卫生洁具辊道窑烧成带温度均匀性仿真研究
4.1.3 炉膛进、出口边界条件 ...................................... 16 4.1.4 求解方法 .................................................. 16 4.1.5 模型验证 .................................................. 17
4.2 计算结果分析 .................................................... 18
4.2.1 流场分析 .................................................. 18 4.2.2 温度场分析 ................................................ 20 4.2.3 温度分布均匀性评价体系的建立 .............................. 23 4.2.4 陶瓷制品外表面温度分布 .................................... 24 4.2.5 陶瓷制品外表面温度均匀性分析与评价 ........................ 26 4.3 章节小结 ........................................................ 27 第5章 主要工艺控制参数优化研究 ........................................ 28
5.1 辊道窑烧成带燃料入口速度因素优化研究 ............................ 28 5.3 章节小结 ........................................................ 30 第6章 结论与建议 ...................................................... 31
6.1 结论 ............................................................ 31 6.2 建议 ............................................................ 32 致谢 .................................................................... 33 参考文献 ................................................................ 34
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第1章 绪论
烧成工艺是生产陶瓷的关键工序，烧成工艺必须通过窑炉实现。陶瓷烧成工艺技术的提高和发展需要依耐窑炉的发展来实现，而窑炉设备的技术改进又必然促进陶瓷烧成技术的发展。纵观两者的发展历程，不难发现每一个窑炉结构突变时期也都是陶瓷生产发展的飞跃阶段[1]。目前，陶瓷生产用窑炉主要有梭式窑、隧道窑和辊道窑三种，其中辊道窑是陶瓷窑炉的发展方向。
1.1 陶瓷辊道窑国内外现状
辊道窑又称辊底窑。主要用于陶瓷砖、日用陶瓷、卫生洁具等陶瓷制品的生产。辊道窑是一种截面呈狭长形的隧道窑，与窑车隧道窑不同的是，它不是用装载制品的窑车运动，而是由许多根平行排列、横穿窑内工作通道截面的高温辊棒组成“辊道”，制品放在辊道上，随着辊子的转动在窑内通过各个烧制区域，在窑内完成烧成工艺过程。辊道窑窑体内是定常传热过程，没有积热损失，且辊道窑截面较小，窑内温度均匀性较梭式窑、隧道窑好，烧成周期较短，能够快速烧成[2]。 1.1.1 辊道窑的发展现状
我国陶瓷工业历史悠久，在烧制窑炉方面可以追溯到商朝以前的穴窑，在商周出现了方窑、圆窑，战国时期南方出现了下通风馒头窑和水平焰龙窑，南宋之后出现阶梯窑和景德镇窑。现如今则有了隧道窑、辊道窑等各式各样的窑炉。这些不同历史时期的窑在外形和烧制过程虽然各不相同，但从陶瓷窑炉的操作方法上却可以分为连续式和间歇式两大类。本文主要研究连续式窑炉中的辊道窑，其在国内外的发展历程如下：
辊道窑在20世纪20年代最先被应用在冶金工业，30年代后才逐渐应用到陶瓷制品的烧制工艺。世界上最早应用辊道窑烧制陶瓷的国家是美国，30年代初期在美国就有人尝试通过辊道窑对瓷器进行彩烧，40年代意大利建成了多通道辊道窑进行快速烧成并于60年代开始向全世界销售，70年代左右世界上的发达国家已在辊道窑烧成技术方面得到了普及，其技术也进入了成熟阶段。世界上最先将辊道窑烧成技术应用到建筑陶瓷和卫生洁具陶瓷上的国家是苏联，临近70年代时，苏联建筑陶瓷科学研究院设计出许多类型的辊道窑，将其应用到建筑陶瓷工业等领域，借此取得了巨大的成功。
与西方发达国家相对比，我国的辊道窑发展起步较晚，在西方国家普遍采用陶瓷辊道窑烧成技术时国内才开始着手试验研究辊道窑。一直到20世纪30年代初期，我国首
