隧道窑总体设计与焙烧工艺_一_

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如:①石灰石约在 900℃左右开始分解,放出 CO2,形 成 CaO(即 生 石 灰 CaCO3 → CaO+CO2 ↑) 当生石灰遇到空气中水蒸气就产生消解,体积膨胀 几倍,促使砖体爆裂,我们称它为石灰石爆裂。
②黄铁矿 FeS2 和可溶盐类 黄铁矿的分解及硫酸盐生成:硫铁矿 FeS2 是一 种广泛存在的矿物,是砖体起霜、爆裂的主要原因。 黄铁矿从 300℃开始分解,放出 SO2-SO3 气体生成 硫酸镁,在 600℃时再次分解,放出 SO2-SO3 气体。 这一反应过程,两次释放出 SO2-SO3 有害气体,引起 砖体爆裂,而且污染环境。 ③石灰石和黄铁矿造成的危害有它们的共性, 消除的办法有: a. 对原料做适当筛选,使石灰石、黄铁矿等有害 杂质的含量不要超标。 b. 对原料精细加工处理,使原料中的有害杂质 尽量细化和均化。 c. 加强烧成时的升温制度控制,可适当提高烧 成温度,降低燃烧速度,使有害杂质充分氧化、完全 分解。当有害杂质超标时,不能实行快烧。那些只 求数量、不求质量一味地追求高温快烧,烧出来的 砖都是爆裂砖、哑音砖,此举是不可取的。 d. 对于由石灰石超标的制品也可采取“水化处 理”,就是将刚出窑的成品砖用水浇透,使生石灰消 解成软膏状,渗入砖体毛细管中均匀分布,便可以 减轻爆裂。 4.2.3 烧成段(900℃到最高温度的末端) 在烧成阶段中,除固相反应继续外,同时还要 发生颗粒的熔融、结晶、烧结等高温变化过程。 所谓的烧结:就是通过高温气氛,迫使原固体颗

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隧道窑总体设计与焙烧工艺(一)
张学功 (中建西北设计研究院)
1 概论 2006 年 9 月,《砖瓦世界》刊出了我撰写的《适
应市场,做好中、小断面隧道窑的设计》,文中侧重介 绍了我国隧道窑发展历程和如何适应市场形势,推 陈出新,设计出一种经济合理、环保、节能、高产、优 质的新型隧道窑。自 2005 年我院组织窑炉设计师 重点攻关 3.6m×(105.8~115m)中断面微拱隧道窑以 来,分别在安徽、山西、河南建成 13 条生产线,都取 得了成功。本窑特点是:
(3)伊 利 石:在 100~250 ℃ 脱 去 吸 附 水,在 350~700℃脱去化学水,有明显的膨胀后收缩。
(4)石 英:它 是 制 砖 原 料 中 最 常 见 的 非 粘 土 矿 物,它以粗细砂粒状存在于矿物中,有时以脊性物 料掺入高塑性粘土中制砖,石英在加热过程中存在 多重体积变化,见图 4。尤其在 575℃时体积急剧膨 胀,造成砖坯炸裂。对于这一点烧窑师傅在操作时 要特别注意。
下面列举几种矿物质在温升过程中的膨胀曲 线,见图 3。
分均有体积膨胀发生。大量的研究及试验证明: (1)高岭石:约 400~650℃之间脱去 OH- 离子产
生的结合水之后,(即化学水)向偏价高岭石转变为 Al2Si2O7 体积略有膨胀后收缩。
(2)蒙脱石:在 100~300℃失去吸附水,只有在 400~800℃时,才脱去化学水,体积收缩。
这些杂质是导致制品炸裂、爆裂、泛霜的主要 原因,在生产工艺中,要特别加强对原料的选配和 精细加工,均化成型。同时在烧制工艺中,要加强 窑温控制,促使其充分氧化和分解。
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图 5 有害杂质和它们的影响
我们就可以根据不同的原料、制品制定出不同的烧 成曲线,以达到优质、高产、低消耗的目的。隧道窑 的工作原理与系统如图 1。 4 隧道设计原则与要求
我们了解了隧道窑的工作原理与系统,设计时 应该掌握那些原则与要求呢?
