（热能工程专业论文）景德镇柴窑炉膛结构及其热流体特性的数值模拟研究.pdf

一 一蒌塑丕兰耍主堂焦丝塞 摘要 景德镇柴窑延续几百年，不仅在我国陶瓷烧造史上扮演过重耍的角色，而且对早期欧洲 陶瓷窑炉的发展起到过较大的促进作用。国内外很多专家学者对景德镇柴窑作过较高的评价， 但迄今为止，还没有人应用热工理论一一特别是用数值模拟方法对其内部流场与温度场等进 行过系统研究。 本文综述了国内外对工业窑炉研究的相关文献，建立了窑体外形数学模型，研究了景德 镇柴窑的结构特点；针对其结构特点，建立了柴窑内部流场控制方程；在综合分析与比较各 种湍流模型的基础上，采用r n g 形式的k e 二方程湍流模型；用二阶迎风格式对控制方程 的对流项进行了离散；采用s i m p l i c 算法对柴窑内压力速度场进行耦合；并利用f l u e n t 软件，对建立的控制方程进行了差分离散和迭代求解，得到了柴窑内含旋流的三维模拟速度 场和温度场。最后，应用模拟结果分析了柴窑内旋涡产生及扩散过程、湍流动能和湍流粘性 系数分布及涡团对匣钵柱、窑壁等的换热作用，并进一步研究窑内气体流动及传热过程特点。 关键词：景德镇柴窑，湍流模型，数值模拟。传热特点 a b s t m c t a b s t r a c t t h ej i n g d e z h e nk i l n ，c o n t i n u e daf e wc e n t u r i e s ，h a sn o to n l yb e e ns i g n i f i c a n t s t a t u si nt h eh i s t o r yo fc h i n e s ec e r a m i cp r o d u c i n g ，b u ta l s op r e m o t e dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ee u r o p e a ne a r l yc e r a m i ck i l n ，o fw h i c h ，t h ed o m e s t i ca n do v e r s e ae x p e r t sh a v ea g o o do p i n i o n b u ts of a r ，s y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho n i t sf l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l dw i t h t h eh v d r o m e c h a n i c nt h e o r y ，e s p e c i a l l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i sf e w i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i cm o d e l so ft h es h a p eo ft h ej i n g d e z h e nk i l nh a v e b e e ne s t a b l i s h e dt oe x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i co fi t ss t r u c t u r e t h r o u g ht h em e d i u mo f s i m p l i f l n g t h ek i l n b o d ya n de s t a b l i s h i n g t h e p h y s i c a lm o d e l s ，t h e t i m e a v e r a g e g o v e r n i n ge q u a t i o n s o ft h es t a t i ct h r e e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n ts w i r l i n gf l o w sw e r e b r o u g h tf o r w a r d a n db a s e du p o na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g ，t h er n g k - st u r b u l e n t m o d e lw a sa d o p e dt os i m u l a t et u r b u l e n tf l o w si no r d e rt oi m p r o v ep r e c i s i o na n dt h e s i m p l e cm e t h o dt oc o u p l ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yi nt h es e g r e g a t e ds