輥道窯設(shè)計(jì)計(jì)算

1、 我說(shuō)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)拋光磚的輥道窯，長(zhǎng)131m，寬2m，高1.2m（輥上0.5m，輥下0.7m），年生產(chǎn)任務(wù)350萬(wàn)片，屬大型輥道窯。最高溫度為1350，使用的燃料為焦?fàn)t煤氣。 一：設(shè)計(jì)任務(wù)書及原始資料院（系） 材料學(xué)院 2010 年7 月 1日專業(yè)無(wú)機(jī)非金屬班級(jí)0701學(xué)生姓名陳鋒指導(dǎo)教師孟獻(xiàn)豐老師題目年產(chǎn)360萬(wàn)片拋光磚輥道窯設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：1.年產(chǎn)量：360萬(wàn)片，每年以350天計(jì)算2.坯料組成：SiO2Al2O3Fe2O3K2O+Na2OCaOMgO灼減71.9218.270.620.0380.250.64.63產(chǎn)品規(guī)格： 60060010mm,單重7. 4公斤；坯體線收縮率

2、：10%4入窯水分：1%5產(chǎn)品合格率：99%6燒成周期：50分鐘7溫度制度：如下表。（最高燒成溫度：1350）溫度/40-500500-750750-11001100-13501350保溫1350-800800-400400-80時(shí)間/min6.44.16.02.410.53.39.388燒成氣氛：全氧化氣氛9. 燃料焦?fàn)t煤氣：CoH2CH4C2H4H2SCO2N2O2比熱Qnet(MJ/Nm3)8.053.222.74.00.34.07.00.81.41kj/Nm3/15.210.其他條件自定基本要求（含成果要求）： 獨(dú)立思考完成； 設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確，窯體結(jié)構(gòu)及工作系統(tǒng)安排合理； 說(shuō)明書完整詳細(xì)

3、，并按格式排版打??； 圖紙整潔清晰，制圖規(guī)范，尺寸齊全，計(jì)算機(jī)打印出圖； 設(shè)計(jì)圖紙范圍：窯體結(jié)構(gòu)圖，窯體斷面圖。工作進(jìn)度計(jì)劃：2010.6.282010.7.9 共兩周。在計(jì)算中心進(jìn)行集中上機(jī)（地點(diǎn)：科技館計(jì)算中心），每人20學(xué)時(shí)。注意： 2010.7.9下午答辯，請(qǐng)將說(shuō)明書電子稿和CAD繪圖文件一起交上，文件名保存為：如陳鋒同學(xué)的文件名為“無(wú)機(jī)071陳鋒窯爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書”）， 過(guò)期不候。二. 窯體主要尺寸的確定2.1 內(nèi)寬的確定2.1.1 窯內(nèi)寬初步確定內(nèi)寬坯體尺寸=產(chǎn)品尺寸/（1-燒成收縮）=600/（1-10%）=666.67mm為計(jì)算窯內(nèi)寬方便取為667mm，我設(shè)計(jì)的是兩片并排燒，兩側(cè)坯

4、體與窯墻之間的距離取185mm，兩片磚間距300mm. 所以B=2667+2185+300=2000mm，取B=2000mm。2.1.2確定內(nèi)寬窯內(nèi)寬B=667+2185+300=2000mm，取B=2000mm。2.2 窯體長(zhǎng)度的確定2.2.1 窯體長(zhǎng)度的初步確定生產(chǎn)任務(wù)G 同一列磚磚距取50 mm ，則裝窯密度（件/每m窯長(zhǎng)） 所以窯長(zhǎng)=129m2.2.2窯體有效長(zhǎng)度的計(jì)算因?yàn)槭禽伒栏G，設(shè)設(shè)三個(gè)磚為一節(jié)，則每節(jié)長(zhǎng)度為（667+50） 3=2150mm ， 節(jié)數(shù)=（節(jié)）取節(jié)數(shù)為 60節(jié) 。因而窯長(zhǎng)度為： mm 再加上進(jìn)口和出口各兩米所以總長(zhǎng)為129+4=133m2.3 窯內(nèi)高度的確定 輥道窯

