四、隧道窑的原理与结构

四、隧道窑的原理与结构隧道窑的特点隧道窑属连续式窑炉。其热工制度不随时间而变化，只与窑长有关。窑体各部位的温度也是稳定的。欲烧成的陶瓷坯体由其一端——窑头入窑后，在沿窑长运动的过程中，完成包括预热、焙烧、冷却等阶段在内的整个烧成过程，然后由出窑端——窑尾离窑。用于烧成陶瓷的隧道窑一般都是直形隧道。隧道窑隧道窑的种类很多，可以按不同原则分类如下：（1）按被烧制品的运载方式可分为：窑车式、辊道式、推板式、步进梁式、输送带式、桌式等。目前烧成卫生瓷的隧道窑以窑车式和辊道式最多。（2）按热源及热能转换方式可分为：燃烧燃料隧道窑和电热隧道窑。前者又可按燃料种类分为烧煤、烧油和烧煤气隧道窑。（3）现代隧道窑多为明焰隧道窑。按装烧方式可分为匣钵装烧，棚板装烧，明焰裸烧（露烧），当前的发展方向是明焰裸烧（露烧）、尽量少用窑具。（4）对连为一个整体的窑，按通道（即隧道）的多少可分为单通道及多通道隧道窑。（5）按隧道窑工作温度（烧成带最高温度）可分为低温（1100℃）、中温（1100～1300℃）、高温（1500～1800℃）及超高温（≥1800℃）四种。现代卫生陶瓷隧道窑的工作温度一般在1100～1300℃，属中温窑炉。分类依据特点窑名备注按热源分①火焰隧道窑以煤、煤气或油为燃料②电热隧道窑利用电热元件加热按火焰是否进入隧道来分①明焰隧道窑火焰直接进入隧道电热窑炉也有隔焰式（马弗窑），用隔焰板将电热元件和制品分开②隔焰隧道窑在火焰和制品间有隔焰板（马弗板），火焰加热隔板，隔焰板再将热辐射给制品③半隔焰隧道窑隔焰板上开有孔口，让部分燃烧产物与制品接触，或只有烧成带隔焰，预热带明焰表7-3隧道窑分类表分类依据特点窑名备注按窑内运输设备分①窑车隧道窑在隧道中托制品运动的是窑车亦简称隧道窑②推板隧道窑制品在运动的推板上简称推板窑③辊底隧道窑制品（或连同架子或托板）在辊道上运动简称辊道窑④输送隧道窑用耐热网带输送制品亦称网带窑⑤步梁隧道窑⑥气垫隧道窑按通道多少分①单通道隧道窑②多通道隧道窑隧道窑的分带隧道窑沿窑长方向通常分为三带：传统的分法制品入窑端到烧成带之间的区段称预热带，是把设有燃烧室的区段称烧成带，烧成带出窑端之间的区段称冷却带；一般隧道窑的工作系统图1-封闭气幕送风；2-搅拌气幕；3-排烟机；4-搅拌气幕送风；5-重油或煤气；6-烧嘴；7-雾化或助燃风机；8-急冷送风；9-送干燥热风；10-热风机；11-冷风机现代的隧道窑在预热带安装有燃烧器，原先的分带方法已不适应。此时按烧成温度进行分带，即把入窑端至800℃的区段称预热带，800℃至最高烧成温度的区段称烧成带。最高烧成温度至出窑端之间的区段称冷却带。冷却带还可根据对冷却速度的要求分为急冷段（烧成温度至800℃），缓冷段（800℃～400℃），最终冷却段（400℃以下）。隧道窑的工作系统与热工制度隧道窑的工作系统是指窑内气体的运动路线，包括送风系统、排烟系统等。隧道窑的热工制度是指沿窑长的温度分布和压力分布曲线以及各带的气氛要求。热工制度是按制品加热的工艺要求决定的，为了保证热工制度的实现，须有相适应的工作系统，也就决定了窑体结构、附属设备和管路布置。传统明焰隧道窑的工作流程1、封闭气幕送风2、搅拌气幕3、排烟机4、搅拌气幕送风5、重油或煤气6、烧嘴7、雾化或助燃风机8、急冷送风9、热风送干燥10、热风机11、冷风机明焰隧道窑基本上能满足陶瓷烧成要求。投资省，设备少。主要缺点：窑内上下温差大，特别是预热带温差可达数百度，搅拌气幕由于风温度低或风量不足，效果不大，因而烧成质量差。能耗高。窑内压力梯度大，漏风问题不易解决。传统隔焰隧道窑1.排湿2.排烟3.排风机4.热交换器5.风机6.抽出车下低温热风7.高温热风（可用于助燃）8.燃料（油或煤气）9.烧嘴10.火道11.助燃风机12，13.高温热交换器（SiC质）14.低温热交换器15.抽热风口16.