o l v e r i no r d e rt o n u m e r i c a l l ys i m u l a t i n gt h ei n n e rf l o w so f t h ek i l n t h ec f ds o f t w a r e f l u e n tw a su s e d t od i v i d et h eu n s t r u c t u r e dg r i da n ds o l v et h ee q u a t i o n st h r o u g hi t e r a t i o n su n t i lg e t t i n g t h ed i s c r e t es o l u t i o n t h e na n a l y s i n gt h en u m e r i c a ls i r e u l a t i o nr e s u l t sa n dc o m p a r i n g t ot h er e a ld a t ap r o v e dt h em o d e l a t1 a s t ，b a s e do f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e k i l n sc h a r a c t e r i s t i co ff l o w a g ea n dh e a tt r a n s f e r ，s u c ha st h ec o u r s eo fs w i r lo c c u r i n g a n dd i f f u s i n g ，t h ed i s t r i b u t i o no ft u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dv i s c o s i t yt o e f f i c i e n t ，t h e e f f e c to fh e a tt r a n s f e rb yt h eb o xc o l u m na n dt h ew a l la n da l l ，w a sd i s c u s s e d k e y w o r d ：j i n g d e z h e n w o o d f i r e dk i l n ，t u r b u l e n tm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， h e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 表或撰写过豹研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：趁巫聋 日 期：硅蟛形 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丝丞垒导师签名：丕生堑盈蔓日期；如v 一：。 绪言 0 1 引言 绪言 烧成是陶瓷生产工艺中关键的、也是最重要的一道工序，窑炉等热工设备的设计水平直 接影响烧成质量的好坏和陶瓷产品的质量与成本，是硅酸盐工厂的“心脏”。陶瓷工厂所用的 窑炉，其发展过程是由低级到高级，由产量、质量低、燃料消耗大劳动强度大、烧成温度低、 不能控制气氛发展到产量、质量高、烧成温度高、能控制气氛及机械化与自动化。撮古老的 陶瓷是无窑烧成的，后来发展为烧陶器的穴窑、升焰式圆窑和方窑，烧瓷器的馒头窑、龙窑、 阶级窑和景德镇窑，直至现代的倒焰窑、梭式窑、窑车式隧道窑、推板式隧道窑和辊底式隧 道窑( 即辊道窑) 。 我国瓷器烧成技术有着悠久的历史和良好的传统，早在公元前2 2 0 0 2 0 6 年的陶器时代， 我国的名窑就遍布全国各地。当时各窑的热工制度已有所控制，还原介质的技术了有创新。 南唐五代时期( 公元9 6 01 2 7 1 年) 的时候，各地的瓷窑，星罗棋布，其出类拔萃者有定、 汝、官、哥、弟等五大名窑。到明、清两代，北方诸名窑多已逐渐衰落下来这时南方的景 德镇窑却大放异彩。景德镇自明清以来逐渐成为全国瓷业的中心，当时有洪武窑、永乐窑、 宣德窑、成化窑、正德窑、嘉靖窑、万隆窑等，各窑烧成的瓷器誉满中外，特别是明末清初 景德镇创建的蛋形窑( 又称景德镇柴窑) 烧制出的瓷器具有“薄如纸、白如玉、明如镜、声 如馨”等特色，国内及欧洲各国争相高价相求。景德镇柴窑对欧洲窑炉的发展也有较大的影 响，据日本铃木己代三教授考查，十八世纪英国的纽卡斯特尔窑( n e w c a s t l ek i l n ) 及德国的 卡塞勒窑( k a s s e l e ro f e n ) 均是受景德镇柴窑的影响而设计构筑的“。 由于景德镇柴窑的历史地位，以及它在建筑结构、砌筑技术及装烧工艺等方面的独特和 巧妙，吸引了诸多专家学者的关注，他们曾对其进行过多次考察和研究。 o 2 陶瓷工业窑炉领域的研究与发展综述 中国的陶瓷窑炉热工理论工作者近2 0 年来也为我国窑炉热工技术的进步做出了自己的 贡献。