5、的內(nèi)高被輥?zhàn)臃指舫奢伾细吆洼佅赂邇刹糠?。?nèi)高是制品在窯內(nèi)傳熱和燒成的空間，內(nèi)高必須合理，既能有利于產(chǎn)品換熱滿足煙氣有足夠的流動(dòng)空間，又必須滿足一定的燒成空間和冷卻空間，所以，內(nèi)高的確定有一定的原則，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的查閱資料，我設(shè)計(jì)的窯爐內(nèi)高如下表：位置預(yù)熱帶燒成帶冷卻帶輥上高500mm500mm500mm輥下高700mm700mm700mm總內(nèi)高1200mm1200mm1200mm三 燒成制度的確定窯爐的燒成制度取決于坯釉料的組成和性質(zhì)、坯體的造型、大小和厚度以及窯爐結(jié)構(gòu)、裝窯的方法、燃料種類等等因素。而燒成制度主要包括溫度曲線、壓力曲線和氣氛控制。燒成制度的制定原則有以下四點(diǎn)： 在各階段應(yīng)有一

6、定的升降溫速度，不得超過(guò); 在適宜的溫度下應(yīng)有一定的保溫時(shí)間，以使制品內(nèi)外溫度趨于一致，皆達(dá)到燒成溫度，保證整個(gè)制品內(nèi)外燒結(jié)； 在氧化還原階段應(yīng)保持一定的氣氛制度； 全窯應(yīng)有一個(gè)合理的壓力制度，以確保溫度制度和氣氛制度的實(shí)現(xiàn)。該窯的燒成制度如下: 燒成周期：50min 氣氛制度：全窯氧化氣氛 各溫度帶的劃分名稱溫度（/）時(shí)間（/min）升溫速率（/min-1）節(jié)數(shù)（/節(jié)）窯前帶405006.471.87518預(yù)熱帶5007504.160.98913預(yù)熱帶75011006.0751420燒成帶（保溫）110013502.4104.172123燒成帶135010.502435急冷帶13508003

7、.6-152.783639緩冷帶8004009.3-43.014050緩冷帶400808.0-405060總計(jì)5060燒成曲線：見CAD圖紙窯體各帶長(zhǎng)度的確定根據(jù)燒成曲線中溫度的劃分，各段長(zhǎng)度：預(yù)熱帶： （節(jié)） 取20節(jié)燒成帶： （節(jié)） 取15節(jié) 冷卻帶： （節(jié)） 取25節(jié) 四：工作系統(tǒng)的確定輥道窯的工作系統(tǒng)包括排煙系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，下面是各系統(tǒng)的初步安排。4.1排煙系統(tǒng) 在預(yù)熱帶第317節(jié)設(shè)置15對(duì)排煙口，每段或在窯頂或在窯底設(shè)置一對(duì)排煙口，窯頂窯底交錯(cuò)分布。煙氣經(jīng)過(guò)各排煙口到窯墻內(nèi)的水平通道，由第10節(jié)的垂直通道進(jìn)入抽煙機(jī)，然后由煙囪排至大氣。4.2燃燒系統(tǒng)因所設(shè)計(jì)的為明焰輥道窯

8、，且使用天然氣作燃料，所以采用全部噴入窯道內(nèi)燃燒的方式，通過(guò)燒嘴在燃道中空部分燃燒。在2034節(jié)的輥?zhàn)由舷赂髟O(shè)24對(duì)噴嘴，不等距分布，兩側(cè)交錯(cuò)分布。在燃燒帶的輥上設(shè)置觀察孔，以便更好的觀察火焰的燃燒情況，便于操作控制。4.3冷卻系統(tǒng)制品在冷卻帶有晶體成長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化的過(guò)程，并且冷卻出窯是整個(gè)燒成過(guò)程最后的一個(gè)環(huán)節(jié)。從熱交換的角度來(lái)看，冷卻帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)余熱回收設(shè)備，它利用制品在冷卻過(guò)程中所放出的熱量來(lái)加熱空氣，余熱風(fēng)可供干燥，達(dá)到節(jié)能的目的。4.3.1 急冷帶 第3639節(jié)為7m急冷帶，由側(cè)墻上的小孔直接吸入車間冷空氣，冷卻氣體的流動(dòng)方向與拋光磚的前進(jìn)方向相同。雖然逆流效率更高，但是逆流溫差太大，容

