超宽体辊道窑结构的设计

谭映山 ，陈 凯 ，邹正红 ，曾令可

（1.广东中窑窑业股份有限公司，广东 佛山 528226；2.华南理工大学材料学院，广东 广州 510640）

0 引 言

在能源危机日益严峻的今天，国家对工业能源消耗及污染的控制不断加强，陶瓷行业面临越来越大的节能减排压力，如何有效地减少能源消耗，降低有害废气的产生及排放，特别是陶瓷窑炉等热能消耗设备的优化改进，已成为各陶瓷企业的当务之急。我国自二十世纪80年代引入辊道窑至今，通过技术引进消化吸收后获得长足的发展，由单线生产规模发展到多线生产，长度由几十米发展到现在的300-500 m，内宽从1 m左右发展到3 m以上，产量更是成倍甚至十几倍的增加。从依靠进口窑炉设备到大量出口国外，占领国外市场。在资源有限、成本高涨等不利条件下，宽体节能辊道窑的优势更不断显现出来，宽体窑的研制开发成为了中国窑炉未来发展的主流方向之一。

1 超宽体辊道窑的设计

宽体窑炉，主要是指内宽3 m以上的陶瓷窑炉。多年来，我国陶瓷行业中采用的窑炉内宽大部分是在2.5 m左右，超过3m的宽体窑炉只是在最近几年才出现，中窑公司已开发建造上百条的超级节能辊道窑，窑宽在3 m以上，最长为429 m，可生产800×800 mm微粉砖35000 m2/d。因为窑炉的宽度增加，容易造成窑内截面温差增大、烧成时间控制难、产品走砖紊乱、制品出现色差等，使制品烧成质量下降。本设计针对超宽体窑内温差的减小和快烧烧成技术等关键问题，从超宽体窑炉结构设计上进行解决。

1.1 超宽体辊道窑的主要工艺指标

主要设计工艺技术指标如表1所示。

1.2 物料平衡

所设计超宽体辊道窑各相关工艺产量如表2所示。

1.3 各工段生产能力计算及设备选型

1.3.1 超宽体素烧窑前干燥器选型

砖坯干燥是快速烧成的保证，经过干燥后的砖坯水份必须控制在1%以下。干燥热源为窑炉余热，干燥温度为80-180 ℃。

表1 主要工艺指标Tab.1 Main technical parameters

表2 各生产工段产量Tab.2 Output of each production section

(1)内宽

对300×600 mm产品，每次单排进10片，选素烧窑前干燥器的内宽为3450 mm。

(2)有效长度

设计为单层干燥器，以干燥周期 15.5 min为计算依据，砖坯间距为 20 mm，产品收缩率为1% 。

⑶生坯尺寸：310×613 mm

纵排块数=日产量×干燥周期÷横向块数÷产品面积÷24÷60=54, 600×15.5÷10÷0.18÷24÷60=327 块干燥器窑长=纵排块数×(生坯+砖坯间距)=327×633=205, 683 mm

设计辊棒直径为65mm，辊棒间距为86.4mm，每节单元节数为2160 mm，共选用96节，则素烧窑前干燥器长度为207,360mm。分开两条素烧窑前干燥，每条产量为26,000 ㎡/天，则素烧窑前干燥为48 节，长度为103, 680 mm。

超宽体素烧窑前干燥产量计算如表3所示。

1.3.2 素烧超宽体辊道窑选型

素烧超宽体辊道窑是内墙砖陶瓷产品生产过程中素坯烧成的重要设备，它在生产过程中对素坯的产量、质量、档次起决定性的作用。窑炉的规格和各种工艺参数将影响着素坯生产是否平衡，素烧坯体质量高低，能耗大小的问题。设计烧成温度为1180 ℃，最高使用温度为1250 ℃。

(1)内宽

对300×600 mm产品，每次单排进10 片，选用内宽为3450 mm的素烧窑。

(2)有效长度

以烧成周期 29 min为基准计算，成品率为98% ，砖坯间距为20 mm，产品收缩率1%。

生坯尺寸：310×613

纵排块数=日产量×烧成周期÷横向块数÷产品面积÷24÷60

=54, 600×29÷10÷0.18÷24÷60=611 块

烧成窑长=纵排块数×(生坯+砖坯间距)=611×633=374, 543 mm

设计辊棒直径为65 mm，辊棒间距为86.4 mm，每节单元节数为2160 mm，共选用179节，则烧成窑长度为386, 640 mm。超宽体素烧辊道窑产量计算如表4所示。

表3 素烧窑前干燥产量计算表(以300×600 mm规格砖计算)Tab.3 Output calculation for drying before biscuit firing (based on 300×600 mm tile)