自8 0 年代初就积极投身于引进设备和技术的消化、吸收，以及后来的仿制、创新工作。 他们很快就学会并掌握了计算机技术，接着在原有工作的基础上，同时开展了数学分析研究、 物理模型的试验研究和数学模型的数值模拟研究。在多方面取得了一大批有价值、水平较高 的成果。 近2 0 年来热工理论研究的主要进展有”1 ：1 ) 受限射流的作用；2 ) 中空窑与非中空窑 的研究：3 ) 窑体稳定传热与周期性热过程研究；4 ) 窑炉热工对象的自动控制特性；5 ) 制品 在烧成过程中内部温度场和热应力场：6 ) 窑内辐射传热和综合传热；7 ) 火焰温度场及温度 测量技术；8 ) 窑内气体的流动和对流换热；9 ) 固体燃料气化技术及利用：1 0 ) 燃烧技术与 环保；1 1 ) 管网设计计算与节能；1 2 ) 余热利用等。 窑炉热工理论的研究方法主要有实体模型模拟和数学模型模拟二种方法。实体模型模拟 是以相似理论为指导，在实体模型上进行相似模型，测定各有关参数。然后将模拟的实验结 1 东南大学硕士学位论文 果转换到与生产模型相似的设备上去。实体模型模拟主要包括空气动力模拟、水力模拟和火 焰模型模拟等。而数学模型模拟是通过建立热工过程的数学模型，利用计算机进行数值求解， 并将结果应用计算机进行仿真、优化以指导实际生产过程。数掌学模型模拟主要有计算机仿 真、人工智能技术和模式识别等。 近年来数学模型模拟方法的应用越来越多，但仍有许多热工过程的数学模型还不成熟。 这主要是园为深入的热工基础理论的研究还不充分，以及陶瓷热工过程的复杂性使得建立数 学模型相当困难，同时在无机金属材料领域，这种方法所需要的准确可靠的各种物性数据以 及各种基本参数迄今还是比较欠缺的。和数学模型模拟方法相比，实体模型相似模拟方法具 有很多优点，特别是可以有效地解决数学分析所不能求解的许多问题，而且又高于单纯的实 验方法，可以将实体模型上所得到的结果应用到这一相似过程中去，目前已有不少的陶瓷窑 炉的应用成果是通过这一方法取得的。对于窑内气体流动和对流传热的模拟研究仍主要是在 相似理论的指导下应用物理实体模型通过实验的方式进行，在研究对流换热的过程中常采取 反向热流的实验方法。在无机非金属材料热工工程领域中，实体模型相似模拟方法得到了广 泛的应用，取得了重要的研究成果”。“。 实验室常用的模型分析有冷态物理模型、热模型、高温模型或火焰模型、数学模型和数 值模拟等方法。八十年代以前，主要采用冷态、热态物理模型以空气、水或热风等流体来进 行模拟研究窑内气体的流动及影响因素。1 9 6 5 年杨永钊在国内首次采用水力模型研究隧道窑 烧成带，认为烧成带砖垛间各通道流速分布呈“w ”型，空气过剩系数呈“v ”型：尹虹和 胡国林利用空气动力模型研究了隧道窑对流传热，提出了烧嘴合理布置形式和对流传热准数 方程”1 ；1 9 7 9 年日本的寺田清等利用热态模型研究了窑内温度分布的影响因素，并提出窑内 流体流动状态进入第二白模区的临界值“1 。程小苏、李德辉用火焰模型研究了窑内温度动态 特性和影响因素并指出温度的线性化范围”。进行窑炉火焰模型试验研究的主要困扰是炉 内工况复杂、高温测量手段有限且数据的重现性较差，曾令可等人引入红外热像仪等先进的 热物理测试技术克服这一难题，使测量数据更加迅速、准确和直观，并利用计算图形学进行 了窑炉仿真和数值模拟”。 随着电子计算机技术的发展，给数学模型和数值模拟方法定量研究复杂的窑内流动和传 热过程提供了有力条件。八十年代以后，研究人员开始通过建立相应的数学模型并借助计算 机和f l u e n t 或f i d a p 等专业计算软件来定量求解或进行工况的数值模拟。 1 9 6 5 年，美国科学家h a t o w w e l c h 就提出了交错网格的思想。从而促使了求解 n a v i e r s t o k e s 方程的原始变量法的发展。1 9 6 6 年，g e n t r y ，m a r t i n 及d a l y 三人，各自撰文介 绍了迎风格式的应用。1 9 7 2 年，s i m p l e 算法被提出，其主要思想是保证流场迭代计算收敛 的一个十分重要的原则，到8 0 年代初，又相继提出改进的了s i m p l e r 和s i m p l e c 等方法。 l e o n a r d 在1 9 7 9 年发表了著名的q u i c k 格式，这是一个具有三阶精度的对流项离散格式， 其稳定性优于中心差分“。这些成果使得数值模拟方法逐渐被广泛应用于湍流流场的研究。 对景德镇柴窑的研究相对较其它陶瓷窑炉较为落后，理论研究开始较晚。1 9 5 4 年，景德 镇陶瓷委员会在中国科学院上海冶金所和轻工部上海工业实验所的协助下，由李国桢高级二r = 程师和张风歧所长主持，对景德镇柴窑构造及装烧技术作了首次技术总结。1 9 5 5 年日本铃木 己代三教授在其专著窑炉、1 9 6 3 年刘秉诚工程师在其专著中国的瓷器中均对景德镇 柴窑的热工特性及构造作了相应的评价。1 9 5 6 年江西省陶瓷研究所发表的平焰柴窑的工艺 2 绪言 分析与热工研究对景德镇柴窑作了较为系统的热工测试工作，得出较有价值的实验数据。 