第一章辊道窑的窑体结构.docx

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第一章辊道窑的窑体结构

第一章辊道窑的窑体结构

1.1概述

辊道窑是一种截面呈狭长形的隧道窑，与窑车隧道窑不同，它不是用装载制品的窑车运转，而是由一根根平行排列、横穿窑工作通道截面的辊子组成“辊道”，制品放在辊道上，随着辊子的转动而输送入窑，在窑内完成烧成工艺过程，故称辊道窑。

1.1.1辊道窑的分类

辊道窑可按使用的燃烧结构分类，也可按加热方式分类，还可按通道多少来分类。

一般对建陶工业辊道窑结合燃料与加热方式进行分类。

1.明焰辊道窑——火焰进入辊道上下空间，与制品接触并直接加热制品。

（1）气烧明焰辊道窑。

常用的气体燃料有：

天然气、发生炉煤气、石油液化气等，要求煤气是洁净的。

（2）烧轻柴油明焰辊道窑。

由于供油系统比供气系统简单，投资也较少，国内近些年建造的明焰辊道窑大多为烧轻柴油的。

2.隔焰辊道窑——火焰一般只进入与窑道隔离的马弗道中，通过隔焰板将热量辐射给制品并对其进行加热。

（1）煤烧隔焰辊道窑

煤在火箱中燃烧，火焰进入辊道下的隔焰道（马弗道）内，间接加热制品。

国内有些煤烧辊道窑为稳定窑温、减少上下温差，采取在辊上安装若干电热元件（硅碳棒），对制品进行补偿加热，对提高产品质量有一定的效果。

这类辊道窑可称为煤电混烧辊道窑，但也属煤烧隔焰辊道窑的范畴。

（2）油烧隔焰辊道窑

以重油或渣油为燃料，火焰一般也是进入窑道下的马弗道中，间接加热制品。

我国80年代初建造的油烧隔焰辊道窑除辊下设马弗道外还在辊上增设马弗道，但后来一般都取消了上马弗道。

80年代中后期，烧重油的辊道窑大都改进为油烧半隔焰辊道窑，即在适当的部位留设放火口，使部分燃烧产物进入工作通道中。

由于油烧半隔焰辊道窑除放火口外，其他结构与油烧全隔焰辊道窑类同。

故可将它归在一类。

3.电热辊道窑——以安装在辊道上下的电热元件（硅碳棒或电热丝）作热源，对制品辐射加热。

适用于电力资源丰富的厂家或小型辊道窑。

在上述几种类型的辊道窑中，由于明焰辊道窑的燃烧产物直接与制品接触，对提高传热效率、均匀窑内断面温度场、节能等都是有利的，代表了辊道窑的主流。

当然，各地有自己的资源特点，其他类型的辊道窑在我国也得到了广泛的应用。

辊道窑还可按工作通道的多少来分类：

有单层辊道窑、双层辊道窑、三层辊道窑等。

多层辊道窑可节省燃料，缩短窑长，减少用地，降低投资费用。

但由于层数增多，使入窑及出窑的运输线、联锁控制系统、窑炉本身结构都复杂化，给清除砖坯碎片更是带来不少困难。

我国目前大多采用单层辊道窑，有的采用两层通道，一层用来焙烧制品，另一层用于干燥坯体。

干燥热源利用焙烧层的余热。

一般说来，当窑宽较窄、工作温度也不太高、占地受到限制时宜采用多层，但一般也不宜超过三层。

其他情况下以单层为好，以后没有特别说明均指单层辊道窑。

1.1.2辊道窑的分带及工作系统

辊道窑属连续性生产的隧道式窑炉，如同窑车隧道窑一样，按制品在窑内进行预热、烧成、冷却的三过程也可将辊道窑分为三带：

预热带、烧成带、冷却带。

由于辊道窑外宽尺寸全窑一般无变化，故辊道窑一般按制品温度来划分：

窑头至850～900℃作为预热带，850～900℃到制品成瓷温度（包括保温）为烧成带，余下部分为冷却带。

当然也可按窑体结构来划分，如：

隔焰辊道窑一般将设有燃烧系统的部位作为烧成带，烧成带之前至窑头部分为预热带，烧成带之后至窑尾部分为冷却带；明焰辊道窑则多以辊上下均设有烧嘴部位作为烧成带，两头分别为预热带与冷却带。

