隧道窑

陶瓷工业窑炉授课教师：李杰绪论热工设备“窑炉”：是指这样一些结构空间，在这些空间内，能够用加热的方法，通过合理的烧成制度，使物料（生料）经过一系列物理化学变化成为产品（熟料）。作用：原料是基础，工艺是前提，烧成是关键。是硅酸盐工厂的心脏。硅酸盐工业的发展均受窑炉发展的制约一、窑炉的发展历史（陶器）穴窑升焰窑古代（瓷器）阶级窑（龙窑）、北方的馒头窑（半倒焰窑）、明代葫芦窑、清代景德镇窑（镇窑，鸭蛋窑）近、现倒焰窑（日本首创）、梭式窑、钟罩窑代隧道窑、推板窑（又称多孔窑）、辊道窑镇窑的断面图镇窑的顶蓬镇窑的窑房1.2陶瓷工业窑炉的分类与命名按使用燃料：柴烧、煤烧窑、油烧、气烧、电烧按具体用途：干燥窑、素烧、釉烧、烤花窑按生产操作形式：连续式、间歇式1.3陶瓷烧成制度之温度制度（据网上资料“烧成与烧结”）低温阶段（室温~300℃)此阶段为排除水分阶段，排除在干燥过程中尚未除去的残留水分。这些残余水分主要是吸附水和少量的游离水。（1）120~140℃之前：可以迅速升温；（2）120℃之后：为避免坯体开裂，升温要慢。中温阶段（300~950℃)此阶段坯体内部发生了较复杂的物理化学变化。包括：（1）粘土和其它含水矿物排除结构水；（2）碳酸盐（如MgCO3、CaCO3）分解；（3）有机物、碳素和硫化物（如FeS）被氧化，（4）石英晶型转化（转化温度573℃）等。1.3陶瓷烧成制度之温度制度（据网上资料“烧成与烧结）高温阶段（950~烧成温度)（1）氧化保温期：（950~1050℃)在进入还原操作之前，必须进行氧化保温，以使坯体中的氧化分解和结构水排除进行完毕。该阶段升温要慢。（2）强还原期（1050--1180℃）在此期间发生的主要反应是：由铝硅尖晶石形成一次莫来石和方石英；硫酸盐（如MgSO4）分解和高价铁（如Fe2O3）的还原和分解。（3）弱还原期（1180℃--止火温度）1.3陶瓷烧成制度之温度制度（据网上资料“烧成与烧结）冷却阶段（烧成温度～室温）（1）烧成温度~850℃快速冷却阶段。快速冷却可防止釉面被重新氧化时使制品发黄，还可以防止坯体中莫来石晶体不致长成粗大以及釉层析晶而失透。（2）慢速冷却（850--400℃）坯内液相完全凝固，此时必须注意坯体内外温度差所造成的热应力和石英晶型转变时体积收缩应力对坯体的不利影响，因此冷却不宜过快。（3）快速冷却（400℃--室温）由于制品的各种物化反应已基本完成，冷却速度可以快些。(二)烧成制度1.温度制度：1)各阶段应有一定的升、降温速度2)在适宜的温度下应有一定的保温时间，使温度趋于一致。2隧道窑2.1概述1、定义：采用轨道窑车输送制品的连续式窑炉2、发展历史最早在19世纪50年代的欧洲出现，19世纪末Faugeron建造的隧道窑成功的用于烧制陶器1958年，山东博山瓷厂，第一条煤烧日用瓷隧道窑；1959年，咸阳陶瓷厂，第一条发生炉煤气建筑瓷隧道窑；1965年，湖南建湘瓷厂，第一条重油日用瓷隧道窑；1971年，唐山陶瓷厂，第一条重油卫生瓷隔焰隧道窑。1、隧道窑分类烧成温度：低温隧道窑（1100℃〉中温隧道窑（1100～1500℃）高温隧道窑（1500℃）烧成产品：日用陶瓷、卫生瓷、耐火制品等供热热源：燃煤、燃油、燃气、电热火焰是否进入隧道空间：隔焰隧道窑明焰隧道窑（现几乎都是）2、连续式窑的特点1）窑内空间温度不变，制品运动而发生温度变化2）窑体温度不变，不蓄热，热耗低3）利用烟气余热预热坯体，烟气排出温度低4）产量大，机械化、自动化程度高3、现代隧道窑特点燃料清洁化，明焰裸烧，传热效率高采用小流量、多烧嘴的燃烧系统，窑内断面温度均匀窑车与窑具的轻质化，减少了窑车和窑具的吸热。