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康凤萍梭式窑设计说明书

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2020年4月19日
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12m3烧成氧化铝梭式窑设计计算说明书
专业班级：材料0804班
姓名学号：康凤萍 34号
指导老师：张颖
摘要
梭式窑是从传统的倒焰窑演变而来的，故而属于“间歇式”或“半连续式”窑型。由于梭式窑对所生产制品的适应性较强，能够非常方便的改变其烧成曲线等，在烧制小批量、高质量、高科技、高附加值的陶瓷产品以及实验室规模或试验规模陶瓷新产品的小试、中试等方面仍有一定的优势。本次设计的12m3烧成氧化铝陶瓷梭式窑，最高烧成温度为1750℃，内高1.1米，内宽2.204米，采用60度的拱中心角，窑体总长度为。4.2米。窑墙由三种耐火材料组成，从内到外分别为刚玉砖，泡沫氧化铝砖，红砖，厚度分别为348mm、232mm、348 mm。窑顶从内到外分别为刚玉砖、泡沫氧化铝砖、高炉渣，厚度分别为348mm、232mm、51mm。选用2个长为2.1米的窑车，设置2对先进的高速调温烧嘴，高速调温烧嘴布置在半窑车位处，在窑的高度方向上，高速烧嘴往往是设置在梭式窑的偏上部，这样的布置有利于窑内气体形成强烈的循环，窑门在窑体的一端设置，窑车在一端进，也在同一端出。
关键词：梭式窑 窑墙 窑顶 烧嘴 燃烧
设计要求：
1 每窑要求生产成品：5—150吨/窑
2 成品率：95%
3 装窑密度：1.2吨/立方米
4 窑容积系数：0.9
5 最高烧成温度：1750℃
6 燃烧的种类：重油
7 空气过剩系数：α=1.1
8 燃烧消耗量：160Kg／h
9 当地气象条件：夏季平均温度27°c，年平均大气压力96000Pa

目录
1窑体结构及主要尺寸的设计计算 3
1.1梭式窑内高的确定 3
1.2梭式窑内宽的确定 3
1.3拱中心角的选择 3
1.4梭式窑总长度的确定 3
2窑体砌筑体的设计 4
2.1砌筑体材质的选择 4
2.1.1窑墙 4
2.1.2窑顶 4
2.1.3窑车 4
2.2砌筑体尺寸的确定 4
2.2.1窑墙尺寸的确定 5
2.2.2窑顶尺寸的确定 5
2.3膨胀缝 6
2.4砖数砌量的确定 6
2.5加砂管 6
3燃料燃烧计算及燃料设备的选择 7
3.1燃烧计算 7
3.2烧嘴的选型及布置设计计算 8
4小结 9
参考文献 10

梭式窑来源于传统的倒焰窑，在陶瓷领域以及耐火材料领域，尽管当前大规模工业化生产梭使用的窑炉是隧道窑以及更为先进的辊道窑，可是由于梭式窑对所烧成制品的适应性强，能够适应不同尺寸、不同形状、不同材质制品的烧成，且其窑内温度比较均匀，因此它特别适合于小批量、多品种产品的生产。下面将详细介绍本次设计的12m3 1750℃烧成氧化铝陶瓷梭式窑。
1窑体结构及主要尺寸的设计计算
1.1梭式窑内高的确定
梭式窑内高为窑车台面至窑顶的空间高度。根据材料所能允许的堆垛高度来确定窑的内高。对于烧成氧化铝陶瓷梭式窑来说，属于烧制高铝砖，根据规范，高铝砖窑内高为1.1-1.5米，考虑到窑高增加，上下温差加大，容易造成烧成质量不均匀，确定窑内高H=1.1米。
1.2梭式窑内宽的确定
梭式窑的内宽为窑内两侧窑墙之间的距离，现代梭式窑多采用扁宽型断面设计，窑的宽高比一般为B/H≈2,其中B为窑的内宽，因此先假设窑的内宽为2.2米。
1.3拱中心角的选择
梭式窑的窑顶有拱顶和平顶两种类型，耐火材料梭式窑，烧成温度高，多为拱顶窑。窑顶是用楔形砖砌筑，拱中心角太小，拱砖受力太大，在使用过程中还会产生下沉现象；反之，若拱中心角大，拱半径小，当受热时拱砖膨胀，拱会被挤起而产生开裂现象，同时拱过高，拱顶制品之间孔隙加大，增加上下温差。拱中心角一般在60度~180度之间，其中60度的拱中心角采用较多，本次设计选用60度的拱心角，查《热工课程设计指导书》附录1可准确确定拱顶尺寸：跨度B=2204 mm，半径R=2204 mm，矢高h=293 mm。
