由于主排烟口机抽出经换热器与空气热交换后，分两排放。

5.2燃烧系统

5.2.1烧嘴的布置

5.2.1.2在预热带、烧成带和冷却带前端辊上设置挡火板。

5.2.2燃烧系统的管路布置

气烧辊道窑的液化气一般都在窑顶上方，液化气由总管经过支管流向烧嘴，助燃空气由空气总管经过另外一支管道流入，先通过钢架结构的空心管再由软管流向烧嘴。

由钢架结构的空心管兼做空气支管，不仅外形美观整洁，而且还节省材料。

5.3冷却系统

冷却方式采用鼓入冷风和抽热风在急冷段、缓冷段、快冷段都有横空中楼阁窑内的冷却风管和热风抽出风管。

5.3.1在1200～800℃的急冷段（29～32节），共4节窑，每节分别设3根冷却风管在辊上，2根冷却风管在辊下，急冷段共设25根冷风管。

5.3.2在800～200℃的缓冷段（33～43节），共11节窑，每节窑的辊上或辊下设1根，从窑中每隔一节窑顶分设一根抽热分管，缓冷段共设8根抽热风管。

5.3.3在200～80℃的快冷段（44～48节），共5节窑，每节辊上辊下各设两对冷风鼓入管，每节窑顶设一根抽热风管，鼓冷风机在冷却带共用一台，抽热风机急冷和缓冷共用一台，快冷区单独用一台，快冷段共用28根冷风鼓入管。

5.4传动系统

5.1.1辊子的选择

选辊子时必须要求辊子具有一定的刚度、强度、耐磨度、耐腐蚀和良好的高温性能，尺寸要有规范，能满足使用要求，而且成本尽量要低。

依据窑体各段温度的差异选用不同的辊子；低温段（第1~6、29~48节）选用普通热轧无缝钢管（使用温度＜600℃，非腐蚀性介质中）；高温段（第7~28节），选用85%Al2O3瓷质辊棒。

5.4.1.2辊子直径的选择

辊子的直径由制品的重量和辊子的联结形式决定，参照经验，少玻化砖的辊道窑，辊子的直径一般为25~40mm，并查常用陶瓷辊棒的主要规格，选用直径为40mm。

5.4.1.3辊距的选择

确定辊距的主要依据是制品对的长度以及辊子的直径、窑内传热和制品在辊道上移动时的平稳性。

5.4.1.4辊子的安装

辊子的支撑选用双支点混合的形式，因为这种支承型式既具有双支点固定支承的优点，又具有双支点托轮支承的优点；简便易行，可避免辊子可能出现的任何热膨胀而带来的故障，更换辊子方便等优点。

辊子的密封采用填塞陶瓷棉的方法，这种密封方法简单有效，既保证了辊子转动灵活，又起到了密封作用，还加强了此处的保温。

5.4.1.5辊子转速的计算

N=K·L／3.14·T·D

N——转子转速r／min，L——窑长mm，T——产品烧成周期min，D——辊子直径mm.

选辊子直径D=40mm，K取1.05

N=（1.05×106184）／（3.14×50×40）=17.75（r／min）

辊道窑采用分段传动时，各段速度略有不同，为防止制品在运行时起摞、垒砖，自窑头向窑尾方向各段转速应依次加快，但由于各段间转速差别不大（后段仅比前段快0.05r／min左右）,在传动设计时通常采用变频电机或变频调速器。

