(1 安徽省含山瓷業(yè)股份有限公司 安徽 含山 238100)(廣東中窯窯業(yè)有限公司 廣東 佛山 528226)

近年來，我國(guó)的陶瓷輥道窯在技術(shù)上取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。輥道窯不管是在長(zhǎng)度還是在寬度上都超越了世界上一些著名的窯爐品牌，在國(guó)內(nèi)基本都是國(guó)產(chǎn)的輥道窯一統(tǒng)天下，窯爐出口業(yè)務(wù)更是遍布世界各地。陶瓷窯爐所生產(chǎn)的產(chǎn)品也已經(jīng)和發(fā)達(dá)國(guó)家窯爐的生產(chǎn)的產(chǎn)品相差無幾，有的甚至超過了國(guó)外窯爐的產(chǎn)品。筆者對(duì)廣東中窯窯業(yè)有限公司研發(fā)的超大產(chǎn)量輥道窯進(jìn)行詳細(xì)剖解，以供廣大讀者參考。廣東中窯窯業(yè)有限公司是一個(gè)有著21年窯爐生產(chǎn)歷史的專業(yè)窯爐公司，產(chǎn)品遍布世界各地。

1 輥道窯基本參數(shù)

1.1 窯爐主要技術(shù)參數(shù)

輥道窯窯爐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 輥道窯窯爐主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

1.2 窯爐風(fēng)機(jī)參數(shù)

窯爐風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2(排煙、余熱風(fēng)機(jī)采用水冷型)。

表2 窯爐風(fēng)機(jī)參數(shù)

1.3 窯體各段數(shù)據(jù)

窯體各段數(shù)據(jù)見表3。

表3 窯體各段數(shù)據(jù)

2 窯爐基本結(jié)構(gòu)

超大產(chǎn)量輥道窯長(zhǎng)度達(dá)516.24 m，內(nèi)寬達(dá)3.1 m，產(chǎn)量為40 000 m2/d，為目前全國(guó)乃至世界最大產(chǎn)量的通體大理石磚輥道窯。其目前已經(jīng)在重慶市運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求。

2.1 預(yù)熱帶

預(yù)熱帶為平吊頂結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)使窯爐截面上、下溫差小。預(yù)熱帶輥棒以上窯墻的高度要比輥棒以下窯墻的高度低，同時(shí)在預(yù)熱帶窯底設(shè)置5道排煙口，這樣可保證大部分的煙氣通過輥下流動(dòng)，將煙氣中較多的熱量傳遞給磚坯體，以達(dá)到節(jié)能和減少截面溫差的效果。預(yù)熱帶上墻設(shè)置2處排煙口，一般只在增大產(chǎn)量時(shí)才使用。預(yù)熱帶窯頂只在進(jìn)窯口附近設(shè)置一組排煙口，起到窯爐封閉氣幕的作用。窯頂?shù)呐艧熆谠O(shè)計(jì)成“L”型以防止窯爐集灰造成的落渣。

2.2 燒成帶前段

窯爐的燒成帶也采用平吊頂結(jié)構(gòu)，燒成帶前段因坯體在此階段需要大量的吸熱，原設(shè)計(jì)為燒嘴加密設(shè)計(jì)，即增加燒嘴在此段設(shè)計(jì)數(shù)量，后經(jīng)過考慮后認(rèn)為統(tǒng)一燒嘴的分布，一方面可兼顧框架的標(biāo)準(zhǔn)性，另一方面在控制組分配上也好分配。燒成帶前段需要的熱量通過加大單只燒嘴的功率實(shí)現(xiàn)，由原來4萬kal/只提高到5～6萬kal/只，這樣即可保證加熱的需要，也不再需要單獨(dú)設(shè)計(jì)框架、控制組等，統(tǒng)一了整個(gè)燒成帶的設(shè)計(jì)。