9、易使產(chǎn)品變形，所以要采用順流。輥上，輥下各設(shè)3個(gè)內(nèi)徑76mm急冷風(fēng)管。4.3.2 緩冷帶 第4060為緩冷帶，制品冷卻到800400范圍時(shí)，是產(chǎn)生冷裂的危險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制該冷卻降溫速率。為達(dá)到緩冷目的，一般采用熱風(fēng)冷卻制品的辦法。大多數(shù)輥道窯在該處設(shè)有36處抽風(fēng)口，使從急冷段與窯尾段過(guò)來(lái)的熱風(fēng)流經(jīng)制品，讓制品慢速均勻得冷卻。在第4048節(jié)各設(shè)一對(duì)抽風(fēng)口從4957抽熱風(fēng)冷卻。第4958各設(shè)一對(duì)進(jìn)風(fēng)口，自然風(fēng)冷卻。4.4傳動(dòng)系統(tǒng)4.4.1輥?zhàn)硬馁|(zhì)的選擇 輥道窯對(duì)輥?zhàn)硬牧弦笫謬?yán)格，它要求制輥?zhàn)硬牧蠠崦浵禂?shù)小而均勻，高溫抗氧化性能好，荷重軟化溫度高，蠕變性小，熱穩(wěn)定性和高溫耐久性好，硬度大，抗污能

10、力強(qiáng)。常用輥?zhàn)佑薪饘佥伜吞沾奢亙煞N。為節(jié)約費(fèi)用，不同的溫度區(qū)段一般選用不同材質(zhì)的輥?zhàn)印１驹O(shè)計(jì)在選用如下：低溫段（40500和40080 ）無(wú)縫鋼管輥棒中溫段（5001100和800400）氧化鋁瓷質(zhì)陶瓷棒高溫段（11001350和1350）碳化硅輥棒4.4.2輥?zhàn)又睆脚c長(zhǎng)度的確定輥?zhàn)拥闹睆酱?，則強(qiáng)度大；但直徑過(guò)大，會(huì)影響窯內(nèi)輻射換熱和對(duì)流換熱。因設(shè)計(jì)的窯道比較長(zhǎng)，寬度比較大，本設(shè)計(jì)輥?zhàn)拥闹睆揭笮?，故選用直徑為50mm的輥棒，而長(zhǎng)度則取2800mm。4.4.3輥距的確定 為了保證無(wú)論何時(shí)制品在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都有3根輥棒，所以應(yīng)取問(wèn)產(chǎn)品的1/4以下，即輥距不大于600/4=150mm，考慮到該窯還用

11、于燒制其他規(guī)格小的制品，因此，最終確定輥距為：50mm，每節(jié)窯為2150/50=43根。4.4.4傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇考慮到產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題， 輥道窯的傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)構(gòu)所組成。該設(shè)計(jì)選用多電機(jī)分段傳動(dòng)分段帶動(dòng)的傳動(dòng)方案。將窯分成30段，每段由一臺(tái)電機(jī)托動(dòng)，采用變頻調(diào)速。所有電機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行，每臺(tái)亦可單獨(dú)運(yùn)行。五 燃料及燃料計(jì)算5.1燃料的組成燃料組成如下表：焦?fàn)t煤氣：CoH2CH4C2H4H2SCO2N2O2比熱Qnet(MJ/Nm3)8.053.222.74.00.34.07.00.81.41kj/Nm3/17.85.2 燃燒所需空氣量該窯用的是焦?fàn)t煤氣，其低熱值為：Qd=1780

12、0Kj/Bm3當(dāng)煤氣的低熱值大于14650 Kj/Bm3時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式理論空氣量： Va0=-0.25=4.37 m3取空氣過(guò)剩系數(shù)為1.29 Va= Va0=4.371.29=5.64 m35.3 生成煙氣量計(jì)算煙氣量用經(jīng)驗(yàn)公式，理論煙氣量： V0=+0.25=5.09 m3 V= V0+(a-1)Va0=6.17 m35.4實(shí)際燃燒溫度計(jì)算 t=空氣及燃料溫度均按在室溫20 時(shí)計(jì)算，熱分解不考慮時(shí),空氣比熱為Ca1.47KJ/M3.假設(shè)溫度等于1700 ，此時(shí)Cf=1.63 KJ/M3.，代入公式得 t=1786相對(duì)誤差，|5%，所設(shè)合理。取高溫系數(shù)為0.8，則實(shí)際燃燒溫度為0.8X178

