辊道窑窑炉设计.docx

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辊道窑窑炉设计

辊道窑窑炉设计

辊道窑窑炉设计

1前言

陶瓷窑炉可分为两种:

一种是间歇式窑炉,比如梭式窑;另一种是连续式窑炉,比如本设计书设计

的辊道窑。

辊道窑是当代陶瓷工业的先进窑炉，我国70年代开始已陆续应用于日用陶瓷工业、建筑

陶瓷工业。

80年代后，滚到窑已广泛地用于我国建陶工业中。

辊道窑由于窑内温度场均匀，从而保证了产品质量，也为快烧提供了条件；而快烧又保证了产

量，降低了能耗。

产品单位能耗一般在2000～3500kJ/kg，而传统隧道窑则高达5500～9000

kJ/kg。

所以，辊道窑是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型，在我国已得到越来越广

泛的应用。

烧成在陶瓷生产中是非常重要的一道工序。

烧成过程严重影响着产品的质量，与此同时，烧成

也由窑炉决定。

在烧成过程中，温度控制是最重要的关键。

没有合理的烧成控制，产品质量和产量都会很低。

要想得到稳定的产品质量和提高产量，首先要有符合产品的烧成制度。

然后必须维持一定的窑内压

力。

最后，必须要维持适当的气氛。

通过对其窑炉结构和控制的了解，借鉴经验数据，本文设计的辊道窑，全窑长200米，内宽2.81

米，烧成温度是1180摄氏度，燃料采用天然气，单位质量得产品热耗为2543.6kJ/kg。

热效率高，

温度控制准确、稳定，传动用电机、链传动和齿轮传动结构，联接方式主要采用弹簧夹紧式，从动

采用托轮磨擦式，传动平衡、稳定，维护方便，控制灵活。

经过紧张的三周，有时候，特别是画图时，对于没有经过训练的我们来说，很是不容易，进入

状态时饭也顾不上吃，叫外卖，夜以继日的，就像绣花一样，不经历还真不知道这其中的滋味，我

想这次的窑炉设计实习，给予我们的不仅仅是设计的本身，还让我们知道什么是细致，什么叫技术。

在此，特别感谢周露亮、朱庆霞、孙健、李杰几位老师的细心指导，没有他们的指导，我们就

无从下手。

由于水平所限，设计书中一定有不少缺点和不足之处，诚挚地希望老师批评指正。

2设计任务书

一、设计任务:

日产10000平米玻化砖辊道窑设计

设计任务：

日产10000平米玻化砖天然气辊道窑炉设计

（一）玻化砖

1．坯料组成（%）：

SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3K2ONa2OI.L

68.3516.272.302.650.851.762.154.85

2．产品规格：

400×400×8mm，单重3公斤/块；

3．入窑水分：

＜1%

4．产品合格率：

95%

5．烧成周期：

60分钟（全氧化气氛）

6．最高烧成温度：

1180℃（温度曲线自定）

（二）燃料

天然气

COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2Qnet（MJ/Nm3）

0.20.295.63.50.30.10.1041.58

（三）夏天最高气温：

37℃

3窑体主要尺寸的确定

3.1窑内宽的确定

产品的尺寸为400×400×10mm，设制品的收缩率为8%。

由于坯体尺寸=产品尺寸/（1-烧成收缩）,

得坯体尺寸为：

435×435mm

两侧坯体与窑墙之间的距离取100mm，设内宽B=2810mm，取产品长边平行于辊棒，计算宽度方

向坯体排列的块数为：

n=（2810-100×2）/435=6，确定并排6块。

确定窑内宽B=435×6+100×2=2729mm，取2810mm。

3.2窑体长度的确定

窑容量=（日产量×烧成周期）÷（24×产品合格率）

=（10000×60/60）÷（24×95%）

=438.6（㎡/窑）

装窑密度=每米排数×每排片数×每片砖面积

=2.2（㎡/每米窑长）

有效窑长=窑容量÷装窑密度

=438.6÷2.2

=200（m）

取单节长度为2500mm,节间联接长度8mm。

窑的节数=200÷2.508=79.7节,取节数为80节

所以算出窑长为L=2500×80=200m

预热带占全窑总长的30%，节数=80×30.%＝24节，

长度＝24×2.5＝60m；

烧成带占全窑总长的25%，节数=80×25%＝20节，

长度＝20×2.5＝50m；

冷却带占全窑总长的45%，节数=80×45%＝36节，

长度＝36×2.5＝90m。

3.3窑内高的确定

表3－1：

窑内高度表

1-24节

25-56节

57-80节

辊上高（mm）

290

360

290

辊下高（mm）

390

460

390

内总高（mm）

680

820

680

4烧成制度的确定

（1）温度制度：

①烧成周期：

60min

②各带划分：

（2）气氛制度：

全窑氧化气氛。

（3）烧成温度曲线大致如下：

12001180

1000950

800700

600500

400

200

0

图4－1：

烧成温度曲线

７

5工作系统的确定

5.1排烟系统

采用集中排烟方式，排烟口设在第1，3，6节，每节上下各5对直径为200mm的圆形排烟口直

通窑体外，排烟口设在距每节窑头600mm处。

下排烟口上方设置支柱和挡板以防止碎坯落入下排烟

口。

排烟出口处设置排烟阀，然后经水平分管进入总烟管。

总烟管设于窑顶，上有总闸。

利用烟气

抽力，引导窑内气体流动。

5.2燃烧系统

本设计在预热带后部即烧成带前就开始设置烧嘴，有利于快速升温和温度调节，缩短烧成周期，

达到目的。

考虑到在低温段设置烧嘴不宜太多。

因此，在在第7~24节，每节辊下交错设置2对烧嘴，

在24~44节，每节设置4对烧嘴，上下对侧均交错布置。

每个烧嘴对侧设置一个火焰观察孔，因此，

本设计总共有136对烧嘴。

在天然气总管前设一个连锁保险器，保证助燃风机事故、停电、天然气压力过低时能迅速自动

切断天然气，确保安全。

天然气总管设一放散管。

天然气支管和分管分别从分管和总管侧方引出防

止冷凝水淤积在管道内。

辊上或辊下每4个燃烧系统组成一个控制单元。

5.3冷却系统

从烧成最高温度至少800℃以前，制品中由于液相的存在而且具有塑性，此时可以进行急冷，最

好的办法是直接吹风冷却。

辊道窑急冷段应用最广的是直接风冷是在辊上下设置横窑断面的冷风喷

管。

每根喷管上均匀地开有圆形或狭缝式出风口，对着制品上下均匀地喷冷风，达到急冷的效果。

由于急冷段温度高，横穿入窑的冷风管须用耐热钢制成，管径为60～80mm。

本设计也采用直接吹风冷却，在第45～50节每节设置12根Φ80急冷风管,上下管布置在同一断

面并横穿过窑内,每根风管的窑内部分均匀开90个Φ10圆孔.

在第57-66节的每节辊上安装12根Φ60间壁换热管做间接冷却，换热管一端敞开做吸风口，另

一端接抽热风管，通向余热风机。

在66-72节窑的顶部设置7个圆形抽热风口，直径为250mm。

缓冷换

热和抽热共用一台风机。

８

窑尾采用直接吹冷风冷却产品。

在窑炉最后2节两侧安装轴流风扇，每节窑顶、窑底各设4台轴

流风扇，上下对制品强制冷却。

在第78节设一矩形抽冷风口，尺寸为1050×500mm。

5.4传动系统

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：

表5－1：

辊子的选材

低温段（250～20）

无缝钢管辊棒

中温段（200～500℃和500℃～80℃）瓷棒

高温段（500～1180℃和1180～500℃）碳化硅辊棒

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。

因中试窑比较短，

辐射换热和对流换热空间有限，本设计辊子的直径要小些，故选用直径为30mm的辊棒，而长度则取

2550mm。

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400/4=100mm，因此，本设计确定辊距为50m，每节窑为2508/50=50根。