但有的明焰辊道窑辊上下布置烧嘴的部位很长，甚至布置到排烟口处，这样划分就未免不合理。

辊道窑的工作系统，是指窑内气体的运动路线，包括送风系统、燃料供应系统及排烟系统等。

根据制品的烧成工艺合理地布置工作系统，是设计结构合理的辊道窑的前提。

辊道窑类型不同，工作系统也不相同，下面简单介绍两种典型的工作系统。

图1-1油烧隔焰辊道窑工作系统

1-窑尾进冷风2-抽热风3-急冷风4-油管路5-窑道排气

6-隔焰道排烟7-烧嘴8-烧嘴9-助燃供风

图1-1为烧重油隔焰辊道窑的工作系统。

重油经油管4进入烧嘴7、8，助燃及雾化空气由风管9进入烧嘴。

烧嘴7共6只，交错布置在隔焰道的侧墙上，喷火口的中心线与窑的中心线成45º交角；烧嘴8共2只，安装在烧成带与冷却带交界处下方、隔焰道的端部，与窑的中心线平行。

各烧嘴喷出的火焰均进入隔焰道燃烧，通过隔焰板将热量传给制品后，进入设在窑头下部的四对排烟口，然后经支烟道、主烟道6，由排烟机排空，5为设在预热带前部窑顶上的排气孔，用于排除坯体放出的水气、反应气及釉料挥发物。

3为急冷鼓风（一般为辊上、辊下同时鼓风），1为窑尾鼓风，以达到快冷的目的。

2为抽出热风，可送作坯体干燥用，以利用余热。

图1-2为气烧明焰辊道窑的工作系统。

全窑共29节，其中第1～4节为排烟段，由上、下各4对排烟管分布在窑顶和窑底，由排烟风机1抽出来自烧成带的烟气。

抽出的烟气一部分排空，一部分送至干燥器供生坯预热干燥。

第5～9节每节辊上、下各设有一个烧嘴；第10～14节每节辊上、下各设有1对烧嘴；所有烧嘴均采取对侧交错布置。

第15～18节为高温成瓷区，烧嘴布置较密，每节辊上、下交错设置2对烧嘴。

煤气由煤气站2经煤气总管与支管分别送入各烧嘴，助燃空气则由风机3经风管送入烧嘴。

第19～20节为急冷段，由急冷风机4将冷风由辊上、下的8对急冷风管喷入窑内，对制品上下吹风进行急冷。

第21～24为缓冷段，在第22～25节每节窑体上下都设有抽热风分管，由抽热风机5从总管中将进入分管的余热风抽出，与预热带排烟段排出的烟气混合后，作为干燥器的热源。

在最后一节的窑体，上下各设三台轴流风扇6，对产品吹风强制快冷，使产品出窑温度不致过高。

图1-2气烧明焰辊道窑工作系统图

1-排烟风机2-煤气站3-助燃风机4-急冷风机5-抽热风机6-窑尾冷风扇

1.1.3窑体基本结构

明焰式辊道窑的窑体由窑墙、窑顶和窑底围成的窑道构成。

图1-3为烧轻柴油单层明焰辊道窑结构图，窑道中穿过的辊子1构成工作通道底面，辊道平面以上的窑道称为工作通道，故辊道窑又称为辊底窑。

隔焰式辊道窑与明焰辊道窑有较大的区别，除窑道外在预热带和烧成带还设有隔焰道（俗称火道），而且与隔焰式窑车隧道窑不同，隔焰道不是设在烧成带和预热带的两侧，而是设在烧成带和预热带的下部（故称下火道），火道与窑道用隔焰板隔开，火道底才是窑底，图1-4为烧重油隔焰辊道窑结构图。