13、6=1428，比燒成溫度1350高78，認(rèn)為合理。六：窯體材料確定1、窯體材料確定原則窯體材料要用耐火材料和隔熱材料。耐火材料必須具有一定的強(qiáng)度和耐火性能以便保證燒到高溫窯體不會(huì)出現(xiàn)故障。隔熱材料的積散熱要小，材質(zhì)要輕，隔熱性能要好，節(jié)約燃料。而且還要考慮到廉價(jià)的材料問(wèn)題，在達(dá)到要求之內(nèi)盡量選用價(jià)廉的材料以減少投資。 窯體材料厚度的確定原則 為了砌筑方便的外形整齊，窯墻厚度變化不要太多。 材料的厚度應(yīng)為磚長(zhǎng)或磚寬的整數(shù)倍；墻高則為磚厚的整數(shù)倍，盡量少砍磚。 厚度應(yīng)保證強(qiáng)度和耐火度。綜合以上原則,我設(shè)計(jì)的全窯材料及厚度如下表所示:節(jié)數(shù)窯體位置材料名稱使用溫度導(dǎo)熱率W/（m.）厚度mm密度Kg/m

14、3120和4060窯墻粘土磚14000.835+0.5810-3t230高純型耐火纖維針刺氈11000.09（400）100耐熱鋼板20窯頂粘土磚14000.835+0.5810-3t230高純型耐火纖維針刺氈11000.09（400）100耐熱鋼板20窯底高鋁磚15001.52+0.1810-3t113輕質(zhì)粘土磚13000.26+0.2610-3t11310002139窯墻硅磚18500.92+0.710-3t 230含鋯型硅酸鋁纖維板10500.18（1000）120耐熱鋼板20窯頂硅磚18500.92+0.710-3t230含鋯型硅酸鋁纖維板13500.18（1000）120耐熱鋼板20

15、窯底高鋁磚15001.52+0.1810-3t113輕質(zhì)粘土磚14000.41+0.3510-3t1131300入口及出口窯墻紅磚6000.80+0.3110-3t240窯頂紅磚6000.80+0.3110-3t240窯底紅磚6000.80+0.3110-3t240七 熱平衡計(jì)算7.1預(yù)熱帶和燒成帶的熱平衡計(jì)算 7.1.1 熱收入項(xiàng)目 （1） 制品代入顯熱 Q1=G1C1t1 kj/h其中： G1濕制品質(zhì)量(Kg/h) C1制品的比熱 t1 制品的溫度據(jù)物料平衡計(jì)算中可知Gsp3391.9 (Kg/h)；又因?yàn)轭A(yù)熱帶從第1節(jié)開始, 此時(shí)第1節(jié)的溫度t120；制品的比熱 C10.84+2610-

16、540=0.95代入數(shù)據(jù)的 Q1 =128892.7(KJ/h)（2）燃料帶入化學(xué)熱及顯熱QffQfX（Qd+Cftf）其中 X每小時(shí)消耗的燃料量m3/h Qd燃料的低位熱值KJ/hcf20時(shí)的比熱KJ/ m3 tf天然氣的溫度查表可知cf1.38KJ/( m3)已知Qd17800KJ/M3，tf20 代入數(shù)據(jù)得 Qf=17898.7X (KJ/h)(3) 助燃空氣帶入顯熱Qa (KJ/h)故QaVa cata5.64X201.30146.64X(KJ/h)(4) 預(yù)熱帶漏入空氣帶入顯熱Qa(KJ/h)取預(yù)熱帶空氣過(guò)剩系數(shù)g2.5，漏入空氣溫度ta20，ca1.30 KJ/( m3) 漏入空氣

17、總量為Va Mf（g-）Va其中 Va 4.37VaX（2.5-1.29）4.37=5.29XQa Vacata5.29X1.3020137.5X (KJ/h)7.1.2 熱支出項(xiàng)目(1) 產(chǎn)品帶出顯熱Qg（KJ/h）燒成產(chǎn)品質(zhì)量G3= Ggp（100-5）%=559.5（100-5）%=531.53（KJ/h）制品出燒成帶產(chǎn)品溫度T21380查表可知：產(chǎn)品平均比熱為：c20.84+2610-513801.20 KJ/Kg則Q2GmC2T2531.531.201380880214（KJ/h）(2)煙氣帶走顯熱Qg（KJ/h）每小時(shí)離窯煙氣量：VgVg0+（g-）Va0X5.09+(2.5-1.

