无机材料产品烧成设备.ppt

1,第六章 无机材料产品烧成设备,硅酸盐制品如:陶瓷、耐火材料、水泥、玻璃以及石膏、石灰等, 一般都是将经过加工处理的原料置于高温下经煅烧反应而制得的。此高温加工的过程称之为烧成。 烧成所需设备在硅酸盐工业中称之为窑炉。 烧成在硅酸盐工业生产过程中是关键的工序。制品的产量，质量以及能耗高低在很大程度上取决于烧成工序，即与制品的烧成工艺(温度制度、气氛与压力制度)、窑炉的类型及流程等有密切的关系。,2,原料的配合，成型加工过程，燃料的选用等也至关重要。 如原料在烧成过程中的物理化学变化、窑炉结构及操作原理、燃料燃烧与炉内传热等，以期达到优质、高产、低消耗和改善操作条件的目的。,3,第一节 烧成反应与煅烧的热工设备,一、烧成反应的分类 (一) 分解反应(热分解) (二）晶型转换 （三）固相反应 （四）烧结 （五）熔融 二、窑炉的分类 三、窑炉参数控制,4,(一)分解反应(热分解),热分解是由氢氧化物、碳酸盐等所组成的原料，在加热到一定的温度时，逸出其中的水分或CO2的过程。分解后所得为无水物或氧化物。分解反应为吸热反应。 见图6-1： 高岭石(Al2032SiO22H2O)、 水铝石(Al203 H2O)、 叶蜡石(A12O34SiO2H2O)、,5,水滑石 (Mg(OH)2)、 蛇纹石(3MgO 2SiO22H2O)、 菱苦土(MgCO3)， 白云石(CaCO3MgCO3)及 方解石(CaCO3) 加热时因脱水或分解出CO2而呈现的吸热峰。,6,高岭石在500650左右开始脱水，放出约14的水分，生成偏高岭石： A12O32SiO22H2OA12O32SiO2+2H20 该分解属一级化学反应，温度每升高100， 其分解速度就加快一倍。 在烧制陶瓷制品时，当温度为200 500这一阶段，排除的即为此类结构水(粘土矿物中的结晶水和层间水)，此时分解速度快，制品也不致开裂。,7,在快速烧成窑中，若坯体干燥(入窑水分0.5%)，脱水温度提高到700，只需几分钟就可以达到完全脱水的程度。 将高岭石的温度再升高，至980左右，遂发生放热反应而开始生成莫来石(3A12032SiO2)并发生明显体积收缩。所以应将70%左右的粘土先行煅烧成熟料，促使其体积安定后再加工制砖。,8,碳酸盐、硫酸盐类矿物在5001000进行分解反应，成为多孔质的氧化物：,9,在以石灰石为主要原料的水泥熟料烧成过程中，由于碳酸盐分解吸热量很大(一般为1800 2060kJkg料)，分解反应对烧成的速度与热耗影响都很大。 这时，碳酸盐的分解不仅取决于化学反应过程，还受到热量传递和质量传递 (CO2的扩散)的影响； 在只考虑化学动力学过程时，碳酸钙分解速度可用下式表示：,10,11,分解反应的表面即两相界面，在分解过程中不断缩小，且正比于未分解碳酸钙量的23次方，即,12,考虑到分解过程中PCO2 的变化很小,把它归纳到系数c项中去，则可得： 反应速度常数k 是物料温度、周围环境CO2分压和颗粒大小等因素的函数。 缪勒 (Muller)根据试验，将温度、原料因素并入比速率常数k” 中，得到：,13,式中 k”-比速率常数， k“=Aexp(-E/RT); dk-颗粒平均直径； Pco2-在试验条件下环境中CO2的分压(在工业性分解炉内为CaCO3分解出的CO2 的分压与燃料燃烧生成CO2分压之 和)； Peq-CO2的平衡分压力。,14,分解反应所生成的氧化物富于反应活性。 如果这种氧化物立即进一步反应生成所需化合物，则这种反应活性是有利的，如在水泥熟料烧成中那样。 如果这种氧化物不需要进一步反应，则这种反应活性是不利的，因为它们易于水化、碳化，这就需要在更高的温度下烧成更稳定的形态，如用做耐火材料原料时的情况。,15,对于陶瓷制品，碳酸盐、硫酸盐的分解应在釉面玻化以前完成，以便生成的CO2 SO3体排除干净，否则在釉面玻化时反应还在进行，气体排不出，就会使制品起泡，影响制品质量。,16,(二)晶型转换,天然矿物一般均呈低温晶型，烧成时就会转变成高温晶型。 在转换温度下，有的产生可逆的急剧变化，如 型之转换； 有的成非可逆的迟钝型转换。 这些转换伴有显著的体积膨胀或收缩，如果使用会发生这类变化的原料时，在烧成过程中，必须使其变成稳定的高温晶型。石英就是最好的例证。