图1-3单层明焰辊道窑结构图图l-4隔焰辊道窑结构图

1-辊子2-上部烧嘴3-吊顶4-下部烧嘴1-工作通道2-辊子3-辊轴承4-隔焰板5-火道

1.2辊道窑窑体主要尺寸及其确定

辊道窑窑体主要尺寸的确定主要取决于产量、窑型、燃料种类及产品规格等，表1-1列出了我国一些辊道窑主要尺寸的数据。

以下仅就辊道窑的内宽、内高、窑长的确定原则或计算方法作一简单叙述。

表1-1我国一些辊道窑主要尺寸数据

窑炉使用厂家

产品

产量/万m2·a-1

使用燃料

烧成温度/℃

烧成周期/

min

窑长/

m

窑内宽/

m

烧成带辊上

/辊下高/

mm

窑炉制

造单位

四川威远瓷厂

釉面砖

20

煤烧隔焰

1080

45

42

0.8

150/150

国内自建

景德镇陶瓷厂

墙地砖

45

重油半隔焰

1140

50

70

1.17

250/350

国内自建

景德镇陶瓷厂

瓷质砖

62

柴油明焰

1250

50

66

1.5

国内自建

金华金航陶瓷公司

釉面砖

130

柴油明焰

1130

45

90.3

2.3

371/395

国内自建

晋江华达陶瓷厂

墙地砖

50

柴油半隔焰

1150

50

61.56

1.32

200/220

国内自建

石湾东平陶瓷厂

彩釉砖

55

重油半隔焰

1150

50

60.9

1.46

297/200

国内自建

石湾银田陶瓷厂

墙地砖

70

柴油明焰

60

83.6

1.56

347/340

国内自建

潮州彩釉砖厂

瓷质砖

30

煤气明焰

1245

72

51

1.5

385/431

国内自建

景德镇华峰瓷厂

玻化砖

110

柴油明焰

1250

60

79.2

1.88

355/393

HEIMSOTH

唐山建陶厂

彩釉砖

120

煤气明焰

1250

60

80.8

2.3

740

（窑内总高）

POPI

醴陵长城彩釉砖厂

彩釉砖

100

煤气明焰

1200

55

81.88

1.25

195/210

SITI

石湾建国陶瓷厂

釉面砖

200

液化气明焰

1040

40

52.5

2.1

SITI

石湾建国陶瓷厂

彩面砖

100

液化气明焰

1080

35

51

1.8

TAKASAGO

石湾化工陶瓷厂

釉面马赛克

55

柴油明焰

1205

60

76

2.5

TAKASAGO

石湾日用一厂

玻化砖

80

柴油明焰

1235

60

77

1.8

POPI

石湾三联陶瓷公司

广场砖

40

液化气明焰

1300

180

64.5

1.2

TAKASAGO

石湾彩洲陶瓷厂

卫生洁具

30

（万件）

液化气明焰

1250

10.5

（h）

74

1.4

MORI

重庆兆峰瓷厂

日用瓷

2.4

（万件）

天然气

1420

5.5（h）

57.7

1.75

400（辊上高）

HEIMSOTH

1.2.1窑内宽

窑内宽为窑道内两侧墙间的距离，目前一般为1.5m左右。

从产量来说，越宽无疑产量越大，但加大窑宽受到三方面制约：

（1）辊子：

辊子长应大于窑内宽与两倍窑墙厚之和，国产辊棒大多长3m左右（现也有3m以上的辊子），而且窑越宽对辊子的热性能、机械性能及安装要求就越高。

（2）窑顶：

窑宽了一般须用吊顶，使窑顶结构复杂，费用增加。

（3）窑宽：

窑内宽越大，保证窑横向温度均匀性的难度就越大。

从目前我国现有辊道窑的现状来看，一般煤烧隔焰辊道窑的内宽在800～1000mm，油烧隔焰辊道窑内宽为1000～1500mm，明焰辊道窑内宽一般为1500～2000mm，现我国也有2000mm以上的宽体辊道窑。