18、29)4.37X=10.04X（m3/h）煙氣離窯溫度一般tg250，查表得此時(shí)煙氣的平均比熱為：cf1.44KJ/m3則Qg Vg cf tg10.04X1.442503614.4X（KJ/h）(3) 物化反應(yīng)耗熱Q4（KJ/h）不考慮制品所含之結(jié)構(gòu)水，自由水質(zhì)量：Gw33.9Kg/h煙氣離窯溫度：Tg250，(3)-1 自由水蒸發(fā)吸熱 QwGw（2490+1.93Tg）33.9（2490+1.93250）100767.75 （KJ/h）(3)-2其余物化反應(yīng)熱Qr用AL2O3反應(yīng)熱,近似代替物化反應(yīng)熱,入窯干制品質(zhì)量Gg=3358.0 (Kg/h)AL2O3含量為18.27%,所以Qr=G

19、g2100AL2O3%=3358.0210018.27%=1288363.86 (KJ/h)所以,總的物化反應(yīng)耗熱Q4Qw+ Qr100767.75+1288363.861389131.61 （KJ/h）（4）通過(guò)窯墻窯頂散失的熱量 根據(jù)各處材料的不同，并考慮溫度范圍不能太大，將預(yù)熱帶和燒成帶窯墻分成3段計(jì)算，具體結(jié)果如下表： 溫度范圍/長(zhǎng)度/m窯墻頂散熱/ KJ/h窯底散熱/ KJ/h總散熱/ KJ/h第一段4075028134884.9199652.5334537.4第二段750110015163752.2314161.6477913.8第三段1100135033973511.813865

20、22.92360034.7Q總=3172485.6 （KJ/h） 其他熱損失 Q5 取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，占熱收入的5%。7.1.3 列熱平衡方程式 熱收入=熱支出 代入數(shù)據(jù)得 （128892.7+18182.84X）X0.95=9708039.21+3614.4X 所以X=702 m3即每小時(shí)需焦?fàn)t煤氣702 m37.1.4 列熱平衡表 預(yù)熱帶燒成帶熱平衡表 熱收入 熱支出項(xiàng)目KJ/h% 項(xiàng)目KJ/h %坯體帶入顯熱128892.71.0產(chǎn)品帶出顯熱514642240.0燃料化學(xué)熱及顯熱12564887.497.6窯體散失熱3172485.624.6助燃空氣顯熱821340.6物化反應(yīng)熱1389131

21、.610.8漏入空氣顯熱965250.8煙氣帶走顯熱2537308.819.6其他熱損失643622.05.0總計(jì)12872439.1100.0總計(jì)12888970100.07.2 冷卻帶熱平衡計(jì)算 7.2.1 計(jì)算基準(zhǔn) 計(jì)算準(zhǔn)則： 基準(zhǔn)溫度 0 基準(zhǔn)質(zhì)量 1小時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的物料 7.2.2 熱收入 （1） 制品代入顯熱Q2制品帶入顯熱在上面已經(jīng)算出：Q2=5146422 （2） 急冷風(fēng)窯尾風(fēng)代入顯熱設(shè)定窯尾風(fēng)風(fēng)量為 。一般急冷風(fēng)風(fēng)量是窯尾風(fēng)的 （）。本設(shè)計(jì)取急冷風(fēng)風(fēng)量是窯尾風(fēng)量的 。急冷風(fēng)與窯尾的總風(fēng)量是1.5。查表得 ：20 時(shí)空氣的比熱為1.29 。所以 7.2.3 熱支出（1）制品帶出顯

22、熱假設(shè)此時(shí)的溫度為 此時(shí)陶瓷的比熱為 所以 （2） 窯體散失的熱量 根據(jù)各處材料的不同，并考慮溫度范圍不能太大，將冷卻帶窯墻分成2段計(jì)算，具體結(jié)果如下表：溫度范圍/長(zhǎng)度/m窯墻頂散熱/ KJ/h窯底散熱/ KJ/h總散熱/ KJ/h急冷帶13508008.5208385.64282192.12490577.76緩冷帶8008045248101.2489089.664737190.864 Q總=1227768.6（3） 由窯體不嚴(yán)密處漏出空氣帶走顯熱 冷卻帶從窯體不嚴(yán)密處漏出空氣量通常為窯尾鼓入風(fēng)量的10%20% 。本設(shè)計(jì)取 15%，即0.15 。設(shè)定漏出空氣的平均溫度 此時(shí)空氣的比熱容為 所以 （4） 從窯道內(nèi)抽出空氣帶走顯熱 假定抽出熱空氣平均溫度 查得此時(shí)空氣比熱容： 根據(jù)冷卻帶窯內(nèi)