1、第六章 陶瓷工业窑炉,刘小英 龙岩学院,目录,6.1 概述 6.2 隧道窑的工作系统 6.3 隧道窑的结构 6.4 隧道窑内的气体流动 6.5 隧道窑内的传热 6.7 倒焰窑 6.8 电热窑炉,6.1 概述,圆窑（馒头窑） 方窑 隧道窑 阶级窑 龙窑 抽屉窑（梭式窑） 钟罩窑 蛋形窑,6.2 隧道窑的工作系统,工作系统又称工作流程，是指窑内气体输送系统，即气体流向及其有关的设备。排烟系统，气体搅动系统，冷却系统 目前用有最多的是单通道、明火焰、窑车隧道窑。 任何隧道窑可以分三带： 预热带、烧成带、冷却带,隧道窑的分带,预热带预热过程：车上坯体与来自烧成带燃料燃烧产生的烟气接触，逐渐被加热，完成
2、坯体的预热过程。 烧成带烧成过程：坯体借助燃料燃烧所释放出的热量，达到所要求的最高烧成温度，完成坯体的烧成过程。 冷却带冷却过程：高温烧成的制品进入冷却带，与从窑尾鼓入的大量冷空气进行热交换 ，完成坯体的冷却过程。,隧道窑工作流程,明焰隧道窑工作系统,气幕,概念：气幕是指在隧道窑横截面上，自窑顶及两侧窑墙上喷射多股气流进入窑内，形成一片气体帘幕。 气幕分类：（按照其在窑上作用和要求的不同分） 窑头-封闭气幕 预热带-循环搅动气幕 烧成带-氧化气氛幕 冷却带-急冷阻挡气幕,封闭气幕,位于预热带窑头 目的：窑头形成12Pa的微正压，避免了冷空气漏入窑内。将气体以一定的速度自窑顶及两侧墙喷入，成为一
3、道气帘。,循环搅动气幕,位于预热带，一般设置2-3道扰动气幕 工作过程：以一定量的热气体以较大的流速和一定的角度自窑顶一排小孔喷出，迫使窑内热气体向下运动，产生扰动，使窑内温度均匀。气流喷出角度垂直向下，或以一定角度逆烟气流动方向喷出。,氧化气氛幕,在烧还原气氛时，为使坯体在900前充分氧化，还原带前必须要有氧化带，因此在气氛改变的地方，9501050处设氧化气氛幕。即在该处由窑顶及两侧窑墙喷入热空气，使之与烧成带来的含一氧化碳的烟气相遇而燃烧成为氧化气氛。,急冷阻挡气幕,位置：急冷气幕设于冷却带始端 作用： 1)坯体在700以前应急冷，缩短烧成时间。提高制品质量。 2)阻挡气幕，防止烧成带烟
4、气倒流至冷却带，避免产品熏烟 。 结构：同封闭气幕,优点,烧成带微正压，无冷风漏入，温度高，气氛稳定，预热带负压小，漏气量较小，温差较小，气氛气幕、急冷气幕保证气氛实现。,6.3 隧道窑的结构,窑体：隧道窑系统的主要部分，窑体上设有各种气流进出口。 窑内输送设备：窑车与窑具。 燃料燃烧系统：包括燃料输送管道、燃料预热、燃烧器等。 通风设备：包括排烟系统、气幕搅动系统和冷却系统。其作用是使得窑内气流按一定方向流动。,6.4 隧道窑内的气体流动,隧道窑的工作原理包括三个部分：燃料燃烧、气体力学和传热。 6.4.1 各种压头对气体流动影响 影响因素：位压头（几何压头），静压头，动压头和阻力损失压头。
5、 意义：是窑内1m3热气体比窑外1m3空气多具有的能量，是相对能量。,窑内气体运动的规律,长度方向上（即窑内气流的主要流向）:由冷却带到烧成带，再到预热带。它是由于排烟机或烟囱的负压造成的。 高度方向上：气体由下向上的流动。它是由热气体的位压头造成的。,A 位压头,隧道窑是和外界相通的，窑内热气体的密度小于外界冷空气的密度，窑内有一个高度，所以窑内一定有位压头存在。 h位=（空-热）gH 对气体流动的影响：使气体由下向上流动，温度升高，位压头增大，上流趋势增大。,因为： 烧成带温度高于预热带和冷却带， 所以：有热气体从烧成带上部流向预热 带和冷却带， 同时有较低温度的气体自该两带下部回流至烧成
6、带，形成两个循环。,流速分布,预热带：上部主流和循环气流方向相同。下部主流和循环气流方向相反。 预热带垂直断面：总的流速是上部大而下部小。 冷却带：上部主流和循环气流方向相反。 下部主流和循环气流方向相同。 冷却带垂直断面：总的流速是上部小下部大。,如何使窑内上下气流均匀,排烟系统及抽热风系统工作时：预热带烟气应从下部抽出，以提高下部气流速度，使下部温度升高，均匀上下温度。冷却带应从上部鼓冷风，使上部气流速度大，冷空气从上部流动，使冷却均匀。,产生预热带气体分层及上下温差的原因,气体分层最严重是的预热带，是因为： 1.预热带负压操作，从不严密处漏入冷风； 2.上部拱顶空隙大，阻力小，位压头作用