当然，无论从提高产量、还是从提高热利用率角度考虑，只要辊子、砌筑材料以及烧嘴等性能进一步提高，辊道窑无疑应向宽体窑方向发展，从我国近十几年发展史来看也确是如此。

而且，目前国内已开始着手宽体窑的设计与建造，例如，华夏集团中信窑炉公司在消化吸收国外技术基础上，为金华金航陶瓷有限公司设计建造的长108m、内宽为2.3m的油烧明焰辊道窑已试烧成功，烧出了质量很好的产品。

窑内宽的确定主要是根据选用的燃料及窑型，并参考上述经验数据，由产品尺寸来计算。

由于建筑瓷砖辊道窑砖坯进窑时，砖坯间并不留间隙，只要将瓷砖外形尺寸换算成砖坯尺寸（坯体尺寸），乘上每排所放砖坯数再加上砖坯离窑内壁的间隔即为窑内宽。

砖坯离窑壁间隙可取经验数据100～200mm。

例1-1：

设计年产500000m2200mm×200mm×8mm的彩釉砖气烧辊道窑的主要尺寸。

解：

产品宽度为200mm，考虑烧成收缩为10%，则：

坯体尺寸=产品尺寸÷（1-烧成收缩）=200÷（1-10%）=222mm

坯体离窑墙内壁一般应有100～200mm间隙，取150mm；

暂定窑内宽B=1500mm，则可排砖数为：

（1500-150×2）÷222=5.4

确定并排6片，则窑内宽B=222×6+150×2=1632

最后定窑内宽B=1630mm

1.2.2窑内高

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焰板的距离）之和。

辊上高应大于制品高度，因建筑瓷砖高度都很小，又是单层焙烧，容易得到保证，因此只要考虑气流顺畅就可以了。

但对卫生瓷等大件制品，则辊上高应比辊半径、垫板厚度及最大制品高度之和稍大。

辊下高则主要是保证处理事故的方便。

如辊下没有足够的空间，一旦从辊上掉下制品，就要发生阻挡，影响制品正常运行，甚至造成停窑。

所以，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，但对于大制品，按此计算会造成内高太大，既增大了窑墙散热，也不利于窑内传热。

由于制品从辊上掉下，一般都发生了破损（大件制品尤其如此），尺寸都比整砖小了，故据各地辊道窑实际状况来看，辊下高只要大于制品长边就足够，对大件制品，辊下通道等于制品长边也就可以了。

窑内高除与制品尺寸因素有关外，还与窑的类型有关。

对明焰或半隔焰辊道窑，因要保证烟气流动畅通及一定的燃烧空间，一般稍大，窑内总高为500～850mm；而对隔焰辊道窑，从传热的角度看，小一点为好，当然要保证一定的辊下高以方便处理事故，窑内总高一般为350～500mm。

1.2.3窑长

我国在开始建造辊道窑的初期，由于传动系统不精密、辊子平整度较差，运行中产品容易发生跑偏，故辊道窑都建得较短（30～40m）。

随着传动系统与辊子质量的改进，现在除煤烧隔焰辊道窑考虑到成本低，窑长一般仍在40m左右，国外先进的辊道窑一般类似隧道窑的长度，为70～80m，有的甚至达100m以上。

