材料科学课程设计年产130万平米玻化砖天然气辊道窑设计1.doc

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1、景德镇陶瓷学院专业课程设计说明书题目:年产130万平米玻化砖天然气辊道窑设计 学 号：201010260103 姓 名：何树斌 院 （系）：材料科学与工程学院 专 业：10粉体工程 指导教师： 日 期： 目 录1 前言2 设计任务及原始资料3 窑体主要尺寸的确定 3.1 窑内宽的确定 3.2 窑长及各带长度的确定 3.3 窑内高的确定4 烧成制度的确定5 工作系统的确定 5.1 排烟系统 5.2 燃烧系统 5.3 冷却系统 5.4 传动系统 5.5 窑体附属结构 5.5.1 事故处理孔 5.5.2 测温孔及观察孔 5.5.3膨胀缝 5.5.4挡板及挡墙 5.6窑体加固钢架结构形式6 燃料燃烧计

2、算 6.1 空气量 6.2 烟气量 6.3 燃烧温度7 窑体材料及厚度的确定：列表表示全窑所用材料及厚度8 热平衡计算 8.1 预热带及烧成带热平衡计算 8.1.1热平衡计算基准及范围 8.1.2热平衡框图 8.1.3热收入项目 8.1.4热支出项目 8.1.5热平衡方程式 8.1.6预热带与烧成带热平衡表 8.2 冷却带热平衡计算 8.2.1热平衡计算基准及范围 8.2.2热平衡框图 8.2.3热收入项目 8.2.4 热支出项目 8.2.5热平衡方程 8.2.6冷却带热平衡表9 烧嘴的选用 9.1每个烧嘴所需的油（气）压 9.2烧嘴的选用10 参考文献1.前言辊道窑是近几十年发展起来的新型快

3、烧连续式工业窑炉，在釉面砖、墙地砖、彩釉砖等建筑陶瓷工业生产中已普遍用作主要的烧成设备，近几年正逐步在日用瓷等陶瓷工业中得到应用。与隧道窑相比，辊道窑用连续多排辊子代替窑车输送制品，取消了窑车，取消了砂封，避免车下窑外冷空气漏入隧道，使窑内同一截面上下温度均匀，大大缩短烧成时间，为优质高产低热耗创造了条件。辊道窑的设计计算包括：窑体主要尺寸计算，燃料燃烧计算、热平衡计算、通风阻力计算等，使用发生炉煤气烧窑，可减少环境污染。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

4、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。这些要求都应该遵循。全窑利用余热干燥生坯，热效率高，温度控制准确、稳定，传动用齿轮传动，摩擦式联结辊筒，传动平衡、稳定，维护方便，无级调节，控制灵活。通过对其窑炉结构和控制的了解，借鉴其经验数据，结合中试窑的情况，我所设计的辊道窑总长107.1米，内宽2.3米，烧成温度是1170摄氏度，燃料采用天然气。为了更好的掌握辊道窑的结构和窑炉设计的程序，我对老师给定的设计任务进行了为期三周的设计计算，并绘制窑体视图。2.设计任务及原始资料一、设计任务年产130万平米仿古砖天然气辊道

5、窑设计；二、原始数据（一）玻化砖1坯料组成（%）：SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3K2ONa2OI.L68.3516.272.302.650.852.202.154.85表21：坯料组成（%）2产品规格：6006008mm3入窑水分：1%4产品合格率：95%5烧成周期：55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COH2CH4C2H4H2SCO2N2O2(MJ/Nm3)0.20.295.63.50.30.10.1041.58表22：燃料组成（三）年工作日：330天3.窑体主要尺寸的确定3.1 窑内宽的确定产品的尺寸为6006008mm，设制品的收缩率为

6、10%。由坯体尺寸=产品尺寸/（1-烧成收缩）,得坯体尺寸为：667667mm两侧坯体与窑墙之间的距离取150mm，设内宽B=2.3m，计算宽度方向坯体排列的块数为：n=（2300-1502）/667=2.99，确定并排3块。 最后，确定窑内宽 B=6673+1502=2301mm，取2300mm。3.2 窑长及各带长度的确定3.2.1 窑体长度的确定窑容量=（年产量烧成周期）年工作日2460产品合格率（1-收缩率）=（130000055）（330246095%0.9）=175.98(/窑)装窑密度=每米排数每排片数每片砖面积 =（1000667）3（0.60.6）=1.62(/每米窑长)窑长

7、=窑炉每小时进入生坯装窑密度=175.981.62=108.63(m)利用装配式，由若干节联接而成，设计每节长度为2100mm，节间联接长度为8mm总长度为2108mm，窑的节数=108.632.108=51.53节，取整为52节。所以算出窑长为L=522108-8=109616mm=109.6m3.2.2 窑体各带长度的确定预热带占全窑总长的30.18%，节数=5230.18%15.69，取15节，长度16210033600mm；烧成带占全窑总长的20.56%，节数=5223%11.96，取12节， 长度12210025200mm；冷却带占全窑总长的49.26%，节数=5249.26%25.