1.4梭式窑总长度的确定
由上可知，B=2.204 m，H=1.100 m，h=0.293 m，V=12 m3。
设F为窑横截面积：
F=nπR2/360－×2.204×(2.204－0.293)+1.1×2.204=2.86㎡
由L=知，
L==12／2.86 =4.20m
即确定梭式窑的总长度L=4.20m
2窑体砌筑体的设计
2.1砌筑体材质的选择
最高烧成温度为1750℃。选择砌筑体要充份考虑砌筑体所处的工作环境，其中包括：
工作制度：窑炉因用途不同，工作温度相差很大，应区别选用不同品种或不同等级的制品砌筑。
温度应力：承受温度应力较大的窑炉或部位，应选择稳定性好的材料，特别是间歇操作的窑炉更应充分注意。。
承重荷载：承重荷载大的部位应选择强度大的砖，。轻质砖和硅藻土砖不能用于砌筑承重拱顶或拱角砖，也不能用于砌筑同刚结构立柱相接触的窑样。
在同温度下还要考虑材料的荷重软化点。
机械损伤：如是煅烧原料的坚窑和回转窑都要考虑材料的冲击和磨损。
化学侵蚀：不同种类的耐火制品砌筑接触时，要考虑它们之间的反应。
对整体来说，还要防止由于局部砌体过早损坏而导致停产。
2.1.1窑墙
窑墙要有一定的强度能承受荷重、支撑窑顶、耐高温、能保温，以维持窑内的煅烧温度减少散热损失，降低环境温度，一般窑墙都是由能承受温度的耐火材料，保温隔热材料，及外表面维护结构组成。设置三层窑墙，考虑到最高烧成温度和材料最高使用温度，而且窑墙要有一定强度承受荷重、支持窑顶，以及防止发生化学侵蚀。
设定窑内温度为1750℃，窑墙外表面温度为120℃，空气温度为20℃。窑墙由三种耐火材料组成，从内到外分别为刚玉砖，泡沫氧化铝砖，红砖。由附录7及附录8表中查到12M³1750℃烧成氧化铝陶瓷梭式窑承受温度的耐火材料，保温隔热材料及外表面维护结构的材料、最高使用温度及相应的导热系数分别为：
刚玉砖（98%的氧化铝），最高使用温度1700~1800℃，导热系数2.90-0.58×10﹣³t ；
泡沫氧化铝砖，最高使用温度1500℃，导热系数~0.25 ；
红砖，最高使用温度600℃，导热系数0.7~1.2。
2.1.2窑顶
窑顶除要有一定的强度、耐热、保温性能的好坏，还要不漏气、质量轻，堆力小等要求。为了防止粉料在拱顶膨胀时掉到膨胀缝内，停窑时拱砖不能复原，以及不使窑顶密封，其上抹上一层50mm厚的耐火泥。窑顶上可铺上一层砖以便人行走。窑顶有三种材料组成，从内到外分别为刚玉砖、泡沫氧化铝砖、高炉渣。温降分别为1750℃、1500℃、600℃、120℃。由附录7及附录8表中查到12M³1750℃烧成氧化铝陶瓷梭式窑承受温度的耐火材料，保温隔热材料及外表面维护结构的材料、最高使用温度及相应的导热系数分别为：
刚玉砖（98%的氧化铝），最高使用温度1700~1800℃，导热系数2.90-0.58×10﹣³t ；
泡沫氧化铝砖，最高使用温度1500℃，导热系数~0.25 ；
50mm厚的耐火泥；
高炉矿渣，最高使用温度600℃，导热系数0.093+0.291×10﹣³t ；
一层红砖（63mm）。
2.1.3窑车
梭式窑的窑车运行轨道是由窑内轨道、窑外托车轨道、窑外停车轨道和装车轨道等组成。这次设计的梭式窑采用轻质窑车，另外由于梭式窑窑车的装载量也较轻，因此梭式窑的窑车轨道一般是采用轻轨。其上部是用耐火材料砌筑的车台面，下部是金属车架，窑车的台面在梭式窑内构成密封的窑底，窑车的裙板插入窑体两侧的砂封槽中，使窑车的上、下之间不漏气。
选用长为2.1米的窑车，数量2个。窑内有效容积：12m3。
2.2砌筑体尺寸的确定
计算窑墙厚度所用公式是属于稳定导热公式，用该公式计算的窑墙厚度对于连续式窑是适用的，而对于间歇式窑窑墙，则存在一定的误差。因此在设计中假定属于稳定导热。
砌筑体的长、宽、高尺寸都应该考虑砖行。计算时并包括灰缝在内。耐火砖灰缝一般为2—3mm。标准耐火砖尺寸为230×113×65毫米。耐火砖墙高度砌砖尺寸取68的倍数；耐火砖墙水平砌砖尺寸取116的倍数，其值可由《热工设计指导书》附录5表格中查出。
