窑炉设计案例

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1、目录封面 .错误 !未定义书签。前言.31设计任务书及原始资料 .42窑体主要尺寸的确定 .52.1内宽的确定 .52.2窑内高度的确定 .52.3窑体长度的确定 .63烧成制度的确定 .64工作系统的确定 .74.1排烟系统 .74.2燃烧系统 .84.3冷却系统 .84.4传动系统 .95燃烧计算 .105.1燃料组成： .105.2燃烧所需空气量 .105.3生成烟气量计算 .105.4实际 燃烧温度计算 .106窑体材料确定 .117热平衡计算 .127.1预热带和烧成带的热平衡计算.127.1.1 .热收入项目127.1.2 .热支出项目137.1.3 .列热平衡方程并求解147.1

2、.4 .列热平衡表157.2冷却带热平衡计算 .157.2.1 计算基准 .157.2.2 .热收入157.2.3热支出 .157.2.4列热平衡方程 .177.2.5列热平衡表 .178烧嘴选型 .17小结 .18参考资料 .19前言抛光砖坚硬耐磨，适合在除洗手间、厨房以外的多数室内空间中使用。我国市场上的瓷砖品抛光砖是 通体砖 坯体的表面经过打磨而成的一种光亮的砖，属通体砖的一种 . 抛光砖种一直是以大片的、大片的大规格华丽而高档抛光砖为主，这符合我国消费者的追求和审美眼光。它不仅有豪华大气、富丽堂皇， 大空间的视觉效果，在某种程度上也是身份与形象的代表。抛光砖的生产主要是用辊道窑，辊道窑

3、是连续烧成的窑，以转动的辊子作为坯体运载工具的 隧道窑。陶瓷产品放置在许多条间隔很密的水平耐火辊上， 靠辊子的转动使陶瓷从窑头传送到窑尾。辊道窑一般截面较小，窑内温度均匀，适合快速烧成，但辊子材质和安装技术要求较高。主要用于建筑卫生陶瓷制品的快速 烧成 。辊道窑截面呈扁平型 , 制品一般为单层焙烧 , 顾基本上不存在上下温差 , 辊上下还能同时加热 , 并且制品裸烧 , 传热速度快 , 窑内断面温度也均匀 , 从而大大缩短烧结时间 , 保证了快速烧结的实现 .辊道窑机械化， 自动化程度高， 不仅降低了工人的劳动强度，还保证了产品质量的稳定。而且辊道窑能与前后工序连成完整的连续生产线，大大提高了

4、生产效率。另外，辊道窑占地面积小，结构简单，建造快（一般不超过3 个月），因而见效快，经济效益高。基于以上几点，辊道窑在我国得到广泛应用。我说设计的生产抛光砖的辊道窑，长131m，宽 2m，高 1.2m（辊上0.5m，辊下 0.7m），年生产任务350 万片，属大型辊道窑。 最高温度为1350，使用的燃料为焦炉煤气。一：设计任务书及原始资料院（系）材料学院2010 年7 月 1日专业无机非金属班级0701学生姓名陈锋指导教师孟献丰老师题目年产 360 万片抛光砖辊道窑设计主要研究内容和设计技术参数：1. 年产量： 360 万片，每年以 350 天计算2. 坯料组成：SiO2Al 2O3Fe2

5、O3K2 O+Na2OCaOMgO灼减71.9218.270.620.0380.250.64.63产品规格：60060010mm,单重 7. 4 公斤；坯体线收缩率： 10%4入窑水分： 1%5产品合格率： 99%6烧成周期： 50 分钟7温度制度：如下表。 （最高烧成温度： 1350）温度 /40-500500-750750-11001100-13501350 保温1350-800800-400400-8时间 /min6.44.16.02.410.53.39.388烧成气氛：全氧化气氛9. 燃料焦炉煤气：Co2比热H 2CH4C2H4H 2SCO2N 2OQnet(MJ/Nm3 )8.053

6、.222.74.00.34.07.00.81.41kj/15.2Nm 3/10. 其他条件自定基本要求（含成果要求） ：1独立思考完成；2设计计算准确，窑体结构及工作系统安排合理；3说明书完整详细，并按格式排版打印；4图纸整洁清晰，制图规范，尺寸齐全，计算机打印出图；5设计图纸范围：窑体结构图，窑体断面图。工作进度计划：共两周。在计算中心进行集中上机（地点：科技馆计算中心），每人 20 学时。注意：下午答辩，请将说明书电子稿和CAD 绘图文件一起交上，文件名保存为：如陈锋同学的文件名为 “无机 071 陈锋窑炉设计说明书”）， 过期不候 。二.窑体主要尺寸的确定2.1内宽的确定窑内宽初步确定内