1 9 7 7 年，华南工学院刘振群教授对景德镇建国瓷厂现存的景德镇柴窑作了考察，在其有关的 论著中也肯定了景德镇柴窑在我国陶瓷史上的重要地位，指出了它在窑炉技术史上的特殊贡 献。】9 8 4 年，景德镇陶瓷学院刘帧、郑乃章等人补充修订了历次镇窑构造描述上的漏误，较 系统地研究了景德镇柴窑建筑结构与砌筑技术的特点，认为景德镇柴窑结构外形总体为超椭 圆结构，并给出了砌筑放线的方法，但其对景德镇柴窑外形为何采用此结构及其该结构的深 层次理论未能作进一步的探索“。1 9 9 9 年，吴海山进一步对镇窑结构、烧柴熟工工艺、煤 柴合烧及镇窑烧煤气等进行了调查研究“。但这些研究均未涉及数学模型与数值研究研究方 法，没有研究柴窑内部流场与温度场，更没有从热工理论上系统地去探讨柴窑内部结构的科 学性和合理性。 综观陶瓷窑炉热工理论的发展过程，其每一步的进展无不饱含对先进科学技术的吸收和 广大窑炉热工工作者的奋斗和创新。因此，对景德镇柴窑等古陶瓷传统窑炉的先进之处进行 发掘性的研究，并应用到现代窑炉设计中，应能促进提高我国陶瓷窑炉的水平。 o - 3 本文的研究背景与研究思路 闻名遐迩的景德镇柴窑，在世界陶瓷窑炉发展史中占据十分蘑要的地位，其建筑结构、 砌筑技术独特而巧妙，成功地克服了当时没有高级耐火材料而建造出1 3 5 0 以上的高温窑 炉，烧制出举世闻名的景德镇瓷及许多名贵的颜色釉。景德镇柴窑延续几百年，不仅在我国 陶瓷烧造史上扮演过重要的角色，而且对早期欧洲陶瓷窑炉的发展亦起到了较大的促进作用。 为此，国内外很多专家学者对景德镇柴窑作过较高的评价，但迄今还没有人应用热工理论对 其进行过系统研究，特别是在用数值模拟方法对柴窑内部流场与温度场进行系统的研究方面。 本文旨在应用计算流体力学知识，阐明柴窑结构的科学性，并用数值模拟方法对景德镇 柴窑内部流场与温度场进行较为系统的研究，以期为景德镇柴窑及其他窑炉的研究及数值模 拟提供一定的参考。 本文在较全面的分析国内外对工业窑炉研究的相关文献基础上，应用流体力学及数值计 算方法，分析柴窑内部流场与温度场，并对适应的数值离散格式、湍流模型、求解压力速度 耦台的算法及对流项的离散格式作系统的研究，具体内容为：建立景德镇柴窑的窑体砌筑数 学模型，针对景德镇柴窑结构特点，建立柴窑内部流场控制方程：在综合分析与比较各种湍 流模型的基础上，采用r n g 形式的k e 二方程湍流模型；用二阶迎风格式对控制的对流项 进行离散；采用s i m p l i c 算法对柴窑内压力速度场进行耦合；利用大型计算流体软件 f l u e n t 和控制容积法对建立的控制方程进行差分离散和迭代求解；将模拟结果与实测值进 行分析比较与验证，最终得到柴窑内含旋流的三维模拟速度场和温度场。最后，应用模拟结 果分析了柴窑内旋涡产生及扩散过程、湍流动能和湍流粘性系数分布及涡团对匣钵柱、窑壁 等的换热作用，并进一步研究窑内气体流动及传热过程特点。 0 4 本文内容安排 本文主要工作是建立柴窑火焰外形数学模型及内部流场数学模型，并通过数值模拟研究 柴窑内流动与传热过程特点。本文的编排如下： 3 东南大学硕士学位论文 第一章结合个人理解，综合了部分参考资料，简要介绍了景德镇柴窑的结构、砌筑特点 及其装烧工艺，并就其燃料消耗量与炉栅热强度与其它窑炉作了简要的分析比较。 第二章建立了景德镇柴窑火焰外形数学模型，对该窑的放线、砌筑与设计方法进行了理 论研究。 第三章从柴窑内部流场的基本控制方程入手，在分析比较的基础上，采用r n g k 一湍流 模型，模拟柴窑内部气流的湍流流动，建立了柴窑内部流场的数学物理模型。 第四章主要讨论和阐述了控制方程的数值离散格式、压力速度耦台解法及流场与温度场 的解的算法等数值计算方法，并利用f l u e n t 软件进行控制方程的求解和对比验证。 第五章利用数值模拟结果进行景德镇柴窑对流与传热分析。 4 羔主_ 昱一墨堡堕苤窒壁塑壁基茎缝三苎鳖盛 第一章 景德镇柴窑结构及其装烧工艺特点 景德镇柴窑是景德镇瓷区特有的传统窑炉型式，故又称景德镇窑或镇窑，其形如半个鸭 蛋俯复，亦称蛋形窑；其以松柴为燃料，火焰流动形式为平焰，景德镇则习称柴窑。 1 - 1 景德镇柴窑结构及其特点 1 1 1 景德镇柴窑结构 据刘新园、刘帧、郑乃章等人研究”。“1 ，认为镇窑是从龙窑经葫芦窑逐渐演进而来，其 规格尺寸经历了一个由大到小、继而由小到大，最后由大趋中的演变定型过程。1 9 5 6 年江西 省陶瓷工业公司制订的镇窑砌筑规程对景德镇柴窑的砌筑作了较详细的规定，现存柴窑均按 此标准建造，又称标准柴窑。按热工功能不同，景德镇柴窑内空间由前向后可分为以下八个 部分： 1 ) 窑门，为姨卸制品的出入口，封闭后作为投柴口； 2 ) 窑头区，为燃料燃烧区： 3 ) 大肚区，为精细瓷与高温颜色釉装烧区，烧成温度为1 3 0 0 1 3 2 0 ； 4 ) 小肚区，为普通细瓷装烧区，烧成温度为1 2 6 0 1 3 0 0 ； 5 ) 低温区，俗称“响里”区，为普通瓷或低温釉瓷装烧区，烧成温度为1 1 7 0 1 2 6 0 c ； 6 ) 挂窑口，即窑室与烟囱之界口控制火焰流向与烟囱抽力； 7 ) 余堂，为烟囱底部的空间，是土匣或粗瓷装烧区，烧成温度1 13 0 1 1 7 0 ： 8 ) 观音堂，即窑背端穹窿所构成的佛龛式空间，用于装烧窑砖。 