超寬體輥道窯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

譚映山 ，陳 凱 ，鄒正紅 ，曾令可

（1.廣東中窯窯業(yè)股份有限公司，廣東 佛山 528226；2.華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

在能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的今天，國(guó)家對(duì)工業(yè)能源消耗及污染的控制不斷加強(qiáng)，陶瓷行業(yè)面臨越來(lái)越大的節(jié)能減排壓力，如何有效地減少能源消耗，降低有害廢氣的產(chǎn)生及排放，特別是陶瓷窯爐等熱能消耗設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)，已成為各陶瓷企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)自二十世紀(jì)80年代引入輥道窯至今，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)消化吸收后獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，由單線生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展到多線生產(chǎn)，長(zhǎng)度由幾十米發(fā)展到現(xiàn)在的300-500 m，內(nèi)寬從1 m左右發(fā)展到3 m以上，產(chǎn)量更是成倍甚至十幾倍的增加。從依靠進(jìn)口窯爐設(shè)備到大量出口國(guó)外，占領(lǐng)國(guó)外市場(chǎng)。在資源有限、成本高漲等不利條件下，寬體節(jié)能輥道窯的優(yōu)勢(shì)更不斷顯現(xiàn)出來(lái)，寬體窯的研制開(kāi)發(fā)成為了中國(guó)窯爐未來(lái)發(fā)展的主流方向之一。

1 超寬體輥道窯的設(shè)計(jì)

寬體窯爐，主要是指內(nèi)寬3 m以上的陶瓷窯爐。多年來(lái)，我國(guó)陶瓷行業(yè)中采用的窯爐內(nèi)寬大部分是在2.5 m左右，超過(guò)3m的寬體窯爐只是在最近幾年才出現(xiàn)，中窯公司已開(kāi)發(fā)建造上百條的超級(jí)節(jié)能輥道窯，窯寬在3 m以上，最長(zhǎng)為429 m，可生產(chǎn)800×800 mm微粉磚35000 m2/d。因?yàn)楦G爐的寬度增加，容易造成窯內(nèi)截面溫差增大、燒成時(shí)間控制難、產(chǎn)品走磚紊亂、制品出現(xiàn)色差等，使制品燒成質(zhì)量下降。本設(shè)計(jì)針對(duì)超寬體窯內(nèi)溫差的減小和快燒燒成技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，從超寬體窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行解決。

1.1 超寬體輥道窯的主要工藝指標(biāo)

主要設(shè)計(jì)工藝技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 物料平衡

所設(shè)計(jì)超寬體輥道窯各相關(guān)工藝產(chǎn)量如表2所示。

1.3 各工段生產(chǎn)能力計(jì)算及設(shè)備選型

1.3.1 超寬體素?zé)G前干燥器選型

磚坯干燥是快速燒成的保證，經(jīng)過(guò)干燥后的磚坯水份必須控制在1%以下。干燥熱源為窯爐余熱，干燥溫度為80-180 ℃。

表1 主要工藝指標(biāo)Tab.1 Main technical parameters

表2 各生產(chǎn)工段產(chǎn)量Tab.2 Output of each production section

(1)內(nèi)寬

對(duì)300×600 mm產(chǎn)品，每次單排進(jìn)10片，選素?zé)G前干燥器的內(nèi)寬為3450 mm。

(2)有效長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)為單層干燥器，以干燥周期 15.5 min為計(jì)算依據(jù)，磚坯間距為 20 mm，產(chǎn)品收縮率為1% 。

⑶生坯尺寸：310×613 mm

縱排塊數(shù)=日產(chǎn)量×干燥周期÷橫向塊數(shù)÷產(chǎn)品面積÷24÷60=54, 600×15.5÷10÷0.18÷24÷60=327 塊干燥器窯長(zhǎng)=縱排塊數(shù)×(生坯+磚坯間距)=327×633=205, 683 mm

設(shè)計(jì)輥棒直徑為65mm，輥棒間距為86.4mm，每節(jié)單元節(jié)數(shù)為2160 mm，共選用96節(jié)，則素?zé)G前干燥器長(zhǎng)度為207,360mm。分開(kāi)兩條素?zé)G前干燥，每條產(chǎn)量為26,000 ㎡/天，則素?zé)G前干燥為48 節(jié)，長(zhǎng)度為103, 680 mm。

