建筑材料热工设备-3-陶瓷窑-N1(2)

建筑材料热工设备过程装备与控制工程系严晗第三章陶瓷工业热工设备近代陶瓷窑炉（1850～1950年）※1919年，我国出现倒焰窑，窑温更加均匀；※1898年，法国人福基罗创建了机械化的隧道窑；※1958年，山东博山瓷厂建成我国第一条煤烧日用陶瓷隧道窑60M现代陶瓷窑炉（1950年至今）代表性的窑型有：梭式窑现代隧道窑辊道窑倒焰窑是烧造陶瓷的常见窑炉中的一种，它是以燃料燃烧后火焰在窑内的流动情况而命名的。烧窑时火焰燃烧后产生的热烟气先喷升至窑顶，因窑顶没有出路，加之窑底有吸火孔、烟道通向烟囱，产生一种抽力，火焰便又转折朝下倒向窑底，并流经坯体（煤烧窑是匣钵柱）间空隙，传热给坯体，然后通过吸火孔、烟道、烟囱排出窗外。这种窑由于火焰有一段自上而下的过程，故而称为倒焰窑。倒焰窑的优点是窑内温度较均匀，易于灵活变更烧成温度；缺点是间歇（烧一窑，停一窑，再装再烧，称为间歇）操作，燃料消耗比较大。主要表现在三个方面促进了陶瓷窑炉技术的发展：①能源技术的进步，净化发生炉煤气、天然气和液化石油汽；②耐火材料工业的进步，纤维制品，高级合成原料轻质砖，高档窑具等；③烧成技术的进步，高速烧嘴，明焰烧成技术。窑炉中需要解决的中心问题1．窑温更加均匀；2．操作更简便；3．传热更合理，节能降耗；4．更加环保。第一节隧道窑隧道窑是一个长长的、由耐火材料、保温材料和建筑材料砌筑而成的在内装有窑车等运载工具的隧道。隧道窑工作时，运载工具(窑车)上装载有待烧的制品以及一些必要的待烧的制品坯体，随运载工具从隧道窑的一端(窑头)进入，在窑内完成制品的烧制以后，从隧道窑的另一端(窑尾)随运载工具(窑车等)输出，而后卸下烧制好的产品，卸空的运载工具(窑车)返回窑头继续装载新的坯体后再入窑内煅烧。连续式窑炉，可大规模的生产卫生洁具制品和较大的坯件。一、分类隧道窑有各种不同的分类方法，大致归纳为：1．按照烧成温度的高低可分为：（1）低温隧道窑(1000℃)；（2）中温隧道窑(1100~1500℃)；（3）高温隧道窑(1500~1800℃)；（4）超高温隧道窑(1800~1900℃)。2．按照烧成品种可分为：（1）耐火材料隧道窑；（2）陶瓷隧道窑；（3）红砖隧道窑。3．按热源可分为：（1）火焰隧道窑；（2）电热隧道窑。4．按火焰是否进入隧道可分为：（1）明焰隧道窑；（2）隔焰隧道窑；（3）半隔焰隧道窑。5．按窑内运输设备可分为：（1）车式隧道窑；（2）推板隧道窑；（3）辊底隧道窑；（4）输送带隧道窑；（5）步进式隧道窑；（6）气垫式隧道窑。6．按通道多少可分为：（1）单通道隧道窑；（2）多通道隧道窑隧道窑属于逆流操作的热工设备，即窑车上的坯体在窑内逆气流方向连续移动目前最多用的为单通道明火焰隧道窑。隧道窑尽管类型不同，其构造也会有一些差别，但是其基本结构和工作原理都是一样二、隧道窑的分带三带：预热带、烧成带、冷却带，划分方法(三种）以温度为界以窑体长度分预热带占窑总长的30~45%烧成带占窑总长的10~33%冷却带占窑总长的38~46%预热带的温度范围：室温～950℃烧成带的温度范围：950℃～最高温度冷却带的温度范围：最高温度～制品出窑温度按燃烧室设置位置分（常用）预热带——预热过程：车上坯体与来自烧成带燃料燃烧产生的烟气接触，逐渐被加热，完成坯体的预热过程1）室温→300℃坯体中残余水分排出，坯体预热升温。2）300℃→950℃氧化分解和晶形转变，碳和一些有机物的氧化，结构水的排出和碳酸盐的分解，坯体的继续升温且有晶型转变烧成带—烧成过程：坯体借助燃料燃烧所释放出的热量，达到所要求的最高烧成温度，完成坯体的烧成过程。950～1300℃：烧成和高温保温阶段：有固相反应和液相出现。最终产物为玻璃相、莫来石晶体和未融解的石英颗粒。冷却带—冷却过程：高温烧成的制品进入冷却带，与从窑尾鼓入额的大量冷空气进行热交换，完成坯体的冷却过程1）1300～700℃：急冷阶段。可以保持玻璃相，防止低价铁被氧化，从而提高产品的光泽度、半透明度和白度。