8、62，取25节，长度25210052500mm。 3.3 窑内高的确定内高为窑道内整个空间的高度，等于辊上高（辊道中心线至窑顶的距离）与辊下高（辊道中心线至窑底或隔烟板的距离）之和。辊上高应大于制品高度，考虑到玻化砖的高度小，又是单层焙烧，只要保证气流顺畅即可。从理论上来说对焙烧建筑瓷砖的辊道窑辊下高最好应大于砖对角线长度，但由于该制品较大，若按此计算会造成内高太大，既增大了窑墙散热，又不利于窑内传热。由于制品从辊上掉下，一般都发生了破损，尺寸都比整砖小了，故据各地辊道窑实际状况来看取辊下高400mm。表1-1 窑内高度表1-15节16-26节27-51节辊上高（mm）300360300辊下高

9、（mm）400400400内总高（mm）7007607004.烧成制度的确定（1）温度制度烧成周期：55min各带划分表4-1 各段温度的划分、升温速率与窑节数分布温度/时间/min升温速率/min长度比例/%长度/节预热带202004.21742.86630.183152005004.173.17845006003.429.46.1836009505.366.03105烧成带95011707.911.927.8513.720.568121170406.854冷却带急冷带11707008.527.155.2916.0449.26825缓冷带70050010.319.4217.559快冷带500

10、808.350.615.678累计5610051（2）气氛制度：全窑氧化气氛（3）烧成温度曲线大致如下： .T（）1200 1180 1000 950 800 700500 600 500 400 80200 24.95637.41711.74.28.347.7t（min） 0 28.9 图42：烧成温度曲线5.工作系统的确定辊道窑的工作系统确定包括排烟系统、燃烧系统、冷却系统等5.1 排烟系统采用集中排烟方式，排烟口设在第13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

11、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，仅通过烧嘴砖的燃烧道中空部分燃烧，而不另设燃烧室，并在辊子上下各设一层烧嘴，同一层烧嘴两侧交错布置，同一侧烧嘴上下交错布置。烧嘴的对侧是观察孔，以便更好的观察火焰的燃烧情况，便于操作控制。为均匀窑温，强化窑内对流换热，在选择烧嘴时，选用小流量高速烧嘴。5.2.1烧嘴的设置：本设计在预热带前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，在第11-15节每节设

12、置1对烧嘴，只设置于辊下。在第16-26节的辊下交错设置3对烧嘴，辊上下烧嘴及对侧烧嘴均互相错开排列。并在每烧嘴的对侧设置一观察孔。因此，本设计总共有76个烧嘴。5.2.2天然气输送装置天然气由升风机升压，通过管道、阀门、总管天然气处理系统，送至各个烧嘴，助燃空气由风机通过管道、阀门送至烧嘴。总管天然气处理系统：汽水分离器过滤器调压器5.3 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。5.3.1急冷通风系统从烧成最高温度至

13、少700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6080mm。本设计也采用直接吹风冷却，在第2734节每节设置8根80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80个10圆孔5.3.2 缓冷通风系统在第38-42节的每节辊上安装12根60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42-

14、47节窑的顶部设置6个圆形抽热风口，直径为250mm。缓冷换热和抽热共用一台风机。5.3.3 快冷通风系统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49节设一矩形抽冷风口，尺寸为1600580 mm。5.4传动系统5.4.1 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：表51：辊子的选材低温段（25020

15、）无缝钢管辊棒中温段（200500和50080）瓷棒高温段（5001180和1180500）碳化硅辊棒5.4.2 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2700mm。5.4.3 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800/4=200mm，因此，本设计确定辊距为50mm，每节窑为2100/50=42根。棍子总数=4251=2142根5.4.4 传动系统的选择考虑到产品的质量问题， 辊道

16、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。本设计选用多电机分段传动分段带动的传动方案。将窑分成10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，当处理打缧、堵窑等事故时，将电机打到摆动状态，使砖坯前后摇摆运行，可保证这些区段的制品不粘辊，辊子不弯曲，砖坯亦不会进入下一区段。5.4.5 传动过程 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

17、轴上的斜齿轮被动斜齿轮辊棒传动装置辊子5.4.6 传动过程联接方式依据以上原则，联接方式主要采用弹簧夹紧式，从动采用托轮磨擦式。5.5 窑体附属结构5.5.1 事故处理孔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51：事故处理孔的布置由上图知： 则： =20.4=8.52m 两事故处理孔中心距L应小于或等于8.52m又因为每节长度只有2.3m，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：400130mm，

