日产14吨砂轮天然气隧道窑设计毕业设计.docx
《日产14吨砂轮天然气隧道窑设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《日产14吨砂轮天然气隧道窑设计毕业设计.docx（75页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
日产14吨砂轮天然气隧道窑设计毕业设计
日产14吨砂轮天然气隧道窑设计
1前言
目前，国内磨具行业大多数企业都采用的是自吸式梭式窑烧成技术。
而且这些梭式窑中的大多数没有余热利用装置，造成大量热量损失，故产品能耗较高。
由于现在能源价格不断上涨，加之磨具的烧成周期比较长，间歇式生产已经不能满足日益扩大的产品需求。
上述缺点已经严重影响到磨具行业尤其是需要发展的中小磨具企业的发展。
这就需要提高劳动生产效率，降低产品能耗，节省成本开支。
那么更改烧成方式，即更换磨具烧成的窑炉类型，将是一个很好的解决途径。
本次设计的天然气隧道窑便是很好的选择。
本窑炉采用轻质耐火保温材料和高速调温烧嘴，对余热进行集中利用，产品能耗较低，实现了自动化控制，连续式生产，大大提高了生产效率。
下面将对本隧道窑设计进行详细说明。
2设计任务书
专业
热能工程
班级
04热工
（2）班
学生姓名
郑绪海
指导教师
周露亮
题目
日产14吨砂轮天然气隧道窑设计
主要研究内容和设计技术参数：
1、产品种类：
刚玉陶瓷砂轮
2、日产量：
14吨
3、年工作日：
330天
4、成品率：
≧98％
5、烧成温度:
1320℃
6、燃料：
天然气，Qnet,ar=36000KJ/M3
7、坯体入窑水分：
0.3%
8、烧成周期:
160h
9、气氛制度：
全窑氧化气氛
10、窑型选择：
、窑车式、明焰烧成隧道窑
基本要求（含成果要求）：
1、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、图纸清晰干净，规范齐全
图纸包括：
工艺基础图、窑体砌筑总图、主要结构的剖面图、管路总图、钢架结构图、异型砖图等。
3、说明书完整详细。
4、符合计算机绘图，外文应用等毕业设计要求。
工作进度计划：
1、第1~4周：
毕业实习，收集相关资料；
2、第5~6周：
查找资料，确定方案；
3、第7~8周：
进行初步设计计算；
4、第9~10周：
详细计算并设计草图；
5、第11~14周：
完成全部图纸；
6、第15周：
编制设计说明书；
7、第16周：
整理全部材料，准备答辩。
3烧成制度的确定
3.1磨具热工过程简介
3.1.1升温阶段
3.1.1.1低温阶段（室温——300℃）
排除自由水和吸附水，该阶段为纯物理变化，坯体强度很低；
3.1.1.2分解氧化阶段（300℃——850℃）
粘土类矿物排除结晶水；粘结剂的碳化及燃尽；粘土中硫化物、碳素及有机物的氧化及碳酸盐的分解；5730℃时，石英的晶型转变，坯体体积膨胀0.82%；水玻璃、硼玻璃的熔融；
3.1.1.3高温阶段（850℃——最高烧成温度）
此高温阶段为磨具的烧结阶段，磨具坯体逐渐达到烧结，形成一个致密体，即磨具的组织结构，发生的化学反应有：
未脱完结晶水的部分粘土矿物在1000℃前，继续排除结晶水；
坯体中的铁化合物进行分解和还原；
粘土矿物分解出无定形Al2O3和SiO2，在950℃左右时开始转变为γ-Al2O3，1100℃以上时生成莫来石。
结合剂中有滑石时，高温下与粘土反应生成堇青石。
3.1.2保温阶段
在最高烧成温度下，进行一定时间的保温，使窑内的各个部位及磨具内外的温度趋于一致。
