（材料学专业论文）现代新型硅砖隧道窑研究与设计.pdf

现代新型硅砖隧道窑研究与设计 专业：材料学 硕士生：杨曼 指导教师：蒋明学李勇 摘要 本论文结合洛阳耐火材料集团公司硅砖的生产实践对2 0 2 5 m 隧道窑的使用情况进 行了分析研究，根据国内外各种窑炉的先进经验，对窑炉结构形式，窑炉内衬材料选择， 烧成带燃烧系统选择，缩小预热带上下温差，窑内压力平衡，低蓄热窑车的选择等方面， 进行了全面研究，研究设计出目前国内最先进的1 6 4 7 米硅砖烧成隧道窑，经过近一年 的运行，该窑各项性能均能满足硅砖的烧成工艺要求，产品合格率一直稳定在百分之九 十七以上，达到了设计预期的效果。 隧道窑的研究分析表明：降低隧道窑的高度、可有效降低窑内的上下温差，尤其是 对降低预热带的上下温差有明显的作用，可以从根本上减小热气流的分层。内衬材质的 合理使用，可大大提高窑炉的使用寿命，在预热带设置循环气幕，对预热带降低温差起 到关键作用。烧成带燃烧系统采用燃烧效果好的燃烧器，其喷出的高速焰气，在窑内起 到搅拌均匀，强化对流传热的作用，对均匀窑温、节能都有明显作用。在窑底设置压力 平衡装置，可保证窑内压力和温度制度的稳定。低蓄热窑车的使用对隧道窑的节能起到 一定的作用，窑车台面设计装砖下部通道，对窑内气流流动和改善温度分布都有积极的 作用。 整个设计研究结果认为：现代隧道窑的窑型，应采用大断面、低炉膛，燃烧器应尽 量采用高速烧嘴，预热带的气体循环和窑底的均压系统必不可少，窑车应采用低蓄热式 窑车，装砖底部应留设下部气体通道。 【关键词】硅砖隧道窑研究设计 【论文类型】应用基础 ar e s e a r c ha n d d e s i g no f an e wt u n n e lk i l nf o rs i l i c ab r i c k s s p e c i a l i t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ：y a n g m i n i n s t r u c t o r ：j i a n gm i n g x u e a n dl iy o n g a b s t r a c t t h er e s u l t so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h et u n n e lk i l no fl u o y a n gr e f r a c t o r yg r o u p c o o p e r a t i o n , w h i c hi sl o n gf o r2 0 2 5 m , h a v eb e e nu s e di nt h ed e s i g no ft h en e w t u n n e lk i l n i nt h ed e s i g n ，t h ef o l l o w i n ga d v a n c e de x p e r i e n c e sf o rt h et u n n e lk i l nf r o ma l lt h ew o r l dw e r e a d o p t e d ：s t r u c t u r ef o r ma n dl i n i n gm a t e r i a ls e l e c t i n g ，s e l e c t i n go fb u r n i n gs y s t e mi ns i n t e r i n g z o n e ，d e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei np r e h e a t i n gz o n eb e t w e e nt h et o pa n db o t t o mo f k i l n ，i n t e m a lp r e s s u r eb a l a n c ea n du s i n go fl o w e rh e a ts t o r a g ek i l nc a r b yt h e s em e a s u r e s t h e n e wt u n n e lk i l n ，w h i c hi sl o n gf o r16 4 7 m ，h a v eb e e np u ti n t oo p e r a t i o nf o rn e a r l yo n ey e a r i t h a