2)700～400℃慢冷阶段：进行慢冷以适应晶型转变，从而防止因冷却速度过快而导致陶瓷产品的开裂。3）快冷阶段(400‘C～室温)：快冷可以提高陶瓷产品的烧制速度，从而缩短其烧制周期。隧道窑供风系统与比较三、流程气体：空气:窑尾鼓入的大量冷空气在冷却带被预热，一部分作为助燃空气，送往烧成带，另一部分抽出供坯体干燥或气幕用。烟气：燃料在烧成带燃烧后所产生的高温烟气，沿窑内通道流入预热带，在加热坯体时本身被冷却，最后自预热带排烟口、支烟道、主烟道经排烟机、烟囱被排除。物料：四、隧道窑的工作系统组成由以下几部分组成：1、产品烧成部分：即窑体部分，是隧道窑系统的主要部分，窑体上设有各种气流进出口2、窑内输送设备：窑车与窑具3、排烟系统：包括支烟道、主烟道、烟囱等各种排烟通道。4、燃料燃烧系统：包括燃料输送管道、燃料预热、燃烧器等。5、气幕搅动系统：输送风管、风机、及各种调节阀6、冷却系统：包括急冷、缓冷、快冷。7、推车系统：为窑车运动提供动力，有液压型推车机和螺旋推车机8、窑车回路系统：包括窑内轨道和窑外轨道以及驱动设备．1、窑主体窑顶窑墙窑底：窑车衬砖拱顶平顶作用：将工作隧道与外界分隔开；支撑窑顶；保温要求：耐高温、高温下具有一定机械强度、隔热保温性好（蓄热量、散热量要少）组成：工作层——直接接触火焰（耐火砖）保温层——用于窑直墙保温(保温砖)保护层：保护窑体、并起到密封作用(建筑红砖)砌筑要求:每隔4-10m距离，要预留一个热膨胀缝（20-40mm），窑墙隧道窑横剖面窑顶作用：类似于窑墙要求：除窑墙的要求外，还有结构要好，不漏气、坚固耐用；质量轻；尽量减轻窑内气流分层结构：拱顶——传统窑多采用，一般用楔形砖砌筑而成，拱顶的横推力通过拱角砖传递给立柱，立柱上端用拉杆拉紧。留有膨胀缝（纵向），砌筑时有锁砖。拱顶的砌筑结构：错砌（较常用）环砌拱顶的砌筑方法：干砌、湿砌（较常用）平顶——要采用吊顶结构，现代隧道窑常采用。检修坑道作用：便于清扫隧道窑内落下的碎屑、砂粒冷却窑车和发生倒垛事故时，便于推出窑车进行事故处理。2.窑内输送设备——窑车和有关的窑具金属车架：作用——用以支托耐火衬体，类型：铸铁车架——优点刚度好、热变形小、抗氧化性好、经久耐用，缺点对铸造工艺要求较高，笨重、不适宜宽隧道窑。旧式窑轻型钢车架——车轮直径较小，使车架质量减轻，高度降低，便于装卸，且窑体高度降低，降低了造价。半承重型和非承重型车架车架上的耐火材料：又称窑车衬料，实际是窑底，处于非稳定的传热状态，因此要求较高。目前，特点：轻质化（最大限度降低窑车的蓄热能力）窑车密封系统砂封：隔断窑车上下空间，使冷空气不漏入，热气体不漏出曲折密封：阻止窑内外高温废气窜入窑车下部，对窑车对保护作用。窑车两侧装有钢制群板，窑车在窑内移动时，群板插入两侧砂封槽内构成砂封，预热带有加砂管，窑尾有漏砂槽）。窑车与窑墙、窑车与窑车之间曲折密封窑具窑具要有一定的高温承载力。类型：匣钵——传统棚架结构——如棚板、支柱、垫砖等，是现代的明焰裸烧方式的主要窑具发展：轻型化（目的：降低窑具的蓄热量）窑内报警装置装载物的倾斜报警装置——光电检测装置排烟通风系统主烟道：汇总各支烟道的烟气，并将其引入烟囱烟囱：将来自主烟道的废气送入高层大气空，减少废气对工作环境的污染排烟口：主要在预热带，其目的是将隧道窑内的燃烧废气引向支烟道支烟道：引导来自排烟口的排出废气进入主烟道3、排烟通风系统注：排烟口、支烟道、主烟道的布置应避免急剧转弯，保证尽量减小废气的流动阻力损失，使废气在烟道内顺利排出。排烟口的布置：窑墙上方或下方分散排烟：约占预热带70%的长度，目的——便于控制窑内各点的烟气流量，来进行温度调节，以保证所需烧成温度制度，同时控制气体的流向，减弱气体的分层。这种温度调节方式称为“负调节方式”。集中排烟：排烟口集中布置在窑头，目的是充分余热利用。温度调节采用许多小功率的高速调温烧嘴来完成，称为“正调节方式”。作用：保证燃料合理燃烧并将燃烧产物送入窑内后高效地传递给制品。