并继续高温阶段的物理化学反应，玻璃相熔融均化，生成的新结晶及残余的未熔化的颗粒，得到进一步扩散和反应，结合剂中残留气体尽可能排除掉，固液相之间共趋于平衡，磨具的质量达到一致。
3.1.3冷却阶段
3.1.3.1急冷阶段（保温结束——800℃）
陶瓷结合剂一般在800℃左右由塑性状态转变为脆性状态，此阶段急冷，可以缩短烧成周期，并使结合剂成为玻璃相微观结构，提高磨具的机械强度。
3.1.3.2退火阶段（800℃——450℃）
此阶段为缓冷阶段，应控制适宜的冷却速度，并使窑内具有均匀的温度场，防止制品开裂。
3.1.3.3低温冷却阶段（450℃——出窑）
冷却速度可适当加快，仍需控制速度及均匀的温度场。
3.2确定烧成制度
温度段
所需时间
20℃——920℃
40h
920℃——1260℃
34h
1260℃,保温
9h
1260℃——80℃
86h
3.3详细烧成曲线
详见图纸T-SD-86-SCQX。
4窑体主要尺寸的确定
4.1断面及装车图
本窑内宽1500mm,窑内宽:
1500mm，窑车规格:
1400mm*1600mm，装载断面：
1300mm（W）*950mm（H），火道高度H=200mm,分三层装载，断面及装载尺寸如下（图4-1）。
图4-1断面及装车图示意图
从墙体底层到车台面为5.5层砖（最下面一层是厚度为32mm），高度为：
67*5.5=368.5mm。
窑内高随窑长方向会有所变化，详见砌筑总图。
本窑采用吊顶和拱顶相结合，即预热带、冷却带和部分烧成带采用平顶，烧成带高温段采用拱顶结构。
4.2窑长及各段长度
根据公式：
窑长L=
日产量：
14吨/天
烧成周期：
按160h计算
成品率：
≧98％，按98％计算
装窑密度：
取某厂烧成车间经验数据，1.11吨/米窑长
代入公式，求得：
L=
=85.8米
取L=86米，即有效窑长。
根据烧成曲线，
预热带长=
=
*86=21.5米
烧成带长=
=
*86=18.3米
冷却带长=
=
*86=46.2米
每辆窑车长1600mm，则窑内共有窑车数：
=53.75，取54辆。
推车速度：
V=
=0.54m/h,即54cm/h。
推车时间：
T=
=2.96h/车，约3h/车。
每小时推车数：
n=
=0.34车/h。
5窑体及工作系统的确定和说明
在此，将对窑体、燃烧系统、通风系统、输送系统及附属装置、控制和调节系统几个部分逐一作详细说明。
5.1窑体
以2米为一个模数单元节，全窑86米，共有43节。
窑体由窑墙主体、窑顶和钢架组成窑体材料由外部钢架结构（包括窑体加固系统和外观装饰墙板）和内部耐火隔热材料衬体组成。
砌筑部分，均采用轻质耐火隔热材料。
窑墙、窑顶和窑车衬体围成的空间形成窑炉隧道，制品在其中完成烧成过程。
5.1.1钢架
每一钢架长度为2米，含钢架膨胀缝。
全窑共43个钢架结构，其高度、宽度随窑长方向会有所改变。
钢架主要由轻质方钢管、等边角钢等构成，采用焊接工艺，并在焊接处除去焊渣、焊珠，并打磨光滑。
常用如下规格方钢管：
□70*50*4（mm）、□50*50*3（mm）、∠40*40*3（mm）等。
每两节钢架之间在上、中、下部位各用一个膨胀螺丝连接。
钢架膨胀缝为12mm（10mm厚螺丝一个、1mm厚螺丝垫圈2个）。
在钢架坐椅上铺（采用焊接工艺）一层厚度为2——3mm的钢板，窑墙直接砌筑在此钢板上。
钢架承担着窑墙和窑顶及附属设备的全部重量。
5.1.2窑墙
窑墙采用轻质耐火隔热材料。
常用材质如下：
JM-26、JM-28莫来石砖、聚轻高铝砖、轻质高铝砖、轻质粘土砖、多晶棉块、含锆散棉、硅酸铝棉等耐火纤维。
窑墙砌筑在钢结构上。
每隔两米留设20mm左右的热膨胀缝，用含锆散棉填实。
窑墙最外面用10mm厚的碳酸钙板，在烧成带的高温部分的内衬贴一层厚度为50mm的多晶棉块。