sb e e np r o v e dt h a tv a r i o u sp e r f o r m a n c e sm e e tt h er e q u i r e m e n to fs i n t e r i n gf o rs i l i c ab r i c k s t h er a t i oo f q u a l i f i e d p r o d u c t si so v e r9 7p e r c e n t , w h i c ha c h i e v e st h ee x p e c t e dg o a lo f o f t h e d e s i g n t h er e s e a r c ho nt u n n e lk i hi n d i c a t e st h a tt h r o u g ht h ew i d e n i n go ft h es e c t i o no ft h e k i l n , t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt o pa n db o t t o mo f t h ek i l n , e s p e c i a l l yi nt h ep r e h e a t i n g z o n e ，c a ne f f e c t i v e l yb es h o r t e dd o w n ，s ot h a tt h el a m i n a t i n gi nt h eh e a t i n gf l o wc a nb e r a d i c a l l yp u td o w n t h es e r v i c el i f eo ft h ek i l nm a yb ei n c r e a s e db yt h er i g h ts e l e c t i o no f i m e m a ll i n i n gm a t e r i a l s i ti sc r i t i c a lf o rd e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb ys e t t i n gu p t h er e c y c l eg a sc u r t a i 1 e f f i c i e n tb u r n e r su s e di nt h es i n t e r i n gz o n eh a v ed i s t i n c t i v ee f f e c t so n t h eu n i f o r m i n gt e m p e r a t u r ei nk i l na n do nt h ee n e r g ys a v i n g t h eh i g h - s p e e da i rs p r a y e db y t h eb u r n e r sb r i n go u tas t r o n gs t i r r i n ga n dh e a tc o n v e c t i o n p r e s s u r e b a l a n c es y s t e mi n s t a l l e d o nt h eb o t t o mo ft h ek i l ns t a b i l i z e st h et e m p e r a t u r ec o n d i t i o na n dp r e s s u r ec o n d i t i o n t h e u s i n go fl o w e rh e a t s t o r a g ek i l nc a rh a se f f e c t so ns a v i n ge n e r g y a i r - d u c t ss e t t i n gu pa tt h e b o s o mo fs e t t i n gb r i c k sh a v ep o s i t i v ee f f e c to ni m p ? o v i n gi n t e r n a la i rf l o wa n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n 一 c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mt