2.3 燒成帶后段

燒成帶后段，即燒成恒溫段。此段采用拱頂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為專利技術(shù)，它非常適用于這種大產(chǎn)量超長(zhǎng)的寬體輥道窯爐。燒成帶后段采用拱頂結(jié)構(gòu)，加大了窯爐截面積，增大了窯爐的空間，減少了高溫氣體流動(dòng)的速度，增加了高溫氣體與坯體的熱交換時(shí)間，提高了熱交換率，最終達(dá)到節(jié)能的效果。此外拱結(jié)構(gòu)還減少窯頂落渣、提高了窯頂?shù)膲勖瑴p少窯頂?shù)木S護(hù)成本。此外還從燒成帶前段到后段的窯頂上設(shè)置多道調(diào)節(jié)閥板，用以調(diào)節(jié)窯爐截面的高度，調(diào)整窯內(nèi)流速使窯爐左右兩邊的溫度均勻性提高，同時(shí)也減小了截面上、下的溫差，使產(chǎn)品受熱更加均勻，減少產(chǎn)品的缺陷產(chǎn)生。

2.4 急冷帶

燒成帶后段到急冷段采用過渡頂，即由拱頂過渡到平頂?shù)钠交Y(jié)構(gòu)，單獨(dú)設(shè)計(jì)和訂制吊頂磚實(shí)現(xiàn)這種過渡結(jié)構(gòu)。急冷段采用平吊頂結(jié)構(gòu)，在急冷段通過兩邊窯墻的冷卻管對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速冷卻。急冷帶輥上、輥下窯墻都比燒成帶后段還要高，這樣增大了急冷帶的空間，對(duì)產(chǎn)品及冷卻風(fēng)的均衡也是有好處的。此外還在急冷段窯頂增加3處抽熱口，將產(chǎn)品冷卻交換的熱風(fēng)快速地抽出，保證急冷的效果。抽出的熱風(fēng)送至助燃加熱，這樣助燃風(fēng)的溫度很容易達(dá)到300 ℃以上，這樣可較大幅度降低能耗。在燒成段與急冷段之間窯頂設(shè)置了兩道調(diào)節(jié)板，在輥下設(shè)置了兩道擋火墻，保證燒成的廢氣不會(huì)干擾到急冷區(qū)域。為熱風(fēng)助燃中的含氧量提供了保障。

2.5 緩冷帶

緩冷帶窯爐的輥上、輥下窯墻都較低，這樣使散熱減少，達(dá)到緩慢降溫的效果。在冷卻措施上采用隔壁冷卻，在輥上使用的材質(zhì)為304不銹鋼管作為隔壁傳熱的元件，既保證導(dǎo)熱效果，又防止落臟。采用隔壁冷卻主要是防止抽熱風(fēng)影響到窯內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

2.6 窯尾冷卻

窯尾的窯墻同樣采用耐火磚進(jìn)行砌筑，并用保溫棉進(jìn)行保溫。這既是為了防止窯體散熱，把窯爐的余熱用到助燃或干燥窯爐上，提高輥道窯的熱效率；同時(shí)這樣處理又是減少窯體散熱對(duì)窯爐車間操作溫度的影響，特別對(duì)夏天的窯爐操作環(huán)境有較大的改善。當(dāng)然窯尾的保溫厚度也較燒成帶減薄了許多，畢竟冷卻帶的溫度比燒成帶要低得多。

窯尾的冷卻結(jié)構(gòu)也與以前的通風(fēng)系統(tǒng)有較大的改變，并取得了專利(后面有專述)。

本窯爐的產(chǎn)量達(dá)40 000 m2/d。每平方米全拋釉磚達(dá)22～26 kg，這樣每天產(chǎn)品的質(zhì)量約達(dá)1 000 t，如果用10 t的汽車?yán)残枰?00輛。這么大的產(chǎn)量就對(duì)窯爐提出更嚴(yán)格的要求，為此我公司要在此條窯爐上運(yùn)用多項(xiàng)新技術(shù)和工藝。

3 窯爐新技術(shù)

3.1 精密框架制造

3.1.1 框架三維設(shè)計(jì)

窯爐的框架承載著窯爐上所有的系統(tǒng)，框架的精確制造就是實(shí)現(xiàn)超大產(chǎn)量窯爐的基礎(chǔ)，為此，我們采用三維設(shè)計(jì)，對(duì)框架的材質(zhì)、大小、厚度等進(jìn)行應(yīng)力分析和重新設(shè)計(jì)，既要保證其強(qiáng)度也避免材料的浪費(fèi)。三維設(shè)計(jì)的框架準(zhǔn)確度高、應(yīng)力分析精確。