,17,(三)固相反应,固相反应是传统硅酸盐材料以及新型无机功能材料生产过程中的基本反应，它直接影响到这些材料的生产过程和产品质量。 固体和固体之间反应的特点是反应只在相界面上进行。首先在相界生成一产物层，接着在相界上继续进行反应。因此反应物在产物层中的扩散往往成为控制反应速度的主要因素。,18,(四)、烧结,粘土类及其他原料的烧成制品，在烧成过程中的固结现象皆称为烧结。烧结的目的是把粉状物料转变为致密体。 烧结的形式大致可分为二种： 一种是坯料在高温下形成共熔物，然后降至低温时生成玻璃相或结晶相而烧结，这种烧结称为液相烧结。如一般陶瓷器坯体、水泥熟料和耐火制品的烧结；,19,另一种是原料粉末加压成型、加热烧结，烧结时并无液相生成，此类烧结称固相烧结。如粉末冶金，氧化铝、氧化铁等的烧结。 固相烧结与固相反应的不同之处是固相反应必须至少有两个组元参加(如A与B)，并产生化学反应最后生成AB，AB的结构与性能不同于A与B。,20,而烧结可以只有单组元，或者两组元参加，但两组元并不发生化学反应，仅仅是在表面能驱动下由粉体变成致密体。 实际生产中由于不可避免地有杂质存在，因此固态烧结时会同时伴随发生固相反应或出现液相。,21,(五)、熔融,烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。硅酸盐类材料的烧结温度(Ts)约为熔融温度(TM)的8090， 而对金属粉末来说，Ts=(0304)TM。 烧结和熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时全部组元都变为液相，而烧结时至少有一组元处于固态。,22,物质处于熔融状态时，由于原子、分子、离子等的动能增加，减弱了原来的结合力；因而有利于各组分之间的反应。 又由于高温液相的相对粘度小，有利于未熔化的固体熔解以及熔化后物质的扩散，可获得质地均匀的产品。例如制造高铝水泥时采用熔融法，由于熔融物料易混合均匀，因而生料不必经过细磨，反应比较完全，制造的高铝水泥质量一般较佳。,23,在硅酸盐类材料的生产中，由于组分比较复杂，往往在未达完全熔融之前，通过分解、晶型转换、固相反应等已经进行了若干形成硅酸盐的反应。例如玻璃的熔制过程中，原料尚未开始熔融之前，已有硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝等的形成。然后随着温度的升高(达1200左右)，各种硅酸盐开始熔融，同时未熔化的砂粒和其他粒子也被全部熔解在硅酸盐熔融体中，而形成玻璃液。,24,熔融时，反应进行的条件对反应速度的影响是很大的。以熔制玻璃为例，熔化温度、各氧化物的相对含量、某些添加物、炉内气氛性质与分压、耐火材料的侵蚀、混合料的颗粒组成、鼓泡与搅拌等都对反应速度产生一定的影响。,25,二、烧成各类产品的窑炉类型,窑炉是硅酸盐产品进行烧成所用的热工设备。 它是既能产生热、又能将此热有效地传给物料并使物料产生所需化学反应的装置。 由于烧成是影响产品产量、质量、能源消耗、成本的关键工序，所用窑炉也就成了硅酸盐工厂的核心设备，常将其喻为硅酸盐工厂的“心脏”。,26,(一)、分类方法,由于硅酸盐类产品品种繁多，烧成过程中的物理化学变化又极为复杂，所以硅酸盐工业窑炉的种类甚多，其分类大致如下： 1. 按产品种类分：水泥窑；陶瓷窑；玻璃窑；石灰窑；耐火材料窑等。 2按烧成产品的状态分： a. 适于煅烧块、粒状物料的窑。如回转窑、立窑等；,27,b. 适于烧制成型制品的窑。如隧道窑、倒焰窑等； c. 适于熔制玻璃的窑，如池窑、坩埚窑等。 3按作业的性质分：连续式窑；半连续式窑；间歇式窑。 4 按热源分：火焰窑；电热窑。 5 按使用的燃料分：烧固体燃料的窑；烧气体燃料的窑；烧油的窑。,28,6 按火焰是否与制品接触分： 直接焰式窑(明焰窑)； 半隔焰式窑； 隔焰式窑马弗窑(Muffle Kiln)。 7 按火焰进行的方向分： 直焰式窑；横焰式窑；倒焰式窑等。 8 按窑的形状分： 方窑；圆窑；隧道窑；立窑； 池窑；坩埚窑等。,29,近年来，人们对合理利用窑炉的废气余热进行了大量的研究工作，提出了许多切实可行的方案并付诸实践，因而各种窑炉根据废气余热利用方案的不同，又可进一步细分为不同的类型。