1.3.3 超宽体釉烧辊道窑窑前干燥器选型

砖坯干燥是快速烧成的保证，经过干燥后的砖坯水份可控制在1%以下。

(1)内宽

对300×600 mm产品，每次单排进10 片，选釉烧窑前干燥器的内宽为3450 mm。

(2)有效长度

设计为单层干燥器，以干燥周期8分钟为计算依据，砖坯间距为 20 mm，产品收缩率0%。

生坯尺寸：310×613

纵排块数=日产量×干燥周期÷横向块数÷产品面积÷24÷60

= 53,040×8÷10÷0.18÷24÷60=164 块

干燥窑长=纵排块数×(生坯+砖坯间距)

=164×629=103, 156 mm

设计辊棒直径为65 mm，辊棒间距为86.4 mm，每节单元节数为2160 mm，共选用48 节，则釉烧窑前干燥器长度为103, 680 mm。超宽体釉烧辊道窑窑前干燥产量计算如表5所示。

1.3.4 超宽体釉烧辊道窑选型

超宽体釉烧辊道窑是内墙砖陶瓷产品生产过程中最关键的设备，它在生产过程中对最终产品的产量、质量、档次起决定性的作用。窑炉的规格和各种工艺参数将影响着最终生产是否平衡，质量高低，能耗大小的关键问题。

(1)内宽

对300×600 mm产品，每次单排进10片，选用内宽为3450 mm的釉烧窑。

(2)有效长度

以烧成周期30 min为基准计算，成品率为98% ，砖坯间距为20 mm，产品收缩率0% 。

生坯尺寸：307×609 mm

纵排块数=日产量×烧成周期÷横向块数÷产品面积÷24÷60

= 53, 040×30÷10÷0.18÷24÷60=614 块

烧成窑长=纵排块数×(生坯+砖坯间距)

=614×629=386, 206 mm

设计辊棒直径为65 mm，辊棒间距为86.4 mm，每节单元节数为2160 mm，共选用179 节，则烧成窑长度为386, 640 mm，超宽体釉烧辊道窑窑炉产量计算如表6所示。

2 超宽体辊道窑结构上的特点

超宽体辊道窑的宽度增大，无形中长度也相应增加。窑长的增加对窑内气体的流动、窑压的分布、温度梯度、窑内气氛及砖坯的运动等都有很大的影响。为了保证烧成质量，故在窑炉的结构及工艺制度的选择上非常关键，下面把关键区段的结构设计简图列出。

2.1 低箱排烟预热带窑体结构

低箱排烟预热带窑体结构如图1所示。

表4 超宽体素烧辊道窑产量计算表(以300×600mm规格砖计算)Tab.4 Output calculation of super-wide roller hearth kiln for biscuit firing (based on 300×600mm tile)

表5 超宽体釉烧辊道窑窑前干燥产量计算表(以300×600mm规格砖计算)Tab.5 Output calculation for drying before glaze firing in super-wide roller hearth kiln (based on 300×600mm tile)

表6 超宽体釉烧辊道窑窑炉产量计算表(以300×600 mm规格砖计算)Tab.6 Output calculation of super-wide roller hearth kiln for glaze firing (based on 300×600 mm tile)

2.2 高箱预热带(拱顶)窑体结构

高箱预热带窑体结构如图2所示。

2.3 高温段烧成带窑体结构

高温段烧成带窑体结构如图3所示。

2.4 急冷段窑体结构

急冷段窑体结构如图4所示。

2.5 冷却带缓冷段窑体结构

冷却带缓冷段窑体结构如图5所示。

2.6 冷却带直冷、缓冷段窑体结构

冷却带直冷、缓冷段窑体结构如图6所示。

3 超宽体辊道窑设计特点

3.1 结构上特点

3.1.1 窑顶结构上的特点—平顶、拱顶结合

图1 低箱排烟预热带窑体结构简图Fig.1 Rough structure sketch for preheating zone for low flue exhaust box

图2 高箱预热带窑体结构简图Fig.2 Rough structure sketch for preheating zone with high flue exhaust box

图3 高温段烧成带窑体结构简图Fig.3 Rough structure sketch for high-temperature firing zone

图4 急冷段窑体结构简图Fig.4 Rough structure sketch for rapid cooling section

图5 冷却带缓冷段窑体结构简图Fig.5 Rough structure sketch for slow cooling section

图6 冷却带直冷、缓冷段窑体结构简图Fig.6 Rough structure sketch for cooling zone with rapid and slow cooling sections