5.1.3窑顶
窑顶由平顶和拱顶两种方式相结合构成。
预热带、冷却带和部分烧成带采用平顶，烧成带高温段采用拱顶结构。
由于平顶比拱顶高度小，此时平顶相当于形成上部挡墙结构，阻止高温气体流向预热带和冷却带。
同时，在烧成带末、急冷段前沿拱顶面用工字砖砌筑上部挡墙结构，其形状为弯月。
挡墙与平顶砖面在同一水平高度。
拱顶用拱脚砖和楔形砖砌筑而成。
拱顶通过拱脚砖和拱脚梁支撑在两侧窑墙上。
拱顶产生一个横推力，这个横推力通过拱脚梁传递给钢架。
拱脚梁多采用10#或12#槽钢，在拱脚处沿窑长方向水平安装。
本设计采用标准拱，并取拱心角α=60°，则窑内宽等于拱半径，此时，f=0.13B.见图5-1。
图5-1拱顶示意图
吊顶是由吊顶板或吊顶砖和角钢或细钢筋等组成的。
角钢直接焊接在窑顶钢架上，细钢筋则是做成钩状挂在窑顶钢架上。
吊顶板或吊顶砖与角钢或细钢筋紧固。
这样，窑顶的重量也由钢架承担。
在预热带和冷却带的窑顶上，铺一层保温棉，在烧成带的窑顶上，铺两层耐火棉。
窑体材料的轻质化，可大大减少窑体蓄热，对停窑、烘窑等非稳态传热过程有很大好处，有利于快速烘窑。
同时，窑体热容对窑温的自动控制也有好处，可以明显减轻温度滞后现象。
5.1.4检查坑道和事故处理孔
由于现代陶瓷磨具隧道窑制品装载高度小，而且车上硼板架稳定，极少发生倒窑事故。
即使发生窑内卡车或者其他事故，也可停窑，能够快速冷却下来，再进行处理，对生产影响不大。
因此该隧道窑不设置窑内车下检查坑道。
这样既简化了窑炉基础结构，减少了施工量和难度，又降低了成本，窑体保温也得到明显改善。
在冷却带前段设置一对事故处理孔，其形状如一拱形门。
用耐火砖和耐火纤维封严。
留一活动砖，取下砖时，可以观看测温锥的弯曲情况，并可取出放在测温锥旁的砂轮样品，观看其颜色，判断烧成情况。
5.1.5曲封、砂封和车封
窑墙与窑车之间、窑车与窑车之间做成曲折封闭。
曲封面贴一层高温耐火棉。
窑车之间要承受推力，所以在窑车接头的槽钢内填充散棉，以防止上下漏气。
砂封是利用窑车两侧的厚度约6——8mm的钢制裙板，窑车在窑内运动时，裙板插入窑两侧的内装有直径为1——3mm砂子的砂封槽内，隔断窑车上下空间。
砂封槽用厚度3mm左右的钢板制作而成，且留有膨胀缝。
在预热带头尾部窑墙上各设置一对加砂斗。
曲封砂封示意图5—1
曲封车封示意图5—2
5.1.6窑炉基础
窑炉基础、拖车道基础、回车线基础用毛石、混凝土或钢筋混凝土、三七灰土三层夯实。
5.2燃烧系统
5.2.1燃气
天然气站供气至窑旁燃气控制柜。
燃气经主管、支管送至烧嘴。
5.2.2燃烧设备及布置
此窑采用小功率多分布高速调温烧嘴的布置方式。
两侧垂直和水平交错排列，这样有利于均匀窑温和调节烧成曲线。
下部烧嘴喷火口对准装载制品的下部火道，上部烧嘴喷火口对准装载制品上方的拱顶部分。
烧嘴砖直接砌筑在窑墙上，采用磷酸盐材质。
烧嘴的具体布置情况为：
8——19节下部设置18对共36只，13——19节上部设置19只（一侧10只，一侧10只）。
烧成带前部的部分烧嘴和上部烧嘴可能不开，为调节烧成曲线，增加产量留设备用。
5.3通风系统
5.3.1窑头气幕及搅拌风
5.3.1.1窑头封闭气幕
在窑头，窑顶及两侧窑墙上设置一道气体帘幕，减少窑头漏进冷风量。
由于风源同助燃风，即冷却带抽出的热风，可以起到预热制品的作用。
5.3.3.2搅拌风管
在第2——5节的上部窑墙上，每节各设置一对搅拌风管。
风源同助燃风。
以起到有效克服预热带上下温差的作用。
5.3.2排烟系统
2-8车位每车位近车台面处布置一对排烟口，共8对。
为更好调节预热带温差，靠近烧成带的3对交错布置，其余对称布置。