7、宽坯体尺寸 =产品尺寸 / （1- 烧成收缩） =600/ （ 1-10%）=666.67mm为计算窑内宽方便取为 667mm，我设计的是两片并排烧，两侧坯体与窑墙之间的距离取 185mm，两片砖间距 300mm. 所以 B=2 667+2 185+300=2000mm，取B=2000mm。确定内宽窑内宽 B=6672+2185+300=2000mm，取 B=2000mm。2.2 窑体长度的确定窑体长度的初步确定生产任务G3600000428. 624350同一列砖砖距取50 mm ，则装窑密度20002.79 （件 / 每 m窑长）506675生产任务X烧结时间428.6 6=129m所以窑

8、长 L成品率 X 装窑密度0.99 2.79窑体有效长度的计算因为是辊道窑，设设三个砖为一节， 则每节长度为（667+50）3=2150mm ，129000节数 =60 （节）取节数为 60 节 。因而窑长度为： 602150129000 mm再加上进口和出口各两米所以总长为129+4=133m2.3窑内高度的确定辊道窑的内高被辊子分隔成辊上高和辊下高两部分。内高是制品在窑内传热和烧成的空间，内高必须合理，既能有利于产品换热满足烟气有足够的流动空间，又必须满足一定的烧成空间和冷却空间，所以，内高的确定有一定的原则，经过一段时间的查阅资料，我设计的窑炉内高如下表：位置预热带烧成带冷却带辊上高50

9、0mm500mm500mm辊下高700mm700mm700mm总内高1200mm1200mm1200mm三 烧成制度的确定窑炉的烧成制度取决于坯釉料的组成和性质、 坯体的造型、大小和厚度以及窑炉结构、装窑的方法、燃料种类等等因素。而烧成制度主要包括温度曲线、压力曲线和气氛控制。烧成制度的制定原则有以下四点：（1） 在各阶段应有一定的升降温速度，不得超过;（2） 在适宜的温度下应有一定的保温时间，以使制品内外温度趋于一致，皆达到烧成温度，保证整个制品内外烧结；（3） 在氧化还原阶段应保持一定的气氛制度；（4） 全窑应有一个合理的压力制度， 以确保温度制度和气氛制度的实现。该窑的烧成制度如下:(1

10、) 烧成周期： 50min(2) 气氛制度：全窑氧化气氛(3) 各温度带的划分名称温度时间升温速率节数（ /（/ ）（ /min ）（ / min-1 ）节）窑前带405006.471.87518预热带500 7504.160.98913预热带750 11006.0751420烧成带（保温） 110013502.4104.172123烧成带135010.502435急冷带13508003.6-152.783639缓冷带800 4009.3-43.014050缓冷带400808.0-405060总计5060烧成曲线：见CAD 图纸窑体各带长度的确定根据烧成曲线中温度的划分，各段长度：预热带：43

11、20（节）取 20节2.15烧成带：3315.35（节）取 15节2.15冷却带：5324.65（节）取25节2.15四：工作系统的确定辊道窑的工作系统包括排烟系统、 燃烧系统、冷却系统等， 下面是各系统的初步安排。4.1 排烟系统在预热带第 317 节设置 15 对排烟口，每段或在窑顶或在窑底设置一对排烟口，窑顶窑底交错分布。烟气经过各排烟口到窑墙内的水平通道，由第10 节的垂直通道进入抽烟机，然后由烟囱排至大气。4.2 燃烧系统因所设计的为明焰辊道窑， 且使用天然气作燃料， 所以采用全部喷入窑道内燃烧的方式， 通过烧嘴在燃道中空部分燃烧。 在 2034节的辊子上下各设 24 对喷嘴，不等距

12、分布，两侧交错分布。在燃烧带的辊上设置观察孔，以便更好的观察火焰的燃烧情况，便于操作控制。4.3 冷却系统制品在冷却带有晶体成长， 转化的过程，并且冷却出窑是整个烧成过程最后的一个环节。从热交换的角度来看，冷却带实质上是一个余热回收设备，它利用制品在冷却过程中所放出的热量来加热空气， 余热风可供干燥， 达到节能的目的。急冷带第 3639 节为 7m急冷带，由侧墙上的小孔直接吸入车间冷空气，冷却气体的流动方向与抛光砖的前进方向相同。 虽然逆流效率更高， 但是逆流温差太大，容易使产品变形，所以要采用顺流。辊上，辊下各设 3 个内径76mm急冷风管。缓冷带第 4060 为缓冷带，制品冷却到 8004