超寬體素?zé)G前干燥產(chǎn)量計(jì)算如表3所示。

1.3.2 素?zé)瑢掦w輥道窯選型

素?zé)瑢掦w輥道窯是內(nèi)墻磚陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中素坯燒成的重要設(shè)備，它在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)素坯的產(chǎn)量、質(zhì)量、檔次起決定性的作用。窯爐的規(guī)格和各種工藝參數(shù)將影響著素坯生產(chǎn)是否平衡，素?zé)黧w質(zhì)量高低，能耗大小的問(wèn)題。設(shè)計(jì)燒成溫度為1180 ℃，最高使用溫度為1250 ℃。

(1)內(nèi)寬

對(duì)300×600 mm產(chǎn)品，每次單排進(jìn)10 片，選用內(nèi)寬為3450 mm的素?zé)G。

(2)有效長(zhǎng)度

以燒成周期 29 min為基準(zhǔn)計(jì)算，成品率為98% ，磚坯間距為20 mm，產(chǎn)品收縮率1%。

生坯尺寸：310×613

縱排塊數(shù)=日產(chǎn)量×燒成周期÷橫向塊數(shù)÷產(chǎn)品面積÷24÷60

=54, 600×29÷10÷0.18÷24÷60=611 塊

燒成窯長(zhǎng)=縱排塊數(shù)×(生坯+磚坯間距)=611×633=374, 543 mm

設(shè)計(jì)輥棒直徑為65 mm，輥棒間距為86.4 mm，每節(jié)單元節(jié)數(shù)為2160 mm，共選用179節(jié)，則燒成窯長(zhǎng)度為386, 640 mm。超寬體素?zé)伒栏G產(chǎn)量計(jì)算如表4所示。

表3 素?zé)G前干燥產(chǎn)量計(jì)算表(以300×600 mm規(guī)格磚計(jì)算)Tab.3 Output calculation for drying before biscuit firing (based on 300×600 mm tile)

1.3.3 超寬體釉燒輥道窯窯前干燥器選型

磚坯干燥是快速燒成的保證，經(jīng)過(guò)干燥后的磚坯水份可控制在1%以下。

(1)內(nèi)寬

對(duì)300×600 mm產(chǎn)品，每次單排進(jìn)10 片，選釉燒窯前干燥器的內(nèi)寬為3450 mm。

(2)有效長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)為單層干燥器，以干燥周期8分鐘為計(jì)算依據(jù)，磚坯間距為 20 mm，產(chǎn)品收縮率0%。

生坯尺寸：310×613

縱排塊數(shù)=日產(chǎn)量×干燥周期÷橫向塊數(shù)÷產(chǎn)品面積÷24÷60

= 53,040×8÷10÷0.18÷24÷60=164 塊

干燥窯長(zhǎng)=縱排塊數(shù)×(生坯+磚坯間距)

=164×629=103, 156 mm

設(shè)計(jì)輥棒直徑為65 mm，輥棒間距為86.4 mm，每節(jié)單元節(jié)數(shù)為2160 mm，共選用48 節(jié)，則釉燒窯前干燥器長(zhǎng)度為103, 680 mm。超寬體釉燒輥道窯窯前干燥產(chǎn)量計(jì)算如表5所示。

1.3.4 超寬體釉燒輥道窯選型

超寬體釉燒輥道窯是內(nèi)墻磚陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中最關(guān)鍵的設(shè)備，它在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)最終產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、檔次起決定性的作用。窯爐的規(guī)格和各種工藝參數(shù)將影響著最終生產(chǎn)是否平衡，質(zhì)量高低，能耗大小的關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)內(nèi)寬

對(duì)300×600 mm產(chǎn)品，每次單排進(jìn)10片，選用內(nèi)寬為3450 mm的釉燒窯。

(2)有效長(zhǎng)度

以燒成周期30 min為基準(zhǔn)計(jì)算，成品率為98% ，磚坯間距為20 mm，產(chǎn)品收縮率0% 。

生坯尺寸：307×609 mm

縱排塊數(shù)=日產(chǎn)量×燒成周期÷橫向塊數(shù)÷產(chǎn)品面積÷24÷60

= 53, 040×30÷10÷0.18÷24÷60=614 塊

燒成窯長(zhǎng)=縱排塊數(shù)×(生坯+磚坯間距)

