1、 第 1 页22m31700氧化锆制品梭式窑设计计算说明书专业班级：材料 0903 班姓名学号：赵春阳 23#指导教师：高里存摘要：梭式窑也称往复窑或台车式窑，是从传统的倒焰窑演变而来，在烧制小批量、高附加值、高科技陶瓷产品以及实验室规模或试验规模陶瓷新产品的小试、中试等方面有一定的优势。本次设计的 22m3 氧化锆制品梭式窑，最高烧成温度为 1700，内高 1.2 米，内宽 2.436 米，采用 60 度的拱中心角，窑体总长度为 8.26 米。窑墙由三种耐火材料组成，从内到外分别为刚玉砖、轻质硅砖、红砖，厚度分别为 232mm、580mm、232mm。窑顶从内到外分别为刚玉砖、泡沫氧化铝砖、
2、高炉矿渣和红砖，厚度分别为272mm、136mm、108mm、53mm。选用 3 个长为 2.5 米的窑车，设置 3 对先进的高速调温烧嘴，高速调温烧嘴采用立体交错的方式布置在窑体的侧墙上，在窑体高度方向上，高速烧嘴往往是设置在梭式窑的偏上部，这样的布置就在窑内形成一个循环旋转气流，使气流温度分布更均匀。关键词：氧化锆，梭式窑，窑墙，窑顶，烧嘴第 2 页目 录1 窑体结构及主要尺寸的设计计算 .41.1 梭式窑内高的确定 .41.2 梭式窑内宽的确定 .41.3 拱中心角的选择 .41.4 梭式窑总长度的确定 .42 窑体砌筑体的设计 .52.1 砌筑体材质的选择 .52.1.1 窑墙 .52
3、.1.2 窑顶 .52.1.3 窑车 .52.2 砌筑体尺寸的确定 .62.2.1 窑墙尺寸的确定 .62.2.2 窑顶尺寸的确定 .72.3 膨胀缝 .82.4 砌砖数量的确定 .92.5 加砂管 .93 燃料燃烧计算及燃料设备的选择 .93.1 燃烧计算 .93.2 烧嘴的选型及布置设计计算 .124 小结 .13参考文献 13第 3 页梭式窑是从传统的倒焰窑演变而来，故而属于“间歇式” 或“半连续式”窑型。在陶瓷烧成以及耐火材料烧成方面，尽管目前大规模工业化生产使用的窑炉是隧道窑以及更为先进的辊道窑，但是由于梭式窑对所烧成制品的适应性较强，可以适应不同尺寸、不同形状、不同材质制品的烧成，
4、所以它特别适合于小批量、多品种产品的生产，使其满足市场多样化的需求。下面将详细介绍本次设计的 22m3 1700烧成氧化锆制品梭式窑。原始资料：（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：1700（6） 燃料的种类及组成：重油重油组成为：% Cy Hy Oy Sy Wy Ay85.5 11.5 0.5 0.5 2.0 -重油比热为：2.01878+0.003222（t 油 -100）kJ/kg （7） 空气过剩系数：=1.11.15（8） (8)燃料消耗量： 160kg/h（9） 当地气象
5、条件：夏季平均温度 27，年平均大气压力 96000Pa第 4 页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。对于氧化锆制品梭式窑来说，由于其荷重软化温度和它的烧成温度接近，砖跺高度不宜太高，故其窑内高通常在 1 米左右。砖跺上下所允许的温差也是考虑窑内高时应注意的影响因素之一。窑高增加，上下温差加大，容易造成烧成质量不均匀。综合考虑后，将窑内高定为 H=1.2m1.2 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/H2,其中 B 为窑的内宽
6、，经查表附录一圆整的B=2436mm。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 度的拱中心角，查热工课程设计指导书附录 2 可准确确定拱顶尺寸：跨度 B=2436mm，半径 R=2436mm，矢高 h=326mm。1.4 梭式窑总长度的确定由上可知，B
7、= 2.436m，H=1.200m，h=0.326m，V=22m 3。第 5 页梭式窑总长度 L= ，式中： F 为窑横截面积VF=60R2/360-1/22.436(2.436-0.326)+(1.2-0.326)2.436=2.665m2代入公式 L= =8.26mF即确定梭式窑的总长度 L=8.26m2 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 17002.1.1 窑墙设置三层窑墙，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 1700，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，
