热工设备

4隧道窑与辊道窑本章提要现代隧道窑和辊道窑是两种先进的陶瓷窑。隧道窑还可以烧制耐火材料、微晶玻璃、砖、瓦等其他一些材料；而辊道窑在烧制小件、薄件陶瓷制品方面表现出很大的优势。本章的内容主要是关于这两种窑型的。在本章将主要学习以下内容：（1）隧道窑；（2）辊道窑；（3）隧道窑和辊道窑的操作控制及辊道窑的自动测控、自动安全保护；（4）高速调温烧嘴和脉冲烧嘴；（5）隧道窑和辊道窑所用耐火材料。至于本章中用楷体字排版的内容，不作专门的要求，仅供读者将来需要时阅读参考。从广义上来讲，陶瓷是指由金属元素、非金属元素的化合物所组成的多晶体固体材料。这个广义上的陶瓷定义实际上就是本教材绪论中所提到的“硅酸盐材料”，也就是现在已经扩展后的“无机非金属材料”，它的英语名称是：Ceramics。从狭义上来讲，陶瓷包括普通陶瓷与特种陶瓷。普通陶瓷（简称：普陶）主要包括：日用陶瓷（包括艺术陶瓷）、建筑陶瓷（包括卫生陶瓷）、工业陶瓷（有绝缘电瓷、化工用瓷等）这三大类传统陶瓷产品；而特种陶瓷（简称：特陶，也被称为：技术陶瓷、先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷等主要是指一些高科技含量较高的陶瓷材料，包括结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷等，特种陶瓷不仅包括三维陶瓷体，更广泛的特种陶瓷也包括：陶瓷薄膜（二维）、陶瓷纤维（一维）、纳米陶瓷（零维）等。在本章中所涉及的陶瓷主要是普通陶瓷，因为特种陶瓷的高温制备设备与技术将在下一章中学习。从较广的范围上来讲，普通陶瓷包括：土器、陶器、炻器、瓷器。从土器到陶器、炻器，再到瓷器，其吸水率越来越小。在英语中，还有其他一些词汇来描述某些特殊的陶瓷制品（像Terri-CottaWare，Faience，Whiteware，Redware，Blackware，Celadon等）。从较窄的范围上来讲，普通陶瓷通常是指陶器和瓷器的合称：陶器一般是指由粘土类原料制成；而瓷器则一般是以粘土类原料为主要原料，辅以像长石、石英砂一类的辅助原料而制成。普通陶瓷制品一般都是要经过烧制而成。由于表面有一层釉，所以陶瓷制品的烧制过程分为素烧过程和釉烧过程，这种烧制工艺被称为：二次烧成；而将两个烧制过程合二为一的烧制工艺称为：一次烧成。凡一次烧成的陶瓷制品或尽管是二次烧成，但釉烧温度要高于素烧温度的陶瓷制品称为：Porcelain；凡需经过二次烧成，而且素烧温度高于釉烧温度的陶瓷制品则称为：Chinaware或china。传统陶瓷窑已经基本上被淘汰，而连续式的隧道窑在大批量烧成陶瓷产品（包括微晶玻璃）以及烧成耐火材料（包括砖、瓦等建筑材料）等方面表现出巨大优势。对于很多陶瓷产品的烧成，辊道窑具有比隧道窑更为先进的性能。所以本章的学习重点是隧道窑和辊道窑。4.1隧道窑隧道窑（TunnelKiln）为窑车式隧道窑的简称，1887年法国人Faugeron成功地将其用于烧制陶瓷。经过不断改进，隧道窑已经成为现今陶瓷制品（包括微晶玻璃）以及烧结型耐火材料制品、还有砖、瓦等建筑材料的主要烧成设备。就隧道窑本身而言，也有很多种类型。如果按照隧道窑不同特征分类，在教材上如表4.1所示。4.1.1隧道窑的分带、流程和结构隧道窑，顾名思义，就是一个长长的耐火材料隧道，在隧道内装有窑车等运载工具。坯体随窑车从隧道窑的窑头进入隧道窑，在窑内完成烧制过程后，从窑尾随窑车出窑，而后卸下产品，卸空后的窑车继续装载新的坯体并返回窑头入窑煅烧，该过程参见教材的图4.1和教材的图4.2。根据窑内烧成过程的不同，隧道窑可以分为预热带、烧成带和冷却带这三个带，在教材上如图4.2所示。三带划分，不同的学者有不同方法。多数学者以燃烧室的设置来划分：有燃烧室的部分为烧成带，烧成带前、后各为预热带和冷却带。应注意：在现代隧道窑中，900℃以下设有高速调温烧嘴或脉冲烧嘴的地段仍为预热带。