垂直支烟道由耐火砖直接在窑墙体中砌筑而成。
高出窑墙部分，由薄钢板卷扎成的管道连接。
垂直支烟道汇集至窑顶上方的水平主烟道。
主烟道连接至排烟风机，风机连接烟囱。
烟气经排烟口、垂直支烟道、水平主烟道、排烟风机、烟囱，最终排往大气。
每个垂直支烟道以及排烟风机均设置有闸板，闸板上标记有刻度线，方便调节烟气量来达到调节预热带温差的目的。
排烟风机设有两台，一开一备。
为减少烟气热量散失到空气中，降低车间环境温度，减轻工作劳动强度，对裸露在室内空气中的排烟支、主金属管道以及烟囱管道，包裹一层耐火棉。
5.3.3助燃风系统
助燃风风源为冷却带抽出的热风，这样可以有效降低产品能耗。
助燃风机与余热风水平主管道相连接。
助燃风从助燃风机出来，经水平主管道、垂直管道送至烧嘴。
为减少助燃风热量损失，提高助燃风温度，在水平助燃风主管道上，包裹一层耐火棉。
助燃风机设有两台，一开一备。
5.3.4车下风系统
车下风风源为室内冷空气。
在11——20节，由车下风风机抽冷空气直接送至窑下，每隔3m一个车下风分管。
5.3.5急冷气幕及急冷风管
在第20节设置一道急冷气幕，急冷风从窑顶及两侧窑墙吹入窑内。
在紧接着的第20、21节的窑墙上，在上下部各设置6对急冷风管。
急冷风风源同助燃风。
5.3.6抽余热系统
第22、23、25、27、29、31、33、35—39节，近车台面处，在下部各设置一对抽余热风口；30、32、34节，在上部各设置一对抽余热风口，40、41、42节，在窑顶上各设置一个抽热风罩。
余热风经余热风口、窑墙中的垂直支道、墙外金属垂直支道、水平主管道、风机，然后被用作助燃风和干燥窑的干燥热风。
水平主管道一端接助燃风，另一端接余热风机。
26节处、第40节风罩前，在水平主管道设置各有一个闸板。
因此，前部分余热被抽走用接助燃风机，作助燃风以及气幕、搅拌风；中间部分抽走的热风接余热风机，则用于干燥窑（房）的干燥热风；后部分抽走的热风接冷却风机，用于窑尾部分的冷却。
5.3.7窑尾冷却系统
第30——42节，每节各设置上、下共两对（组）冷却风管。
冷却风管接水平冷却风主管，水平主管接冷却风机。
5.4输送系统及附属装置
隧道窑内铺设轨道，轨道安放在钢架上的轨道垫板上，用螺丝联结并焊接。
窑车是制品运输的载体。
窑车底架由槽钢、钢板等经螺丝联结、焊接而成。
在窑头和窑尾各有一手动拖车道，每拖车道上有一辆拖车。
窑外有一条手动回车线。
拖车轨道和窑内轨道和回车线轨道相连接，并在同一水平面上。
空窑车在回车线上装载制品，然后推到拖车上，将拖车推到窑头，再用顶车机将窑车推入窑内，窑车从窑尾出来经拖车道送至回车线，并在回车线卸载制品。
窑头装有油压顶车机。
根据设定好的推车速度，顶车机将窑车顶入窑内。
顶车速度可调。
拖车道和回车线轨道直接装在轨道垫板上。
在自动回车线上设置有一个窑车下检查坑道，深约1.5米，其长宽尺寸同窑车大小，用来检修运行不良的窑车。
在回车线前部和后部，各设置一道安全检查门，其断面尺寸和窑头断面、曲封尺寸一致。
检查门用多块薄钢板制作而成，用螺丝联结，可以调整其高度和宽度。
5.5控制和调节系统
5.5.1工作原理
本窑的控制系统采用分散控制的方法，既可在控制柜内统一控制，也可进行现场控制。
该系统主要包括动力控制、热工控制、报警装置及安全保护系统。
5.5.2动力控制
所有风机均采用直接启动方式，手动控制，在窑炉控制柜上设置风机开启/关闭按钮，直接集中控制和统一调节。
只要按一下某风机启动按钮，与该风机配套的接触器衔铁便接通风机电源。
5.5.3运行安全保护系统及报警系统
为了保证该隧道窑在正常工作条件下安全运行，防止窑炉在燃烧系统的某一环节出现故障时供天然气的部分继续向窑炉烧咀供应天然气而造成损坏或事故。