景德镇柴窑的前端正中设有一窑门，高约3 m ，宽约o 6 o 7 m 。窑门内设又一长方形火 坑，较窑底约低1 m 左右，长1 2 1 3 m ，宽约0 7 o 8 m ，坑前端较后端略深且宽，烧窑时， 在火坑上用小型匣钵临时搭设活动火床，起炉栅的作用。 窑身全长约1 6 1 8 m ，窑底前端较后端略低，其倾斜度约1 3 3 。窑室前端较高，最 高处与最宽处距窑门3 4 m ，向后端渐狭渐低，至挂窑口处高约2 3 2 5 m ，宽约2 3 2 7 m 。 窑底宽度一般均大于其窑身，但在距窑前端约4 m 左右的地方，窑身宽度等于工略大于 窑底。在距离顶蓬的最高处之后约1 2 m 间的夹墙面。构筑成与别处略为扩大的形式，常称 该处为“大肚区”。 距“大肚”约退后7 m 左右的侧墙壁间，构筑成与“大肚”形状相似的、略扩大的腹部， 长度约1 m 左右，墙壁弧度突然加大( 即窑底宽度变化很大) ，此处称为“小肚区”，装窑时 常以此处作为大器与小器匣钵的分界线。 在窑与烟囱的交界处为“挂窑口”，这里是控制吸火孔大小，调节抽力的关键性区域， 紧接着沿烟囱底部为一通道，“挂窑1 2 1 ”至“小肚”的一段窑称之为“响里”，小肚以前一段 称为“窠盅”，故实际上窑身各处的纵断面均可构成一个半椭圆形，各处弧度略有差异。 景德镇柴窑烟囱的高度通常等于其窑长( 白挂窑口背算起) ，一般在1 6 5 1 7 5 m 左右。 烟囱口上下的横段面形似鸭蛋，其上口横段面积为1 7 5 2 m 2 ；烟囱顶部呈钢笔尖形，尖头 5 东南大学硕士学位论文 指向窑前，烟囱壁厚约0 0 8 0 0 8 5 m 左右，因此常称之为“薄壁”烟囱。 景德镇柴窑窑身的周围有护墙，宽约2 m 多，高约3 m 多，比后墙窑蓬顶低约3 0 4 0 c m ， 在烟囱部位处，则比“观音堂”顶高约o 6 o 7 m ，前端较窑蓬项低约1 1 2 m ，而且在护墙 与窑身及烟囱围墙间均留有o 2 o 3 m 的间隙，不过在前述扶墙以下的间隙全是用砂土填实， 而扶墙以上到护墙面的一段间隙却加宽，并在其中每隔o 4 0 6 m 叠积o 4 o 6 m 的耐火砖 到护墙面，耐火砖的码放是花格子式的，以便于自动伸缩，这种间隙实际上是绝热空气隔热 层，可起较好的保温作用。 景德镇柴窑结构见图1 - 1 。 加强压蓬砖垛：2 一压蓬砖垛：3 一护培门拱 4 一活动支捧：5 一窑门端：6 一灰坑；7 一通风孔 8 一拱耳斜度：9 一顶蓬；1 0 - - 脚蓬 1 l 一侧墙；1 2 - - 耐火颗粒垫层：1 3 一窑底扳 图1 i景德镇柴窑结构示意图 6 第一章景德镇柴窑结构及其装烧工艺特点 全窑留有直径o 15 o 1 8 m 的发火孔、左望火孔、右望火孔、分析孔、冷窑孔及测温孔 等共约7 个。其中个在窑的前端距火床( 即炉栅) o 3 0 4 m 处的蓬顶中心上，又称为t r 发 火孔”：另一个设在距烟囱o 6 0 7 m 处的蓬顶中心，称为“分析孔”；其他五个分设在窑蓬 左右和中心，作测温孔和观察孔。 总之，景德镇柴窑内气体流动总体趋势为水平流动即为平焰大室式窑，其容积最大约 2 5 0 m 3 ，普通的为2 0 0 m 3 ，中型的为1 6 0 1 8 0 m 3 之间。据统计，1 8 0 m 3 的平焰柴窑，每窑可 装烧1 1 ，5 万公斤狰瓷( 日用瓷) ，全年约烧8 0 次左右，年产量约8 0 1 2 0 万公斤狰瓷，其 中精细瓷占5 0 6 0 ，普通细瓷占2 5 3 0 ，粗瓷占1 0 1 5 。 1 1 2 景德镇柴窑结构特点 景德镇柴窑结构简单，建窑成本低，速度快，质量相对较好。对景德镇柴窑目前已形成 其识的是： 1 、景德镇柴窑的结构是用松柴作燃料的最好形式。原因是镇窑大而长，它与松柴火焰 长相适应，能够充分利用燃料特性。 2 、景德镇柴窑的结构虽然简单，但在原理上具有现代窑炉的许多特点。 ( 1 ) 窑炉底具有较大的坡度( 约3 。) ，可以相对的加强烟气的流动。 ( 2 ) 具有绝热的设计特点，可以减少热量消耗。 ( 3 ) 烧成工艺是采用还原介质，对于同种组成的坯釉可以降低烧成的终结温度而不影 响瓷化的程度。 ( 4 ) 还原气氛烧成，特别适合景德镇陶瓷传统的坯、釉组成，这是景瓷具有独特风格 一一青自如玉的必要和重要操作制度。 ( 5 ) 窑的快速烧成，快速冷却，在现代工业生产中是一条先进的经验。 当然，柴窑的主要缺点是全窑温差较大；其次，操作凭经验，不利于景德镇柴窑的推广 使用；其三，以松柴为燃料，毁坏森林，对生态及环境不利。因此，景德镇柴窑保存下来的 很少经常被使用的则更少。 1 2 景德镇柴窑砌筑材料及方法 1 。2 。1 砌筑材料 景德镇柴窑的建筑材料极为简单，主要用观音堂所烧之窑砖( 即粘土砖) 、老鸦滩黄土， 青砖和紫石英砂等材料砌筑而成。 砌窑用窑砖均为普通直型砖，全窑除观音堂及门拱上部的青石板外无异型砖。通常规 整的正烧砖用于砌筑窑体，生烧砖可用作压蓬砖垛与支撑砖，半截砖常用于砌筑烟囱，碎砖 及变形砖则用作侧墙外空及护墙内空的填充。