隧道窑窑车返回系统的局部图隧道窑的分带及流程简图4.1.1.1窑体传统的隧道窑是由传统材料（钢材、建筑红砖、保温砖、耐火砖）砌筑而成的。钢材的抗拉强度较高；红砖的抗压强度较高；保温砖的保温效果较好；火砖的耐高温效果较好，它们各发挥其特长，参见教材的图4.1。现代化隧道窑由轻质保温耐火砖、耐火纤维构筑，所用构筑材料轻质、保温、耐火、使用寿命长且环保，在教材上如图4.5所示。（1）窑顶一般传统隧道窑多采用拱顶，参见教材的图4.4，。拱顶产生的横向推力作用于拱角砖上，通过拱角砖（也称：底角砖）再传递给立柱。立柱下端埋在混凝土基础内，上端用上拉杆拉紧，拉杆上有松紧螺母，随着温度上升，应及时地逐渐放松螺母现代隧道窑则多采用平顶，参见教材的图4.5教材的图4.6，顶要采用吊顶结构，（2）窑墙与窑顶相比，隧道窑窑墙的砌筑比较简单，用错缝湿法砌筑，只是要注意所用耐火泥与所用耐火砖的耐火度要相接近，隔一段距离还要预留出一定的膨胀缝。（3）检修坑道为了便于清扫落下的碎屑、砂粒，为了冷却窑车以及在发生倒垛事故时便于拖出窑车，有的隧道窑在窑车轨道下面还设置有人可行走的检修坑道，在教材上如图4.4所示。4.1.1.2窑车及窑具窑车衬料实际上是隧道窑的“窑底”，它是构成隧道窑工作空间的一部分。但是窑车材料又不同于窑墙和窑顶，它是在窑内移动的，处于非稳定的传热状态。窑车图教材上的图4.12是两种新型窑车结构——半承重型窑车和非承重型窑车。窑车两侧装有钢制裙板，裙板插入砂封槽中。砂封作用是阻隔窑车的上、下空间。另外，还有曲折密封，在教材上如图4.13所示，这样可增加气体溢出或冷空气漏入的阻力，也可降低辐射散热损失。窑具有：棚板、支柱、垫砖等，在教材上如图4.15所示。这里注意：窑具要承受一定的荷重载荷，尤其是在高温下承载，所以，如果为了降低热耗而要减小窑具蓄热量的，只能将窑具轻型化，而不能将其轻质化。现代隧道窑内还设有窑车装载物的倾斜报警装置，告知操作人员及时处理。4.1.1.3通风排烟系统与燃烧系统（1）预热带①排烟系统分散排烟系统小集中排烟系统隧道窑的排烟系统设置在其预热带，排烟系统包括排烟口、支烟道、主烟道、排烟机及烟囱等。废气通过排烟口进入支烟道，由支烟道汇总到主烟道，再经过排烟机升压后从大烟囱排向高空。分散排烟是便于控制隧道窑内各点的烟气流量，以保证完全按照烧成曲线控制温度，同时控制流向，减弱气体的分层，由于是利用排烟口负压调节温度，所以称为：负调节方式。而设置有高速调温烧或嘴脉冲烧嘴现代隧道窑，由于温度调节较为方便，为了更加充分利用废气余热，往往是集中排烟，有的是小分散排烟，因烧嘴喷出的高温气流是正压，所以称为：正调节方式。②封闭气幕现代隧道窑不设立窑门而是用封闭气幕将窑内与周围的环境分隔开来。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，从而形成的一片气体帘幕。③高速调温烧嘴高速调温烧嘴（或脉冲烧嘴或高速调温烧嘴+调温搅拌风嘴）设置在隧道窑预热带内靠近烧成带附近，喷出的高速热气体可调整窑内温度分布以满足工艺烧成曲线的要求。④搅动气幕和循环气幕从烧成带流向预热带的废气，其冷、热气流的混合实际上是不均匀的，这是由于传热的不均匀，因而存在着较热气团和较冷气团。由于二者密度不同就使得较热气团上浮，较冷气团下沉，从而造成预热带内的气体产生明显分层（热气体在上，冷气体在下），这就是所谓的预热带内气流的自然分层现象。气流自然分层的最直接结果是造成隧道窑预热带内气流温度的不均匀（上高下低，即窑内上部温度较高，下部温度较低）。当然，其他一些因素也会对隧道窑预热带内的温度不均现象有促进作用，这些因素包括：料垛码法、吸入冷空气（漏风）、窑车蓄热、纵向自然对流作用等。（2）烧成带隧道窑烧成带的燃烧系统包括燃烧室及烧嘴、气氛气幕等。在烧成带，由于燃烧火焰喷出的剧烈扰动，使得其断面的气流温度分布很均匀，不会像预热带那样会有明显的冷、热气流分层现象，因此烧成带不需要像搅动气幕和循环气幕这样的气流搅动装置。