考虑到产品的质量问题，辊道窑的传动系统由电机、链传动和齿轮传动结构所组成。

为避免停电对正常运行的辊道窑造成的危害，辊道窑一般都设在滞后装置，通常是设一台以电

瓶为动力的直流电机。

停电时，立即驱动直流电机，使辊子停电后仍能正常运行一段时间，避免被

压弯或压断，以便在这段时间内，启动备用电源。

电机→主动链轮→滚子链→从动链轮→主动斜齿轮→从动螺旋齿轮→主轴→主轴上的斜齿轮

→被动斜齿轮→辊棒传动装置→辊子

依据以上原则，联接方式主要采用弹簧夹紧式，从动采用托轮磨擦式。

９

5.5窑体附属结构

事故处理孔设在辊下，且事故处理孔下面与窑底面平齐，以便于清除出落在窑底上的砖坯碎片。

为了能清除窑内任何位置上的事故而不造成“死角”，两相邻事故处理孔间距不应大于事故处理孔对

角线延长线与对侧内壁交点连线。

图5－1：

事故处理孔的布置

\两事故处理孔中心距L应小于或等于6.63m

又因为每节长度只有2.5m，所以，可以每节设置一个事故处理孔，本设计在每节设置一个事故

处理孔，尺寸为：

400×130mm，两侧墙事故处理孔采取交错布置的形式。

当事故处理孔在不处理事

故时，要用塞孔砖进行密封，孔砖与窑墙间隙用耐火纤维堵塞密封，防止热气体外溢或冷风漏入等

现象对烧成制度产生影响。

为严密监视及控制窑内温度制度，及时调节烧嘴开度，在窑道顶及窑侧墙中央留设若干处测温

孔，以安装热电偶。

本设计在1、6、63、65节及7-70节的偶数节设置直径为Φ40mm测温孔，辊上

设在窑顶，辊下设在窑侧墙，两侧墙的测温孔交错布置。

压力制度中零压面的位置控制特别重要，一般控制在预热带和烧成带交接面附近。

若零压过多

移向预热带，则烧成带正压过大，有大量热气体逸出窑外，不但损失热量，而且恶化操作条件；若

零压过多移向烧成带，则预热带负压大，易漏入大量冷风，造成气体分层，上下温差过大，延长了

烧成周期，消耗了燃料。

本设计以观察孔代替测压孔。

１０

在每个烧嘴的对侧窑墙设置Φ60mm的观察孔，以便烧嘴的燃烧状况。

未用时，用与观察孔配套

的孔塞塞住，以免热风逸处或冷风漏入。

窑体受热会膨胀，产生很大的热应力，因此在窑墙、窑顶及窑底砌体间要留设膨胀缝以避免砌

体的开裂或挤坏。

本设计窑体采用装配式，每节窑体留设2处宽度为10mm的膨胀缝，内填陶瓷棉。

各层砖的膨胀缝要错缝留设。

窑道上的档板和挡火墙可以起到窑内气体的上下和水平导流、调整升温曲线、蓄热辐射及截流

作用。

档板负责对窑内上半窑道的控制,采用耐高温硬质陶瓷纤维板制成,可以通过在窑顶外部调整

位置的高低。

挡火墙负责对窑内下半窑道的控制,采用耐火砖砌筑,高低位置相对固定。

窑道档板和

挡火墙设置在同一横截面上。

全窑共设置3对闸板和挡火墙结构，分别在24-25节、44-45节、58-59

节，节之间设置。

5.6窑体加固钢架结构形式

辊道窑钢架结构起着加固窑体作用，而钢架本身又是传动系统的机身。

本设计采用金属框架装

配式钢架结构，立柱用2.5t×75×50mm方钢、上横梁用2.3t×50×50mm方钢、下梁用2.5t×100

×50mm方钢。

在一节窑体钢架中，每侧共有立柱3根，两头每个立柱上开有攻M12螺栓节间联接的

6个孔。

下横梁每节共3根，焊在底侧梁上，下横梁上焊有50×50mm的等边角钢作底架，以便在其

上搁置底板。

上下侧板可用2～3mm钢板冲压制成，吊顶梁采用50×50×5mm的等边角钢。

6燃料燃烧计算

6.1空气量

燃料为天然气，本设计燃料低发热量Qnet=41580KJ/Nm3,其成分组成如表2－2所示:

根据气体燃料的化学组成，计算其理论空气量：

由于在氧化气氛下烧成，根据经验取空气系数为a＝1.3，

6.2烟气量

按照燃料的化学成分计算理论烟气量：

6.3燃烧温度

设空气温度

天然气比热为：

现设tht＝1600℃，燃烧产物温度

＝（41580+1.58×1.3×20+14.27×20）/（12.8674×1.76）

＝1538.4℃

求得温度与假设温度相对误差:

（1600-1538.4）/1600×100%=3.8%＜5%，所以假设合理。

取高温

系数h＝0.8，则实际燃烧温度

pt＝0.85×1538.4＝1300℃，比需要的温度高，这符合要求有利于快

速烧成，保证产品达到烧熟的目的。

7窑体材料及厚度的确定

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

①为了砌筑方便的外形整齐，窑墙厚度变化不要太多。

②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。

③厚度应保证强度和耐火度。

总之，窑体材料及厚度的确定在遵循以上原则得计出上，还要考虑散热少，投资少，使用寿命

长等因素

表7－1：

窑体材料和厚度表

（1）

１２

1-24、57-80节

名称

材质

使用温度

（℃）

导热系数[W∕（m•℃）]