18、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。5.5.2 测温孔及观察孔5.5.2.1 测温孔 为严密监视及控制窑内温度制度，及时调整烧嘴开度，一般在窑道顶及火道侧墙留设若干处测温孔以安装热电偶。测温孔间距一般为35米，高温段布密些，低温段布稀些，在烧成曲线的关键点，如氧化末段、晶体转化点、釉始溶点、成瓷段、急冷结束等都应设测温孔。 5.5.2.2观察孔在每个烧嘴的对侧窑墙设置80mm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。5

19、.5.3 膨胀缝窑体受热会膨胀，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，在每节窑体中部留设1处宽度为10mm的膨胀缝，内填矿渣棉，各层砖的膨胀缝要错缝留设。5.5.4 窑道档板和挡火墙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15-16节、26-27节、3

20、4-35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2.5t7550mm方钢、上横梁用2.3t5050mm方钢、下梁用2.5t10050mm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5050mm的等边角钢作底架，以便在其上搁置底板。上下侧板可用23mm钢板冲压制成，吊顶梁采用50505mm的等边角钢。6 燃料燃烧计算6.1空气量的计算6.1.1理论空气量的计算根据原始数据=35960kJ/Nm3用表6.4中

21、经验公式计算理论空气量： =0.264/1000+0.02=0.26435960/1000+0.02=9.513(Nm3/Nm3)6.1.2实际空气量的计算 由于辊道窑烧瓷砖在氧化气氛下烧成，取空气过量系数为a=1.3，则实际空气需要量为： =1.3=12.367(Nm3/Nm3)6.2烟气量的计算 按表6.4中经验公式计算实际烟气量为：=a+0.38+0.018/1000=1.39.513+0.38+0.01835960/1000=13.394(Nm3/Nm3)6.3燃烧温度的计算 设空气温度 =20，空气比热为=1.3 KJ/（Nm3.）天然气比热为 1.69 KJ/（Nm3.），=20现

22、设1700，燃烧产物温度1.603。则理论燃烧温度为： 根据理论燃烧温度：=1691 (1700-1691)/17005%,所设温度合理。取高温系数为0.75，则实际温度为：t=0.751700=1275,比最高烧成温度1170高出105，符合烧成要求，认为合理。7窑体材料的确定窑体材料及厚度的确定：列表表示全窑所用材料及厚度表4-1窑体材料和厚度表（1）1-15、27-51节名称材质使用温度()导热系数W(m)厚度（mm）窑顶耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层硅酸盐耐火纤维束11500.10.3150窑墙耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.1

23、7610-3t230隔热层硅酸盐耐火纤维束13500.10.3190窑底耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层硅藻土砖9000.063+0.1410t130膨胀层硅酸盐耐火纤维束13500.10.3100表4-2窑体材料和厚度表（3）16-26节名称材质使用温度()导热系数W(m)厚度（mm）窑顶耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层硅酸盐耐火纤维束11500.10.3150窑墙耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层混合纤维13500.12120窑底耐火层莫来石轻质高铝砖16000.31

24、0+0.17610-3t130隔热层硅藻土砖9000.063+0.1410t130膨胀层硅酸盐耐火纤维束13500.10.31008.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。 在第14节热源为烟气余热，即利用烟气带走显热，所以14节不列入热平衡计算中，但是在计算时，应以第4节坯体计算配体带入显热，以第5节烟气温度值计算烟气带走显热。预热带热平衡计算的目的在于求出燃料消耗量，冷却带热平衡计算，目的在于计算出冷空气鼓入量和热风抽出量。另外，通过热平衡计算可以看出窑炉的工作系统结构等各方面是否合理，哪项热耗最大，能否采取改进措施。8.1 预热带及烧成带热平衡计算8.1.1

25、 热平衡计算基准及范围热平衡计算必须选定计算基准，这里时间以1h为计算基准，0作为基准温度。8.1.2 热平衡框图图 预热带和烧成带热平衡示意图 坯体带入显热： 助燃空气带入显热 漏入空气带入显热： 燃料带入化学热及显热 产品带出显热 墙、顶、底散热 物化反应耗热 其它热损失 废气带走显热 8.1.3 热收入项目第1-6节热源为烟气余热，即利用烟气带走显热，所以1-6节不列入热平衡计算中，但是计算时，应以第6节计算坯体带入显热，以第7节烟气温度值计算烟气带走显热。8.1.3.1 坯体带入显热1. 制品带入显热 其中：如窑制品质量(Kg/h) 入窑制品平均比热,kJ/(kg) 制品的温度, 。取