窑顶厚度也可用同样的方法计算，常见的标准拱中心角为60°和90°，拱厚为230~300毫米。吊拱顶厚230~300毫米，吊平顶厚200~250毫米。
根据公式q=λ×(t内－t外)/δ来确定各种材料的厚度。
2.2.1窑墙尺寸的确定
查《热工设计指导书》附录3可知，墙外表面温度为120℃，周围空气温度为20℃时，q=1350 kcal/m2·h=1569w/m2
刚玉砖： λ1 =2.9―0.58×10-3t=2.9―0.58×10-3×1625=1.958w/m·℃
δ1 =λ1×(t内－t外)/q=1.958×250/1569=318 mm
查附录5，化整δ1 =348mm
泡沫氧化铝砖：λ2=0.25w/ m·℃
δ2 =λ2×(t内－t外)/q=0.25×900/1569=143 mm
查附录5，化整δ2=232 mm
红砖： λ3：0.7～1.2，取λ3=0.8w/ m·℃
δ3 =λ3×(t内－t外)/q=0.75×480/1569=245 mm
查附录5，化整δ3=348 mm
2.2.2窑顶尺寸的确定
查《热工设计指导书》附录4可知，墙外表面温度为120℃，周围空气温度为20℃时，q′=1600 kcal/m2·h=1859.6w/m2
刚玉砖： λ4 =2.9―0.58×10-3t=2.9―0.58×10-3×1625=1.958w/m·℃
δ4 =λ4×(t内－t外)/ q′=1.958×250/1859.6=263mm
查附录5，化整δ4 =348mm
泡沫氧化铝砖：λ5 =0.25 w/m·℃
δ5=λ5×(t内－t外)/ q′=0.25×900/1859.6=129mm
查附录5，化整δ5=232mm
高炉矿渣： λ6 =0.093+0.291×10-3t=0.093+0.291×10-3×360
=0,198 w/m·℃
δ6=λ6×(t内－t外)/ q′=0.198×480/1859.6=51 mm
2.3膨胀缝
窑体砌筑必须留有膨胀缝，尺寸在砌筑体长度中不必另加。
几种常见的耐火材料每米砌体的膨胀缝按下列尺寸留设：
耐火粘土砖和轻质粘土砖砌体5~6mm/m
硅砖砌体 12mm/m
镁砖砌体 10~12mm/m
高铝砖砌体 6~8mm/m
工作温度低于800℃的Ⅲ类粘土砖砌体，红砖，硅藻土砖砌体能够不留，当过长时能够留设。
膨胀缝的位置应避开受力部位和骨架，并应按间距2米左右均匀布置。
窑墙膨胀缝形式，内外层之间留成锯齿形，上下层之间留成锁口式，以保证密封。
拱顶膨胀缝形式，单层拱顶留直缝，为了保证严密在拱顶上应压一层砖。多层拱各层膨胀缝应错开，最上一层拱的膨胀缝也要盖一层砖。硅砖拱顶除长向留置膨胀缝以外，拱砖之间每隔3~5砖夹2~3毫米油毡纸。
2.4砖数砌量的确定
当采用标准尺寸的耐火砌筑时，每m³的用砖量为：
T-3(230)砌体 550块/米3
红砖砌体，红砖(240) 550块/米3
拱顶用砖当采用标准拱时，其每环用砖品种及数量可由附录查出。当拱顶采用错砌时，首尾两环应尽量避免砍砖，可用相应的1宽标准砖找平。
2.5加砂管
加砂管用于向砂封槽加砂。加砂管设计时应注意：（1）其斜度为45°，较易出砂；（2）加砂管出口上沿，应做成和砂槽沿口平。高了，砂子易外溢，甚至影响窑车同行发生事故。低了，不易出砂。而加砂管出口下沿离砂封槽底，应有一定距离，否则不易出砂。如砂封槽矮，加砂管出口下沿和砂槽底做平也能够。
3燃料燃烧计算及燃料设备的选择
3.1燃烧计算
已知该窑炉使用重油为燃料，其组成如下：
组分
C
O
N
S
H
W
含量（%）
85.5
0.5
0
0.5
11.5
2.0
空气过剩系数α=1.1，重油温度与空气温度均为20℃，其中空气在0～20℃的平均比热容为1.296 KJ/Nm3·℃，计算1Nm3重油燃烧所需要的空气量及生成烟气量，燃料生成的烟气组分以及实际燃烧温度的计算。)
【解】基准：1Nm3重油
1）理论空气量为
Va0=(C+H+S－O) ×22.4×
=(×0.855+×0.115+×0.005－×0.005) ×22.4×
=10.67 Nm3/Nm3煤气
