20m3烧成电瓷制品梭式窑设计Word文档格式.docx
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为了让我们掌握梭式窑的特点及结构、增强工程设计能力、提高计算能力和理论分析能力，我们设计了一个20m³
最高烧成温度为1300℃的烧成电瓷制品的梭式窑。
1.设计要求
1窑内有效容积:
33m³
2最高烧成温度:
1300℃
3燃料的种类及组成:
净化煤气
煤气组成：
成分
CO2
CO
H2
CH4
C2H4
H2S
N2
含量（%）
4.5
29
14
1.8
0.2
0.3
50.2
4空气过系数：
α=1.1
5燃料消耗量：
160kg/h
6成品率：
95%
7装窑密度：
1.2吨/立方米
8窑容积系数：
0.9
9当地气候条件：
夏季平均温度为27℃，年平均大气压力96000Pa。
2.窑炉主要尺寸设计
窑体的尺寸主要依据被煅烧制品的产量要求、产品性能、烧嘴喷射能力、温度分布均匀性等各方面因素综合确定。
1梭式窑内高为窑车台面至窑顶的空间高度。
根据材料所能允许的对多高度来确定窑的内高。
如镁砖由于其荷重软化温度和它的烧成温度接近，故砖跺高度不宜太高，通常其窑内高在1米左右；
而硅砖由于其荷重软化温度高，其窑内高通常在1.9-2.1米；
现有粘土砖和高铝砖窑内高分别为1.5-1.9米和1.1-1.5米。
砖跺上下所允许的温差也是考虑窑内高时应注意的影响因素之一。
窑高增加，上下温度加大，容易造成烧成质量不均匀。
本设计中窑内高H取1.6米，即H=1..6m。
2梭式窑的内宽为窑内两侧窑墙之间的距离。
窑的内宽与窑的产量和允许的温差有关。
产量随窑的宽度增加而增大，太宽则中心温度偏低。
现代梭式窑多采用扁宽型断面设计，窑的宽高比一般为B/H≈2，其中B为窑内宽，H为窑的内高。
梭式窑内宽一般在1—3米之间，国外最宽梭式窑已达6.4米。
则本设计中B=3m，查设计指导书附录2取B=3.016m。
3烧成温度较低断面较宽的陶瓷梭式窑则常采用平吊顶的窑顶结构。
平吊顶结构是由异型轻质耐火砖或耐火纤维叠块所构成，用吊杆将其单独的或成组的吊挂在窑体的钢梁上。
综合考虑以上各因素，该窑采用平顶结构。
4当梭式窑的内高、内宽确定后，可以计算出梭式窑的横截面积，从而确定出梭式窑的总长度L：
L=
（式中：
V-窑容积，可由装窑密度、产量要求及窑容积系数求出，在本设计中V=35m³
；
F-窑横截面积，可由B与H之积求得）。
由于B=3.016m，H=1.6m可得：
F=B×
H=3.016×
1.6=4.83m2
则
=33÷
4.83=6.9m
3.窑炉砌筑体的设计
3.1砌筑体材质的选择
选择砌筑体材质窑充分考虑砌筑体所处的工作条件，其中包括：
①工作温度：
窑炉因用途不同，工作温度相差很大，应区别选用不同品种或不同等级的制品砌筑。
②温度应力：
承受温度应力较大的窑炉或部位，应选择稳定性好的材料，特别是间歇操作的窑炉更应该充分注意。
③承重荷载：
承受荷重大的部位应选择强度大的砖。
轻质砖和硅藻土砖不能用于砌筑承重拱顶或拱角砖，也不能用于砌筑同钢结构立柱相接触的窑墙。
在温度下承重还要考虑材料的荷重软化点。
④机械损伤：
如煅烧原料的竖窑和回转窑都要考虑受料的冲击和磨损。
⑤化学侵蚀：
不同种类的耐火制品砌筑接触时，要考虑它们之间的反应。
对于整个窑体来说，还要防止由于局部砌体过早损坏而导致停产。
查课本《无机非金属材料热工设备》选用粘土砖、轻质粘土砖、红砖以及高炉矿渣作为砌筑体材料，其最高使用温度、体积密度及导热系数如下表所示：
粘土砖
轻质粘土砖
红砖
高炉炉渣
最高使用温度（℃）
1300~1400
1150
600
700
体积密度（Kg/m³
）
400
1900~2300
500~550
导热系数[W/（m·
℃）]
0.698+0.64
t
0.291+0.256
0.7~1.2
0.093+0.291
3.1.1窑墙
窑墙窑要有一定的强度才能承受荷重、支持窑顶，同时还要耐高温、能保温，以维持窑内煅烧温度，减少热量损失，降低环境温度。
一般窑墙都由能够承受高温的耐火材料、保温隔热材料及外表面维护结构组成。
本设计中窑墙由内至外分别采用了粘土砖、轻质粘土砖、红砖砌筑。
3.1.2窑顶
窑顶除了要有一定的强度、耐热、保温性能，还要不漏气、重量轻、推力小等要求。
本设计中窑顶由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖，并用高炉矿渣填充，窑顶表面铺上一层红砖以便于行走。