窑长主要取决于产量，对建筑瓷砖可按下列公式计算：

（1-1）

其中：

（1-2）

装窑密度=每米排数×每排片数×每片砖面积（m2/每米窑长）（1-3）

例1-2：

计算上例的窑长，已知烧成周期为1h。

解：

选年工作日为340d/a，参考同类工厂产品合格率取为90%。

则：

装窑密度=（1000÷222）×6×0.22=1.081

因此窑长：

L=68.1÷1.081=63（m）

1.3辊道窑窑体砌筑材料

传统的隧道窑窑体砌筑材料大多为粘土质或高铝质耐火砖或保温砖，这些材料的特点是密度大、强度低、保温性能差。

用这些材料砌筑的窑墙厚、窑体散热损失大，难以满足轻型、快烧辊道窑的要求。

70年代以来，国内外都在不断开发新型轻质高温耐火材料，并应用于辊道窑窑体砌筑上，取得了良好效果，促进了辊道窑的发展。

1.3.1国外轻质耐火材料介绍

这类轻质耐火材料的主要特点为：

密度小，绝热性能好，又可耐高温，热稳定性好。

用它们砌筑的窑体，起耐火和隔热双重作用。

因此，墙薄、体轻、散热损失小，适于快速烧成。

国外这类产品的氧化铝含量、使用温度及强度均已系列化，这些轻质耐火材料可直接用作内衬在火焰温度下工作。

表1-2与表1-3分别列出了美国ThermalCeramics公司与法国Manville公司的轻质耐火砖主要性能。

表1-2美国ThermalCeramics公司轻质耐火砖的主要性能

商品标号

K-20

K-23

K-25

K-26

K-28

K-30

K-3000

Insalcor

颜色

绿

红

蓝

棕

橘黄

黑

紫

白

使用温度/℃

1100

1260

1370

1430

1540

1600

1650

1790

密度/kg·m-3

470

500

6l0

770

820

820

930

1310

断裂模量/MPa

0.77

0.98

0.98

1.12

1.47

1.68

1.82

3.5

常温耐压强度/MPa

0.77

1.02

1.54

1.19

1.54

2.07

1.93

7.0

导热系数/W·（m·K）-1

0.17

0.19

0.20

0.35

0.36

0.43

0.40

0.91

热膨胀系数/10-6·℃-1

5.4

5.4

5.8

5.2

5.2

5.2

5.2

6.8

表l-3法国Manville公司轻质耐火砖的主要性能

项目

品种

最高使

用温度

/℃

密度/kg·m-3

常温耐

压强度

/MPa

抗折

强度

/MPa

重烧线

变化

/24h%

导热系数/W·（m·K）-1

热震稳定

性（空冷次数）1000℃

A12O3

%

大于

Fe2O3

%

小于

800℃

1200℃

JM20

1l00

450

0.8

0.7

0.1

0.11

30

38.5

0.8

JM23

1260

480

1.1

0.9

0.2

0.18

30

37

0.7

JM26

1430

780

1.6

1.4

0.2

0.31

0.35

30

58

0.7

JM28

1540

880

2.1

1.8

0.2

0.36

0.4l

30

67.1

0.6

1.3.2国内新型耐火材料

1.3.2.1氧化铝空心球砖

氧化铝空心球砖是用工业氧化铝在电弧炉中熔融（2000℃左右）后用压缩空气喷吹成大小直径不等的空心球，经颗粒配比，加入适量硫酸铝水溶液作粘结剂成型，并在1750℃烧结而成的。

氧化铝空心球砖是一种性能优异的高级隔热耐火材料，它高温绝热性能好[导热系数小于1w/（m•K）]，抗腐蚀性强、耐压强度大（≥10MPa），使用温度达1700℃，体积密度为1100～1300kg/m3。

例如洛阳耐火材料研究所开发的氧化铝空心球砖，可直接砌筑在高温接触火焰面。

但目前价格昂贵，在建陶工业辊道窑中应用尚不多。

1.3.2.2高温莫来石质绝热砖

江苏某厂从国外引进技术，研制成功高温、高强度、导热系数低、节能效果明显的高温莫来石质绝热砖，其制品性能示于表1-4中。

表1-4高温莫来石质绝热砖性能

商品牌号

PC-1400系列

PM-1500系列

密度/kg·m-3

600

800

1000

600

800

1000

A12O3含量/%

55

55

55

68

68

68

Fe2O3含量/%

<0.8

<0.8

<0.8

<0.6

<0.6

<0.6

常温耐压强度/kg·cm-1

20

50

80

20

50

80

荷重软化温度/℃

1350

1380

1400

1380

1440

1500

耐火度/℃

1750

1750

1750

1790

1790

1790

重烧线收缩率/%

<0.8

<0.5

<0.5

<0.8

<0.5

<0.5

导热系数（350℃）/w·（m·K）-1

0.244

0.267

注：

含量指质量分数，下同。

1.3.2.3其他轻质高强度耐火材料

除上述介绍的两类外，国内许多耐火材料厂近年都开发生产出备类轻质高强度耐火材料，例如以堇青石为原料的正规化生产线（引进日本技术），已在广东佛山市石湾日用瓷三厂建成。