景德镇柴窑砌筑用窑砖的化学成分和物理性能 如表1 1 、1 2 所示”“： 表1 - 1 窑砖化学成分表( ) l s i o ： a 1 2 0 f e 2 0 3t i 0 2 c a o m g o ( k ) n a 2 0 6 9 2 8 17 8 36 8 50 7 60 4 4 l8 82 ，9 6 7 一查查盔堂堡主堂垡鲨塞 表1 - 2 窑砖物理性能表 l 抗压强度抗折强度 真比重体积比重 气孔率透气率 l( m p a )( m p a ) ( 蚝m 5 ) ( k g m 。) ( ) ( k g m 3s ) l 1 0 92 3 2 6 5 01 9 5 3 92 70 9 03 5 从以上数据看，窑砖是一种近似半酸性的耐火材料，它的耐压、抗弯强度接近一般粘土 砖，透气性又较低，耐火度约在1 3 0 0 左右。为避免窑砖因高温软化，在窑内表面用耐火土 涂布。 老鸦滩黄土是做砌筑泥浆用的一种粘土，它由极细腻、高分散性的颗粒组成，粘性良好， 但其耐火度较低( 约1 2 5 0 1 2 7 0 ) ，景德镇柴窑所以利用这种黄土的原因，主要是其粘性 好，颗粒细嫩可做半流动浆，砌筑结构较精细。老鸦滩黄土的化学组成见表i 3 10 表i - 3 黄土的化学成分( ) s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3t i 0 2c a o m g o( k ) n a 2 0 6 8 3 32 2 0 33 8 60 9 70 7 8i 4 026 4 紫石英砂( 俗称老土子) ，镇窑用这种材料平铺于窑底部，厚约o 2 o 3 m ，装窑时将底 下一只匣钵埋一半于老土子中，其余匣钵重叠其上，以使整个匣钵柱稳定。 一座容积2 0 0 m 3 的柴窑，全部建筑时间约1 0 个工作日左右，共需窑砖3 万块，青砖1 0 万块，砂泥2 万公斤。石英砂1 5 万公斤，8 号铁丝1 0 2 0 公斤，扁铁1 0 0 公斤( 最后两项 可有可无) 。砌筑材料规格及数量详见表1 4 “。 表1 - 4 景德镇柴窑砌筑材料表 序号名称规格用途数量 备注 1窑砖 口o 吨3 回唧嵋5 ) o 3 h m砌筑窑体及护墙1 3 5 万块 2黄七泥浆含水量3 2 3 8 砌筑窑体约6 m 3 半流动泥浆 3石灰砂浆 普通建筑用砌筑护墙约1 2 m 3 4高岭土淘渣晒干 铺垫顶蓬2 吨亦可用干砂土 5老土子粒径2 5 r a m窑底垫层1 5 m 3 亦可用石英砂 6圆杂术叫1 州卿删哪埋于窑头两侧护墙内6 8 根 7青石板大于1 5 0 0 x3 0 0 2 0 0用于观音堂及门拱上部 1 2 2 砌筑方法 景德镇柴窑窑房的平面布置如图1 - 2 所示。砌窑时先划灰线。然后开挖基础，再建护墙 和窑顶蓬，窑蓬完工后再砌烟囱。砌筑时应注意，所用泥浆的调配比为1 立方米料加5 0 0 公 斤水。护墙在建筑时为了整体的坚固性，常在护墙中安装几根长约2 4 米的木材以增加相互 拉力，俗称“土钢筋”，护墙面用花岗岩板铺一层，以利坚实。烟囱建好后应立即装烧，烧一 到二窑次后，烟囱便己坚固耐用。 图】2 景德镇柴窑窑房平面布置图 1 3 景德镇柴窑装烧及其热工工艺 1 3 1 装窑及点火前的准备 景德镇柴窑建造时没有图纸，凭“挛窑店”( 窑炉公司) 工人施工经验，靠把丈长的 木尺放线定位，不测标高，也不吊中心线，卷窑蓬不用模板，凭筑炉工人的眼法和手法，从 前到后一次性将窑蓬建好，正是这种特殊筑炉方法，使每个窑各部位尺寸均不一样，窑积大 小各不相等，加上建烟囱又是各个窑的烧窑工人，因此，导致景德镇柴窑有“一窑一性”之 说，即窑炉没有确切的热工尺寸。无疑这给装窑、烧窑都带来一定的技术难度。 1 、装窑 所谓“一满、二烧、三歇火”，讲的就是装窑的重要性。一座长达1 8 m ，容积1 7 0 m 3 的 大柴窑，没有任何闸板调节手段，专靠匣钵柱的松紧来控制火焰和烟气流速，确实是一种较 为复杂的技术，所以装好窑是烧好窑的基础。 全窑共装4 0 4 2 路，( 不包括余堂) ，其中大器匣钵( 函0 1 8 o 2 6 m ) 2 0 2 1 路，小器 匣钵( 士0 3 4 o 3 8 m ) 1 9 2 0 路。品种不同，大小器匣钵的路数，可以互相调整。匣钵柱 距离窑拱一般不低于0 0 5 0 0 8 m ，匣钵之间、匣钵柱与窑墙之间因匣屑糊黄泥塞紧，使全 窑匣钵柱与窑体联为一体，高温时不易倒塌，另一方面所塞匣屑的块数、方向又可控制烟气 流动方向和烟气层的厚度，是调节窑内局部阻力的一种手段，可以辅助调节窑内温度分布。 景德镇柴窑的装窑密度( 坯体) 为5 6 8 9 k g m 3 ，日用瓷共1 1 5 万公斤，其中精细瓷5 0 6 0 ，普通细瓷2 5 3 0 ，粗瓷1 0 1 5 。 装窑时，应先从“观音堂”装起，依次往前装完余堂后打挂窑，再装低温区、小肚区和 大肚区。观音堂不装瓷坯而装窑砖，每窑装砖坯5 0 0 6 0 0 块，烧一年( 约8 0 窑次) 窑砖数 量刚好又可建一座新窑。余堂一股装七路大器匣钵( 内装粗瓷) ，匣钵高度在5 6 6 2 只匣钵 之间。