3.1.3窑车
窑车衬砖是梭式窑的活动窑底，它是用来保护金属窑车和装载制品烧成的。
它每经过窑内一次，就会被加热冷却一次，经受周期性的温度变化。
同时还要在窑车衬砖面上进行经常性的装卸工作，因此窑车衬砖较容易松动和损坏，严重时阻碍窑车在窑内正常运行。
所以窑车表面和周围要选用能承受高温、温度变化，并能承受荷重的耐火材料。
窑车内部衬砖砌筑，为了减少窑车重量，并减少窑车本身蓄热及散热，宜采用容重小，热容小，热容量小及热导率小的轻质保温材料。
由于本设计窑长L=6.9m，故选择3个长度为2.3m的窑车。
3.2砌筑体尺寸的确定
砌筑体的各种材料的厚度可用公式q=
（t内–t外）来确定。
对于高温窑炉，窑墙外表面温度一般取100℃-120℃，空气温度一般取20℃。
在本设计中窑墙外表面温度取100℃，空气温度取20℃。
同时砌筑体的长、宽、高的尺寸都应该考虑到砖行，计算时还要考虑灰缝在内。
耐火砖灰缝一般为2mm-3mm。
标准耐火砖尺寸为230×
113×
65mm。
耐火砖墙高度砌筑尺寸取68的倍数，耐火砖墙水平砌筑尺寸取116的倍数，其值可由指导书的附录表格中查出。
窑顶厚度也用同样的方法计算。
通常吊平顶厚200-250mm。
本设计中窑墙外表面温度取100℃，空气温度取20℃。
窑墙由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖、红砖砌筑，温降分别为1300℃、1120℃、280℃、100℃。
窑顶由内至外分别采用粘土砖、轻质粘土砖，并用高炉矿渣填充，温降分别为1300℃、1120℃、570℃、80℃，窑顶表面铺上一层红砖以便于行走。
3.2.1窑墙尺寸的计算
查指导书附录3可得：
窑墙外表面温度为100℃，空气温度为20℃时，窑墙的散热量为q=1000千卡/（米²
·
时），
即q=1000×
4.184÷
3600×
1000=1162J/（m²
s）
粘土砖：
λ=0.698+0.64×
10-3t×
（1300+1120）÷
2=1.47[W/（m·
1=λ/q1（t内–t外）=1.47÷
1162×
（1300－1120）=0.228m
查指导书附录5后取
1=232mm。
轻质粘土砖：
λ=（0.291+0.256×
10﹣3）×
（1120＋280）÷
2=0.470[W/（m·
2=λ/q1（t内–t外）=0.470÷
（1120－280）=0.340m
2=348mm。
红砖：
λ=0.8[W/（m·
3=λ/q1（t内–t外）=0.8÷
（280－100）=0.124m
3=126mm。
3.2.2窑顶尺寸的计算
查指导书附录4可得:
空气温度为20℃时，窑顶的散热量为
q=1200千卡/（米²
时）即q=1200×
1000=1395J/（m²
10-3×
4=λ/q2（t内–t外）=1.47÷
1395×
（1300－1120）=0.190m
4=204mm
λ=0.291+0.256×
（1120+570）÷
2=0.507[W/（m·
5=λ/q2（t内–t外）=0.507÷
（1100－570）=0.20m
5=204mm
高炉炉渣：
λ=0.093+0.291×
（570+60）÷
2=0.185[W/（m·
6=λ/q2（t内–t外）=0.185÷
（670－60）=0.068m
6=68mm
3.3膨胀缝
几种常用的耐火材料每米砌体的膨胀缝按下列尺寸留设。
耐火粘土砖和轻质粘土砖砌体5~6mm/m
硅砖砌体12mm/m
镁砖砌体10~12mm/m
高铝砖砌体6~8mm/m
由于上述所用的材料的工作温度都大于80℃，都应设膨胀缝，且膨胀缝的位置应避开受力部位和骨架，关应按间距2米左右均布。
窑墙膨胀缝的内层与外层之间留成锯齿形，上下层之间留成锁口形式以保证密封。
窑顶膨胀缝，单层拱顶留直缝，为保证密封应在拱顶压一层砖；
多层拱顶膨胀缝应错开，最上一层应拱顶也应压一层砖保证密封。
如下图：
4.燃烧计算及燃烧设备的选择
4.1燃料燃烧计算
设窑炉使用的煤气组成干基如下表：
成分
其中含水率为4%，α=1.1时。
基准：
1Nm3湿煤气xu×
1=xd（1－H2O）
换算成湿煤气组成：
xu=xd
=0.96xd
换算后的煤气组成如下表：
H2O
4.32
27.84
13.44
1.73
0.19
0.29
48.19
4.0
（1）1Nm3煤气燃烧所需要的空气量
理论空气量为：
V
=（1/2CO+1/2H2+2CH4+3C2H4+3/2H2S）×
100/21
=（
+
+0.0173×