窑体选用新型轻质隔热耐火材料，加强了窑体的保温，减少散热测控系统计算机自控化，减少人为干扰，保证了产品质量2.2隧道窑工作系统及分带一、隧道窑的分带三带：预热带、烧成带、冷却带（红色表示书P6数据）以温度为界以窑体长度分预热带占窑总长的30－45%（35－45%）烧成带占窑总长的10－33%（20－35%）冷却带占窑总长的38－46%（30－40%）按燃烧室设置位置分（常用）：上、下两排烧嘴进入烧成带预热带的温度范围：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2.2隧道窑工作系统及分带二、隧道窑的工作过程坯体入窑，首先经过预热带，受来自烧成带燃烧产物（烟气）的预热，同时烟气自预热带的排烟口流出。然后坯体进入烧成带，燃料燃烧的火焰及生成的产物加热坯体，使其达到一定的温度而烧成。烧成的产品最后进入冷却带，将热量传给窑的冷空气，产品本身冷却后出窑，从而形成一个烧成周期。2.2隧道窑工作系统及分带三、隧道窑的结构窑体：包括窑墙、窑顶。窑墙和窑顶组成隧道燃烧系统：由烧嘴（燃烧室）与燃料和助燃风供应系统组成排烟系统：由排烟口、排烟道和排烟管、排烟风机或烟囱组成冷却系统：由风机及通风管道组成，其作用是供给冷却空气，抽出热空气输送系统：包括窑车、推车机、拖车、轨道等附属设施：基础、检查坑道（现在一般不设置）、钢架等四、窑炉的工作系统：典型的工作系统特点：烧成带微正压，无冷风漏入，温度高，气氛稳定，预热带负压小，漏气量较小，温差较小，气氛气幕、急冷气幕保证气氛实现。2.3.1隧道窑的主要尺寸内宽:内高:长度50－120m乐华1号隧道窑共74节2.3隧道窑窑体有效内高:装载制品的高度（棚板面至最上层制品顶面）全高:轨面至窑顶的高度窑内两侧墙间的距离，1－3m3.6m(红色表示乐华尺寸)窑车台面至窑顶（或拱顶）的高度，0.8－2m1.3m2、设计：确定内高、内宽，计算长度（P142例6.2）窑长L计算式：P141（6.1）式1、讨论：宽、高、长的利弊2.3.2窑墙作用要求：耐温、隔热、一定的强度形式：厚度350~600隧道窑窑墙一般由耐高温的内衬层、隔热的中间层和起支撑作用的作用的外层组成。内衬层材料多为粘土砖、高铝砖、莫来石砖等，中间层的隔热材料有各种轻质砖和陶瓷纤维，外层多用钢板。标准耐火砖尺寸：230*114*65mm普通红砖（粘土砖）：240×115×53内层耐火粘土、高铝230—345莫来石砖230—345中间层隔热轻质砖115—230陶瓷纤维50—150外层加固红砖240—480钢板3—5钢板支撑钢架硅酸铝板高铝纤维含锆纤维毯高温轻质莫来石50501002302.3.2窑墙窑墙各段材料和厚度的确定①根据温度确定材料②砌筑方便，厚度变化少③厚度为砖长、宽的整数倍，高度为砖厚的整数倍，少切砖④灰缝越小越好，耐火砖1－2mm，轻质砖2－3mm⑤选用标准砖，预留膨胀缝20－30mm作用：隔断窑内与外界的连通（1）可防止窑内高温直接辐射窑车下部的钢架结构；（2）增加流动阻力，防止漏气。1.曲封曲封和砂封曲封：由窑墙与窑车车衬间凹凸曲折对应面构成的一种密封结构曲封形式：窑墙凹进型窑墙凸出型图2-15隧道窑窑体密封曲封；2-砂封曲封和砂封窑车之间的曲封由窑墙底部的砂槽和窑车两侧的钢制裙板组成的密封结构包括裙板、砂封槽、漏砂管砂子直径3－5mm，裙板插入深度为50～100mm。2、砂封钢轨、砂封槽、窑墙曲封等钢轨砂封槽窑墙曲封加砂管和接砂槽加砂管接砂槽1、作用：2、要求：结构好，不漏气，坚固耐用；质量小，减轻窑墙负荷；横推力小，少用钢材；尽量减少窑内气体分层。3、结构形式：拱顶平顶（1、大盖板平顶，用于小截面隧道窑；2、吊平顶，现常用）2.3.3窑顶拱顶结构（P12）•拱脚砖：在两侧窑墙上支撑拱顶的脚砖。