表1-5列出国内一些新型轻质耐火材料的主要理化性能。

表1-5新型轻质耐火材料主要理化性能

种类

指标

性能

轻质堇

青石保温砖

氧化铝

空心球砖

泡沫氧化

铝轻质砖

泡沫高

铝轻质砖

空心微珠

轻质砖

轻质

硅砖

漂珠砖

耐火度/℃

>1900

1890

>1790

1600

1670

1670

抗压强度/MPa

5～7.5

≥10

2～9

2～9

4

2.5～10

4～6

气孔率/%

66

74

70

62

密度/kg·m

1200

1160

600～1200

400～1200

600～1200

800～1300

600～1200

重烧收缩率/%

<-1.0

<2

主要化学

成分含量

/%

SiO2

36

43

93.01

43

A12O3

>40

99.12

92

70.8

>50

>50

Fe2O3

<2

<0.3

<1.78

<2

<2.24

<2

1.3.3陶瓷纤维

陶瓷纤维与其他轻质耐火材料相比，其隔热性能更好、密度更小，是70年代开始出现的一种新型高级保温材料。

国外陶瓷工业窑炉已普遍用它作窑体填隙和窑顶、窑车的保温材料，甚至直接用于与火焰接触的窑体内衬材料，大大降低了窑炉能耗、改善了窑内温度场。

陶瓷纤维在近二十几年来发展得越来越完善。

1.3.3.1陶瓷纤维的分类

陶瓷纤维主要分为两个系列，即用熔融法生产的玻璃态纤维和胶体法生产的结晶态纤维，见表1-6。

玻璃态纤维在长期高温工作条件下发生粉化，主要是析晶与晶型转化而发生体积变化所致，这是此类纤维的致命弱点。

所以，其使用工作温度不宜过高。

尤其是低档的只宜在600℃以下使用。

结晶态纤维则性能较好，并可用在高温工作面，国内目前已有生产，但价格较贵。

表1-6陶瓷纤维的分类及其使用温度

方

法

类别

档

次

纤维类型

分类温

度/℃

最高使用温度/℃

氧化气氛

还原气氛

连续

短时

熔

融

法

玻璃

态

低档

普通硅酸铝纤维

<1000

有条

件的

使用

中档

高纯硅酸铝纤维45%～50%A12O3

1260

1100

1260

1100

中档

高纯硅酸铝纤维55%～60%A12O3

1400

1200

1400

1200

中档

含铬硅酸铝纤维5%CrO

1400

1200

1400

1100

胶

体

法

结

晶态

高档

莫来石纤维

1350

1450

高档

氧化铝纤维

1500

1600

高档

氧化锆纤维

1600

混合态

高纯氧化铝混合纤维

1500

1400

1500

高纯氧化铝混合纤维

1600

1500

1600

表1-7摩根热陶瓷集团陶瓷纤维性能

品种

纤维棉

纤维板

Z型组件

分级温度/℃

1260

1425

1260

1260

1430

密度/kg·m-3

140～240

140～240

比热容/kJ（kg·℃）-1

1.13（1090℃）

1.13（1090℃）

1.05

220

导热率/w（m·K）-1

0.11～0.13

（400℃时）

0.11～0.13

（400℃时）

主要化学

组成含量

/%

A12O3

46.5

46.5

46.5

46.5

46.5

SiO2

53.0

53.0

53.0

53.0

53.0

Fe2O3

0.10

0.10

0.10

0.10

0.10

TiO2

0.05

0.05

0.05

0.05

0.05

ZrO2

14.7

14.7

14.7

1.3.3.2国外陶瓷纤维

国外陶瓷纤维的生产与应用较早，而且技术亦日趋成熟，现在已加工成各种块状产品，方便直接用于窑墙或吊顶的施工。

例如，德国摩根热陶瓷集团各种耐火纤维制品已被世界许多窑炉公司采用，而且摩根热陶瓷集团最近已在上海浦东设立了第一家独资工厂。

国外各种耐热陶瓷纤维的性能列于表1-7至表1-9中。

表1-8法国Manville公司的陶瓷纤