=614×629=386, 206 mm

設(shè)計(jì)輥棒直徑為65 mm，輥棒間距為86.4 mm，每節(jié)單元節(jié)數(shù)為2160 mm，共選用179 節(jié)，則燒成窯長(zhǎng)度為386, 640 mm，超寬體釉燒輥道窯窯爐產(chǎn)量計(jì)算如表6所示。

2 超寬體輥道窯結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)

超寬體輥道窯的寬度增大，無(wú)形中長(zhǎng)度也相應(yīng)增加。窯長(zhǎng)的增加對(duì)窯內(nèi)氣體的流動(dòng)、窯壓的分布、溫度梯度、窯內(nèi)氣氛及磚坯的運(yùn)動(dòng)等都有很大的影響。為了保證燒成質(zhì)量，故在窯爐的結(jié)構(gòu)及工藝制度的選擇上非常關(guān)鍵，下面把關(guān)鍵區(qū)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖列出。

2.1 低箱排煙預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)

低箱排煙預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表4 超寬體素?zé)伒栏G產(chǎn)量計(jì)算表(以300×600mm規(guī)格磚計(jì)算)Tab.4 Output calculation of super-wide roller hearth kiln for biscuit firing (based on 300×600mm tile)

表5 超寬體釉燒輥道窯窯前干燥產(chǎn)量計(jì)算表(以300×600mm規(guī)格磚計(jì)算)Tab.5 Output calculation for drying before glaze firing in super-wide roller hearth kiln (based on 300×600mm tile)

表6 超寬體釉燒輥道窯窯爐產(chǎn)量計(jì)算表(以300×600 mm規(guī)格磚計(jì)算)Tab.6 Output calculation of super-wide roller hearth kiln for glaze firing (based on 300×600 mm tile)

2.2 高箱預(yù)熱帶(拱頂)窯體結(jié)構(gòu)

高箱預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 高溫段燒成帶窯體結(jié)構(gòu)

高溫段燒成帶窯體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 急冷段窯體結(jié)構(gòu)

急冷段窯體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5 冷卻帶緩冷段窯體結(jié)構(gòu)

冷卻帶緩冷段窯體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.6 冷卻帶直冷、緩冷段窯體結(jié)構(gòu)

冷卻帶直冷、緩冷段窯體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 超寬體輥道窯設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)上特點(diǎn)

3.1.1 窯頂結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)—平頂、拱頂結(jié)合

圖1 低箱排煙預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Rough structure sketch for preheating zone for low flue exhaust box

圖2 高箱預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Rough structure sketch for preheating zone with high flue exhaust box

圖3 高溫段燒成帶窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Rough structure sketch for high-temperature firing zone

圖4 急冷段窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Rough structure sketch for rapid cooling section

圖5 冷卻帶緩冷段窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Rough structure sketch for slow cooling section

圖6 冷卻帶直冷、緩冷段窯體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Rough structure sketch for cooling zone with rapid and slow cooling sections

圖7 生產(chǎn)中的超寬體輥道窯Fig.7 Super-wide roller hearth kiln in operation

早期輥道窯多數(shù)采用平頂?shù)蹴敺绞?，施工方便、氣流流?dòng)順暢。氣流的流動(dòng)靠布置一定的擋火墻及閘板以改變氣流的流動(dòng)及氣流的攪拌，但由于窯通道矮，30-50 cm，故氣體流動(dòng)阻力大。特別在燒成帶，通道不高，降低熱輻射厚度，因在高溫段的傳熱方式以輻射傳熱為主，約占80%左右，故熱效率低。本公司經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為寬窯的高溫段采用拱頂結(jié)構(gòu)，可增加輻射層厚度，大大地有利輻射傳熱。拱頂結(jié)構(gòu)的傳熱有利于燒成帶溫差的減小，而在低溫段采用平頂結(jié)構(gòu)，有利于低溫段溫度的均勻，特別是把這兩種窯頂結(jié)構(gòu)相結(jié)合，更有利于窯內(nèi)氣流的攪拌和溫度的均勻，減少窯內(nèi)溫差。窯頂結(jié)構(gòu)多樣化，拱頂、吊頂、吊拱頂、吊板，可最大限度杜絕窯頂落臟，延長(zhǎng)窯爐壽命，減少窯爐的維修。