h ew h o l ed e s i g nt h a tl a r g es e c t i o na r e a ，l o w e rc h a m b e r a n dh i g h - s p e e db u r n i n gs p o u ts h o u l db ea p p l i e dt om o d e mt u n n e lk i l n i ti si n d i s p e n s a b l et o i n s t a l lg a s - r e c y c l i n gs y s t e mi np r e h e a t i n gz o n e , t os e tap r e s s u r e - b a l a n c es y s t e ma it h eb o t t o m o f t h ek i l na n dt ol o w e rt h eh e a ts t o r a g eo f t h ek i l nc a ra sw e l la st os e tu pa na i rd u c t sa tt h e b o s o mo fs e t t i n gb r i c k k e y w o r d s ：t u n n e lk i l nf o rs i l i c ab r i c k sr e s e a r c h d e s i g n t h e m s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名巧陪妥 日期：。舯弓川，艿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或都分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名并鹭凌导师签名：谣呼历 日期：古， 注：请将此页附在论文首页 西安建筑科技大学工程硕士论文 日u 吾 隧道窑作为耐火材料等制品的重要烧成设各，正在被世界各国的耐火材料生产厂 家所广泛使用着，本课题旨在研究新型隧道窑在硅砖制品烧成上的应用，使其更好地 为生产服务。 隧道窑具有许多优点：机械化、自动化程度比较高，劳动强度低，生产能力大， 适用于大规模批量生产，应用范围广。操作环境良好，装卸车均在窑外，常温下进 行，易实现自动装卸，工人劳动强度小。使用寿命较长，建一座质量较好的隧道窑 正常情况下，可以使用十年或十年以上。如郑 n - - 砂的一条隧道窑已使用了二十多年， 窑体状况还基本良好。而倒焰窑几乎每年需大修一次。热效率高。由于利用燃料燃 烧的热量预热砖坯和空气以及具有固定的段带，因此不需消耗用于砌砖加热和蓄热的 热量，从而，使燃料单位消耗降低，以达节能目的。因此对隧道窑进行研究是非常有 意义和有价值的。 硅砖烧成是硅砖生产中最重要的工序。硅砖的物理性能、外形成品率，在很大程 度上决定于硅砖烧成及其烧成的热工制度。国内烧硅砖的隧道窑窑型仍以传统的窄高 为主，这样的窑型存在许多问题，严重影响硅砖的烧成质量，所以有必要研究设计出 新型隧道窑，更好地为硅砖生产服务 本设计研究是以洛耐集团公司2 0 2 5 米硅砖隧道窑为研究对象，结合现代新型隧 道窑的设计特点，重点对隧道窑窑型，内衬材质合理选择，新型燃烧器的选用，影响 烧成温度的因素，减少预热带上下温差，全窑压力平衡等进行研究，设计出国内最先 进的硅砖烧成隧道窑。 西安建筑科技大学上程硕士论文 1 1 隧道窑的发展 1文献综述 在十八世纪中叶第一次有人想建筑，并使用隧道窑，但是直到二十世纪初期， 隧道窑才达到较高的技术水平。才能和其它窑炉相竞争，一百五十年来逐渐克服了建 筑隧道窑的困难，现在它已成为先进的经济适用的烧成设备。 在十九世纪二十年代以前，隧道窑总共还只有几条，砖坯放在有衬垫的金属板上 来烧，以后才把金属板改成窑车，这对隧道窑的建筑来说有一些推动作用，最后又采 用了砂封，这样就使隧道窑成为操作可靠和经济合算的烧成设备。 隧道窑的改进也是从改善燃烧室的装置以及燃烧燃料的方法着手的。起初，隧道 窑燃烧燃料设备是和大家都知道的在间歇窑和轮窑所常用的一样。有些隧道窑和间歇 窑一样，采用人工操作的外设燃烧室。 以后，隧道窑安置侧墙煤气燃烧室。采用了发生炉煤气或天然气以及液体燃料， 在隧道窑内燃烧气体燃料和液体燃料的方法也是逐渐改变着的，最初都是和烧煤的外 设燃烧室一样，后来就开始安设宽大的燃烧室或是砌筑较宽的烧成带以代替燃烧室。 