①燃烧室隧道窑的燃烧带②气氛气幕陶瓷制品的外观质量很重要，所以在陶瓷坯体制备过程中，要进行除铁处理，但是如果原料中含铁量就是很高，则要在烧成工艺上作出一些调整，具体来说就是用还原气氛烧成，使FeS（黑色）被氧化成Fe3+（黄色）后，再还原成Fe2+，这样烧成的陶瓷制品有“白里泛青”的外观。此外，一些特殊陶瓷产品也要求用还原气氛烧成。在气氛改变的地方，大约为950℃~1050℃处，要设立气氛气幕。（3）冷却带隧道窑冷却带的通风装置是冷却系统，该冷却系统包括：急冷部分（有利于保留玻璃体与防止Fe2+重新被氧化以及阻隔烧成带与冷却带间的气流交换）、缓冷部分（适应573℃时α-石英向β-石英的晶型转变）和快冷部分（提高生产速度）。关于隧道窑的冷却带还应注意的是：鼓入冷却带的冷空气必须在冷却带全部抽出，使鼓入冷却带的风量和从冷却带抽出的风量达到风量平衡。否则烧成带的烟气与冷却带的空气会相互干扰，从而影响到烧成带内的热工制度或影响到冷却带内的产品质量。4.1.2隧道窑的附属设备和窑车自动运行系统操作程序现代陶瓷隧道窑，其窑车全套运行的机械设备都是自动连锁，从而形成窑车的自动运行系统。这个系统包括：窑头油压推车机、电动托车、进窑机、出窑机以及窑车步进回车机。窑车自动运行系统操作程序在教材上如第4.1.2节所述。窑头的窑车进窑装置4.2辊道窑4.2.1概述20世纪上半叶问世的辊道窑作为能够快速烧成、高效节能、自动化程度高和环保程度高的陶瓷烧成设备，目前在陶瓷工业中越来越显示出其巨大的优势。目前一般只有大件的卫生陶瓷洁具、大规模生产的砖、瓦等结构型建筑材料、大规模生产的烧结型耐火材料以及较大尺寸的其他坯件才推荐使用隧道窑生产。现代化辊道窑的综合经济效益很高，是一种优质、高产、低消耗、低污染的窑型，它的应用有利于社会的可持续发展。4.2.2工作系统作为一种特殊的隧道窑，辊道窑也分为三个带——预热带、烧成带和冷却带，即坯体在辊道窑内依次经过预热带、烧成带和冷却带后而成为产品。4.2.3辊道窑的结构辊道窑主要包括：窑体、燃烧系统、排烟系统、冷却系统、传动系统及测控系统这六大部分。4.2.3.1窑体辊道窑主要为单层结构的辊道窑，因此以下只是对单层辊道窑的结构进行介绍。（1）窑体结构辊道窑的窑体由窑墙、窑顶和窑底组成。窑内的辊道平面又将窑内空间分为上、下两个部分。辊道以上的通道被称为工作通道，辊道以下的通道被称为辊下通道。如图4.23所示。辊道窑的窑墙根据各带不同的工作要求与不同工作温度而采用不同的结构和材料。因辊道窑用模块装配式构成故而采用钢框结构。窑墙最外层为不锈钢薄板；薄板作用为：保护岩棉板、降低辐射散热损失、给予人视觉上的美观。辊道窑窑墙上的孔砖非常重要，在教材上如图4.26所示。孔砖厚度应等于或略小于窑墙厚度，而孔砖长度则应保证每块孔砖上不少于两个辊孔，通常为四个辊孔。辊道窑窑体四个关键部位的典型结构在教材上分别如图4.25~图4.28所示。（2）窑体附属结构①事故处理孔②测温孔和测压孔③观察孔④膨胀缝⑤挡墙4.2.3.2燃烧系统辊道窑的燃烧系统由若干个烧嘴群组成。预热带的高速调温烧嘴或脉冲烧嘴都设置在两个侧墙上，在辊道面的上、下呈交错布置且间距较大（或者只在辊道面以下或以上布置）；烧成带的烧嘴布置在两个侧墙的辊道平面上、下，烧嘴呈垂直、水平的交错排列且布置较密，同侧两相邻烧嘴的间距为1~2m，在教材上如图4.30所示。关于气体燃料烧嘴的具体介绍参见本教材第4.4节。某辊道窑预热带和烧成带的局部4.2.3.3排烟系统与冷却系统现代有调温烧嘴的辊道窑则多采用集中排烟系统。集中排烟通常是在离窑头不远处的窑顶及窑底设置2~3排的排烟口（排烟口为矩形或圆形）。辊道窑的冷却系统分为急冷段、缓冷段和快冷段（低温冷却段）这三个冷却段，4.2.3.4辊子及其传动系统（1）辊子及其安装辊子是辊道窑的关键基本部件，辊子在辊道窑内不断转动，要承受着高温与荷载的双重作用辊道窑所使用辊子辊子在辊道窑的支撑方式参见教材的第4.2.3.4节。关于辊孔的密封问题，传统上有内密封和外密封这两种密封方式。现在比较简便实用的方法是内密封方法。（2）传动机构辊道窑传动系统最后都