13、00范围时，是产生冷裂的危险区，应严格控制该冷却降温速率。 为达到缓冷目的， 一般采用热风冷却制品的办法。大多数辊道窑在该处设有 36 处抽风口，使从急冷段与窑尾段过来的热风流经制品， 让制品慢速均匀得冷却。 在第 4048节各设一对抽风口从 4957 抽热风冷却。第 4958 各设一对进风口，自然风冷却。4.4 传动系统辊子材质的选择辊道窑对辊子材料要求十分严格，它要求制辊子材料热胀系数小而均匀，高温抗氧化性能好，荷重软化温度高，蠕变性小，热稳定性和高温耐久性好，硬度大，抗污能力强。常用辊子有金属辊和陶瓷辊两种。为节约费用，不同的温度区段一般选用不同材质的辊子。本设计在选用如下：低温段（ 4

14、0500和 40080 ）无缝钢管辊棒中温段（ 5001100和 800 400）氧化铝瓷质陶瓷棒高温段（ 1100 1350和 1350）碳化硅辊棒辊子直径与长度的确定辊子的直径大，则强度大；但直径过大，会影响窑内辐射换热和对流换热。因设计的窑道比较长，宽度比较大，本设计辊子的直径要大些，故选用直径为50mm的辊棒，而长度则取 2800mm。辊距的确定为了保证无论何时制品在转动过程中都有3 根辊棒，所以应取问产品的1/4 以下，即辊距不大于 600/4=150mm，考虑到该窑还用于烧制其他规格小的制品，因此，最终确定辊距为：50mm，每节窑为 2150/50=43 根。传动系统的选择考虑到产

15、品的质量问题，辊道窑的传动系统由电机、 链传动和齿轮传动构所组成。该设计选用多电机分段传动分段带动的传动方案。将窑分成 30 段，每段由一台电机托动，采用变频调速。所有电机可以同时运行，每台亦可单独运行。五 燃料及燃料计算5.1 燃料的组成燃料组成如下表：焦炉煤气：Co2比热H2CH 4C2H4H 2SCO2N2OQnet(MJ/Nm 3)8.053.222.74.00.34.07.00.81.41kj/17.8Nm3/5.2燃烧所需空气量该窑用的是焦炉煤气，其低热值为：3Qd=17800Kj/Bm当煤气的低热值大于 14650 Kj/Bm 3 时，用经验公式理论空气量：00.26Qd-0.2

16、5=4.37 m3Va=1000取空气过剩系数为 1.29Va=Va0 =4.37 1.29=5.64 m 35.3 生成烟气量计算烟气量用经验公式，理论烟气量：V0=0.272Qd +0.25=5.09m31000V= V0+(a-1) Va0=6.17 m 35.4实际燃烧温度计算t=?+?.?+? ?空气及燃料温度均按在室温20 时计算，热分解不考虑时, 空气比热为Ca1.47KJ/M 3. 假设温度等于 1700 ， 此时 Cf =1.63 KJ/M 3. ，代入公式得t=1786相对误差， | 1700-1786| 5%，所设合理。取高温系数为 0.8，则实际燃烧温1786比烧成温度

17、 1350高 78，认为合理。度为 0.8X1786=1428，六：窑体材料确定1、窑体材料确定原则窑体材料要用耐火材料和隔热材料。耐火材料必须具有一定的强度和耐火性能以便保证烧到高温窑体不会出现故障。 隔热材料的积散热要小， 材质要轻，隔热性能要好，节约燃料。而且还要考虑到廉价的材料问题，在达到要求之内尽量选用价廉的材料以减少投资。2、窑体材料厚度的确定原则为了砌筑方便的外形整齐，窑墙厚度变化不要太多。材料的厚度应为砖长或砖宽的整数倍； 墙高则为砖厚的整数倍， 尽量少砍砖。厚度应保证强度和耐火度。综合以上原则 , 我设计的全窑材料及厚度如下表所示:节窑体材料名称使用温导热率厚度密度数位置度W

18、/（m.）mmKg/m31窑粘土砖14000.835+0.58 10-3 t230墙高纯型耐火纤维针刺毡11000.09 （400）10020耐热钢板20和窑粘土砖14000.835+0.58 10-3 t23040顶高纯型耐火纤维针刺毡11000.09 （400）100耐热钢板2060窑高铝砖15001.52+0.18 10-3 t113底轻质粘土砖13000.26+0.26 10-3 t1131000窑硅砖18500.92+0.7 10-3 t23021墙含锆型硅酸铝纤维板10500.18 （1000）120耐热钢板2039窑硅砖1850-32300.92+0.7 10 t含锆型硅酸铝纤维