在这方面，技术上最新的成就是让气体燃料在相邻窑车上的砖垛间隔中燃烧。现 在也采用具有1 2 0 1 5 0 个细煤气燃烧器的所谓多燃烧器窑。无疑地，把燃烧器这样分 散开来是会促进窑温均匀上升的。燃烧表面要求很清洁的贵重制品时，采用隔焰式的 隧道窑( 马弗窑) 。在这种窑内，火焰不直接和烧成制品接触，这是一种特殊的窑， 它和火焰直接射到制品表面上的窑( 直射式) 有很大差别，耐火砖厂中用的隧道窑都 属于后一种。 当陶瓷工业，精细陶瓷工业，电瓷和其它工业中已有许多常用的隧道窑的时，制 砖工业才开始大规模建筑隧道窑，近年来，在隧道窑的广泛使用上，制砖工业占据首 位，现在几乎所有新建的制砖工厂都有隧道窑。 隧道窑的主要优点是产量大，燃料消耗低，热效率较高，劳动条件好等，其缺点 是基建投资大，热工制度不易经常调整，钢材用量及附属设备较多等，故多用于产量 大，品种较为单一的制品。 目前，我国耐火材料和陶瓷工业所用隧道窑种类较多。1 ，且大多数是我国自行设 计建造的，已经积累了较为丰富的经验，但在自动控制，节约能源等方面仍有很多工 作要做现应在电子计算机进行辅助设计和窑炉的自动控制等方面着手进行工作。 隧道窑有很多种类型，可咀按不同特征进行分类。 按热源不同，隧道窑区分为燃料隧道窑及电热隧道窑。因为燃料隧道窑是主要的， 按热源a i 同，隧道窑区分为燃料隧道窑及电热隧道窑。因为燃料隧道窑是主要的， 西安建筑科技大学工程硕士论文 所以这里只研究燃料隧道窑。 按工作隧道窑的形状不同，隧道窑区分为直形、环形及门形，直形应用最广。 按用途区分为：烧制卫生陶瓷隧道窑，烧制耐火制品隧道窑以及烧制磨具隧道窑 等。 在燃料隧道窑中，又以窑工作空间是否焰气直接接触区分为：明焰、隔焰及半隔 焰隧道窑，现代燃料隧道窑几乎都是明焰的。 在直形隧道窑中，又按通道多少区分为：单通道及多通道隧道窑。单通道隧道窑 应用最广。 按照烧成温度不同，区分为：低温( 18 5 0 千卡标米3 ) 采用小压差分散烧成的压力制度，( 适用于 天燃气、重油及混合煤气) 。 所n 4 , 压差分散烧成法，是指窑内正，负压绝对值的差数小，烧嘴开启范围分散， 这种烧成方法使窑内温度均匀，产品质量好，并且稳定，成品率高，燃料消耗低。 2 低热值( 酣r 1 8 5 0 千卡标米3 ) ，燃料，采用大压差集中烧成压力制度。 1 3 影响燃烧温度因素 西安建筑科技大学：i ：程硕士论文 随着高温烧成技术的发展“1 ，要求窑炉具有更高的温度，如制品烧成温度为 1 7 0 0 1 9 0 0 ，则火焰温度达到1 8 0 0 2 0 0 04 c ，根据实际燃烧温度公式： f p 爿( 簖+ q ，+ 如) _ 2 0 0 0 0k j m 3 时，热值对量热计温度影响就不大了。 以上事实说明，仅从热值高低来选择高温燃料是不够的，还必须考虑到燃烧产物 组成，比热，特别是燃烧产物量的影响。例如天然气热值虽高，但由于主要成分为甲 烷，一个体积甲烷将产生三倍的燃烧产物，致使其燃烧温度不可能很高。由此可以看 出，即使采用重油、天然气、液化石油气等高热值燃料，如不采用其它措施，也难以 达到更高的燃烧温度。 1 3 2 燃料、助然空气的预热 进行燃料、空气的预热，可以提高燃烧温度。这是由于增加了燃料与空气的显热， 而不引起燃烧产物体积的增加，尤其对于低热值的烧料，提高燃料和空气的预热温度， 效果更为显著，但固体燃料不易预热，液体燃料预热，温度过高会产生热分解，影响 燃料性质，气体燃料预热温度也受到安全条件的限制，不可能预热至太高温度，因此 工程上大多数是采取预热空气的措施来提高燃烧温度，如果能采用窑炉烟气余热来预 热空气不仅可以提高预热温度，而且可以降低排烟温度，节约能源。 曲互：建筑科技人学f ：稃硕十论文 1 3 3 氧气的利用 在燃烧所用空气中加入氧气，提高助燃空气中的氧含量，减少空气中的氮含量， 可以降低燃烧产物量，提高燃烧温度。同时往火焰中加入氧气，可以显著改变火焰的 性能，由于燃烧产物中氮含量减少，三原子气体密度增加，气体辐射能力增强，从而 提高窑炉效率和生产能力。但使用氧气成本较高，设备复杂，因此只有在特殊需要时 才采用。在工程中，富氧空气的含量一般不超过2 8 - 3 0 ，富氧程度过高，燃烧产物容 积降低速度变慢燃烧温度提高速度也不明显。 1 3 4 减少散热损失 加强燃烧室或窑炉的保温，以减少散热，可提高燃烧温度，亦可增加小时燃料燃烧 量，以减少每千克燃烧料的散热损失，但此时应注意传热速度，若传热速度不能相应增 加，则烟气离窑炉温度提高，反而增加了燃烧消耗。 