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窑炉设计的基础 
   陶瓷工程师们在谈论窑炉及其性能问题时，往往对窑炉的产量、产品质量和烧成成本等问题表示不满。其实，许多年来工程师们在讨论中忽略了一个很重要的问题，那就是窑炉的设计。

　　在设计窑炉时，一般需要考虑两个问题：一是窑体本身的材质和结构等方面的问题；二是向被烧产品的传热问题。不言而喻，不管窑体建造得如何坚固，只要烧出的产品不好也是没有用的。因此，设计窑炉时不重视对被烧制品的传热问题是一个重大失误，因为向被烧制品传热是建窑的唯一目的。
窑的用途是烧制一件件个别制品，但几乎所有人对窑的这一用途缺乏正确的理解。许多窑炉建造者认为窑的用途是为烧制大量制品提供一个受热的容器。许多窑炉使用者也持有这种观点。

　　窑内的每一件制品必须受到同样的热处理。如果制品在造型、规格以及重量方面越接近，那么制品的平均质量就会越高。哪一件制品受热越均匀，哪一件制品在烧成质量就越高。整个窑炉的温度越均匀，窑内所有制品的烧成质量也越高。那些在设计中适当考虑了加热方式的窑炉，总是比未考虑传热原则的窑炉更好用。

　　尽管谁也不愿意在窑炉设备上多耗资，但高质量产品所获取的利润足以弥补较高的设备投资。事实上，与那些廉价设备生产的制品相比，好设备在每件制品上所消耗的设备成本更低。

　　表1是现代化窑炉与传统窑炉的比较。数据表明，新型窑炉的生产能力提高了50%。甚至在采用与传统窑炉相同烧成周期的情况下使用，新型窑炉的使用费用也仍然较低。若按照新型窑炉的生产效率使用时，不仅其单位重量制品的烧成成本降低了20%，而且所产量也提高了50%。

　　表1                                 传统窑炉与新型窑炉的比较

传统
新型
新型
烧成周期（小时）
12
12
8
循环次数（月）
60
60
90
装烧容量（磅/窑）
2410
2410
2410
月产量（磅/月）
144600
144600
216900
窑炉造价（美元）
150000
175000
175000
月成本（美元）
1780
2077
2077
单位成本（美元/磅）
0.0123
0.01436
0.00958
每窑燃烧成本（美元）
110.00
81.20
79.50
单位制品燃烧成本（美元/磅）
0.0456
0.0337
0.0330
维修成本（美元/月）
100.00
100.00
100.00
单位制品维修成本（美元/磅）
0.04729
0.04729
0.04276
单位总成本（美元/磅）
0.1052
0.09536
0.08534

　　表2是具有较小尺寸但却有相同年产量的新型窑炉与传统窑炉的比较。表2说明：新型窑炉不但造价较低，而且单位重量制品的烧成成本也比传统窑炉降低16%。

　　表2                                  传统窑炉与产量相同但容量更小的新型窑炉的比较

传         统
新        型
烧成周期（小时）
12
8
循环次数
60
90
装烧容量（磅/窑）
2410
1605
月产量（磅/月）
144600
144600
窑的建造费（美元）
150000
150000
月成本（美元）
1780
1662
单位成本（美元/磅）
0.0123
0.0115
每窑燃烧成本（美元）
110.00
47.65
单位制品燃烧成本（美元/磅）
0.0456
0.0297
月维修成本（美元/月）
100.006
100.00
单位制品维修成本（美元/磅）
0.04729
0.04729
单位总成本（美元/磅）
0.1052
0.08848

　　评价一座窑炉时有两个问题必须考虑：一是每件装在窑内不同位置上的制品被加热的效果；二是要按烧成每件制品的成本而不只是按窑的造价来估算烧成成本。决定一座窑炉烧成能力的要素是其设计，而设计又分为两个方面：即窑体结构设计和加热过程设计。

　　窑体结构设计需要详细筹划以保证其耐用性和热效率。好的窑体结构设计要考虑以下方面：钢构件的结构和重量设计、耐火材料设计（材质的选择和在窑中的组合方式）、燃烧装置的类型、可控性和灵活性设计，以及控制系统的设备选择。

　　要设计好加热过程其影响因素更为复杂，必须考虑以下几个方面：确定烧嘴的布局、所用烧嘴的类型、排气系统的类型及其排气方式、热能的流动方式、装烧方式和其他许多方面。

　　许多成功的窑炉建造是以那长期以来已被人们所熟知的原则为依据的。窑的大部分可以预期的结果可通过计算得知。尽管这些计算方法人们早已掌握，但计算起来却十分困难而且费时。自从多功能微型计算机被广泛应用后，有关窑炉设备的各种计算才在要求廉价的陶瓷行业中变得适用了。