热风机17.风机18.窖尾直接冷却19.风机20.送入车下的冷却风主要特点是焰气不进入工作通道,每侧燃烧烟气从每侧预热带烟口排出。为排除坯体水汽和分解产物，在预热带通道壁上开有排气孔（图中1）。由于排烟温度高，在窑顶上安设热交换器以回收排烟热量。从车下抽出的低温热风进入换热器升高温度后送干燥或助燃用。冷却带以间接冷却为主，窑尾送入部分直接冷风，从中部抽出。隔焰窑内隔焰板向制品的传热，属固体表面间辐射传热，由于辐射角系数的制约，窑宽一般不大。隔焰窑内呈强氧化气氛，当制品需要还原气氛烧成时，则需在隔焰板上开孔，供部分隔焰窑内焰气进入通道。现代明焰隧道窑1，2窑头封闭气幕3，排出废气4，燃气5，助燃空气6，急冷空气7，抽出热风8，窑尾冷却空气9，调节冷却速度的烧嘴现代明焰窑工作系统的主要特点是：（1）采用净化燃料明焰裸装烧成；（2）在烧成带两侧，垂直和水平交错布置多个小功率高速烧嘴，有利于强化窑内传热，均匀窑温和调节烧成曲线；（3）在预热带下部两侧水平交错布置多个小功率高速烧嘴，有利于控制预热带烧成曲线，降低窑内温差。（4）连续进车，一般不设窑门，而是在窑头设二道气幕阻隔（5）在预热带前部，分若干点集中排烟，有利于充分利用烟气热量。（6）在冷却带多采用直接冷却（也有直接与间接冷却相结合的），从窑墙两侧垂直和水平交错布置冷风喷口，高速喷入冷却风造成强烈横向循环气流均匀冷却制品，再由窑顶分散抽出热风，因此，冷却带是以循环气流为主，纵向气流较少。（7）采用高速调温烧嘴以控制缓冷区温度。主要优点是：（1）传热快速，烧成周期短，单位容积产量大，单窑产量高。（2）窑内温差小，产品质量高。（3）连续性强，易于自动化。（4）节能。隧道窑结构隧道窑主要由以下五个部分组成：窑体、窑车、燃烧系统、通风系统、附属设备及电控仪表。1、窑体一）窑体主要尺寸窑体主要尺寸包括窑体长度（有效长度），内宽，内高（有效高度）等。目前建筑卫生陶瓷隧道窑的长度在40～120m之间，一般来说，当断面宽、高尺寸一定，码窑方式和烧成周期不变时，增大窑长，则单窑产量扩大。但窑长增加后，窑内阻力成正比增大，要维持烧成带微正压则预热带负压也将随之成正比增大，漏风量和窑内上下温差都将增大，不仅电耗增加，而且产品质量变差，反过来又限制了产量的增大，同时长窑投资大，窑内气流阻力减少，投资减少，这是有利的，但产量也会有所下降，而且窑过短时，窑内温度曲线和气氛都不易调节，不易稳定。因此，一般认为隧道窑适宜的长度为70～80米左右。有效内宽和有效内高尺寸主要决定于制品的品种、规格（外形尺寸）、单窑产量、装载方法和窑内温度均匀性等。一般说来，当窑长和制品装窑密度一定时，增加内宽和内高，可提高窑的产量（即产量与有效断面积成正比）。但窑的高度增大时，窑内几何压力随高度成正比增大，窑内上下温差亦随之增大。而且装窑难度大，窑具用量多，故现代隧道窑趋向于降低内高，增大内宽（即所谓扁口窑、宽体窑），单层码放卫生瓷制品。思考?同一条窑，窑宽可以不同吗？同一条窑，窑高可以不同吗？隧道窑内宽（即两侧窑墙之间的距离）略大于其有效高宽，有的隧道窑，三带窑宽不相等，一般是烧成带扩大，也有将窑墙作成倾斜的，下宽比上宽大40mm左右，以有利于下部通风、传热。隧道窑的内高，即车台面至窑顶最高点的距离，也有三带不相等的，一般是烧成带加高。隧道窑烧成带内高和内宽加大，有利于降低纵向流速，延长火焰在烧成带停留时间，增大窑顶气流阻力，同时由于烧成带辐射传热的分量较大，增加内高和内宽，可使辐射气层厚度增加，强化了辐射换热，但砌筑较复杂。二）隧道窑的窑体构造特点（1）特点1）窑体由窑墙、窑顶和窑车台面组成长而直的工作通道。2）要承受高温和火焰冲刷。3）窑体不动而窑车移动，要保持良好的密封性能必须尺寸准确。4）窑体上设有燃烧设备、通风设备、砂封槽及测控仪表等，要求一定强度。（2）对窑体的要求1）寿命长。2）散热蓄热少，升温快。