1 3 5 低过剩空气燃烧 为保证燃料完全燃烧，避免化学不完全燃烧热损失，应供给较理论空气量多的空 气量，即在一般情况下空气过剩系数应略大于1 。但从燃烧温度计算公式看出，空气过 剩系数过大，将增加燃烧产物量而降低燃烧温度，因此在保证燃料完全燃烧的前提下， 应采用较低的空气过剩系数。此外，空气过剩系数大，也是造成低温腐蚀的主要原因， 过剩氧热分解产生原子状态氧与烟气中的二氧化硫相作用。在1 5 0 以下与排烟中的 水分合成硫酸，腐蚀金属管道并污染环境，过剩氧存在，烟气中还会产生n o ；造成公 害。因此，在燃料燃烧时应尽量减少过剩空气量，使燃料在接近理论空气量的情况下 燃烧。当采用低过剩空气燃烧时，对燃烧过程的组织提出了更高要求，即要求燃料和 s 旺+ 0 ：= s o 。 ( 卜2 ) 空气混合更加均匀，否则将造成不完全燃烧，反而降低燃烧温度。 1 4 现代高温隧道窑的现状 高温或超高温隧道窑一般是采用侧烧嘴加热的“1 ，其燃料为高发热值的重油或天 然气，空气经过预热，因此热效率较高，一般为3 0 - 3 5 ，最近几年，又发展一种顶烧 式隧道窑，这种隧道窑基建费用低，操作灵活，制品质量好，燃料燃烧完全，空气预 热温度高，热效率可达到6 0 左右。表卜l 为国外高温或超高温隧道窑的性能和使用 情况。 高温或超高温隧道窑窑衬材质的选择一般是根据其各带的使用温度和制品烧成 条件而定，主要品种有碱性砖、电熔砖、硅砖、- 商铝砖、粘土砖和不定形耐火材料等。 为了节约能源，改进窑体的结构形式并采用先进的烧嘴，同时窑衬普遍采用轻质砖、 7 西安建筑科技人学工程硕士论文 轻质耐火浇注料和耐火纤维作隔热层。 表卜l国外高温或超高温隧道窑的性能和使用情况 国名前苏联美国妇奉前两德 l2123123 窑的空间尺寸 长米1 5 65 85 8 _ 。 7 47 48 49 4 5 宽。米 1 5 6 3 22 73 o3 o1 21 2l2 61 o 高，米 3 ，2 o 7 2 5o 80 8 ， 1 2 512 512 5o 9 1 0 8 有效容积米3 3 6 01 3 51 5 0 - 1 1 0l i o1 3 01 7 0 燃料种类 天然气 天然气，重油重油重油 生产制品的 电熔辩镁铬 镁砖镁 名称 镁铬砖砖，方镁石尖寅接结台镁砖直接结合镁铬砖 铬砖 晶石砖 烧成温度。 烧成时间。时 1 7 5 01 8 5 01 7 6 01 8 5 01 9 0 01 7 5 01 8 5 01 9 0 01 7 5 0 年产量，万吨7 85 9 。_ 。_ i o oi o o1 1 31 0 4 单位产量，公斤6 5 4 32 2 2 ，53 6 o 9 i 0 7 o 9 61 8 米5 时 1 3 71 3 51 3 61 9 0 _ 61 1 08 41 2 1 单位燃耗千卡9 0 0 1 2 0 0 1 4 0 02 5l2 50 5o 5 总保温时间小时 6 15 65 44 9 54 43 83 3 实践证明，在正常情况下烧成温度为1 4 0 0 c 左右，从1 3 0 0 。c 至止火的高温时间 应大于6 0 小时，这样制品的合格率才较高，真比重也可达到规定要求。 2 1 5 主要废品产生的原因 烧成硅砖废品产生的主要原因分析如下： 1 ) 砖车盖顶，甚至延伸两侧边垛制品的裂纹。 废品的特征是外观色泽不，敲击声吵哑，有跨棱裂纹和表层下面横断纹，裂纹 处断面颗粒明显不断。制品的这种裂纹，不是在高温阶段产生的而是预热带5 0 0 - - 6 0 0 左右的温度下产生的。 由于盖顶砖装砖放置的情况与其他部位的砖坯不同，其他部位的砖坯均匀平码， 上面与热介质赢接接触，故产生裂纹的面在下面，即与砖坯直接接触面的砖缝空隙的 左右侧，当问题严重时盖顶左右测躺放一行和二行砖也会在砖坯接触干燥铝板面的 薄弱位置产生裂纹。 要减少或防止这种裂纹，必须适当解决预热带砖车卜，下温差和防止大量过剩煤 气流窜到预热带造成的温度升高，因采用还原性火焰( n 1 ) ，燃烧产物的等温曲线不 稳定，只要a 有少许变化，则温度变化很大。由于过剩煤气流窜到预热带的量是变化 的，因此使预热带的温度产生波动，如图实践证明，在5 0 0 6 0 0 c 石英的转化为：b 石英一。一石英。 此阶段即使升温快了也不会导致裂纹，因为体积膨胀值仅为o 8 2 ，而在线膨胀 为o 2 6 6 时品格并没有破坏，两种形态的真比重及内容相差很小，但是，由于有逆反 应，温度上升、下降变化大，则在这一温度阶段就容易产生裂纹。因此，有的工