3.1.2 框架的鋸床切割

為了保證框架設(shè)計(jì)出的材料能精確地加工出來，我們使用數(shù)控鋸床對(duì)窯爐框架使用各型鋼進(jìn)行切割，切割后的框架型鋼長(zhǎng)度可精確到±0.1 mm，這比原來使用砂輪切割機(jī)的±2 mm精度有了大幅度提高。

3.1.3 機(jī)器人焊接技術(shù)

為了保證框架的制造精度，我們使用了機(jī)械人焊接，將各段框架型鋼放入模具內(nèi)，啟動(dòng)程序，機(jī)械人自動(dòng)焊接(點(diǎn)焊、反面、點(diǎn)焊、反面焊接、再反面焊接直到全部完成)，框架自動(dòng)焊接完成后經(jīng)檢驗(yàn)校準(zhǔn)后自動(dòng)打磨，保證框架外表面的光潔。

3.2 精密傳動(dòng)制造

516.24 m長(zhǎng)的窯爐加上窯前干燥等的直線傳動(dòng)距離就超過600 m，為了保證這么長(zhǎng)的傳動(dòng)能從窯頭安全運(yùn)行到窯尾，沒有極精密的傳動(dòng)是難以做到的，為此我們對(duì)超大產(chǎn)量窯爐的傳動(dòng)提出更高的要求。

3.2.1 傳動(dòng)用模塊、輥棒用夾套、傳動(dòng)用大角鋼

我們?cè)谠瓉頂?shù)控制車床加工的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過磨床的加工，對(duì)模塊的外圓、輥棒夾套的外圓進(jìn)行磨削加工，加工精度為±(1～2)絲。傳動(dòng)主軸直徑由30 mm加大到35 mm，輥棒夾套軸由20 mm加大到25 mm，這樣保證了傳動(dòng)運(yùn)行的平穩(wěn)與強(qiáng)度。

3.2.2 傳動(dòng)用鋼棒、陶瓷輥棒再校準(zhǔn)加工技術(shù)

為了保證窯爐能夠?qū)a(chǎn)品從500多m的窯頭安全運(yùn)行到窯尾，對(duì)傳動(dòng)用的鋼棒和陶瓷輥棒進(jìn)行再次加工是必不可少的。為此我們精選了傳動(dòng)用的鋼棒和陶瓷輥棒，經(jīng)過再抽樣打磨加工后它們精度控制范圍符合以下標(biāo)準(zhǔn)：

1)輥棒套筒的同心度: ≤ 0.5 mm(靠尺、百分表)；

2)輥棒的大小頭: ≤ 0.5 mm(游標(biāo)卡尺)；

3)輥棒的直線度：5點(diǎn)打表0.7‰(距棒端65 mm處打表(百分表)≤0.5 mm；600 mm處≤1.5 mm,中心處≤2.3 mm縱向傳動(dòng)水平誤差：≤1 mm(水平儀))；

4)縱向傳動(dòng)水平誤差: ≤1 mm(水平儀)。

經(jīng)過以上措施，這條內(nèi)寬3.1 m，長(zhǎng)度516.24 m，日產(chǎn)40 000 m2以上的800 mm×800 mm規(guī)格全拋釉磚超大產(chǎn)量節(jié)能型輥道窯，窯尾中心出磚偏差≤20 mm，防止了寬體窯出磚變形。

3.3 空/燃比例控制技術(shù)

空/燃比例控制技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它廣泛應(yīng)用在其它工業(yè)窯爐上如退火爐、加熱爐、日用陶瓷窯爐、衛(wèi)生潔具隧道窯爐上，節(jié)能效果特別顯著。原來墻、地磚的生產(chǎn)大多使用發(fā)生爐煤氣，煤氣的成分復(fù)雜，含雜質(zhì)多，很容易造成管道或閥門的堵塞，所以空/燃比例控制技術(shù)幾乎沒有用在煤氣作燃料的墻、地磚生產(chǎn)線上。近年來隨著環(huán)保力度的加強(qiáng)，天然氣作為燃料越來越多的用在墻、地磚等建筑陶瓷輥道窯上。它的最重要控制原理就是用溫度來控制助燃執(zhí)行器的開度，從而控制助燃風(fēng)進(jìn)入燒嘴的量，再由助燃風(fēng)的壓力來控制燃?xì)膺M(jìn)入燒嘴的量?？?燃比例閥在這個(gè)控制過程中始終使進(jìn)行燒嘴的空與燃?xì)獾谋戎禐橐缓愣ǖ牧?如1∶11即1 m3天然氣需要11 m3空氣)，這樣就保證了燃?xì)饽艹浞秩紵?，同時(shí)也減少了廢氣的產(chǎn)生。原來控制方式中只用溫度來控制燃?xì)獾牧?，而助燃風(fēng)量不受自動(dòng)控制，溫度波動(dòng)時(shí)很容易造成燃?xì)獠荒艹浞秩紵蚩諝膺^量地進(jìn)入燒嘴，降低了燃燒的效率。