3）密封好。4）施工快，造价低。三）窑墙传统型隧道窑的窑墙通常分三层（或三层以上）综合衬砌；内层为耐火砖（1～2层），它的高温强度好但隔热性能差;中间为保温材料，它的隔热性能好，可减轻窑重量和厚度，但使用温度不高，强度也较低;外层为保护层，一般使用红砖。传统型窑墙厚度大，砌筑工程量大，每平方米面积质量大，因而蓄热多，每次烘窑升温和停窑降温均需要很长时间，浪费能源，这是它的主要弊端。层号厚度mm材料名称体积密度kg/m31126硅线石质砖24002126轻质高铝砖10503126轻质粘土砖8004116硅藻土砖450575隔热板3756126轻质粘土砖800传统型隧道窑的窑体材料及厚度（烧成带，内壁温度1250℃）现代陶瓷隧道窑由于窑墙不承受荷重，可以彩优质耐火隔热材料取代传统窑墙耐火砖层和保温砖层，在同样热阻的条件下，使窑墙厚度和每平方米窑墙的质量均大大下降。目前有组合型和全耐火纤维型两种结构形式。应当指出，隧道窑内壁温度沿长度变化很大，组合型和全耐火纤维型窑墙，在使用温度不同的各区段内，各种材质及其衬砌厚度，均应根据使用温度和传热利算确定。（四）窑顶窑顶有平顶和拱顶两种基本形式。（1）平顶现代隧道窑多采用平顶。平顶的优点是：a便于码窑，窑顶空隙高度小，有利于减少窑内气流分层。b没有横推力（但平拱顶例外）。平窑顶的构造有棚板式、吊挂式和平拱顶。1）棚板式棚板式受材料限制窑宽较小，窑温也不能太高，一般多用在窑头窑尾低温部位。2）吊挂式吊挂式窑顶需要钢架和吊钩，金属用量大，但窑宽可不受限制，而且适宜于模块装配式窑，因此在现代隧道窑上用得较广。3）平拱顶它实际上是拱顶窑，只不过是中部拱顶砖加长形成的平拱。因横推力大，只能用于现场砌筑。其分析计算，可参照单心拱顶。平顶窑吊挂式窑顶平拱顶（2）拱顶拱顶的优点是，结构严密、坚固，节约钢材，投资少。缺点是，窑顶要用重质耐火砖砌筑，蓄热大，且窑顶下空隙高度大，易造成气流分层。拱顶窑一般均为现场砌筑。拱顶有单心拱、双心拱和三心拱几种型式。五）窑体膨胀缝与密封构造（1）窑体膨胀缝膨胀缝的宽度与砌筑材料的线膨胀系数、冷、热面平均温度及该段窑体的长度有关。膨胀缝的宽度往往是固定的，一般20～30mm。在温度较低的预热带和冷却带，每隔3～4米设一条；而在温度较高的烧成带则每隔2～3米设一条。膨胀缝的砌筑，上下应留成弓字形，内，外层应互相错开成封闭式，以保证窑体的密封性良好。（2）窑体密封构造隧道窑的窑体是不动的，而窑底一窑车的台面，则是随窑车而运动的。为了维持窑内的烧成制度，隧道窑是通过设置砂封槽和曲折密封来将窑内外隔开的。生产中应注意保持砂封槽内有砂，并能埋住窑车的沙封板，每辆窑车的砂封板应接触良好，不能有变形。窑车前后的曲折密封应互相对住，两侧与窑墙之间的间隙应均匀，不能过大。六）隧道窑的燃烧系统与排烟系统隧道窑的烧嘴和排烟口的布置方法有两种：（1）传统隧道窑烧嘴和燃烧室多采用在烧成带窑墙两侧集中布置，形成高温区。排烟口则在预热带范围内分散排列。预热带的温度曲线主要靠在这些分散排烟口提前抽出部分烟气的多少进行调节。这种方式烧成带一般只需使用6～8对烧嘴即可。（2）现代隧道窑采用多支小功率高速烧嘴从烧成带一直布置到预热带，在预热带一般使用调温高速烧嘴。预热带的排烟口采用集中布置在窑头几个车位内。这样做有利于充分利用烟气的热量，而预热带的温度曲线，可以通过调节调温高速烧嘴的喷出温度以及从窑顶喷入冷风来进行控制。七）隧道窑的冷却系统（1）隧道窑冷却带的传热特点：1）对冷却制度有严格要求，急冷和绶冷有确定的温度范围，已如前述。2）冷却空气不能干扰烧成带；烧成带的燃烧产物也不能流入冷却带，这就对压力制度提出了很高的要求。3）要求均匀冷却。（2）冷却方式和方法：1）一般多采用空气进行直接冷却，以对流换热为主要传热方式。2）也有在高温区设余热锅炉和在低温区设热交换器等多种形式，此时的传