•拱脚梁：是在拱脚处沿窑长方向水平安置的槽钢、角钢或钢筋混凝土横梁。•立柱：是紧靠窑墙两侧直立的工字钢、槽钢或钢筋混凝土柱。立柱下端埋在基础内或用拉杆拉紧。•拱顶横推力通过拱脚梁传给立柱。平吊顶图2-13吊顶结构P47，图3.11平吊顶（辊道窑窑顶，P47，图3.11）圆钢吊顶砖（异型砖，规格,1块：长*宽*厚为230*210*65，P47图3.13）标准耐火砖尺寸：230*114*65mm长度吊顶砖（隧道窑窑顶）1、检查坑道作用：清扫碎屑、砂粒冷却窑车检查窑车、处理事故设置：全坑道、半坑道尺寸：宽1m、高1.8m缺点：加深地基深度，增加基建投资；须防水防漏2.3.4窑体其它结构（P16）2、膨胀缝为避免热膨胀所产生的内应力，在窑墙、窑顶上每隔2~4m的距离设置膨胀缝，膨胀缝的宽度为20~30mm，膨胀内填陶瓷棉或石棉。2、膨胀缝图1窑墙各层砖膨胀缝的错缝留法（P16）为避免热膨胀所产生的内应力，在窑墙、窑顶上每隔2~4m的距离设置膨胀缝，膨胀缝的宽度为20~30mm，膨胀内填陶瓷棉或石棉。3、观察孔、测温孔、测压孔热电偶测温观火孔隧道窑预热带存在的一个最主要问题：预热带气体分层的原因（综合教材P17及参考教材P35）：（1）处于负压下操作，易吸入外界冷风，冷风密度大，沉在隧道窑下部，密度较小的热烟气向上流动。（2）窑内热气体在几何压头作用下有自然向上流动的趋势，加之料垛上部和窑顶之间空隙较大，阻力小，使大部分热气体由上部流过。（3）窑车砌体在下部的吸热，使下部气体温度降低。上述多种原因，使气体分层十分严重，上下温差最大可达300～400℃，如不采取措施，将大大延长预热时间。参考教材《陶瓷工业热工设备》（刘振群编，武汉理工大学出版社）2.4预热带结构分析窑内气体上下分层，热气体集中在上部，冷气体集中在下部。2.4预热带结构分析2.4.1窑头封闭气幕（P17）作用：减少冷空气从窑头进入窑内设置：窑头的窑墙、窑顶设置分散垂直小孔或45°夹角的狭缝，气体喷入形成1－2Pa的正压，风源：车下抽热风、冷却带抽热风、烟气减少气体分层采取的措施:设置窑头封闭气幕、搅动气幕或循环气幕（上风下嘴结构，现在常用）风管代替风道窑墙窑头封闭气幕风管ABAB气幕风管喷风口图4-9窑头封闭气幕（俯视图）其它阻止窑头处窑外冷风进入的形式（窑顶抽风）2.4.2排烟系统（P19）组成：排烟口、烟道、排烟管、排烟风机1、排烟口（每节上、中、下三个，下部排烟口位置——车台面）排烟管：排烟管搅拌风管排烟方式及其比较（P19-20）：分散排烟：分布长度占预热带总长度的50-80%，负调节方式集中排烟：分布长度占预热带总长度的30%左右，甚至更少（现常用，在预热带中后段上部设置喷风管，下部布置烧嘴，“正调节方式”）2.4.3、搅动气幕设置：在预热带400~800℃段上下温差最大，传统隧道窑常在该带设置2~3道道搅动气幕，以一定角度逆烟气方向喷入。作用：使气体搅动，减小上下温差。风源：热风因热气体温度低，流速小，效果不够理想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。上风下嘴结构（P22图2.23）高速调温烧嘴的应用减小了窑内温差。在温度较低的预热带，通过在底部加高速烧嘴，上部加冷风喷管的手段使窑内温度趋于均匀。图4-11隧道窑预热带断面图冷风喷管高速烧嘴烧嘴砖观火孔搅拌（冷）风孔2.5烧成带结构分析（P23）烧煤的隧道窑只有燃烧室。现代燃气隧道窑大多不设燃烧室，而只在窑墙上砌筑烧嘴砖构成燃烧通道，几乎是全部煤气喷入窑内燃烧的。1、烧嘴的布置：（1）窑长方向集中布置：全窑只设几对，相对集中。燃烧室，煤、重油不利于调节温度和气氛。分散布置：设置较多对，且分散开来。烧嘴，烧嘴砖，气、轻柴油（2）窑宽方向相对：砌