因此，进行传动比计算时，辊子转速取平均值。

5.4.2传动系统的选择

可采用整体传动，分段带动和分段传动的方式，既保证传动的平稳性而且结构紧凑，满足调速要求。

辊道窑的传动系统由电动机、减速设备和传动机构所组成，考虑到传动平稳性和产品质量等要求，选用螺旋齿轮进行分段传动。

5.4.3辊距的确定

辊距即相邻两根辊子的中心距。

用经验公式：

H=（1／3~1／5）×L

式中：

H——辊距，mm

L——制品长度，mm

辊距＜800÷3=266.67（mm）

考虑到每节长2108mm，辊距定为180m，每节装12根辊棒。

5.4.4辊孔的密封

为了使辊子能自由转动，辊孔孔径窑比孔子外径达10mm，为避免窑内热气体外逸或冷空气进入窑内，所以密封辊孔。

5.4.5传动过程

电机→减速器→主动链轮→滚子链→从动链轮→传动轴→主动螺旋齿轮→从动螺旋齿轮→辊棒→传动轴→辊子。

5.5窑体附属结构

5.5.1事故处理孔

事故处理孔一般设在辊下，且事故处理孔底面与窑底面平齐，以便于清除出落在窑底上的砖坯碎片，事故处理孔大小尺寸通常宽240～450mm，高64～135mm。

预热带与烧成带用16个事故处理孔，共用30个事故处理孔。

5.5.2测温测压孔急观察孔

为严密监视及控制窑内温度制度，及时调节烧嘴开度，一般在窑道顶及火道侧墙留设若干处测温孔，以安装热电偶。

测温测压口一般每节窑一个。

观察孔是设计在烧嘴对侧窑墙上，一边观察对烧嘴的燃烧情况，数目和烧嘴对应。

5.5.3膨胀缝

窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，为避免坯体开裂，挤坯，必须重视窑体膨胀的留设，有窑墙、窑顶等要留设，而且必须注意隔焰板，孔砖间隔膨胀缝的留设，每节窑约留10～20mm的膨胀缝。

5.5.4挡墙

由于辊道窑属中空窑，工作通道空间大，气流阻力小，难以调节窑内压力制度及温度制度。

所以常在辊道窑工作通道的某些部位，辊下砌筑挡墙，辊上插入挡板，缩小该处工作通道面积，以增加气流阻力，便于压力与温度制度的调节。

辊下挡墙用标准直形砖横砌在窑底横断面。

我们在烧成带两端都设有挡墙。

烧成带与冷却带挡墙起分隔两带的作用，既避免了烧成带烟气倒流，又避免了压力波动时急冷风窜向烧成带而降低高温区温度。

预热带与烧成带交接处的挡墙可以增加烟气在高温区的滞留时间，提高烟气的利用率。

5.6窑体加固钢架结构形式

辊道窑钢架结构起着加固窑体作用，而钢架本身又是传动系统的机身。

我们采用装配式钢架结构，可以实现设计制造的标准化，选用不同的段十分灵活的组成各种窑炉，便于生产加快窑炉建筑与安装进度。

钢架结构每一节对都设有17根60×4mm的方钢，吊顶选用56×5的等边角钢，下横梁上焊有56×5的等边角钢，而烧嘴的固定用56×5的等边角钢。

6.燃料燃烧计算

燃料的成分组成

液化气

H2

CH4

C2H6

C2H4

C3H8

C3H6

C4H10

C4H8

C5H12

C5H10

Qnet（MJ/Nm3）

10

6

5

16

15

15

2

8

10

13

110

1理论空气量

0.20.21001

Vao=（------+--------+95.6X2+3.5X3+0.3X1.5）X-------X------）=9.636Nm3/Nm3

2221100

2、理论烟气量：

VO=（0.1+0.2+0.2+3X95.6+4X3.5+2X0.3+0.1）X0.01+0.79XVao=10.6324Nm3/Nm3

3、实际空气量：

Va=aVao=1.1X9.636=10.5996Nm3/Nm3

4、实际烟气量：

V=VO+（a-1）Vao=10.6324+（1.1-1）X9.636=11.596Nm3/Nm3

5、理论燃烧温度Tth=（Qnet+CfTf+VaCaTa）/Vc

理论燃烧温度Tth=（Qnet+CfTf+VaCaTa）/Vc

0--20℃的平均比热:

天然气：

Cf=1.6KJ/Nm3℃空气：

Ca=1.30Nm3℃

C*Tth=（41580+1.6*20+10.5996X1.3X20）/11.596=3612℃

设Tth=1200℃，c=2.89则：

1200*2.89=3468

设Tth=1400℃，c=3.01则：

1400*3.01=4214

（1400-Tth）/（1400-1200）=（4214-3612）（4214-3468）则：

Tth=1238.6℃

取高温系数η=0.82，则实际燃烧温度为：

0.82*1238=1016℃<1200℃

温度达不到烧成温度1200℃，空气需预热。

7.窑体材料及厚度的确定

所用材料的相关参数

材料

最高使用温度／℃

密度／g·cm

导热系数

轻质高铝砖

1400

1.0

0.66+8×0.00001

轻质粘土砖

1250

0.8

0.26+0.23×0.001

硅藻土砖

1350

0.7

0.35~0.81

陶瓷棉

900

0.1~0.3

全窑所用材料

温度带

窑顶（mm）

窑墙（mm）

窑底（mm）

预热带（1~27节）

轻质粘土砖250

陶瓷棉125

轻质粘土砖200

陶瓷棉100

轻质粘土砖200

硅藻土砖125

陶瓷棉100

烧成带（28~38节）

轻质高铝砖250

陶瓷棉100

轻质高铝砖200

陶瓷棉100

轻质高铝砖200

轻质粘土砖125

陶瓷棉100

急冷带（39~43节）

轻质高铝砖250

陶瓷棉125

轻质高铝砖200

陶瓷棉100

轻质高铝砖200

轻质粘土砖125

陶瓷棉150

缓冷带（44~51节）

轻质高铝砖200

陶瓷棉125

硅藻土砖200

陶瓷棉100

轻质高铝砖200

硅藻土砖125

陶瓷棉150

快冷带（52~58节）

轻质高铝砖200

陶瓷棉125

硅藻土砖200

陶瓷棉100

轻质高铝砖200

硅藻土砖125

陶瓷棉150

8．热平衡计算

8.1计算预热带、烧成带热平衡计算

8.1.1热平衡计算的基准和范围，以一小时为时间基准，0℃为温度基准。

8.1.2热平衡框图

8.1.3热收入项目

8.1.3.1坯体带入显热Q1

每小时烧成制品的质量G1=4000×15.3／24×0.95×0.82×（1﹣4.85%）=1475.2（kg/h）

入窑制品含自由水量：

1%，则湿基制品质量：

G2=1490.1／（1-1%）=1490.1（kg/h）

制品入窑第五节温度取t1=300℃，入窑制品比热容C1=0.84+26×10-5×300=0.918（KJ/Kg℃）

所以Q1=G2C1t1=1490.1×0.918×300=410375.376（KJ/h）

8.1.3.2燃料带入化学热与显热Qf

入窑液化气温度tf=20℃，Cf=1.41（KJ/m3℃）设液化气消耗量为Xm3/h

则Qf=X（Qnet+Cftf）=X（110000+1.41×20）=110028.2X（KJ/h）

8.1.3.3助燃空气带入显热Qa

助燃空气温度ta=20℃，Ca=1.30（KJ/m3℃）

所以Qa=VaCata=25.38X×1.3×20=659.88X（KJ/h）

8.1.3.4预热带漏入空气显热Qb

取预热带空气过剩系数ag=2.0,漏入空气温度ta=20℃，Ca=1.30（KJ/m3℃）

漏入空气量V=X（ag﹣a）Vao=X（2-1.15）×22.07=18.76X（m3/h）

所以Qb=VCata=18.76X×1.3×20=487.76X（KJ/h）

8.1.4热支出项目

8.1.4.1产品带出显热Q2

烧成产品质量G3=G1×95%=1475.2×95%=1401.44（kg/h）

制品出烧成带的温度t=1200℃

制品平均比热容C2=0.84+26×10-5×1200=1.15（KJ/Kg℃）

所以Q2=G3×C2×t2=1401.44×1.15×1200=1933987.2（kg/h）

8.1.4.2窑体散失热Q3

将计算窑段分为两部分：

预热带：

25～900℃1～15节取550℃

烧成带：

900～1200℃16～28节取940℃

第一部分：

25～900℃，内壁平均温度550℃，外壁取40℃

a窑顶：

轻质粘土砖λ=0.4（W/m3℃），δ=0.25m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ0.125m