本窑设有安全运行保护系统，当出现以下故障时，要立即关闭天然气主管上手动阀门，从而关闭天然气。
此外，为严密监控窑各关键部位的运转情况，本窑设置了故障报警系统。
控制柜上设置有报警显示仪：
当监视的任一部件出现故障时，即出现声光报警，以便操作人员及时发现和处理故障。
5.5.4热工控制系统
5.5.4.1烧成带温度的控制
本窑共设有10个控制回路,（其中8点为自动控制回路）对各控制点是进行独立控制，8点均用于窑段对应的调节单元的温度调节,由于为富氧燃烧，只需调节燃气量，就可达到调节窑温的目的。
现就一个单元简述一下温度调节的过程:
每个温度调节单元主要有温控调节器、执行器、执行器带动的蝶阀、烧咀和热电偶几个主要部分组成。
调节单元正常工作时，温控调节器中要输入一个设定温度值，单元热电偶来实测窑内本单元的温度，并通过温度传感器把该温度的毫伏信号送回到温控调节器，使其与设定温度比较，如果实测温度低于设定温度，温控调节器就会输出一个信号，使执行器带动蝶阀向开大天然气的方向变化，直到实测温度与设定温度相同。
如果实测温度高于设定温度，调节过程与此类似，只是电动执行器带动蝶阀向开度小的方向变化，以减少烧咀喷出的天然气量，使窑温下降。
5.5.4.2预热带和冷却带的温度控制
预热带和冷却带温度控制的手段主要是通过调节排烟总闸、排烟支阀、各种气幕、抽余热总闸、支阀以及冷却风闸等来实现的。
所有闸板和阀门都标记有刻度线，方便调节。
6窑体材料和厚度的确定
6.1窑体材料和厚度的确定原则
窑体所采用的材料及其厚度应该满足各段使用性能要求，综合考虑各处的温度对窑墙、窑顶的要求，窑体表面最高温度限制以及砖形、外观整齐等方面的因素，确定窑体材料和厚度见如下。
6.2窑墙材料和厚度的确定
窑墙材料和厚度见下表（表6—1）。
表6—1窑墙材料和厚度表
温度段
（表温℃）
该段长度
（m）
重质粘土砖
（mm）
珍
珠
岩
（mm）
硅酸钙硬板
（mm）
聚轻高铝砖
（mm）
硅酸铝棉
（mm）
JM-26莫来石砖
（mm）
多晶
贴棉
块
（mm）
JM-28
莫来石砖
（mm）
高铝
针刺
毯
（mm）
轻质
高铝
砖
（mm）
该段
厚度
（mm）
20—450
8
230
140
10
380
450—600
4
10
230
140
380
600—900
12
10
115
225
230
580
900—1170
14
10
115
155
50
230
20
580
1170—1260
4
10
115
245
230
20
620
1260—1190
10
10
115
225
230
580
1190—900
6
10
230
225
115
580
900—800
10
10
230
140
380
800—450
6
10
140
230
380
450—80
12
230
140
10
380
6.3窑墙材料和厚度的确定
窑顶材料和厚度见下表（表6—2）。
表6—2窑顶材料和厚度表
温度段
（表温℃）
该段
长度
（m）
重质粘土板
（mm）
硅酸铝棉
（mm）
聚轻高铝吊顶砖
（mm）
JM-26莫来石拱砖（mm）
多晶贴棉块
（mm）
JM-28莫来石拱砖（mm）
JM-28莫来石吊顶砖（mm）
高铝针刺毯
（mm）
20—450
8
20
100
450—600
4
100
250
600—900
12
150
250
900—1170
14
150
50
250
20
1170—1260
4
150
320
20
1260—1190
10
150
250
1190—900
6
100
250
900—800
10
50
250
800—450
6
20