　　在过去的30多年里，窑炉的设计已做了很多重要的改进，但这些改进绝大多数没有在具体的传热方面取得效益。试验性结果和误差成了窑炉发展史的显著特征。通过回顾以往成功和失败的窑炉，现在可以对应该发生和确已发生的事实进行计算了。这是检验传统的窑炉传热理论仍然有效的一种手段。

　　陶瓷工业最大的问题之一是陶瓷材料的复杂性。很少有人在检验窑炉设计计算所需要的异常复杂的数学方法方面训练有素。因此，低劣设计的蔓延便成了必然结果。今天，很多陶瓷工业中所使用的大部分窑炉的生产成本比合理的生产成本要高得多。这些浪费有时隐藏在高的维修费和低的产品质量中，有时以产量降低的形式被隐藏起来。然而在更多的情况下，则直接表现为高能耗和低成品率。

　　偶尔有些窑炉性能的改进达到了令人满意的程度，但是在另一些情况下这种性能的提高仍不能很好的提高产品产量。窑炉的改进表面看来可能令人满意，但认真检查后，便可发现这种改进同所做的努力相比简直微不足道。许多时候，窑炉的改进费用看上去太昂贵，而且往往也确实很昂贵。但有时廉价的改进也会因为难以奏效而造成更大的浪费。尽管窑炉的有些改进初看起来似乎成本很高，但事实证明，这种改进在降低烧成成本，提高制品的质量方面却是真正有效的。

　　确定改进窑炉设计是否真的值得进行也是个问题。令人遗憾的是整个陶瓷行业在烧成技术的细节方面都缺乏训练。判断设计改造是否合理的最佳方法是发挥那些热工工程师的作用。用户往往去找硬件供应者来解决窑炉的问题。人们往往过多地注意应用，而忽略了优秀设计所提供的详细数学计算。
窑体的构件有助于窑体结构构成，然而真正重要的还是热能向制品的热传递。如果传热过程合理，那么其它问题都迎刃而解了。要求用户对打算建造的窑炉作出评价或在向一件件个别的制品传热的基础上对窑炉提出改进意见是不可能的。有时涉及传热的讨论只是对整个窑体而言，而这种讨论并不充分。成功的窑炉总是来自对制品提供最佳的传热尝试，要做到这一点，就必须对那些传热理论基础有很好的理解。

　　常见的陶瓷烧成方法主要有两种：即燃料加热和电加热。烧成方式有时是由所采用的工艺过程来决定的。也有些特殊情况，如热压和真空烧成，都清楚地说明了烧成的方式。

　　在电加热或马弗式加热的烧成情况下，能源几乎都是直接辐射，所以，发热体的类型、发热体的布局和窑室的形状都十分重要。不同形状窑室的作用可以进行精确计算。合理的窑炉应建立在经验和计算这两种基础上。窑炉的用途越新，设计工作越应建立在计算的基础上。在有些场合，窑炉的详细计算不仅是为了安装，也是为了让用户的工程师们进行验证。

　　采用燃料烧成的陶瓷窑炉几乎全部传热都是通过辐射来完成的。尽管在有些窑炉内存在着烧成制品的运动（如采用高速喷燃器），但对流缺乏足够的速度以向各个部分传递更多的热量。如果跨越每件制品之间的对流速度达到足以传递大量的热能，那么即使在低温下，热空气也会在各小件制品间分布得很均匀。因为对流传热即使在低温下也小于15%，所以热量还是必须通过辐射来传递。

　　辐射以两种方式产生：一种是来自喷燃器的直接辐射（甚至在低温）；另一种是对传热具有重要贡献的来自热的燃烧产物的辐射。此外，水蒸汽和CO2能进行强烈的辐射并能在窑室内流动。喷燃器相对于装烧物和烟气的位置以及烟气相对于装烧物和喷燃器的位置的精确安排至关重要，这些因素是决定燃烧型窑炉内温度均匀性的主要因素。

　　每个热源的作用可以重新计算，但很繁琐，因为涉及到象装烧制品的形状及装烧物作为一个整体的形状这样许多技术问题。可这项工作又很值得做，它可以清晰地反映出所建窑炉期望达到的工作效率。各类窑炉的相关计算是相同的，主要差别是与窑内的气体运动有关的计算方法不同。在充满H2和N2气体的辐射型窑炉内不存在来自气体辐射的实际作用，只有一定的对流作用（虽然这种对流作用很小）。