2+0.0019×
3+0.0029×
）×
=1.195Nm3/Nm3煤气
实际空气量为：
Va=αVa0=1.1×
1.195=1.315Nm3/Nm3煤气
（2）1Nm3煤气燃烧理论生成烟气量为：
V0=（CO+H2+3CH4+4C2H4+2H2S+CO2+N2+H2O）+Va0×
79/100
=（0.2784+0.1344+3×
0.0173+4×
0.0019+2×
0.0029+0.0432+0.4819+0.04）+1.195×
=1.99Nm3/Nm3煤气
1Nm3煤气燃烧实际生成烟气量为：
V=V0+（α－1）V
=1.99+（1.1－1）×
1.195=2.11Nm3/Nm3煤气
烟气组分：
=（CO2+CO+CH4+2C2H4）/V×
100%
=
×
=16.24%
=（H2O+H2+2CH4+2C2H4+H2S）/V×
=10.22%
=H2S/V×
=0.14%
=（N2+αV
79%）/V×
=（0.4819+1.195×
1.1×
79%）÷
2.11×
=72.05%
=（α－1）V
×
0.21/V
=（1.1－1）×
1.195×
0.21/2.11×
=1.19%
4.2实际燃烧温度温度
查《材料工程基础》公式6.14知：
气体燃料的低位发热量:
Qnet=12600CO+10800H2+35800CH4+59000C2H4+63700C2H6+80600C3H6
+91200C3H8+118700C4H10+146000C5H12+23200H2S（KJ/Nm3）
Qnet=126×
27.84+108×
13.44+358×
1.73+590×
0.19+232×
0.29
=5758KJ/（Nm3·
℃）
燃烧所需空气量：
Va=1.315Nm3/Nm3煤气
实际烟气量：
V=2.11Nm3/Nm3煤气
发生燃烧时煤气温度tg与空气温度ta均为20℃，其中空气在0~20℃的平均比热容为1.296KJ/Nm3
理论燃烧温度：
tth=
即2.11ctth=5818.5
设tth′=1700℃,查《材料工程基础》表6.16知发生煤气燃烧产物的平均比容C′=1.67。
则Q′=2.11×
1.67×
1700=5990.29＞5818.5
设tth′′=1600℃，C′′=1.65则Q′′=2.11×
1.65×
1600=5570.4＜5818.5
此时，tth的值必在tth′与tth′′之间，可用内插法以求tth值，即：
tth=1659℃
实际燃烧温度tp=ηtth
设取高温系数η=0.78（陶瓷倒焰窑）
∴tp=0.78×
1659.1=1294℃
4.3烧嘴的数量、选型以及布置
现代的梭式窑基本上采用先进的高速调温烧嘴，或者更新型、节能的脉冲（高速调温）烧嘴。
这次设计的梭式窑采用性能优良的高速调温烧嘴。
高速调温烧嘴属无焰烧嘴，它是指燃气和空气在烧嘴内“完全”进行燃烧，再与二次空气（调温空气）混合来调节所喷出的气体温度。
使用高速调温烧嘴，燃烧效率高，燃烧室的体积小，燃烧室的容积能力强度非常高，最高可达2.1×
108W/m3，且窑内温度均匀，这样有利于消除窑内的过热部位，减小窑体的蓄热损失和散热损失。
同时在窑内，温度均匀气流的强烈循环与搅拌作用又强化了烟气对制品的传热，这样既可以实现安全快速的加热，又可以降低烟气排除的温度，使窑炉的燃料消耗量下降。
调温方便，而且高温烟气高速喷出，喷出的速度通常在70m/s以上，高达200～300m/s。
本次设计选择4对高速调温烧嘴，且布置在半窑车位处，在窑的高度方向上，高速烧嘴往往是设置在梭式窑的偏上部，这样的布置有利于窑内气体形成强烈的循环。
5.结束语
本次热工课程设计时间为三周,经过设计计算、绘制梭式窑剖面图、撰写设计计算说明书这三个阶段。
三周的时间虽然很短，但我觉得受益匪浅，不仅仅是学习到了相关的知识、方法，而且深深感受到了老师敬业的工作态度，很值得我们学习。
这次的设计计算说明书经过细心地编写，由于自己能力有限，学习中不乏有浅尝辄止的时候，其中还有很多不足之处，希望老师批评指正。
最后，非常感谢徐长海老师及其他几位老师三周来的耐心指导，在这里道一声您们辛苦了。
当然也要感谢同学给予的帮助和支持！
参考文献
[1]热工课程设计任务书（自编）
[2]徐德龙，谢峻林.《材料科学与工程》.武汉：
武汉理工大学出版社，2008
[3]姜洪舟.《无机非金属材料热工设备》.武汉：
武汉理工大学出版社，2005
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