100
450—80
12
20
100
7燃料燃烧计算
7.1助燃空气量计算
所用燃料为天然气，低位发热量：
Qnet,ar=36000KJ/m3。
查工具书，得理论空气燃烧计算式（原国家标准总局推荐），Va0=0.264*
+0.02（m3/m3）
则理论空气需要量为：
Va0=0.264*
+0.02=9.524（m3/m3）
取空气过剩系数为1.25，则实际需要空气量为：
Va=qv,a=αVa0=1.25*9.524=11.905（m3/m3）
7.2烟气量计算
查工具书，得理论空气燃烧计算式（原国家标准总局推荐），
V0=0.264*
+1.02（m3/m3）
则理论烟气量为：
V0=0.264*
+1.02=10.524（m3/m3）
实际烟气量为：
V=V0+（α-1）Va0=10.524+（1.25-1）*9.524=12.905（m3/m3）
7.3燃烧温度计算
天然气温度tf=20℃,Qnet,ar=36000KJ/M3，查表，cf=1.56kJ/（m3.k）。
助燃风平均温度ta=200℃，查表，ca=1.026kJ/（m3.k）。
先计算理论燃烧温度，
tth=
=
整理得到：
12.905ctth=38477
假设t／th=1700℃，查表得此时，c／=1.67,则：
12.905*1.67*1700=36637.3﹤38477
假设t〃th=2073℃，查表得此时，c〃=1.6849,则：
12.905*2073*1.6849=45074.6﹥38477
=
tth=1781.3℃
取高温系数η=0.8，
实际燃烧温度tp=ηtth=0.8*1781.3=1425℃。
8物料平衡计算
每车产品质量：
（1.11吨/米窑长）*（1.6米/车）=1.78吨/车=1780kg/车。
每小时产品质量：
（0.34车/小时）*1.78吨/车=0.61吨/小时=610kg/小时。
坯体入窑水分为0.3%，每小时入窑湿坯质量为：
（0.61吨/小时）/（1-0.3%）=0.612吨/小时=612kg/小时，
所以每小时自由水入窑量为：
0.612-0.61=0.002吨/小时，即2kg/小时。
经计算，每辆窑车上的硼板、支柱的重量为485kg/车，每小时窑具入窑重量为：
485kg/车*0.34车/小时=165kg/小时。
取装车经验数据，砂轮垫砂（二氧化硅含量达99.9%的石英砂）的重量约为砂轮重量的5%，则每小时砂轮垫砂入窑重量为：
（612kg/小时）*5%=30kg/小时。
9预热带和烧成带的热平衡计算
9.1确定热平衡计算的基准、范围
本次计算选用1小时为计算基准，以0℃作为基准温度。
以预热带和烧成带为计算范围。
9.2热平衡示意图
图9-1预热带和烧成带的热平衡示意图
Q1—坯体带入显热；
Q2—硼板、支柱等窑具带入显热；
Q3—垫砂带入显热；
Qf—燃料带入化学热及显热；
Qa—助燃空气带入显热；
Q/a—预热带漏入空气带入显热；
Qs—气幕、搅拌风带入显热；
Q4—产品带出显热；
Q5—硼板、支柱等窑具带出显热；
Q6—窑墙、顶总散热；
Q7—垫砂带入显热；
Q8—物化反应耗热；
Q9—窑车蓄热和散失热量；
Qg—烟气带走显热；
Q10—其他热损失；
9.3热收入项目
9.3.1坯体带入显热Q1
Q1=G1C1T1（kJ/h）
其中：
G1—入窑制品质量（Kg/h）；G1=612Kg/h；
T1—入窑制品的温度（℃）；取室温，T1=20℃
C1—入窑制品的平均比热（KJ/（Kg·℃））；T1=20℃时，查手册，棕刚玉砂轮平均
比热容为C1=1.02KJ/（Kg·℃）；
Q1=G1C1T1=612*1.02*20=12485kJ/h
9.
升级会员 