图 1 隧道窑工作原理示意图
4.1 隧道窑烧成制度应满足制品工艺要求 在设计隧道窑工作系统时,应根据不同原料、
以上是以原料为主线,综述了隧道窑的烧成原 理和温控制度即烧成曲线制定。 5 隧道窑工作系统的确定
那么采用何种手段来保证各种烧成曲线的实 现呢?这就要求设计师不能以一种窑型、一种烧成 曲线去应对各种原料和品种的变化。
在 窑 炉 设 计 前 必 须 根 据 原 料、燃 料 及 制 品 形 状、规格,依照烧成曲线来确定窑炉的工作系统(如 排烟、除硫系统;高温燃烧系统;抽送热风系统;保温 冷却系统)。只有这些系统完善而有效,才能保证 烧成制度和烧成曲线的实现。那种从干燥到烧成, 从窑头至窑尾一条龙、一台风机的土隧道窑是难当 此任的。 5.1 窑炉长度
40~400℃逐渐升温。主要排出坯体中的机械结合水 和分子吸附水(在前面的干燥窑内主要排除坯体内 的自由水和大气吸附水)。因为过干的坯体进入饱 和蒸气带,会造成坯体二次吸潮导致坯体开裂。所 以在设计时,要有效控制窑头的升温制度和加大窑 头的排污、排潮能力。 4.2.2 加热段
在 400~900℃范围坯体中的各种矿物质将脱出 化学结合水。在这一段也最容易引起坯体内各种 矿物质体积变化而导致坯体裂纹和变形。
不同制品,制定出不同的干燥烧成制度(包括温控 制度、气氛制度和压力制度)。如果以图表方式来 表达,我们称作为烧成曲线,见图 2。
图 2 烧成曲线
那么如何制定这条烧成曲线呢? 前 面 谈 到,烧 成 工 艺 分 为 一 次 码 烧 和 二 次 码 烧。所谓一次码烧,就是将挤制成型或压制成型的 半成品——即坯体一次码到窑车上,干燥烧成一次 完成,叫一次码烧工艺。该工艺流程短,设备用量 少,投资省,节省劳力,机械化、自动化程度高,但对 于原料的选择性较强,对于坯体的强度要求高。对 于适应一次码烧的原料和制品,应优先选用一次码 烧工艺。二次砖烧就是将塑性挤出的半成品——坯 体,先码到小干燥车上(层高 6~7 层)或码到自然晾 坯场上晾晒,待坯体干燥到一定程度再次码到窑内 或窑车上进行烧成。机械化程度高的,将成型的湿
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预热、干燥、脱水,使它安全地进入高温烧成带;烧成 带是对高温坯体继续加热,使它在高温区熔融、结 晶、固化,完成它的物理化学反应过程;冷却带保证 制品的冷却而不炸裂。通过以上各带的有机配合, 要抽取一定的高温烟热和冷却热,供给干燥窑干燥 砖坯,从而组成高效而有机联系的燃烧系统。这样
(3)将吊顶平拱改为微腹拱,这绝不是落后,而 恰恰是综合了吊顶和大半圆拱的优点,扬长避短, 采用 60°微腹拱加风档,其效果完全达到平拱的作 用。这样节约了钢材和高级保温材料,大幅度降低 了窑的造价和成本。
(4)由于燃烧和送排风系统更加优化、合理,使 产量、质量提高,比 4.6m 吊顶窑的产量高出 20% 左 右,且建窑投资减少 30%。
(1)从理论上优化了窑体结构和燃烧系统、热风 系统的设计。
(2)排烟和取热分部位,多点取热,分道送排,既 利于含水气、二氧化硫较高的低温烟气经风机从烟 囱排走,减少了含硫烟气对干燥室和环境、空气的 污染,又有利于坯体干燥。尤其是将外置式金属风 管改为内置式砖砌风道,不仅节约了钢材,而且极 大地改善了送风条件,有利于保温、节能。关键是 解决了水蒸气、二氧化硫对管道的腐蚀,减少了管 道维修量。由于取消了盘龙式的外置风管,使窑面 更加清爽、整洁、美观。
图 4 石英的热膨胀曲线
图 3 粘土矿物的热膨胀曲线 G-I:云母 - 伊利石,I- 伊利石,M- 蒙脱石,K- 高岭石
由上图曲线看出:除蒙脱石外,其余各矿物成
另外,在制砖原料中存在着多种有害杂质,主 要有石灰石、可溶于水的盐类、黄铁矿等,它们不仅 使 生 产 工 艺 过 程 复 杂 化,还 会 破 坏 产 品 质 量 与 性 能。它们对制品的影响如图 5。