7、大； 3.窑车吸热量大，降低了下部温度。,解决办法,1.从窑的结构上 2.从窑车结构上(减少窑车吸热) 3.从码坯方法上(适当稀码，上密下稀) 4.在预热带许多温度点装设高速调温烧嘴,B 静压头,引起原因：由于排烟、鼓风、抽风等使窑内外压强不等。鼓风处正压，抽风处负压。 h静=p热-p大气 结果：气流方向有高压向低压流动。 零压位：窑内绝对压强等于窑外绝对压强，仍有气体流动。,窑内位压对静压头的影响,取一垂直截面，根据伯努力方程式，如果不考虑断面上的上下动压变化，则： h上位+h上静= h下位+h下静这两者是如何转变？,零压带,任一垂直断面上，上部静压总是大于下部静压，最多也只能出现一条零压线
8、。 零压带为一倾斜平面，上部偏向预热带，下部偏向烧成带。中部零压在两带交界面附近。最理想的压强控制操作是将窑内维持为零压，但是办不到。只能将窑内的关键部位烧成带与预热带的交界面附近维持在零压左右。,零压位控制,预热带烧成带零压位控制在二带交界处。零压位前移，烧成带正压过大，烧成带正压过大，则大量热气体逸出窑外，热损失增大，烧坏窑车，影响运行，恶化操作条件。零压位后移，预热带负压过大，大量冷风漏入窑内，上下温差增大，排烟机负荷增大，烧成时间延长，燃耗增大。,C 动压头,原因：窑内存在静压差，气体由高压区向低压区流动。 结果：静压头转变为动压头，然后损耗于压头损失。 h动=1/2 热v2水平流动是
9、窑内起主导作用的运动形式，水平流速提高，有利于窑内温度均匀和强化窑内的对流换热。各种搅动气幕和循环装置就是利用动压头即喷出速度来，减小上下温差，均匀窑温。,D 压头损失,窑内气流阻力包括： 1.摩擦阻力2.局部阻力3.料垛阻力,设计或操作窑炉时，应尽量降低窑内气流阻力 a. 适当缩短窑长 b. 合理稀码料垛 c. 提高窑炉密封性，减少漏气 d. 尽量使上下温度均匀,6.4.2 料垛码法对流速和流量的影响,就料垛每一条气体通道而言，可以按磨擦损失来考虑，用方程式表示如下：在1m长的料垛中，可以认为各通道长度相等，损失的压头也相等。,由式可得，通道中的气体流速与该通道的当量直径的0.5次方是成正比
10、的。通道直径越大，其流速也越大。 气体的流量则：必须合理码垛，通道分布均匀合理，气流分布合理。,6.5 隧道窑内的传热,1.制品和窑墙(顶)内部传热为传导传热。 2.气体与制品、窑墙(顶)之间的传热 预热带：对流传热与辐射传热。（废气加热） 烧成带：辐射传热为主。（高温火焰加热） 冷却带：对流传热为主。（空气冷却） 3.制品与窑墙(顶)之间的传热：辐射传热。,有益传热：烟气将热量以对流辐射方式传给制品两面，制品再以不稳定导热方式向内部传递热量，使产品烧结。 有害传热：烟气将热量以对流辐射方式传给窑体，窑体以稳定导热方式传导给窑外壁，外壁再以对流辐射方式传热给周边环境。,A 隧道窑内的气体对流传
11、热,对流传热是隧道窑预热带和冷却带的主要传热方式。要快速烧窑，提高对流传热是一个有效的途径。,增大对流传热途径,1.扩大传热面积(使所有表面均为加热面) 2.提高温度差(如何提高？) 3.提高对流传热系数 (增加窑内气体循环；采用高速烧嘴；取消匣钵；稀码料垛。),B 气体辐射传热,烧成带及预热带高温段是以气体辐射传热为主。气体辐射是分子辐射，在整个体积内进行，和辐射层厚度有关，辐射层厚度又和通道当量直径有关。 因此， 稀码可以提高辐射能力，加速烧成。,C 综合传热,预热带和烧成带内气体传给制品的热量为： 1.气体以对流和辐射方式将热传给匣钵外表面。（并联） 2. 匣钵外表面以导热方式将热传给内
12、表面。 3.匣钵内表面以辐射方式及钵内气流以对流方式将热传给制品。（并联） 以上三种传热是串联传热。,匣钵对传热的影响,匣钵装烧的目的：防止火焰直接冲刷制品，减少污染和变形。 匣体装烧的缺点： 1.使气流的对流换热系数减小，匣内对流为缓慢的自然对流； 2.在气体对制品的辐射传热中起遮热罩的作用，削弱了有益传热。故应尽可能取消匣钵，采用无匣裸烧，以达到快烧和降低能耗的目的。,6.7 倒焰窑,倒焰窑工作流程 1-窑室；2-燃烧室；3-灰坑；4-窑底吸火孔；5-支烟道；6-主烟道；7-挡火墙；8-窑墙；9-窑顶；10-喷火口,倒焰窑,其名称是由火焰流动情况而获得。燃烧所产生的火焰都从燃烧室的喷火口上