匣钵柱高度和匣钵柱之间的松紧，是调节烟囱抽力的重要手段。 9 一一一 查亘丕堂雯主堂垡鲨皇 2 、打挂窑 挂窑1 2 1 高2 2 2 5 m ，宽2 3 2 7 m ，是窑连通烟囱的一个1 2 1 子，恰似道闸板，控制全 窑烟气流量和压力，它能掌握烟气流动方向和流速。所谓打挂窑( 吸火孔) 就是用八柱大器 匣钵( 每柱之间间隙约o 0 8 m ) 将口子封住，然后根据每座窑的“特性”用匣屑糊黄泥将挂 窑口上端塞紧并封闭，下端从窑底开始) 留有七个宽o 0 8 m 高o ，2 4 m 的疑方形吸火孔，两 边靠窑墙的气流间隙，高处略低于中间。吸火孔面积一般在o 1 6 o ，2 2 m 2 左右，面积大小及 吸火孔均匀度常根据一年四季的气候变化和上一窑的烧成结果进行调整。 打完挂窑口，即可装窑膛，为调整全窑上下、前后、左右的局部阻力，增加火焰停留时 间和烟气的厚度，强化对流与辐射换热，在窑的前、后半部对两路匣钵进行“错拉”，并用匣 属调整钵柱的松紧，如图1 3 所示，以产生涡流，并使全窑火焰均匀和充满整个窑体空间， 以达到均匀窑温的目的。 图1 3 景德镇柴窑装法示意图 3 、搭炉栅 柴窑装好后，在火坑( 1 2 o 8 m ) 上面，一般用o o 1 9 m 的大器匣钵搭设活动炉栅，如 下图1 4 所示。 匣钵柱形成横直支架构成若干支撑松柴的十字架和通风方格，由于火坑表面长度约为宽 度的三分之二，须在宽度的一方，用三个重叠的匣钵柱，直架于火坑表面，空出四行大空格， 同时在第一空格的对角线上斜装一块耐火砖，俗称“骑子”，接着在靠窑内第一横列的四人空 格和靠窑门第二横列的四个空格内平铺耐火砖，而两边空格内则竖立耐火砖。平铺的耐火砖 在窑温达到一定水平时要钩掉，以增大通风面积，强化通风，以增大高温时的升温速度。搭 设炉栅时，在匣钵和耐火砖的搭接处，都用匣屑塞紧、垫平，并用黄泥糊严，最后撒上一层 耐火度高、收缩小的谷糠灰。 活动炉栅的面积约为o 9 o 9 5 m 2 ，有效通风面积约为0 1 8 m 2 ，钩掉“骑子”后炉栅面 积可达o 2 8 m 2 。 l o 一j ! 二兰 墨堡焦墨鳖堕塑墨基茎堡三茎整盛 工三 砸兰皿i 1= 三 三 三 =三 = = e e 制腼 一l 山墨 l l l 墨 i ： 砸士皿i i 三 三 卜r 昏i 蛐 图1 4 活动炉栅 4 、铺炉 搭好炉栅后，在封窑门前，先在炉栅上按一定要求铺好松柴，即铺炉。由于松柴的燃烧 特性，必须人为地在炉栅上面用松柴堆成中空，而且中间突出向窑内，高约1 3 m 恰似半圆 形围墙的柴堆。这种铺炉方式是在炉栅上面有意用松柴筑成一个煤气发生炉。而且这座“煤 气发生炉”从点火到第二次清火止，始终保持这个形状。在整个焙烧过程中，形成的半煤气 与从窑门吸进的空气混合后燃烧，让火焰从前面烧到后面，有效地利用余热。 5 、封窑门 窑门高3 m ，宽0 6 o 7 m ，厚0 0 8 o ，0 8 5 m ，在窑门上从下到上设置了火坑、发火孔、 投柴口、测温孔( 又称“窑眼”) 等a 低于窑底约1r l l 的火坑是进入二次空气和清除炭渣的通道，同时也是窑门的支撑点。火 坑上的过桥是预制好的相距0 6 0 7 m 的弓形铁板，高约0 1 2 m ，倒嵌于炉栅前的窑门下部， 铁板背面砌以窑砖，以防烧坏。 当窑门砌到o 3 6 m 商时，再用弓弦两卿相距o 5 5 m 、弓背高o 2 5 m 的弓形铁板仰嵌于砌 好的砖层上，铺一层砖后，再在上面砌成每边长o 2 3 m 的五边形孔，即“发火孔”。该孔除 点火、除渣外，其它时间均封闭。 投柴口在窑门正中，距离炉栅高约1 3 m 处用窑砖砌成一个梯形口，其面积约为o 0 6 7 2 m 2 。 测温孔在投柴品上面，距离炉栅高约2 5 m 处，在窑门正中两侧对称装了两支钵底朝内 1 1 一一壅堕杰堂堡主堂焦笙皇 钵面与窑门平的火器匣钵，恰似一双眼睛，故以称“窑跟”。在整个焙烧过程中，根据匣钵亮 度来推测、判断窑前上部温度。 窑门砌好后，还必须在外墙面上，从上到下糊一层黄泥浆，防止冷风从砖缝处漏入窑内 而降低窑内温度。 1 3 2 烧成熟工工艺 一般认为，松柴燃烧属多级燃烧“，整个过程可分为三级。初级是半煤气燃烧，中级是 弱还原烧成，第三级是完全燃烧，在这三级的燃烧中其过剩空气系数皆控制在o 7 o 8 与 o 9 1 0 5 ，最适宜于精细瓷的烧成。 景德镇柴窑烧成瓷器与其它窑炉一样，分为氧化、还原、成瓷三个阶段。 装窑工作完毕后即可点火烧窑，点火一般在晚上进行，景德镇柴窑的烧成方法分为缓火、 热火、速火三个阶段。景德镇柴窑的缓火期与其它窑型的烘烧期有点相似，但温度上升却较 迅速，2 小时内窑头温度可达5 0 0 7 0 0 。c 。缓火期末烟囱冒出形似狮子颈的黑烟，以后渐次 发生热火作用，烟囱所冒之烟慢慢转淡到速火期完全变为灰白色的热气流，而无多余炭粒损 失。但实际上景德镇柴窑也很难机械的划分为几个区域故窑厂工人也有将烧成过程分为烧 火前半夜，烧火后半夜的界线，为便于叙述起见，现按后一分法先阐述其烧成工艺。 