8、从内到外分别为刚玉砖、轻质硅砖、红砖。温降分别为 1700、1550、600、120。2.1.2 窑顶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、高炉矿渣。温降分别为 1700、1500、500、120。在窑顶表面平铺一层红砖以便行走。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，所以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第 6 页的车台面，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
9、用长为 2.5 米的窑车，数量 3 个。窑内有效容积：22m 3。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。所以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 23mm。标准耐火砖尺寸为 23011365 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表格中查出。窑顶厚度也可用同样的方法计算，常用的标准拱中心角为 60和 90，拱厚为 230300 毫米。吊拱顶厚 2303
10、00 毫米，吊平顶厚 200250 毫米。根据公式 q=(t 内 t 外 )/ 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=1370 kcal/m2h=1592w/m2，耐火材料的导热系数可查附录 7 和附录 8：刚玉砖： 1 =2.90-0.5810-3t=2.90-0.5810-31625=1.958w/m1 =1(t 内 t 外 )/q=1.958150/1592=184mm查附录 5，圆整 1 =232mm验证：将 232mm 代入上式得： =1511，t第 7 页= 100%=2.5%4%1t(5
11、01)轻质硅砖： 2=0.465+0.46510-3t=0.465+0.46510-31075=0.965w/ m2 =2 (t 内 t 外 )/q=0.50950/1592=576mm查附录 5，圆整 2=580mm验证：同理将 580mm 代入得： =593，t= 100%=1.2%4%2t(6093)红砖： 3：0.71.2，取 3=0.75w/ m 3 =3 (t 内 t 外 )/q=0.75480/1592=226mm查附录 5，圆整 3=232mm验证：同理得 =108，3t= 100%=2%4%3t(1208)6结果分析：经以上计算和验证所得数据均满足 4%以内相对误差2.2.2
12、 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/m2h=1860w/m2 ，耐火材料的导热系数可查附录 7和附录 8：刚玉砖： 4 =2.90-0.5810-3t=2.90-0.5810-31600=1.972w/m4 =4 (t 内 t 外 )/ q=1.972200/1860=212mm查附录 5，圆整 4=272mm验证：将272mm代入上式得： =1443，t第 8 页= 100%=3.7%4%4t(1504)泡沫氧化铝砖： 5 =0.25w/m5=5 (t 内 t 外 )/ q=0.251000/1860=134
13、mm查附录 5，圆整 5=136mm验证：同理将 136mm 代入得： =483mm，t= 100%=3.4%4%5t(0483)高炉矿渣: 6=0.531.2， 取 6=0.53 6=6 (t内 t 外 )/ q=0.53380/1860=108mm红砖： 7=53mm2.3 膨胀缝 mm窑体砌筑必须留有膨胀缝，尺寸在砌筑体长度中不必另加。几种常用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 56mm/m硅砖砌体 12mm/m镁砖砌体 1012mm/m高铝砖砌体 68mm/m工作温度低于 800的类粘土砖砌体，红砖，硅藻土砖砌体可以不留，当过长时可以留设。膨胀缝的位置
14、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。第 9 页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 35 砖夹 23 毫米油毡纸。2.4 砌砖数量的确定当采用标准尺寸的耐火砌筑时，每 m的用砖量为：T-3(230 )砌体 550 块/米 36513红砖砌体，红砖(240 ) 550 块/米 31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
15、相应的 1 宽标准砖找平。22.5 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可以。3 燃料燃烧计算及燃料设备的选择3.1 燃烧计算已知：重油组成为：% Cy Hy Oy Sy Wy Ay85.5 11.5 0.5 0.5 2.0 -空气过剩系数：=1.11.15第 10 页解：=1.10（1）燃烧所需理论空气量为Va0=VO20 1=( + + ) 22.4