13、行至窑顶，由于窑顶是密封的，火焰不能继续上行，在走投无路的情况下，就被烟囱的抽力拉向下行，经过匣钵柱的间隙，自窑底吸火孔进支烟道，主烟道，最后由烟囱排出。 因为热气体重度轻，总是浮在上面，所以人们习惯把火焰从下到上称为“顺”。而把由上向下流动的火焰称为“倒”这就是“倒焰窑”称呼的由来。,6.7.1 倒焰窑内气体流动,自然通风的倒焰窑，由于燃烧产物由煤层上升至窑顶时位压头转化为静压头，使窑顶静压为正压；燃烧产物由窑顶倒流至窑底时，静压需克服流动时阻力，静压逐渐转为零。零压面一般在窑底平面。,6.7.1 倒焰窑内的传热,窑内传热特点 1.升温时，制品、窑墙、窑顶同时都吸收热量，升高温度，使制品达到
14、烧成，窑墙、窑顶一边蓄热，一边散热。 2.冷窑时，制品、窑墙、窑顶同时冷却，放出热量。 倒焰窑传热属于不稳定传热。 低温阶段以对流传热为主 高温阶段以辐射传热为主,6.8 电热窑炉,电炉是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热能，电热窑炉特点 ： 热效率高； 产品质量高，能够选择气氛焙烧； 设备简单，占地面积小； 无局部高温，温度场均匀； 操作简单，环境清洁； 附属电器设备比较复杂，购置费用和维护费用较高； 有些电热元件要在一定的保护气氛下使用。,电热窑炉分类,电阻炉 感应炉 电弧炉 电子束炉 等离子炉 微波炉,电阻炉,电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加
15、热的工业炉。 电阻炉分类 （1）间歇式操作的电阻炉：箱式电阻炉、井式(立式)电阻炉 （2）半连续式操作的电阻炉：钟罩式电阻炉、台车式电阻炉 （3）连续式操作的电阻炉：窑车式电热隧道窑、推板式电热隧道窑、辊底式电热隧道窑、传送带式电阻炉、链式电阻炉,发热元件,电阻炉按炉温的高低可以分为低温（工作温度低于700）、中温（工作温度为7001250）和高温（工作温度大于1250）三类。 炉温在1200以下，通常采用镍铬丝、铁铬钨丝，炉温为13501400时采用硅碳棒；炉温为1600可采用二硅化钼棒为电热体。,2018/8/19,常见硅钼棒形状,热电偶,主要作用除了测试窑内温度之外，还能在烧制时记录连续
16、升温以及恒温的情况。 热电偶温度计可随时掌握窑内温度的变化情况而避免人为的误差。 铂铑热电偶采用贵金属高纯铂金为负极，铂铑合金为正极。,感应炉,利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。在感应炉中的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热的效果。 交变电流交变磁场涡流（感应电流）生成热,等离子炉,利用等离子体能量而进行加热的一种电热炉 。 等离子体：经过高电压放电而发生电离后的气体， 低温等离子体和高温等离子体。 特点：由于其内的等离子体利用了一部分的电离能，故而很容易达到其他普通窑炉不易达到、甚至不能够达到的高温，一般可以达到10000以上的高温。,微波烧结炉,微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波。 微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。它同传统的加热方式不同。 传统的加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传递。 而微波烧结则是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，是一种“体加热”的方法。,微波加热方法优异之处,低温烧结 快速烧结 选择性烧结,例,利用微波烧结工艺在1600制备MoSi陶瓷与热压烧结相比，烧结温度降低50，烧结时间大大缩短，同时所得烧结样品晶粒更细，致密性更好。刘红书微波烧结ZrO2/SiCw-MoSi 复相陶瓷及性能研究. 南昌航空大学 2008,