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条烧成釉面砖辊道窑才成功在沈阳试验建成。20世纪30年代中期，第一条煤烧瓷烤花辊道窑在山西建成，同年气烧瓷烤花辊道窑于辽宁陶瓷四厂建成投产。80年代初期我国著名陶瓷炉窑专家刘振群教授对陶瓷炉窑提出了“轻体化、煤气化、辊道化、自动化”的现代化目标,指出辊道窑代表先进陶瓷炉窑生产技术，我国虽然已成功建立陶瓷辊道窑生产线，但与西方辊道窑技术相比差距仍然较大。为解决当时市场供需关系的矛盾，我国广东石湾等地掀起了一股引进国外辊道窑及生产技术的热潮，先进的生产技术极大地推动了我国釉面砖、墙地砖等建筑陶瓷的发展，到90年代初期在全国建立了多所建筑陶瓷生产基地，建陶工业的迅速发展也推动了陶瓷辊道窑的发展[3]。
1.1.2 辊道窑的研究现状
目前，国外对辊道窑的文献研究所见较少，部分学者从辊道窑的氟化物的排放、窑炉控制系统的选用以及窑内传热多个方面对辊道窑进行了有关研究。
在窑内污染物排放方面，E. Monfort等通过监测窑内气固样本中的氟化物含量对建筑陶瓷砖在辊道窑内烧成过程中的氟排放的排放机理进行了研究，认为辊道窑内氟排放
Nitin V. Afzulpurkar的排放始于温度较低区域、窑体中某些区域吸收而不是排放氟化物。
等在控制系统选用方面对神经模糊推理系统和人工神经网络系统两种控制方式进行了比较研究，认为神经模糊推理系统在辊道窑温度控制上全面优于人工神经网络系统，但
M. Chmielowski和该研究的不足在于研究成果并未经实际生产检验[4]。在窑内传热方面，
E. Specht创建了一个解析解用来描述辊道窑内产品平面下的辊子对传热的影响，最终得
到的热流与通过偏微分方程求得的值最多约有15%的误差，不过他们在建立的模型中把棍子轴向方向上的参数都假设成了定值，而实际情况并非如此。V. cantavella、A.moreno等人对辊道窑内陶瓷瓷砖在工业烧成中砖内温度分布进行了理论热力计算和实验验证研究，得出瓷砖顶部表面与底部表面之间存在超过100℃的显著温差且瓷砖表面温度与窑炉热电偶所测得的温度总会存在较大差异的结论。
国内关于辊道窑的研究较多，研究方向主要集中在辊道窑基础传热、温度均匀性等方面。
在基础传热研究方面，胡国林、胡曦等人对辊道窑内壁温度场进行了计算机模拟， 得出辊道窑预热带与烧成带的内壁温度比制品温度高的定量结论，证实了辊道窑内壁温度比制品表面温度高这一猜想[5]。胡国林、张维江等人研究了不同烧成曲线、保温时间及改变瓷质砖的物性参数等因素对瓷质砖内部温差的影响，得出瓷质砖由于厚度有限，
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在烧成过程中沿厚度方向温差较小适合快烧，瓷质砖表面和中心的最大温差都出现在升降温速率最快的区段[6]。林依翰、胡国林等人对辊道窑的窑内空间传热进行了计算机模拟，得出辊道窑内烟气中的CO2和H2O的黑度的经验公式以及计算辊道窑内烟气对制品传热系数的经验公式[7]。
为了提高辊道窑内温度均匀性效果，国内学者在窑炉结构优化方面所作研究比较多，如冯青、李柯等人研究了不同的挡火板开度对预热带内气体流动的影响，得出挡火板开度在10cm～15cm时，对气流的作用很明显，气流的温度和速度分布都比较均匀[8]。童剑辉、汪和平对辊道窑内闸板的结构对预热带中烟气流动的影响效果进行了一些研究。通过分析模拟发现，无论是沿窑长方向还是窑宽方向，“一”字形闸板对烟气流动的影响总是最小的，锯齿形闸板影响也比较小，而“凹”字形闸板产生的影响最大[9]。冯清、陆琳、李柯、张柏清等人分别对烧嘴的喷射角度、流速以及布置等方面对窑炉内温度均匀性的影响进行了研究，得出了有利于窑内气体流动和温度均匀性的最佳烧嘴设置参数。孟汉、蒋方乐研究了不同窑顶结构下窑内气体流场和温度场的分布，分析了不同窑顶结构对流场和温度场的影响，认为在辊道窑烧成带，采用拱顶结构比平顶结构要更好一些[10]。
综上可知，对于燃料入口速度和空燃比对辊道窑烧成带内温度场的影响方面，目前国内外的研究资料较少，本研究重点探寻这两个因素对烧成带温度场的影响，以期获得最优操作参数。
1.2 研究目的及内容 1.2.1 研究目的
随着新材料、新技术的不断发展，窑炉的现代化水平不断提高，窑炉制造技术的快速发展，出现了许多能耗较低、截面温度较均匀、烧成速度较快、温度控制较精确的自动化辊道窑。由于辊道窑保证了陶瓷制品比较优良的烧制过程，所以陶瓷行业特别是建筑陶瓷行业在辊道窑方面有着非常广泛的应用。中国是一个建筑卫生陶瓷的生产大国与消费大国，辊道窑作为建陶企业生产的核心部分，有关它的各项研究都已有所开展。辊道窑采用辊棒传动来进行连续式生产，没有使用窑车、匣钵，与传统隧道窑相比，减少了因窑车运动所带走的一部分热量而产生的热能损失，从而提升了热效率；并且由于没有使用窑车，辊棒上下均可加热，窑内温差较隧道窑、梭式窑小，温度分布更加均匀，在很大程度上减小了产品的烧成周期，为实现窑炉高效节能环保奠定了基本条件。
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