8热平衡计算

热平衡计算包括预热带、烧成带热平衡计算和冷却带热平衡计算。

预热带和烧成带的热平衡计

算目的在于求出每小时的燃料消耗量；冷却带的热平衡计算的目的在于计算冷空气鼓入量和热风抽

出量。

8.1预热带及烧成带热平衡计算

时间基准：

1h；温度基准：

0℃

（KJ/h）

3

Q

将计算分为2部分,即第6～24节:

500-950℃,取平均值725℃；第24～44节：

950-1180℃取

平均值为1065℃。

ⅰ第6～24节:

窑外壁表面平均温度40℃，窑内壁平均温度725℃

a.窑顶

耐火层

莫来石轻质高铝砖

1600℃

0.310+0.176×10

-3t

230

窑

顶隔热层

k.窑底

耐火层

莫来石轻质高铝砖

1600℃

0.310+0.176×10

-3t

230

窑

底隔热层

硅藻土砖

窑底散热面积:

A底＝94.2m2

则Q底＝qA底＝340×94.2×3.6＝115300.8（kJ/h）

ⅲ快冷段窑体的散热量（60～70节）

此段温度范围为500-80℃,所以窑内壁平均温度为290℃,窑外壁温度取为40℃.

l.窑顶

耐火层

莫来石轻质高铝砖

1600℃

则Q顶＝qA顶＝167×94.2×3.6＝56633（kJ/h）

m.窑墙

耐火层

莫来石轻质高铝砖

1600℃

窑顶散热面积:

则Q墙＝2qA墙＝2×147×31.2×3.6＝33022（kJ/h）

n.窑底

耐火层

莫来石轻质高铝砖

1600℃

0.310+0.176×10

-3t

230

窑

底隔热层

硅藻土砖

窑底散热面积:

A底＝94.2m2

则Q底＝qA底＝120×94.2×3.6＝40694.4（kJ/h）

则冷却带窑体总散热量为:

Q9=241829+131363+165322+133613+74736+115300.8+56633+33022+4069.4

=992216.2（kJ/h）

其它热损失为总收入的5%,则:

V）=557974.5+1.3Vx

热收入=热支出

解得

x

V=17293m3/h

即每小时鼓入风量为4477m3/h.

表8－2冷却带热平衡表

产品带入显热

11159490

96.84

产品带出显热

560415

4.83

冷却风带入显热

449625

3.16

抽热风带走显热

9528583

72.1

窑体散热

992216.2

17.07

其它散热

580450.

5.00

总热量

11609115

100

总散热

11609016.7

100

9烧嘴的选用

每小时燃料消耗量为：

x=600（m

3/h）

考虑到烧嘴的燃烧能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136对（272个）烧嘴。

烧嘴的热负荷：

3.31×41580=137581（kJ/h）

所以本设计采用北京神雾公司的WDH-TCC2型烧嘴。

该烧嘴技术性能如表9－1

所以该烧嘴符合本设计要求。

烧嘴砖耐火材料选用：

莫来石轻质高铝砖，最高是用温度1420℃，密度1.2g/㎝3

10管道计算、阻力计算

10.1计算抽风机的管道尺寸

（1）管道尺寸

排烟系统需排除烟气量：

=[1.76+（2.0-1）×14.27]×1540.7=38695m

3/h

烟气在金属管中流速为w，根据经验数据取w=10m/s

烟气抽出时实际体积V=

①总烟管尺寸

内径

=1.77m

总管内径取直径为1770mm，长度6m。

②分烟管尺寸

分管流量

=30/3=10m

内径

=1.13m

分管内径取1130mm，长度为4m

③支管尺寸

支管流量

V=

=30/6=5m

3/s

内径

=0.8m

支管内径取800mm，顶部支管长定为2.2m，两侧支管长定为0.45m

10.2阻力计算

ih

根据经验每米窑长料垛阻力为0.5Pa，因为该窑第136节有抽烟口，零压面位于窑的第7节

gh

烟气从窑炉至风机，高度升高H=2.5m，此时几何压头为烟气流动的动力，即负压阻力，烟气温

度250℃，

eh

局部阻力ζ可由查表得：

烟气从窑炉进入支管：

ζ=1；

支烟管进入分烟管：

ζ=1.5；

并90°转弯：

ζ=1.5；

分管90°急转弯：

ζ=1.5；

分管进入90°圆弧转弯：

ζ=0.35；

分管进入总管：

ζ=1.5；

并90°急转弯：

ζ=1.5

为简化计算，烟气流速均按10m/s计，烟气温度按500℃计，虽在流动过程中烟气会有温降，但此

时流速会略小，且取定的截面积均比理论计算的偏大，故按此值算出饿局部阻力只会偏大，能满足