26、烧成灼减量4%，瓷砖单重3.2公斤入窑干制品质量=1566.83(kg/h)入窑制品含自由水1.1%入窑胚体质量=1584.26（kg/h)制品入窑时的温度为20，取入窑制品比热为:0.86J/(kg)则胚体带入显热为：=1584.260.8620=27249.27（KJ/h）8.1.3.2 燃料带入化学热及显热天然气低热值 =35960(kJ/Nm3)入窑天然气温度 =20，20时天然气1.38 KJ/（Nm3.）设天然气消耗量为Xm3/hX(+)X（35960+1.3820）35987.6X（KJ/h）8.1.3.3 助燃空气带入显热助燃空气温度 =20，20时空气比热容=1.30 kJ/

27、（Nm3）助燃空气实际总量=12.367X（Nm3/h）所以 =X=12.3671.3020X=321.5（KJ/h）8.1.3.4 漏入空气带入显热取预热带漏入空气过剩系数=2.0，漏入空气温度=20，空气比热容=1.30 kJ/（m3） =1.15漏入空气总量：=X（-）=X（2.0-1.15）6.571=5.585X（m3/h）所以=5.585X1.320=145.21X（KJ/h） 8.1.4 热支出项目 8.1.4.1 产品带出显热(KJ/h) 烧成产品质量=1566.83（g/h） 制品出烧成带产品温度1170，表可知:产品平均比热为:1.14 所以=1566.8311701.14

28、=2089837.854(KJ/h )8.1.4.2体散热损失将计算分为2部分,即第815节: 500-950,取平均值725；第1626节：950-1170取平均值为1060。 第815节:窑外壁表面平均温度40，窑内壁平均温度725a. 窑顶窑顶耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t待添加的隐藏文字内容3230隔热层硅酸盐耐火纤维束11500.10.3150=725 =40 设=445 ，=76 =0.31+0.17610=0.31+0.17610-3（725+445）/2=0.413 W/m=12.88 W/m=0.23m=0.2 W(m)=0.15m热流密度：q

29、=495（W/）校核、=-=725-495=449 允许=-（）q=725-（）495=78100%=2.63%5%允许窑顶散热面积:2.218=55.515m则49555.5153.698927kJ/hb.窑墙窑墙耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层硅酸盐耐火纤维束13500.10.3190=725 =40设=485 ， =73=0.31+0.176=0.31+0.17610-3（725+485）/2=0.416 W/m=2.56（）+=2.56（73-40）+=12.65 W/m=0.23m0.2 W(m) =0.19m热流密度：q=433（W/）校核

30、、=-=725-433=486 允许=-（）q=725-（）433=74100%=1.4%5%允许窑墙散热面积:=2.218=18.565m则243318.5653.6=57878(kJ/h)C.窑底窑底耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t230隔热层硅藻土砖9000.063+0.1410t130膨胀层硅酸盐耐火纤维束13500.10.3100=725 =40 设=470 =74， =0.31+0.176=0.31+0.17610-3（725+470）/2=0.415 W/m=2.56（）+=2.56（73-40）+=12.73 W/m=0.23m=0.13m0.06

31、3+0.14=0.063+0.14（725+470）/2=0.147 W/m热流密度：q=451（W/）校核、=-=725-451=475 允许=-（）q=725-（）451=75100%=1.35%5%允许窑底散热面积: 111.03 m则451111.033.6180244 (kJ/h)第16-26节窑体散热计算如下:取窑外壁温度80,窑内壁平均温度为1060d.窑顶窑顶耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t0.23隔热层硅酸盐耐火纤维束11500.10.3150=1060 =80设=380 ， =124=0.31+0.176=0.31+0.17610-3（1060

32、+680）/2=0.463 W/m=2.56（）+=2.56（124-80）+=16.2 W/m=0.23m0.2 W(m) =0.15m热流密度：q=753（W/）校核、=-=1065-753=691 允许=-（）q=1065-（）753=126100%=1.6%5%允许窑顶散热面积:2.2114=95.3m则5395.33.6258383 (kJ/h)e.窑墙窑墙耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t0.23隔热层混合纤维13500.12120=1060 =80设=580 ， =133=0.31+0.176=0.31+0.17610-3（1060+580）/2=0.

33、454 W/m=2.56（）+=2.56（133-80）+=16.88 W/m =0.23m0.25 W(m) =0.12m热流密度：q=943（W/）校核、=-=1060-943=588 允许=-（）q=1060-（）943=136100%=2.26%5%允许窑墙散热面积: =2.2114=34.65m则294334.653.6=235156 (kJ/h)f.窑底窑底耐火层莫来石轻质高铝砖16000.310+0.17610-3t130隔热层硅藻土砖9000.063+0.1410t130膨胀层硅酸盐耐火纤维束13500.10.3100=1060 =80设=890 ， =380 =95=0.31+0.176=0.31+0.17610-3（1060+890）/2=0.473 W/m=2.56（）+=2.56（380-80）+=35.82 W/m=0.13m0.063+0.14 =0.063+0.14=0.15 W(m) =0.13m0.2W(m)=0.1m热流密度：q=594（W/）校核、=-=1060-594=902100%