3.1.2 窯墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用合理的窯墻結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)耐火材料，可減少窯壁的散熱、減薄窯壁厚度、減少輥棒長(zhǎng)度，或輥棒長(zhǎng)度一定情況下，可增加窯內(nèi)有效的寬度。本設(shè)計(jì)采用節(jié)能模塊是比利時(shí)(Promat)產(chǎn)品，其具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，不但可減薄窯墻厚度，而且窯墻的蓄散熱量大大減少，窯外壁溫度60 ℃以下，可節(jié)能16%左右。

3.1.3 高強(qiáng)度輥棒或異型輥棒采用

高強(qiáng)度輥棒或異型輥棒采用，可減少高溫下磚的變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量。特別是異型輥棒的使用，使窯內(nèi)走磚平直，磚變形小，提高產(chǎn)品成品率。生產(chǎn)實(shí)踐證明，燒成后制品出窯情況，出磚整齊、平直。

3.2 超寬體輥道窯采用的燒成技術(shù)

3.2.1 適用的燒嘴是關(guān)鍵

本設(shè)計(jì)中采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型、高效、節(jié)能型小流量等溫?zé)?。有效地解決超寬體窯的斷面溫差，實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)斷面溫差的精確控制。

3.2.2 長(zhǎng)、短火焰燒嘴的科學(xué)搭配

在燒嘴安裝方面，采用長(zhǎng)、短火焰燒嘴科學(xué)合理的搭配。長(zhǎng)火焰有利于窯中心溫度的均勻；短火焰有利于窯內(nèi)靠近兩側(cè)墻溫度的均勻。實(shí)現(xiàn)溫度在窯內(nèi)的均勻分布，達(dá)到減小斷面溫差的目的。故在超寬體窯中燒嘴的型式及火焰長(zhǎng)度、火焰溫度場(chǎng)的控制十分重要。

3.2.3 充分利用余熱加熱助燃風(fēng)

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，助燃風(fēng)的預(yù)熱非常關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用本公司高效率助燃風(fēng)加熱技術(shù)，將冷卻帶的余熱輸送給助燃風(fēng)，通過(guò)熱交換等形式，把助燃風(fēng)加熱到150-250 ℃，節(jié)能可達(dá)8-12%。還把多余的余熱送干燥窯或噴霧塔，不僅可以提高輥道窯的余熱利用率，而且環(huán)保，可有效地節(jié)約能源。

3.3 其他

⑴標(biāo)準(zhǔn)分段模數(shù)預(yù)制。

⑵可以使用多種燃料，包括石油液化氣、天然氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、柴油和重油。

⑶45度斜齒輪傳動(dòng)，差速配置，分段控制，變頻調(diào)速，既簡(jiǎn)單和平穩(wěn)，又節(jié)約電耗。

⑷風(fēng)機(jī)包括一、二級(jí)排煙、助燃、急冷風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)、直冷風(fēng)機(jī)、尾冷抽熱風(fēng)機(jī)等均選用節(jié)能型及變頻控制。

⑸PID智能控制，溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)模擬顯示，使窯爐的控制由經(jīng)驗(yàn)型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)化管理控制一體化。

4 超寬體窯的使用效果

由于超寬體輥道窯在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上基本上集成了目前國(guó)內(nèi)陶瓷窯爐上的新技術(shù)、新工藝，想方設(shè)法減少窯內(nèi)的截面溫差及影響燒成速度的因素。所建造的超寬體輥道窯接連投產(chǎn)，如在山東臨沂新連順陶瓷有限公司一次性投產(chǎn)成功，日產(chǎn)達(dá)到52600 m2以上，優(yōu)級(jí)品率達(dá)97%，300×600 mm磚的能耗低于2.8 kg/m2，達(dá)到很好的工程和節(jié)能效果。

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