如回转窑又可细分为带余热锅炉的；带料浆蒸发器的； 带立波尔加热机的；带悬浮预热器的回转窑等。,30,(二)、工业窑炉要素的分析比较,由于硅酸盐工业窑炉是集发热、传热，反应的功能于一身，有的还兼有输送物料的功能。 因此，从满足煅烧制品要求考虑选择窑炉类型时，需要分析的因素有：热能来源、供热方法、 传热方式，余热利用，炉内气氛性质及运料方法等。现将这些要素的组合情况列于表6-1。,31,1 热能来源,硅酸盐工业中，燃料费用在生产总成本中所占比例较大，例如生产普通硅酸盐水泥时，以煤粉作为燃料，其燃料费用约占成本的1314%。如果以油作燃料，则燃料费用在成本中的比例还要高。 使用何种燃料需要进行比较，选用燃料首先要根据国家的燃料政策，其次所选用的燃料不仅要能满足生产制品的工艺要求，而且要求在总成本中所占比例尽可能低。,32,2 供热方法,硅酸盐产品在烧成时，均希望获得尽可能均匀的加热。为此，人们曾设想过多种均匀供热的方法。 常用的有四种： 内部供热； 底部供热； 侧面供热； 顶部供热。,33,内部供热：根据烧成制品性质和窑炉结构的许可，将燃料混入物料中进行燃烧供热。 例如烧制轻质耐火材料时，在泥料中加入锯末、焦炭粉、无烟煤粉等，此时，不仅供热均匀，还由于可燃物的燃尽，使制品具有一定的气孔率。又如用立窑煅烧水泥熟料时采用黑生料球法，燃料(无烟煤粉)与生料粉紧密接触，不仅传热速度高，热利用也好，其热有效利用率可达50%。,34,但是由了燃料混入物料内部，燃料与空气接触不良，燃烧不集中，温度不高，容易出现燃料未尽、熟料欠烧。特别是当料球大小过分不均匀肘，更加严重。 底部供热：由于热气流有向上浮升的趋势，因而易造成加热室内温度分布不均匀。并且由于底部燃烧烧嘴维修困难，烧嘴覆盖面不大，所以底部燃烧应用并不多。,35,侧面供热：是硅酸盐工业使用最为广泛的供热方法，如倒焰窑、梭式窑、隧道窑、池窑等。由于侧面燃烧的横焰覆盖面大，能够在较大面积的窑炉底部上获得较均匀的温度分布。为了避免火焰直接冲刷在物料上引起在物料上结焦或过烧变形，可采用火焰对准燃烧通道或采用挡火墙的办法。 在侧面燃烧中，如在一般隧道窑中那样，由于受到烧嘴喷射力的限制，窑不宜太宽。,36,顶部供热：窑的宽度可不受限制。烧嘴设在顶部，数目可不受限制，从而可以采用小流量、多点分散的配置方式，进一步改善窑内温度分布的均匀性和火焰气体对制品的传热条件。 图 6-10为一顶烧式隧道窑结构示意图。这种窑宽度较大，产量较高，节约投资。,37,3、传热方式,明焰传热-火焰直接进入窑内进行传热； 半隔焰传热-部分火焰直接进入窑内进行 传热； 隔焰传热-火焰不进入窑内进行的传热。,38,4 余热利用,硅酸盐工业窑炉的余热利用主要是指排出的燃烧产物的显热与加热制品带走的显热的利用。这些显热所带走的热量数量较大，如果能很好地加以利用，其经济效益、社会效益都是显著的。 硅酸盐工业余热回收主要用于： (1) 生料粉或生坯的预热； (2) 煤气、燃油及助燃空气的预热；,39,(3) 余热发电； （4） 其他供热。 回收余热的方式： a. 有的余热是在窑炉内直接加以利用的，如回转窑及隧道窑的预热带； b. 有的采用通用的换热设备，如换热器、蓄热器、热管等回收热量； c. 有的则采用专用的预热器，冷却机等设备加以回收。一些专用设备将结合具体窑炉加以叙述。,40,5 窑炉内的气氛,在工业窑炉内，煅烧物料或制品时，不仅有物理过程，还有化学反应。在窑内，除了原料之间的反应外，物料与周围介质之间也有反应。如果介质为气体，该气体所具有的性质称为窑内气氛。 窑炉内的气氛可以分为： “氧化气氛” 当窑炉内含有过剩的氧时，称氧化气氛。 此时窑炉内的气体中氧的分压较高，易使其中的物料发生氧化反应.氧化气氛是由工艺要求的,41,如烧日用瓷时，在低温阶段，为了有利于碳素和有机物的氧化，窑炉内需呈氧化气氛。在高温阶段是否应使用氧化气氛，取决于瓷坯的组成及对色泽的要求。陶器制品则一般都采用氧化气氛烧成。 又如金红石瓷，为了防止TiO2的还原，降低其电性能，烧成过程中应保持氧化气氛。,42,还原气氛 则是窑炉内气体中CO和H2等的分压较高，此种气氛可使物料中的氧化物发生还原反应。不仅如此，瓷坯中的硫酸盐、磁铁矿和云母等含铁物质的分解在还原气氛中可提前到