我们做砖所用的页岩煤矸石经加工后仍属风 化粘土矿物和非粘土矿物,主要化学成分为:SiO2、 Al2O3 、Fe2O3、CaO、MgO、SO3。 矿 物 组 成 主 要 有:高 岭石 Al4(Si4[Si4O10])(OH)8,蒙脱石 Al2[Si4O10](OH)2 . nHO2,伊利石(水云母)K2Al2(SiAl)4(OH)2 . nHO2, 石英石 SiO2,长石(钾长石)K[AlSi3O8]。
坯直接码到上、下架,推到室式干燥室或大断面隧 道干燥室内进行干燥,干燥后的坯体再次码到烧成 窑内烧成制品。这种工艺路线长,所用设备多,一 次性投资大。但它适用于大块、空心、薄壁、高强制 品及多种原料的制品。选用哪一种工艺,要根据原 料和制品的品种来确定。
下面以煤矸石、页岩为例,按一次码烧工艺,介 绍窑炉各带的温度、压力气氛的确定。煤矸石与页 岩这两种原料的烧成制度基本接近,但煤矸石的烧 成温度要比页岩高出 80~110℃,在制定烧成制度 时,也略有不同。
粒熔融向组分离子换位,在结晶过程中重新排列而 形成新的固体键合,生成钙铝硅酸盐。这一过程使 制品颜色生成,晶格匀化,产品坚硬而有金属声,这 才是合格的产品。为保证这一烧结过程的实现和 完整,在达到烧成最高温度时需要延长一段时间, 故称它为保温段。 4.2.4 冷却段(从烧成温度末端到 600℃)
从烧结高温降至 600℃范围。砖坯处于准塑性 状态可快速降温不会开裂,而从 600~400℃这是一 个危险区段,大部分原料因为内外温差、收缩不匀, 而产生内应力导致产品裂纹。尤其是富含石英石 的原料,它在 575℃范围时由 α- 石英瞬间转变为 β石英产生强烈的体积膨胀,而导致制品裂纹(我们 称它为低温保温段)。从 400℃直至常温,对一般原 料可执行快速冷却而不开裂。
在一次码烧窑里,我们分为干燥窑和烧成窑两 大部分来叙述。
干燥窑是烧成窑的前序工位,如果干燥窑不能 按质、按量提供合格的砖坯,烧成窑的制度就难以 实现和保证。这里我们以干燥窑保证供应烧成窑 足量、合格干坯为前提,来论述隧道窑的烧成。
干燥窑首先要根据原料和制品的特性,制定出 合理干燥制度,根据干燥制度确定干燥窑的结构和 各 窑 长 度(其 干 燥 窑 的 设 计 我 们 将 在 下 一 章 里 论 述)。 4.2 隧道窑的温控制度
(5)干燥室采用和窑等宽断面的逆流式多面送 风,正压干燥,负压排潮,使干燥效果好(防止正压
排潮的湿塌现象)。 (6)本生产线无论从工艺设计、建厂规模、投资
成本核算、技术含量、窑型选择、机械化、自动化程 度,在国内均处于领先水平。
在砖瓦烧制工艺里,我们大量使用的是轮窑和 隧 道 窑,而 且 轮 窑 为 我 们 这 个 行 业 立 下 了 汗 马 功 劳。但轮窑的码烧难以实现机械化操作,工人在高 温且灰尘大的窑内作业,不但劳动强度大,而且环 境条件极差,导致风湿、关节等职业疾病产生。从提 高机械化和自动化程度、改善劳动环境、节省劳力、 节能降耗等多种因素考虑,用隧道窑取代轮窑是大 势所趋。 2 隧道窑的结构形式
(1)按条数分:有单通道,双通道,多通道; (2)按形状分:有直线形、圆环形、U 字形; (3)按布置型式分:有干燥、烧成一条龙式,也有 干燥烧成并列式; (4)按运行方式分:有窑体不动,产品随窑车移 动;也有产品不动,窑体在轨道移动; (5)按燃料种类:有固体、液体、气体之分; (6)按工艺码烧方式:有一次码烧工艺和二次码 烧工艺。 下面重点介绍直通道并列摆放窑车式隧道窑。 就目前而言,这种窑最具有代表性和普遍性,应用 也最广泛。 3 隧道窑的工作原理 隧道窑与轮窑的工作原理基本相同。它同样 是借助原料和燃料的热量,对制品及半成品进行干 燥、预热、烧成、保温、冷却。总体可以分为预热带、 烧成带、冷却带三部分。这里的预热带主要对坯体
以 页 岩 煤 矸 石 为 例,由 塑 性 成 型 坯 体 经 干 燥 后,其剩余水在 5%~7% 为合格。合格砖坯在进入 大窑烧成时,经预热—烧成—冷却三个阶段。
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4.2.1 预热阶段 当 坯 体 进 入 隧 道 窑 的 预 热 段 继 续 加 热,从
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