圖1 空/燃比例控制原理圖Fig.1 Air/fuel ratio control schematic

3.4 高溫助燃加熱技術(shù)

利用窯爐產(chǎn)品帶出的廢熱對(duì)助燃風(fēng)進(jìn)行加熱可顯著提高窯爐的熱效率，提高節(jié)能效果。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出以下結(jié)論：

當(dāng)窯爐燒成溫度為1 200 ℃時(shí)，助燃風(fēng)由20 ℃提高到300 ℃以上時(shí)，可減少23.7%的助燃風(fēng)加熱的能耗。綜合考慮提高助燃風(fēng)溫度為250 ℃，至少節(jié)能10%以上(考慮到體積密度)。為此我們從兩處引入熱風(fēng)進(jìn)行助燃：一是急冷處，二是緩冷處。

窯爐的節(jié)能效果見表4。

表4 窯爐節(jié)能效果

3.4.1 急冷段引入熱風(fēng)助燃

急冷段的熱風(fēng)溫度高，最高可達(dá)1 000 ℃以上，我們?cè)诖艘肷倭康募崩涮帗Q出的熱風(fēng)就能大幅度地提高助燃風(fēng)的溫度，同時(shí)在此段引出少量熱風(fēng)也不會(huì)影響此段的窯內(nèi)壓力平衡，急冷區(qū)通往B2風(fēng)機(jī)的管路見圖2。

圖2 急冷段換熱風(fēng)引入熱風(fēng)助燃原理圖Fig.2 Quenching section heat exchange wind introduction hot air combustion control schematic

3.4.2 緩冷帶引入熱風(fēng)助燃

緩冷帶的熱風(fēng)除送去干燥還用于熱風(fēng)助燃。緩冷帶換出的熱風(fēng)與急冷帶抽出的熱風(fēng)相配合，溫度很容易達(dá)到350 ℃以上，為此我們?cè)诩崩鋷Ц浇O(shè)置2道配冷風(fēng)口，調(diào)節(jié)助燃的熱風(fēng)為250 ℃左右(調(diào)節(jié)方式為自動(dòng)蝶閥調(diào)節(jié))，這樣即保證熱風(fēng)助燃充分燃燒的效果，又使燒嘴不容易脫火(助燃溫度太高時(shí)，助燃流速較快，燒嘴容易脫火)。

圖3 緩冷段換熱風(fēng)引入熱風(fēng)助燃原理圖Fig.3 Slow cooling section heat exchange wind introduction hot air combustion combustion schematic

3.5 窯爐大數(shù)據(jù)的運(yùn)用

本窯爐的控制系統(tǒng)除用原有的DCS控制系統(tǒng)外，還增加了大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)耗氣量、用電量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)，可分別對(duì)窯爐的實(shí)時(shí)能耗、每天能耗、每月的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的監(jiān)控；能夠?qū)崿F(xiàn)空、疏窯等自動(dòng)進(jìn)行降溫與升溫操作；能夠?qū)⒏鳠汕€對(duì)應(yīng)于各物料配方，減少對(duì)操作管理人員的依賴；能夠?qū)Ω鞣N窯爐數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理等。

4 新材料運(yùn)用技術(shù)

4.1 泡沫陶瓷

它以粉煤灰、煤矸石、陶瓷廢磚等工業(yè)廢料作為主要原料，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和發(fā)泡技術(shù)，經(jīng)過1 200 ℃高溫焙燒而成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料。它具有以下特點(diǎn)：

1)低密度。密度最低為164 kg/m3；

2)熱傳導(dǎo)率低。發(fā)泡陶瓷保溫板導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.064 W/m·K(輕質(zhì)粘土磚為： 0.35 W/m·K )；