燃料：现代窑多用液体或气体燃料燃料燃烧方式：在燃烧室内燃烧直接喷入窑内燃烧（温度更均匀，热效率更高，但料垛间要留有足够的燃烧空间）燃烧室的布置：从900-950℃开始到最高温均布置燃烧室和烧嘴，且要先稀后密，分布在两侧窑墙，布置在靠近窑车的台面上。4、隧道窑燃烧系统(分布在烧成带）燃烧室的布置方式：集中布置：有1-2对燃烧室，易于操作和调节，但温度分布的均匀性、温度制度、气氛制度难以保证。用于小断面、较短的窑。分散布置：在烧成带自低温起，先稀后密地布置多对烧嘴（5-10对），调节灵活，能很好的满足温度分布的均匀性、温度制度、气氛制度的要求。用于大断面、较长的窑。相对布置：砌筑简单，调节方便，但长度方向易出现温度差，且火焰会相互干扰，不利生产的正常进行。相错布置：气体循环使温度均匀。常采用。一排布置：在靠近窑车台面处，提高下部温度。两排布置：上、下两层布置烧嘴，避免温度差的出现。若采用棚板装车，因气体上下流动困难，造成分层，应用二排布置。还有顶烧式隧道窑。燃烧室的类型：烧重油的燃烧室一般将燃烧室建得要大一些，以降低燃烧室的空间热力强度。烧气体燃料时，可以不设立燃烧室，直接在窑墙上布置燃烧通道将全部燃料喷入。5、冷却系统（即为冷却带的通风装置）注意：鼓入冷却带的冷空气必须在烧成带之前抽出，使鼓入和抽出的风量达到平衡，不使冷空气流入烧成带，保证烧成带能烧到高温并维持还原气氛，保证烧成带烟气不倒流入冷却带使产品熏烟。冷却系统急冷部分缓冷部分快冷部分急冷气幕（传统隧道窑）急冷喷嘴（现代隧道窑）间接冷却（传统隧道窑）间接与直接冷却相结合（现代隧道窑）在400℃以下，靠近隧道窑出口端鼓入一定量的空气时烧好的产品快速冷却，以缩短烧成周期。作用:保留玻璃体防止Fe2+重新被氧化阻隔烧成带和冷却带•作用：适应α石英——β石英的晶型转变573℃6、气幕概念：气幕是指在隧道窑横截面上，自窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内，形成一片气体帘幕。气幕分类：（按照其在窑上作用和要求的不同分）预热带（窑头）-------封闭气幕，预热带------循环气幕和搅动气幕烧成带------气氛气幕（即氧化气幕），冷却带------急冷气幕（也是阻挡气幕）封闭气幕（窑尾）封闭气幕：位于预热带窑头目的：窑头形成1～2Pa的微正压，避免了冷空气漏入窑内。将气体以一定的速度自窑顶及两侧墙喷入，成为一道气帘，该热空气一般是抽车下热风或冷却带热风。气幕气体送入方式：1）与窑车运动方向相垂直2）与出车方向成45℃设为两道：第一道：用冷空气第二道：用热空气搅动气幕：位于预热带，一般设置2-3道扰动气幕工作过程：以一定量的热气体以较大的流速和一定的角度自窑顶一排小孔喷出，迫使窑内热气体向下运动，产生扰动，使窑内温度均匀。气流喷出角度垂直向下，或以一定角度逆烟气流动方向喷出。扰动气幕作用：为了克服预热带气体分层现象而采取的措施气体分层原因：隧道窑预热带处于负压，易漏入冷风，冷风密度大，沉在下部，迫使热气体向上，产生气体分层现象。气体分层结果：气体分层导致上下温差最大可达300—400℃。这样就必须延长预热时间，等待下部制品预热好，反应完全，因此降低了窑的产量，增加了燃料消耗。要求：（1）作为搅动气幕的热气体温度应尽量与该断面处温度相近，否则易使窑内局部温度下降造成制品炸裂。（2）作为搅动气幕的热气来源可以是烟道内的烟气，烧成带窑顶二层拱内的热空气或冷却带抽来的热空气。喷出速度应在10m/s以上才起作用。国外隧道窑搅动气幕喷出速度大，超过100m／s，使窑内气流达到激烈的搅动，上下温度均匀，达到快速烧成。（3）气流喷出角度可以使90°垂直向下，也可以120-180°角度喷入。现代隧道窑在预热带靠近烧成带的一端附近设置高速调温烧嘴来代替搅动气幕。其喷出速度大，烧嘴喷出的气体温度可以调节到该处所需的温度，达到快速烧成。循环气幕（与搅动气幕作用相同）是利