实际空气量为
Va=αVa0=1.1×10.67=11.74Nm3/Nm3煤气
2）理论烟气量为
V0 = V0 =（++++)×22.4+×Va0
=（0.07125+0.0575+0.011+0.000156)×22.4+8.43
=11.342Nm3/Nm3
实际烟气量为
V= V0+（α－1）Va0=11.342+（1.1－1）×10.67
=12.409Nm3/Nm3煤气
3）烟气组成为：CO2、H2O、SO2、N2、O2
CO2%= ×100%=12.86
H2O%=×100%=10.58
SO2%= ×100%=0.028
N2%==74.74
O2%=（α－1）Va0×21%/V=1.806
4）实际燃烧温度的计算：
查《材料工程基础》表6.15知，0～20℃时净化煤气的平均比热容为1.32 KJ/Nm3·℃，即Cf =1.32 kJ/Nm3·℃
Qnet=32793C+98320 H-9100(O-S)-2450W=39295.815 kJ/Nm3·℃
tth= (Qnet+Cftf+ Va Cata) /VC==
即12.409C ·tth =39635.335
设tth′=1800℃，查表知平均比热容C′=1.65
Q′=12.409×1.65×1800=36854.73
设 = ℃，查表知平均比热容 =1.67
=12.409×1.67× =41446.06
此时，值必定在与之间，可用“内插法”以求值
即= ，=1921.123
取0.8
实际燃烧温度tp=tth=1536.90℃
设计中要求最高烧成温度为1750℃，实际计算得出的最高燃烧温度为1536.90℃，比设计中的最高烧成温度低，能够经过预热空气温度来达到提高实际烧成温度的目标。
3.2烧嘴的选型及布置设计计算
现代的梭式窑基本上采用先进的高速调温烧嘴，或者更新型、节能的脉冲（高速调温）烧嘴。这次设计的梭式窑采用性能优良的高速调温烧嘴。
高速调温烧嘴属无焰烧嘴，它是指燃气和空气在烧嘴内“完全”进行燃烧，再与二次空气（调温空气）混合来调节所喷出的气体温度。使用高速调温烧嘴，燃烧效率高，燃烧室的体积小，燃烧室的容积能力强度非常高，最高可达2.1×108W/ m3，且窑内温度均匀，这样有利于消除窑内的过热部位，减小窑体的蓄热损失和散热损失。同时在窑内，温度均匀气流的强烈循环与搅拌作用又强化了烟气对制品的传热，这样既能够实现安全快速的加热，又能够降低烟气排除的温度，使窑炉的燃料消耗量下降。调温方便，而且高温烟气高速喷出，喷出的速度一般在70m/s以上，高达200～300m/s。
高速调温烧嘴布置在半窑车位处，此次设计的梭式窑有三个窑车，因此高速调温烧嘴有三对。在窑的高度方向上，高速烧嘴往往是设置在梭式窑的偏上部，这样的布置有利于窑内气体形成强烈的循环。
4小结
为期三周的课程设计，我们经历了设计计算、绘制梭式窑剖面图、撰写设计计算说明书这三个阶段。转眼间，课设就结束了，可是在这三周的时间里我觉得受益匪浅，不但仅学习到了梭式窑的相关知识、设计方法，而且还深深感受到了老师们敬业的工作态度，在这炎炎烈日，她们每天都不辞辛苦的早早来到课设教室进行指导，耐心的解答我们的疑问，这种精神很值得我们学习。另外，经过这一次的锻炼，我现在已经熟悉了整个梭式窑的设计以及在实际生产中所需要注意的一些问题，相信无论是在以后的工作还是学习中，我都能从此次课设中受益。设计计算说明书经过细心地编写，但由于自己能力有限，其中还有很多不足之处，希望老师予以批评指正。
最后，非常感谢张颖老师、马林老师、高里存老师、杨晓凤老师、徐长海老师、陈晋老师三周来的耐心指导，在这里向你们致以真诚的感谢，道一声您们辛苦了！此次课设过程中同学们也给予了我很大的的帮助和支持，谢谢你们！

参考文献
[1] 《热工课程设计指导书》（自编）
[2] 《无机非金属材料热工设备》姜洪舟主编，武汉理工大学出版社，
[3] 《材料工程基础》徐德龙，谢峻林主编，武汉理工大学出版社，
[4] 《硅酸盐工业热工过程及设备》姜金宁主编，冶金工业出版社，1994
[5] 《热工课程设计参考资料汇编》（自编）