3)抗壓強(qiáng)度。0.9～1.0 MPa；

4)抗彎強(qiáng)度。0.16 MPa；

5)耐酸堿?？垢g，在熱脹冷縮及陽光下曝曬、冷熱劇變、風(fēng)雨交加環(huán)境下不變形、不開裂、性能穩(wěn)定；

6)易切割。施工方便，可隨意切割，大大縮短施工周期。

所以泡沫陶瓷運(yùn)用在窯爐砌筑上，特別是作保溫材料具有很多的優(yōu)勢(shì)。為此我公司將這種新材料運(yùn)用輥道窯的窯底保溫上，取得了很好的效果。其計(jì)算結(jié)果：通常結(jié)構(gòu)的窯底散熱為1 308 W/m2；采用泡沫陶瓷材料的窯底散熱337 W/m2。計(jì)算結(jié)果證明這種泡沫陶瓷材料保溫的優(yōu)越性。

圖4 泡沫陶瓷與常規(guī)保溫磚散熱比較圖Fig.4 Comparison of heat dissipation between foam ceramics and conventional insulation bricks

4.2 納米保溫板

納米保溫板是基于納米微孔原理(microporous)研制而成的納米絕熱板，主要成分為納米級(jí)硅酸鈦(Ti2Si2O5)等無機(jī)粉末經(jīng)特殊工藝及專用粘結(jié)劑結(jié)合而成。具有常溫下比靜止空氣還低的導(dǎo)熱系數(shù)，是一種迄今為止絕熱性能最好的一種固體隔熱材料。它有以下特點(diǎn)：

1)導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性能是傳動(dòng)材料的3～4倍；

近6年國(guó)內(nèi)信息素養(yǎng)主題研究期刊雖然數(shù)量層面上不少，但從進(jìn)入核心期刊行列的情況來說，還有待于提高，特別是國(guó)內(nèi)國(guó)家級(jí)報(bào)紙幾乎看不到對(duì)此主題的報(bào)道，這個(gè)現(xiàn)象值得反思，期待今后更多的高水平期刊、國(guó)內(nèi)報(bào)紙積極刊載該主題研究成果，從而有助于推進(jìn)該主題研究拓展化。

2)高溫性能好，可長(zhǎng)期使用在1 000 ℃以下，收縮率小于2%；

3)熱工性能好，蓄熱量低，抗熱震，400 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/m·K；

4)健康環(huán)保，無毒無害，符合國(guó)家環(huán)保要求；

5)我們將此種進(jìn)口板用在輥道窯的窯墻上，保溫效果很好，窯爐的外表升溫小于35 ℃。表4、表5為熱量計(jì)算公式。

表4 窯墻導(dǎo)熱計(jì)算公式(1220～20 ℃)(常規(guī)保溫)

續(xù)表4

表5 窯墻導(dǎo)熱計(jì)算公式(1220～20 ℃)(納米板保溫)

續(xù)表5

通過計(jì)算得出燒成帶窯墻常規(guī)保溫?zé)崃繐p失為452.9 W/m2；燒成帶窯墻用納米板保溫?zé)崃繐p失為301.2 W/m2，減少幅度33%；

以L=500 m，內(nèi)寬為3.1 m窯輥道窯為例(200 m高溫段)，窯墻高1.044 m。

節(jié)能：(452-301)×200(高溫長(zhǎng))×1.044(窯內(nèi)寬)×2(邊)=151×417.6=63 057 W·h，約為63 kW·h。1 kW·h=860 kcal，63×860/8 500×24×360×3=165 217元(24：每天24 h；360：每年360 d；3：3元/m3天然氣。

計(jì)算得出：年節(jié)能費(fèi)用16萬元左右。

5 結(jié)語

窯爐的制造安裝是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及多行業(yè)、多工種，特別是交叉作業(yè)多，制造、安裝、調(diào)試過程中要特別注意安全方面的事宜。目前新形勢(shì)下的新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)，也為我們提高窯爐行業(yè)節(jié)能環(huán)保的指標(biāo)提供了保障條件。本窯爐從開工到投產(chǎn)僅用了90 d左右，窯爐出磚整齊、產(chǎn)量大、質(zhì)量好，優(yōu)等品率一直保持在97%左右，能耗為1.58 m3/m2，產(chǎn)量穩(wěn)定在42 000 m2/d。與同等規(guī)模產(chǎn)量窯爐相比減少人員40人左右。投產(chǎn)只有幾個(gè)月取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了客戶的好評(píng)。