窯爐設計的基礎

1、窯爐設計的基礎窯爐設計的基礎陶瓷工程師們在談論窯爐及其性能問題時，往往對窯爐的產量、產品質量和燒成成本等問題表示不滿。其實，許多年來工程師們在討論中忽略了一個很重要的問題，那就是窯爐的設計。在設計窯爐時，一般需要考慮兩個問題：一是窯體本身的材質和結構等方面的問題；二是向被燒產品的傳熱問題。不言而喻，不管窯體建造得如何堅固，只要燒出的產品不好也是沒有用的。因此，設計窯爐時不重視對被燒制品的傳熱問題是一個重大失誤，因為向被燒制品傳熱是建窯的

2、唯一目的。窯的用途是燒制一件件個別制品，但幾乎所有人對窯的這一用途缺乏正確的理解。許多窯爐建造者認為窯的用途是為燒制大量制品提供一個受熱的容器。許多窯爐使用者也持有這種觀點。窯內的每一件制品必須受到同樣的熱處理。如果制品在造型、規(guī)格以及重量方面越接近，那么制品的平均質量就會越高。哪一件制品受熱越均勻，哪一件制品在燒成質量就越高。整個窯爐的溫度越均勻，窯內所有制品的燒成質量也越高。那些在設計中適當考慮了加熱方式的窯爐，總是比未考慮傳熱原則

3、的窯爐更好用。盡管誰也不愿意在窯爐設備上多耗資，但高質量產品所獲取的利潤足以彌補較高的設備投資。事實上，與那些廉價設備生產的制品相比，好設備在每件制品上所消耗的設備成本更低。表1是現(xiàn)代化窯爐與傳統(tǒng)窯爐的比較。數(shù)據(jù)表明，新型窯爐的生產能力提高了50%。甚至在采用與傳統(tǒng)窯爐相同燒成周期的情況下使用，新型窯爐的使用費用也仍然較低。若按照新型窯爐的生產效率使用時，不僅其單位重量制品的燒成成本降低了20%，而且所產量也提高了50%。表1傳統(tǒng)窯爐與

4、新型窯爐的比較傳統(tǒng)新型新型燒成周期（小時）12128循環(huán)次數(shù)（月）606090裝燒容量（磅窯）241024102410月產量（磅月）144600144600216900窯爐造價（美元）150000175000175000月成本（美元）178020772077單位成本（美元磅）0.01230.014360.00958每窯燃燒成本（美元）110.0081.2079.50單位制品燃燒成本（美元磅）0.04560.03370.0330維修成本（

5、美元月）100.00100.00100.00單位制品維修成本（美元磅）0.047290.047290.04276單位總成本（美元磅）0.10520.095360.08534表2是具有較小尺寸但卻有相同年產量的新型窯爐與傳統(tǒng)窯爐的比較。表2說明：新型窯爐不但造價較低，而且單位重量制品的燒成成本也比傳統(tǒng)窯爐降低16%。表2傳統(tǒng)窯爐與產量相同但容量更小的新型窯爐的比較但有時廉價的改進也會因為難以奏效而造成更大的浪費。盡管窯爐的有些改進初看起來

6、似乎成本很高，但事實證明，這種改進在降低燒成成本，提高制品的質量方面卻是真正有效的。確定改進窯爐設計是否真的值得進行也是個問題。令人遺憾的是整個陶瓷行業(yè)在燒成技術的細節(jié)方面都缺乏訓練。判斷設計改造是否合理的最佳方法是發(fā)揮那些熱工工程師的作用。用戶往往去找硬件供應者來解決窯爐的問題。人們往往過多地注意應用，而忽略了優(yōu)秀設計所提供的詳細數(shù)學計算。窯體的構件有助于窯體結構構成，然而真正重要的還是熱能向制品的熱傳遞。如果傳熱過程合理，那么其它問

7、題都迎刃而解了。要求用戶對打算建造的窯爐作出評價或在向一件件個別的制品傳熱的基礎上對窯爐提出改進意見是不可能的。有時涉及傳熱的討論只是對整個窯體而言，而這種討論并不充分。成功的窯爐總是來自對制品提供最佳的傳熱嘗試，要做到這一點，就必須對那些傳熱理論基礎有很好的理解。常見的陶瓷燒成方法主要有兩種：即燃料加熱和電加熱。燒成方式有時是由所采用的工藝過程來決定的。也有些特殊情況，如熱壓和真空燒成，都清楚地說明了燒成的方式。在電加熱或馬弗式加熱的

8、燒成情況下，能源幾乎都是直接輻射，所以，發(fā)熱體的類型、發(fā)熱體的布局和窯室的形狀都十分重要。不同形狀窯室的作用可以進行精確計算。合理的窯爐應建立在經驗和計算這兩種基礎上。窯爐的用途越新，設計工作越應建立在計算的基礎上。在有些場合，窯爐的詳細計算不僅是為了安裝，也是為了讓用戶的工程師們進行驗證。采用燃料燒成的陶瓷窯爐幾乎全部傳熱都是通過輻射來完成的。盡管在有些窯爐內存在著燒成制品的運動（如采用高速噴燃器），但對流缺乏足夠的速度以向各個部分傳

9、遞更多的熱量。如果跨越每件制品之間的對流速度達到足以傳遞大量的熱能，那么即使在低溫下，熱空氣也會在各小件制品間分布得很均勻。因為對流傳熱即使在低溫下也小于15%，所以熱量還是必須通過輻射來傳遞。輻射以兩種方式產生：一種是來自噴燃器的直接輻射（甚至在低溫）；另一種是對傳熱具有重要貢獻的來自熱的燃燒產物的輻射。此外，水蒸汽和CO2能進行強烈的輻射并能在窯室內流動。噴燃器相對于裝燒物和煙氣的位置以及煙氣相對于裝燒物和噴燃器的位置的精確安排至關

10、重要，這些因素是決定燃燒型窯爐內溫度均勻性的主要因素。每個熱源的作用可以重新計算，但很繁瑣，因為涉及到象裝燒制品的形狀及裝燒物作為一個整體的形狀這樣許多技術問題?？蛇@項工作又很值得做，它可以清晰地反映出所建窯爐期望達到的工作效率。各類窯爐的相關計算是相同的，主要差別是與窯內的氣體運動有關的計算方法不同。在充滿H2和N2氣體的輻射型窯爐內不存在來自氣體輻射的實際作用，只有一定的對流作用（雖然這種對流作用很?。?。由于裝燒物自身會成為其后面裝