19、板13500.18 （1000）120顶耐热钢板20窑高铝砖15001.52+0.18 10-3 t113底轻质粘土砖14000.41+0.35 10-3 t1131300入窑红砖6000.80+0.31 10-3 t240口墙及窑顶红砖6000.80+0.31 10-3 t240出窑底红砖600-32400.80+0.31 10 t口七 热平衡计算7.1 预热带和烧成带的热平衡计算热收入项目（ 1） 制品代入显热Q1=G1C1t1kj/h其中： G1湿制品质量 (Kg/h)C1制品的比热t 1 制品的温度据物料平衡计算中可知Gsp 3391.9 (Kg/h)；又因为预热带从第1 节开始 ,此

20、时第 1 节的温度 t 120；制品的比热 C1 0.84+26 10-5 40=0.95代入数据的 Q1 =128892.7(KJ/h)（ 2）燃料带入化学热及显热 Qff QfX（Qd+Cf t f ）3其中 X 每小时消耗的燃料量m/hQd燃料的低位热值KJ/hcf 20时的比热 KJ/ m 3t f 天然气的温度查表可知 cf 1.38KJ/( m 3 )已知 Qd 17800KJ/M3，t f 20代入数据得Qf=17898.7X (KJ/h)(3) 助燃空气带入显热 Qa (KJ/h)故 QaVa c at a5.64X 20 1.30 146.64X(KJ/h)(4) 预热带漏入

21、空气带入显热 Qa(KJ/h)取预热带空气过剩系数g 2.5，漏入空气温度t a 20，ca 1.30KJ/( m3 )漏入空气总量为VaMf （g- ）Va其中V a4.37Va X（ 2.5-1.29 ）4.37=5.29XQa Va cata 5.29X 1.30 20137.5X(KJ/h)热支出项目(1) 产品带出显热 Qg（KJ/h ）烧成产品质量 G3= Ggp（ 100-5 ）%=559.5（100-5 ）%=531.53（KJ/h ）制品出烧成带产品温度T2 1380查表可知：产品平均比热为：c20.84+26 10-5 13801.20 KJ/Kg 则 Q2 GmC2 T2

22、531.53 1.20 1380880214（KJ/h ）(2) 烟气带走显热 Qg（KJ/h ）每小时离窑烟气量： Vg Vg 0+（ g- ） Va0 X 5.09+(2.5-1.29)34.37X=10.04X （m/h ）烟气离窑温度一般t g 250，查表得此时烟气的平均比热为：cf 1.44KJ/m3则 Qg V g c f t g10.04X1.44 250 3614.4X（KJ/h ）(3) 物化反应耗热 Q4（KJ/h ）不考虑制品所含之结构水，自由水质量： Gw33.9Kg/h烟气离窑温度： Tg250，(3)-1自由水蒸发吸热QwGw（2490+1.93Tg） 33.9

23、（2490+1.93 250） 100767.75（KJ/h ）(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 Gg=3358.0 (Kg/h) AL2O3 含量为 18.27%,所以Qr=Gg2100AL2O3 %=3358.0210018.27%=1288363.86 (KJ/h)所以 , 总的物化反应耗热Q4 Qw+ Qr 100767.75+1288363.86 1389131.61 （KJ/h ）（4）通过窑墙窑顶散失的热量根据各处材料的不同，并考虑温度范围不能太大，将预热带和烧成带窑墙分成 3 段计算，具体结果如下表：温度范围长度 /

24、m窑墙顶散热窑底散热/总散热/ / KJ/hKJ/hKJ/h第一段4075028134884.9199652.5334537.4第二段750110015163752.2314161.6477913.8第三段1100135033973511.81386522.92360034.7Q总 =3172485.6（KJ/h ）(4) 其他热损失 Q5取经验数据，占热收入的5%。列热平衡方程式热收入 =热支出Q1QfQaQaQ2Q3Q4QgQ5代入数据得（ 128892.7+18182.84X）X0.95=9708039.21+3614.4X所以 X=702 m3即每小时需焦炉煤气702 m3列热平衡表预

25、热带烧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128892.71.0产品带出显514642240.0热热燃料化学热 12564887.4 97.6窑体散失热3172485.624.6及显热助燃空气显821340.6物化反应热1389131.610.8热漏入空气显965250.8烟气带走显2537308.819.6热热其他热损失643622.05.0总计12872439.1100.0总计12888970100.07.2冷却带热平衡计算7.2.1计算基准计算准则：基准温度0基准质量1 小时进入系统的物料7.2.2热收入（1） 制品代入显热 Q2制品带入显热在上面已经算出：Q2