图7 生产中的超宽体辊道窑Fig.7 Super-wide roller hearth kiln in operation

早期辊道窑多数采用平顶吊顶方式，施工方便、气流流动顺畅。气流的流动靠布置一定的挡火墙及闸板以改变气流的流动及气流的搅拌，但由于窑通道矮，30-50 cm，故气体流动阻力大。特别在烧成带，通道不高，降低热辐射厚度，因在高温段的传热方式以辐射传热为主，约占80%左右，故热效率低。本公司经过多年的实践经验总结，认为宽窑的高温段采用拱顶结构，可增加辐射层厚度，大大地有利辐射传热。拱顶结构的传热有利于烧成带温差的减小，而在低温段采用平顶结构，有利于低温段温度的均匀，特别是把这两种窑顶结构相结合，更有利于窑内气流的搅拌和温度的均匀，减少窑内温差。窑顶结构多样化，拱顶、吊顶、吊拱顶、吊板，可最大限度杜绝窑顶落脏，延长窑炉寿命，减少窑炉的维修。

3.1.2 窑墙结构优化

采用合理的窑墙结构和优质耐火材料，可减少窑壁的散热、减薄窑壁厚度、减少辊棒长度，或辊棒长度一定情况下，可增加窑内有效的宽度。本设计采用节能模块是比利时(Promat)产品，其具有质量轻、导热系数小的特点，不但可减薄窑墙厚度，而且窑墙的蓄散热量大大减少，窑外壁温度60 ℃以下，可节能16%左右。

3.1.3 高强度辊棒或异型辊棒采用

高强度辊棒或异型辊棒采用，可减少高温下砖的变形，提高产品质量。特别是异型辊棒的使用，使窑内走砖平直，砖变形小，提高产品成品率。生产实践证明，烧成后制品出窑情况，出砖整齐、平直。

3.2 超宽体辊道窑采用的烧成技术

3.2.1 适用的烧嘴是关键

本设计中采用具有自主知识产权的新型、高效、节能型小流量等温烧嘴。有效地解决超宽体窑的断面温差，实现窑内断面温差的精确控制。

3.2.2 长、短火焰烧嘴的科学搭配

在烧嘴安装方面，采用长、短火焰烧嘴科学合理的搭配。长火焰有利于窑中心温度的均匀；短火焰有利于窑内靠近两侧墙温度的均匀。实现温度在窑内的均匀分布，达到减小断面温差的目的。故在超宽体窑中烧嘴的型式及火焰长度、火焰温度场的控制十分重要。

3.2.3 充分利用余热加热助燃风

为了实现节能降耗目标，助燃风的预热非常关键。本设计采用本公司高效率助燃风加热技术，将冷却带的余热输送给助燃风，通过热交换等形式，把助燃风加热到150-250 ℃，节能可达8-12%。还把多余的余热送干燥窑或喷雾塔，不仅可以提高辊道窑的余热利用率，而且环保，可有效地节约能源。

3.3 其他

⑴标准分段模数预制。

⑵可以使用多种燃料，包括石油液化气、天然气、发生炉煤气、焦炉煤气、柴油和重油。

⑶45度斜齿轮传动，差速配置，分段控制，变频调速，既简单和平稳，又节约电耗。

⑷风机包括一、二级排烟、助燃、急冷风机、抽热风机、直冷风机、尾冷抽热风机等均选用节能型及变频控制。

⑸PID智能控制，温度自动调节，计算机自动监控，动态模拟显示，使窑炉的控制由经验型转化为数据化管理控制一体化。

4 超宽体窑的使用效果

由于超宽体辊道窑在结构设计上基本上集成了目前国内陶瓷窑炉上的新技术、新工艺，想方设法减少窑内的截面温差及影响烧成速度的因素。所建造的超宽体辊道窑接连投产，如在山东临沂新连顺陶瓷有限公司一次性投产成功，日产达到52600 m2以上，优级品率达97%，300×600 mm砖的能耗低于2.8 kg/m2，达到很好的工程和节能效果。

[1]柳丹, 谭映山, 等.适用于内墙砖烧成的宽体辊道窑的设计[J].陶瓷, 2013.

[2]谭映山, 陈凯, 等.宽体辊道窑的节能与碳减排核算[J].佛山陶瓷, 2014(12): 39-42.

[3]曾令可, 李萍, 刘艳春.陶瓷窑炉实用技术[M].北京: 中国建材工业出版社, 2010.

[4]曾令可, 张明, 王慧.陶瓷辊道窑宽断面需解决的问题[J].中国陶瓷工业, 2002, 9(1): 37-39.

[5]张明, 曾令可.辊道窑内动态温差产生的原因研究[J].华南理工大学研究生学报, 1997, 11(3): 141-145.