16、C4H3S210=10.67Nm3/kg实际空气量为Va=Va0=1.110.67=11.74Nm3/kg每小时燃料燃烧所需空气量为V=11.74160=1878.4Nm3（2）理论烟气量为V0 =（ + + + + )22.4+ Va012CH8W32SN179=（0.07125+ 0.0575+0.011+0.000156)22.4+8.43=11.34Nm3/kg实际烟气量为V= V0+（1）Va 0=11.34+（1.11）10.67=12.41Nm3/kg（3）烟气组成百分数计算CO2= 100%=12.86%VC4.1H2O= 100%=10.58%W.2)(18SO2= 100%
17、=0.028%VS4.3第 11 页N2= =74.75%Va79%O2=（1）Va 021%/V=0.181%实际燃烧温度的计算：重油比热为：2.0178+0.003222（t 油 -100）kJ/kg，重油温度和空气一样为 20，即 Cf =1.76 kJ/kg低位发热量 Qnet=32793C+98320 H-9100(O-S)-2450W=39295.815 kJ/kg理论燃烧温度 tth= (Qnet+Cftf+ Va Cata) /VC=（39295.815+1.761.29620）/1.2407C即 12.407C tth =39635.316设 tth=2000，查表知重油燃烧
18、产物平均比热容 C=1.67，则Q=12.4071.672000=41439.38设 =1800 ，查表知重油燃烧产物 平均比热容 =1.65，则th C=12.4071.651800=36848.456Q此时， 值必定在 与 之间，可用“内插法” 求 值 ththt th即 = ， =1906.61ttht取 0.75实际燃烧温度 tp= tth=1429.96设计中要求最高烧成温度为 1700，实际计算得出的最高燃烧温度为1429.96，比设计中的最高烧成温度低，可以通过预热空气温度来达到提高实际烧成温度的目标。对空气进行预热（利用余热） ，设预热到 600，则由tth=tth= (Qne
19、t+Cftf+ Va Cata) /VC第 12 页查热工设计指导书附录 3 知，600时 Ca=1.3837kJ/Nm3，代入数据，得 12407Ctth=49077.8设 tth3=2400，查表知重油燃烧产物平均比热容 C3=1.71，则Q3=12.4071.712400=50918.328设 tth4=2200，查表知重油燃烧产物平均比热容 C4=1.69，则Q4=12.4071.692200=46129.226此时 tth 必在 tth3 与 tth4 之间，用 “内插法”求 tth= , tth=2323.1434tht34所以，实际燃烧温度 tp=0.752323.14=1742
20、1700，满足要求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2.1108W/ 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，这样既可以实现安全快速的加热，又可以降低烟气排除的温度
21、，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，喷出的速度通常在 70m/s 以上，高达 200300m/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。第 13 页4 小结本次热工课程设计时间为三周，经过设计计算、绘制梭式窑剖面图、撰写设计计算说明书这三个阶段。三周的时间转眼即逝，但这短短三周时间的课程设计使我受益匪浅，不仅仅是学习到了相关的专业知识、方法，而且明白了学业必须要有谦虚谨慎的态度，还要有持之以恒的耐心，而且深切感受到老师们的敬业态度，这种
22、精神很值得我们学习。此外，通过这一次的锻炼，现在已经可以识图，认图，知图，相信无论是以后的工作还是学习，我都能从这次设计中受益。这次的设计计算说明书经过细心地编写，由于自己能力有限，其中还有很多不足之处，希望老师批评指正。我相信这次课程设计将会在我日后的学习生活中起到不可替代的作用。最后，向我的指导老师高里存老师以及马林老师等致以真诚的谢意，感谢他们三周来的耐心指导、帮助和教诲。在这里道一声你们辛苦了。当然也要感谢同学给予的帮助和支持！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，20053 材料工程基础 徐德龙，谢峻林主编，武汉理工大学出版社，20084 硅酸盐工业热工过程及设备姜金宁主编，冶金工业出版社，19945 山东陶瓷 2004 年第 27 卷第 3 期