　　由于装烧物自身会成为其后面装烧物的辐射屏障，所以计算出装烧物之间的空间及与热源之间的距离十分重要。这再次不可避免地使人们想到向一件件个别装烧物的传热。陶瓷行业的大多数电窑只不过是个获取热能的容器，如果时间足够长，那么整个装烧物就会达到相同的温度，但整个装烧物中的每件制品所经受的热处理却绝对不相同。

　　究竟采用直接辐射还是采用燃料燃烧的方式加热，关键在于制品的装烧位置是否能使辐射热正好落在制品上并包围着制品。如果采用电加热直接辐射，那么制品周围的辐射距离应当很窄，一个典型的设计是制品与周围的发热体间的空间窄而高。除非是在真空，否则周围的发热体必须被分段测量和控制，以使上下温度一致。另一种典型的设计是使制品的上下都具有低而宽的加热空间。当然，上下两部分的发热体也必须分别检控。

　　如果采用燃料燃烧的方法加热，那么热源就不那么重要，在这种情况下，燃烧产物的运行途径显得非常重要。燃烧产物必须按照一定的途径确定自己通往烟道的运行路线，以便使这些燃烧所产生的气体从被烧制品的周围和上方通过后再进入烟道。使用燃料烧成窑炉的一种典型设计是让燃烧产生的气体沿某个方向在狭窄的通道穿过窑内。装烧物被窑中心的烟道分割成许多小单元。最典型的是烟气倒流以维持对燃烧产物流向的完全控制。烟气负压把热的辐射气体吸引通过一细柱制品以产生非常均匀的传热。

　　图1、图2和图3是一小型间歇窑的剖面图。图1是匣体柱沿着窑体长度的排布方式；图2是窑的末端可能出现的排列方式，注意喷燃器刚好被设在钵柱旁边的开阔通道处，另外还需要注意到烟道开口正好对着钵柱之间的烟气。通向烟道的通道只穿过钵柱很短的距离。倒焰烟道促进了窑内烟气的定向排出，这是设计者所希望的。要想强化的每个匣钵周围均匀出现的燃烧产物的辐射，严格控制烟气的方向是关键。

　　图3是该窑的空间视图。它可以帮助看清窑的装法、喷燃器和气体运动路线，如果各独立控制范围可保证在3—4英尺高，则这种窑的匣钵柱可以装得很高，窑的宽度可视喷燃器的允许程度而定。若窑较窄，采用低速喷燃器就可以了，若窑较宽，则需要高速喷燃器，以保证所有喷嘴喷出的热气都能够喷到窑的另一边。

　　高速喷燃器不仅是为了满足均匀传热的需要，更重要的是它恰如其分地开创了一种新的装窑方式，并适当地确定了喷燃器和烟道的位置。在燃烧系统中使用动力确实有助于均匀传热，但是为了保证其有效性动力的应用必须适当。高速喷燃器能够造成湍流，但失控的湍流蔽多利少。最关键的是使建成的窑炉能把热量引向均匀环绕每件个别陶瓷制品流动的通道。

　　应当注意，传热设计的运用是决定一座窑炉是新颖还是陈旧的基础。在准备改进一座现存窑炉时，工程师在作出任何决定前，必须注意先前这座窑炉设计中的传热情况。

　　在这样一种研究的基础了，工程师便可得出如下结论：某窑只需作些简单的改变便可使制品的烧成产生重大差别。工程师也可能得出这样的结论：某窑需要作复杂的大手术。在这种情况下，必须从经济角度进行细致的研究，以决定是对现存窑炉进行改造，还是另建一座新窑。只简单地改造一下喷燃器或控制系统就能达到所需要的改进情况是罕见的。如果窑炉设计得好，就会建造出一座低成本、短周期烧出高质量产品的窑炉。对窑炉做出较有效的改进比只简单地改变窑炉的硬件往往更省钱。

　　窑体结构和建筑材料设计得当固然重要，但千万不要忘记建窑的首要目的。不要被较低的建窑费用引入歧途，因为烧成每件陶瓷器的长期成本更为重要。不要把一个砌筑良好的窑体同一座把向制品的传热设计得很适当的窑混为一谈。今天，人们更加要求陶瓷工业满足越来越高的质量标准。陶瓷器的烧成质量与窑的传热密切相关。传热卓越的窑也就是烧成周期最短，单件制品烧成成本最低的窑。经济效益不易看见，但却值得重视。

　　任何窑如果不按最佳传热原则进行设计和建造都会遭到失败。能理解窑内传热复杂性的工程师，同样能够很好地完成窑体结构和筑窑材料的设计。