1 、烧火前半夜 在封窑门以前在火床的左右前后预先用松柴堆成厚约o 9 1 m 的中空半圆环形围墙，另 外篾箕、干柴块置于火床上，待窑门封好即行点火。点火后，每次以3 8 块干柴投置于火床 上，约1 2 小时后，待窑前部1 、2 、3 排匣钵柱烧红( 约6 0 0 x 2 ) 至看清匣钵柱及蓬顶后， 开始掩门烧( 即每次投柴后将干柴塞满投薪口，使冷风不易过多进入窑内) ，待第二次投柴时， 再用新柴将封口处的松柴推送入炉。与其它窑型所不同的是，在前半夜烧成及后半夜前期烧 成过程中，每次投柴都投在景德镇柴窑在点火前预先堆好的半圆环形松柴围墙内，直到烧火 后半夜即速火期第一次清炭渣为止该半圆环形围墙基本维持原形。在烧火旺盛期投柴过多 时，有些松柴会跳出墙外，而高约l m 的松柴围墙，一时也不会烧尽，即使化作木炭也可基 本维持原形。总之，炉中松柴量经常维持在与投薪口水平，厚约1 2 1 5 m ，由于松柴较厚， 炉栅上会出现不完全燃烧和干馏情况，因此会产生大量木煤气( 如c o 、c h - 等可燃气体) ， 使燃烧的火焰则愈来愈浓、长，并使全窑均匀升温。 关于投柴的间隙时间、投柴方向及数量的确定，是烧成过程中应特别注意的问题。点火 时由一人投柴即可，投柴间隔时间较长，分量也少，以后遂次投勤，增加分量，但无绝对标 准。人员的增加情况为：初烧1 人，此后2 人，最后4 人投烧。前半夜一直烧到烟囱有大火， 窑头瓷器已基本定性则可转交后半夜人员接烧。投柴的方向和分量，主要是通过观察窑内的 火焰情况，左右中间皆要投到，但有时一边过少则适当补救分量，依燃烧情况而定，化炭快 则勤加多加，化炭慢则缓加少加，并无机械规定。 2 、烧火后半夜 系在余堂红匣钵三分之一左右开始，这一段的目的就是要烧熟后部及下部瓷器，达到最 终温度要求，为此，本段烧法是增加投柴量，增加木煤气的大量产生，增加次空气和二次 空气的输送量，此时次空气与二次空气之比约4 ：6 。在烧成工艺上，是采用开口投柴法， 1 2 复= 生墨垫焦墨塞笙塑垦基蕉缝王苎鳖盛 并使松柴层厚度增加，缩短停歇时间。为了烧热下部，可清除炭渣，并改烧湿柴，以使下部 温度升高，当下部达到烧成温度后立刻熄火，并快速冷却。 1 4 燃料消耗及炉栅强度 景德镇柴窑燃料( 松柴) 消耗为2 2 。4 k g ，蚝瓷，松柴的热值约为l o 5 1 6 8 m j k 2 ，即 每公斤瓷能耗约为2 1 2 6 m j 。其燃料消耗与早期窑型相比，相对较少。以日用瓷为例，烧 成温度为1 2 8 0 1 3 0 0 时，阶级窑的单位产品燃料消耗为3 5 4 k g k g 瓷，即能耗为3 6 8 4 2 m j k g 瓷：煤烧倒焰窑的能耗为7 5 】o o m j k g 瓷，烧烧隧道窑的能耗则为1 6 t 8 2 5 2 m j k g 瓷。当然，由于燃烧制度和最终烧成温度不同，数据可能有些出入。某景德镇柴窑单位时间 耗柴量( 燃料消耗量) 如图1 5 所示： 入 一 一 i 。 厂 l234567891 01 11 21 31 41 51 6 1 7 1 81 92 02 12 2 烧成时间( h ) 图l ，5 景德镇柴窑单位时间耗柴量曲线 从图中可以看出景德镇柴窑每小时最大与最小耗柴量情况与上述数字接近，其在单位时 间内单位面积上炉栅的燃烧重量强度平均约为1 1 6 0 k g ( m _ h ) 、即燃烧热强度2 9 m j ( m 2 h ) ， 最大可达1 5 0 0 k g ( m 2 h ) 、即燃烧热强度为3 7 5 m i ( m h ) 左右。这与自然通风的煤烧倒焰 窑炉栅重量强度最大6 0 8 0 k g ( m 2 h ) 相比差异很大，即使与强制通风燃烧烟煤的倒焰窑的 最大炉栅重量强度8 0 2 0 0 k g ( m 2 h ) 相比也大得多。一般烧木柴的其他陶瓷窑，其炉栅重量 强度最大的也只有3 0 0 5 0 0 k g ( m 2 h ) ，可见其设计与操作在当时已相当先进。表1 5 为三 种陶瓷窑炉每一个平方米的炉栅面积供热能力对比。 表1 - $ 几种窑炉的供热能力比较 每m 2 炉栅面积应负 名称炉栅面积( m 2 )窑室几何容积( m 3 ) 之窑室容积( m 3 ) 倒焰窑 1 61 0 0 1 2 03 0 3 0 阶级窑4 5 6 16 0 2 0 03 6 4 0 景德镇柴窑 0 9 0 9 51 8 0 2 0 01 9 0 2 0 0 渤蜘姗咖枷o 里)唰酥耀 第二章景德镇柴窑外形数学模型 2 1 柴窑内气流速度分布 火焰外形界面主要由火焰传播速度和气流速度决定，其中任何个速度变化都会影响火 焰界面状态。要建立火焰界面数学模型，首先必须建立火焰正常传播速度和气流速度数学模 型。 景德镇柴窑内气体流动的最根本原因是烟囱抽力，因窑内气体为连续介质，气体从排烟 口抽出，必然存在气流速度等于抽出速度的核心区域核心长度为过渡断面到排烟口的距离， 在过渡断面上有 = ( 2 1 ) 窑内各点由于湿度、排烟等原因，其间存在着气体压力差值。为了研究需要，假设截面 上任意点的压强相等。如上图2 1 所示，在主段中取任意断面n n 和摊烟口断面o 一0 作为 控制体，对于断面n n ，由于作用在各个面上的压强相等