26、=5146422KJ / h（ 2） 急冷风窑尾风代入显热设定窑尾风风量为 Vx m3 / h。一般急冷风风量是窑尾风的 （ 1 1）。24本设计取急冷风风量是窑尾风量的1 。急冷风与窑尾的总风量是1.52Vx 。查表得 ：20 时空气的比热为 1.29KJ / m3.oC 。所以 Q6 V6cvta 1.5Vx 1.292038.7VxKJ / h热支出（ 1）制品带出显热 Q7假设此时的温度为 t7150oC此时陶瓷的比热为c70.8426 10 5 150 0.9KJ / Kg .oC所以 Q7 G m c7 t73203.5 0.9150 432472.5KJ / h（2） 窑体散失的

27、热量根据各处材料的不同，并考虑温度范围不能太大，将冷却带窑墙分成 2 段计算，具体结果如下表：温度范围长度 /m窑墙顶散热窑底散热/总散热/ / KJ/hKJ/hKJ/h急冷带13508008.5208385.64282192.12490577.76缓冷带8008045248101.2489089.664737190.864Q 总=1227768.6（3） 由窑体不严密处漏出空气带走显热Q10冷却带从窑体不严密处漏出空气量通常为窑尾鼓入风量的设计取 15%，即 0.15 Vx 。设定漏出空气的平均温度t1010% 20% 。本200 此时空气的比热容为10/ m3 .oC所以Q10V10c10

28、t100.15Vx1.30820039.24VxKJ / h（4） 从窑道内抽出空气带走显热Q11假定抽出热空气平均温度t11250查得此时空气比热容：c111.31KJ / m3 .oC根据冷却带窑内风量平衡：抽出热风量 = 总风量 漏出风量V111.5Vx0.15Vx1.35Vx（ m3 / h ）所以Q11V11.c11.t111.35Vx1.31250442.125VxKJ / h（5） 其他热损失Q12其他热损失占总收入的5 %所以Q12QQ65%514642238.7Vx5%列热平衡方程Q3 Q6Q7 Q8Q9 Q10Q11Q12514642238.7Vx4324752 .5322

29、78 1227768 .6 39.24Vx 442.125Vx (5146422 38.7Vx ) 5%解得 Vx9257m3 / h列热平衡表热收入热支出序号项目热量比例% 序号项目热量比例 %（ KJ/h ）（KJ/h ）1制品带入热514642293.51制品带出热432472.53.92空气带入热358245.6.52窑体散热1227768.620.493漏出空气带走热363244.686.04抽出带走热4092751.164.75其他热损失275233.45总计5504667100.0总计942314100.9八 烧嘴选用每小时燃料消耗量为x=702 Bm3 / h考虑到烧嘴的燃烧能

30、力和烧嘴燃烧的稳定性取安全系数1.5本设计一共设置了48 对（ 96 个）烧嘴。每个烧嘴的燃料消耗量为：702 1.510.97 （ Bm3 / h ）96烧嘴的热负荷：10.97 34673 24965KJ / h所以本设计采用北京神雾公司的WDH-TCC2型烧嘴。该烧嘴技术性能如下：热负燃气助燃空气流量调火焰火焰炉膛荷流量压力流量温度压力节比例长度锥角温度21042.41000Pa24常温15001： 6200 70Kcal/h30.2MPa3 3503500 Pa30001800Bm/hBm/h所以该烧嘴符合本设计要求。九 小结通过这次课程设计，我把以前学过的所有知识作了个全面的检阅，通

31、过相互的沟通和比较，使我更加深了对陶瓷工业知识的理解和掌握。我花了大量时间去阅览有关的资料，进行了综合性思考。 在写论文过程中不止一次的遇到问题， 又不止一次的解决问题， 自己着实学到了些东西， 这些东西是经过自己的实践才领悟的，可以说是是理论与实践的结晶。在我整个设计的过程里得到了孟献丰老师的大力帮助，我在这里要感谢我的指导老师孟老师给予我的耐心指导，感谢同学们在设计过程中给予我的帮助！参考资料1 胡国林 建陶工业辊道窑 . 中国建材工业出版社 .1998.62 胡国林 陈功备 窑炉砌筑与安装 . 武汉理工大学出版社 .2005.53 杨世铭 陶文铨 传热学第三版 . 高等教育出版社 .19984 刘振群 陶瓷工业热工设备 . 武汉理工大学出版社 .1989.105 孙晋涛 硅酸盐工业热工基础 武汉理工大学出版社 1992.126 陈 帆 现代陶瓷工业技术设备 . 中国建材工业出版社 .1995.57 王秉铨 工业炉设计手册 . 北京机械工业出版社 .1996.8