辊道窑设计计算汇总.docx
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辊道窑设计计算汇总
辊道窑设计计算汇总
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：
SiO2
Al2O3
Fe2O3
K2O+Na2O
CaO
MgO
灼减
71.92
18.27
0.62
0.038
0.25
0.6
4.6
3．产品规格：
600×600×10mm,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/℃
40-500
500-750
750-1100
1100-1350
1350保温
1350-800
800-400
400-80
时间/min
6.4
4.1
6.0
2.4
10.5
3.3
9.3
8
8．烧成气氛：
全氧化气氛
9.燃料
焦炉煤气：
Co
H2
CH4
C2H4
H2S
CO2
N2
O2
比热
Qnet（MJ/Nm3）
8.0
53.2
22.7
4.0
0.3
4.0
7.0
0.8
1.41kj/Nm3/℃
15.2
10.其他条件自定
基本要求（含成果要求）：
∙独立思考完成；
∙设计计算准确，窑体结构及工作系统安排合理；
∙说明书完整详细，并按格式排版打印；
∙图纸整洁清晰，制图规范，尺寸齐全，计算机打印出图；
∙设计图纸范围：
窑体结构图，窑体断面图。
工作进度计划：
2010.6.28～2010.7.9 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：
2010.7.9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=667+2×185+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G
同一列砖砖距取50mm，则
装窑密度
（件/每m窑长）
所以窑长
=129m
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，
节数=
（节）
取节数为60节。
因而窑长度为：
mm
再加上进口和出口各两米所以总长为129+4=133m
2.3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
500mm
500mm
500mm
辊下高
700mm
700mm
700mm
总内高
1200mm
1200mm
1200mm
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：
∙在各阶段应有一定的升降温速度，不得超过;
∙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；
∙在氧化还原阶段应保持一定的气氛制度；
∙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:
∙烧成周期：
50min
∙气氛制度：
全窑氧化气氛
∙各温度带的划分
名称
温度（/℃）
时间（/min）
升温速率（/℃·min-1）
节数（/节）
窑前带
40～500
6.4
71.875
1～8
预热带
500～750
4.1
60.98
9～13
预热带
750～1100
6.0
75
14～20
烧成带（保温）
1100～1350
2.4
104.17
21～23
烧成带
1350
10.5
0
24～35
急冷带
1350～800
3.6
-152.78
36～39
缓冷带
800～400
9.3
-43.01
40～50
缓冷带
400～80
8.0
-40
50～60
总计
50
60
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：
（节）取20节
烧成带：
（节）取15节
冷却带：
（节）取25节
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3~17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20~34节的辊子上下各设24对喷嘴，不等距分布，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36~39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φ76mm急冷风管。
缓冷带
第40~60为缓冷带，制品冷却到800~400℃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3～6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40~48节各设一对抽风口从49~57抽热风冷却。
第49~58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（40～500℃和400～80℃）
无缝钢管辊棒
中温段（500～1100℃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：
Co
H2
CH4
C2H4
H2S
CO2
N2
O2
比热
Qnet（MJ/Nm3）
8.0
53.2
22.7
4.0
0.3
4.0
7.0
0.8
1.41kj/Nm3/℃
17.8
5.2燃烧所需空气量
该窑用的是焦炉煤气，其低热值为：
Qd=17800Kj/Bm3
当煤气的低热值大于14650Kj/Bm3时，用经验公式
理论空气量：
Va0=-0.25=4.37m3
取空气过剩系数为1.29
Va=Va0ａ3
5.3生成烟气量计算
烟气量用经验公式，理论烟气量：
V0=+0.25=5.09m3
V=V0+（a-1）Va0=6.17m3
5.4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Ca＝1.47KJ/M3.℃
假设温度等于1700℃，此时Cf=1.63KJ/M3.℃，代入公式得
t=1786℃
相对误差，||5%，所设合理。
取高温系数为0.8，则实际燃烧温度为0.8X1786=1428℃，比烧成温度1350℃高78℃，认为合理。
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。
∙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:
节数
窑体位置
材料名称
使用温度
导热率
W/（m.℃）
厚度
mm
密度Kg/m3
1
↓
20
和
40
↓
60
窑
墙
粘土砖
1400℃
0.835+0.58×10-3t
230
高纯型耐火纤维针刺毡
1100℃
0.09（400℃）
100
耐热钢板
20
窑
顶
粘土砖
1400℃
0.835+0.58×10-3t
230
高纯型耐火纤维针刺毡
1100℃
0.09（400℃）
100
耐热钢板
20
窑
底
高铝砖
1500℃
1.52+0.18×10-3t
113
轻质粘土砖
1300℃
0.26+0.26×10-3t
113
1000
21
↓
39
窑
墙
硅砖
1850℃
0.92+0.7×10-3t
230
含锆型硅酸铝纤维板
1050℃
0.18（1000℃）
120
耐热钢板
20
窑
顶
硅砖
1850℃
0.92+0.7×10-3t