热流q=（550-40）/（0.25/0.4+0.125/0.2）=408（W/m2）

窑顶散热面积A顶=（2+2.12）/2×2.17×25=111.755m2

所以Q顶=408×111.755×3.6=164145.744（KJ/h）

b窑墙：

轻质粘土砖λ=0.42（W/m3℃），δ=0.2m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ=0.1m

同理热流q=522.54（W/m2）

一侧窑墙散热面积A墙=（0.74+1.393）÷2×2.17×25=57.86m2

所以两侧窑墙散热量Q墙=57.86×2×3.6×522.54=217685.98（KJ/h）

c窑底：

轻质粘土砖λ=0.42（W/m3℃），δ=0.2m

硅藻土砖λ=0.5（W/m3℃），δ=0.125m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ=0.1m

同理求得热流q=415.99（W/m2）

Q底=415.99×111.755×3.6=167360.26（KJ/h）

第二部分：

700～1180℃，外壁去80℃，内壁平均温度940℃

a．窑顶：

轻质高铝砖λ=0.73（W/m3℃），δ=0.25m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ=0.125m

热流q=（940-80）/（0.25/0.73+0.125/0.2）=889.35（W/m2）

窑顶散热面积A顶=（2+2.12）/2×2.17×11=49.17m2

所以Q顶=889.35×49.17×3.6=157425.62（KJ/h）

b．窑墙：

轻质高铝砖λ=0.74（W/m3℃），δ=0.2m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ=0.1m

同理热流q=1116.88（W/m2）

一侧窑墙面积A墙=（0.74+1.393）/2×2.17×11=25.46m2

所以两侧窑墙散热Q墙=2×1116.88×25.46×3.6=204737.51（KJ/h）

c．窑底：

轻质高铝砖λ=0.74（W/m3℃），δ=0.2m

轻质粘土砖λ=0.49（W/m3℃），δ=0.125m

陶瓷棉λ=0.2（W/m3℃），δ=0.1m

同理求得热流q=839.02（W/m2）

所以Q底=839.02×49.17×3.6=148516.61（KJ/h）

所以窑体总散热量：

Q3=164145.744+217685.98+167360.26+157425.62+204737.51+148516.61=1059871.72（KJ/h）

8.1.4.3物化反应好热Q4

8.1.4.3.1自由蒸发吸热Qw

自由水质量Gw=G2－G3=1490.1－1475.2=14.9（Kg/h）

烟气离窑tg=400℃，所以Qw=Gw（2490+1.93×400）=48603.8（KJ/h）

8.1.4.3.2其余物化反应热Qr

用Al2O3反应热近似代替物化反应热

入窑干制品质量G3=1475.2（Kg/h），Al2O3含量16.27%

Qr=G3×2100×16.27%=504031.58（KJ/h）

所以Q4=552635.384（KJ/h）

8.1.5烟气带走显热Qg

离窑烟气总量Vg=〔V°+（αg-α）·Vao〕·x=（10.6324+9.636）X=20.27X（m3/h）

tg=400℃，Ca=1.45（KJ/m3℃）

Qg=VgCgTg=20.27X×1.45×400=11755.672X（KJ/h）

8.1.6其它热损失Q5

Q5=（Q1+Qf+Qa+Qb）×0.05=（410375.376+110028.2X+659.88X+487.76X）×0.05=20518.77+5558.792X

8.1.7热平衡方程

Q1+Qf+Qa+Qb=Q2+Q3+Q4+Q5+Qg

410375.376+110028.2X+659.88X+487.76X=1933987.2+1059871.72+2072171.63+26593X+20518.77+5558.792X解得X=33.6（m3/h）

已知每小时烧成产品质量G3=1401.44（Kg/h）

所以每公斤产品的热耗=111.37×110000÷1401.44=8741.5KJ

预热带、成带热平衡表

热收入

热支出

项目

KJ/h

%

项目

KJ/h

%

坯体带入显热

410375.376

9.89

产品带入显热

1933987.2

46.61

燃料化学热及显热

3696947.52

89.19

窑炉散失之热

1059871.72

25.54

助燃空气显热

22171.968

0.53

物化反应热

552635.384

13.32

漏入空气显热

16388.736

0.39

烟气带走显热