230
含锆型硅酸铝纤维板
1350℃
0.18（1000℃）
120
耐热钢板
20
窑
底
高铝砖
1500℃
1.52+0.18×10-3t
113
轻质粘土砖
1400℃
0.41+0.35×10-3t
113
1300
入口及出口
窑
墙
红砖
600℃
0.80+0.31×10-3t
240
窑顶
红砖
600℃
0.80+0.31×10-3t
240
窑底
红砖
600℃
0.80+0.31×10-3t
240
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
t1——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,此时第1节的温度t1＝20℃；
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
Qf＝X（Qd+Cftf）
其中X——每小时消耗的燃料量m3/h
Qd——燃料的低位热值KJ/h
cf——20℃时的比热KJ/m3·℃
tf——天然气的温度℃
查表可知cf＝1.38KJ/（m3·℃）
已知Qd＝17800KJ/M3，tf＝20℃
代入数据得Qf=17898.7X（KJ/h）
（3）助燃空气带入显热Qa（KJ/h）
故Qa＝Vacata＝5.64X×20×1.30＝146.64X（KJ/h）
（4）预热带漏入空气带入显热Qa′（KJ/h）
取预热带空气过剩系数αg＝2.5，漏入空气温度ta′＝20℃，ca′＝1.30KJ/（m3·℃）漏入空气总量为Va′＝Mf（αg-α）Va
其中Va＝4.37
Va′＝X（2.5-1.29）×4.37=5.29X
Qa′＝Va′ca′ta′＝5.29X×1.30×20＝137.5X（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：
c2＝0.84+26×10-5×1380＝1.20KJ/Kg·℃
则Q2＝GmC2T2＝531.53×1.20×1380＝880214（KJ/h）
（2）烟气带走显热Qg（KJ/h）
每小时离窑烟气量：
Vg＝[Vg0+（αg-α）Va0]×X＝[5.09+（2.5-1.29）×4.37]X=10.04X（m3/h）
烟气离窑温度一般tg＝250℃，
查表得此时烟气的平均比热为：
cf＝1.44KJ/m3℃
则Qg＝Vgcftg＝10.04X×1.44×250＝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：
Gw＝33.9Kg/h
烟气离窑温度：
Tg＝250℃，
（3）-1自由水蒸发吸热
Qw＝Gw（2490+1.93Tg）＝33.9×（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=Gg×2100×AL2O3%=3358.0×2100×18.27%=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/m
窑墙顶散热/KJ/h
窑底散热/KJ/h
总散热/KJ/h
第一段
40~750
28
134884.9
199652.5
334537.4
第二段
750~1100
15
163752.2
314161.6
477913.8
第三段
1100~1350
33
973511.8
1386522.9
2360034.7
Q总=3172485.6（KJ/h）
∙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
代入数据得
（128892.7+18182.84X）X0.95=9708039.21+3614.4X
所以X=702m3
即每小时需焦炉煤气702m3
列热平衡表
预热带烧成带热平衡表
热收入
热支出
项目
KJ/h
%
项目
KJ/h
%
坯体带入显热
128892.7
1.0
产品带出显热
5146422
40.0
燃料化学热及显热
12564887.4
97.6
窑体散失热
3172485.6
24.6
助燃空气显热
82134
0.6
物化反应热
1389131.6
10.8
漏入空气显热
96525
0.8
烟气带走显热
2537308.8
19.6
其他热损失
643622.0
5.0
总计
12872439.1
100.0
总计
12888970
100.0
7.2冷却带热平衡计算
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
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=5146422
（2）急冷风窑尾风代入显热
设定窑尾风风量为
。
一般急冷风风量是窑尾风的（
～
）。
本设计取急冷风风量是窑尾风量的
。
急冷风与窑尾的总风量是1.5
。
查表得：
20℃时空气的比热为1.29
。
所以
热支出
（1）制品带出显热
假设此时的温度为
此时陶瓷的比热为
所以
（2）窑体散失的热量
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/KJ/h
窑底散热/KJ/h
总散热/KJ/h
急冷带
1350~800
8.5
208385.64
282192.12
490577.76
缓冷带
800~80
45
248101.2
489089.664
737190.864
Q总=1227768.6
（3）由窑体不严密处漏出空气带走显热
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10%～20%。
本设计取15%，即0.15
。
设定漏出空气的平均温度
℃
此时空气的比热容为
所以
（4）从窑道内抽出空气带走显热
假定抽出热空气平均温度
℃
查得此时空气比热容：
根据冷却带窑内风量平衡：
抽出热风量=总风量–漏出风量
（
）
所以
（5）其他热损失
其他热损失占总收入的5%
所以
列热平衡方程
解得
列热平衡表
热收入
热支出
序号
项目
热量（KJ/h）
比例%
序号
项目
热量
（KJ/h）
比例%
1
制品带入热
5146422
93.5
1
制品带出热
432472.5
3.9
2
空气带入热
358245.9
6.5
2
窑体散热
1227768.6
20.4
3
漏出空气带走热
363244.68
6.0
4
抽出带走热
4092751.1
64.7
5
其他热损失
275233.4
5
总计
5504667.9
100.0
总计
942314
100
八烧嘴选用
每小时燃料消耗量为
x=702
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48对（96个）烧嘴。
每个烧嘴的燃料消耗量为：
（
）
烧嘴的热负荷：
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：
热负荷
燃气
助燃空气
流量调节比例
火焰
长度
火焰
锥角
炉膛温度
流量
压力
流量
温度
压力
2×104
Kcal/h
2.4
Bm3/h
1000Pa～0.2MPa
24
Bm3/h
常温
～350℃
1500～3500Pa
1：
6
200～3000
～70
～1800℃
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！
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