窯爐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1、窯爐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)窯爐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)陶瓷工程師們?cè)谡務(wù)摳G爐及其性能問(wèn)題時(shí)，往往對(duì)窯爐的產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量和燒成成本等問(wèn)題表示不滿(mǎn)。其實(shí)，許多年來(lái)工程師們?cè)谟懻撝泻雎粤艘粋€(gè)很重要的問(wèn)題，那就是窯爐的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)窯爐時(shí)，一般需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是窯體本身的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題；二是向被燒產(chǎn)品的傳熱問(wèn)題。不言而喻，不管窯體建造得如何堅(jiān)固，只要燒出的產(chǎn)品不好也是沒(méi)有用的。因此，設(shè)計(jì)窯爐時(shí)不重視對(duì)被燒制品的傳熱問(wèn)題是一個(gè)重大失誤，因?yàn)橄虮粺破穫鳠崾墙ǜG的

2、唯一目的。窯的用途是燒制一件件個(gè)別制品，但幾乎所有人對(duì)窯的這一用途缺乏正確的理解。許多窯爐建造者認(rèn)為窯的用途是為燒制大量制品提供一個(gè)受熱的容器。許多窯爐使用者也持有這種觀點(diǎn)。窯內(nèi)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(zhì)量就會(huì)越高。哪一件制品受熱越均勻，哪一件制品在燒成質(zhì)量就越高。整個(gè)窯爐的溫度越均勻，窯內(nèi)所有制品的燒成質(zhì)量也越高。那些在設(shè)計(jì)中適當(dāng)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(shuí)也不愿意在窯爐設(shè)備上多耗資，但高質(zhì)量產(chǎn)品所獲取的利潤(rùn)足以彌補(bǔ)較高的設(shè)備投資。事實(shí)上，與那些廉價(jià)設(shè)備生產(chǎn)的制品相比，好設(shè)備在每件制品上所消耗的設(shè)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(chǎn)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(fèi)用也仍然較低。若按照新型窯爐的生產(chǎn)效率使用時(shí)，不僅其單位重量制品的燒成成本降低了20%，而且所產(chǎn)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(shí)）12128循環(huán)次數(shù)（月）606090裝燒容量（磅窯）241024102410月產(chǎn)量（磅月）144600144600216900窯爐造價(jià)（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(chǎn)量的新型窯爐與傳統(tǒng)窯爐的比較。表2說(shuō)明：新型窯爐不但造價(jià)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(chǎn)量相同但容量更小的新型窯爐的比較但有時(shí)廉價(jià)的改進(jìn)也會(huì)因?yàn)殡y以奏效而造成更大的浪費(fèi)。盡管窯爐的有些改進(jìn)初看起來(lái)

6、似乎成本很高，但事實(shí)證明，這種改進(jìn)在降低燒成成本，提高制品的質(zhì)量方面卻是真正有效的。確定改進(jìn)窯爐設(shè)計(jì)是否真的值得進(jìn)行也是個(gè)問(wèn)題。令人遺憾的是整個(gè)陶瓷行業(yè)在燒成技術(shù)的細(xì)節(jié)方面都缺乏訓(xùn)練。判斷設(shè)計(jì)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(hù)往往去找硬件供應(yīng)者來(lái)解決窯爐的問(wèn)題。人們往往過(guò)多地注意應(yīng)用，而忽略了優(yōu)秀設(shè)計(jì)所提供的詳細(xì)數(shù)學(xué)計(jì)算。窯體的構(gòu)件有助于窯體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，然而真正重要的還是熱能向制品的熱傳遞。如果傳熱過(guò)程合理，那么其它問(wèn)

7、題都迎刃而解了。要求用戶(hù)對(duì)打算建造的窯爐作出評(píng)價(jià)或在向一件件個(gè)別的制品傳熱的基礎(chǔ)上對(duì)窯爐提出改進(jìn)意見(jiàn)是不可能的。有時(shí)涉及傳熱的討論只是對(duì)整個(gè)窯體而言，而這種討論并不充分。成功的窯爐總是來(lái)自對(duì)制品提供最佳的傳熱嘗試，要做到這一點(diǎn)，就必須對(duì)那些傳熱理論基礎(chǔ)有很好的理解。常見(jiàn)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(shí)是由所采用的工藝過(guò)程來(lái)決定的。也有些特殊情況，如熱壓和真空燒成，都清楚地說(shuō)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(lèi)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(jìn)行精確計(jì)算。合理的窯爐應(yīng)建立在經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算這兩種基礎(chǔ)上。窯爐的用途越新，設(shè)計(jì)工作越應(yīng)建立在計(jì)算的基礎(chǔ)上。在有些場(chǎng)合，窯爐的詳細(xì)計(jì)算不僅是為了安裝，也是為了讓用戶(hù)的工程師們進(jìn)行驗(yàn)證。采用燃料燒成的陶瓷窯爐幾乎全部傳熱都是通過(guò)輻射來(lái)完成的。盡管在有些窯爐內(nèi)存在著燒成制品的運(yùn)動(dòng)（如采用高速?lài)娙计鳎?，但?duì)流缺乏足夠的速度以向各個(gè)部分傳

9、遞更多的熱量。如果跨越每件制品之間的對(duì)流速度達(dá)到足以傳遞大量的熱能，那么即使在低溫下，熱空氣也會(huì)在各小件制品間分布得很均勻。因?yàn)閷?duì)流傳熱即使在低溫下也小于15%，所以熱量還是必須通過(guò)輻射來(lái)傳遞。輻射以?xún)煞N方式產(chǎn)生：一種是來(lái)自噴燃器的直接輻射（甚至在低溫）；另一種是對(duì)傳熱具有重要貢獻(xiàn)的來(lái)自熱的燃燒產(chǎn)物的輻射。此外，水蒸汽和CO2能進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射并能在窯室內(nèi)流動(dòng)。噴燃器相對(duì)于裝燒物和煙氣的位置以及煙氣相對(duì)于裝燒物和噴燃器的位置的精確安排至關(guān)

10、重要，這些因素是決定燃燒型窯爐內(nèi)溫度均勻性的主要因素。每個(gè)熱源的作用可以重新計(jì)算，但很繁瑣，因?yàn)樯婕暗较笱b燒制品的形狀及裝燒物作為一個(gè)整體的形狀這樣許多技術(shù)問(wèn)題。可這項(xiàng)工作又很值得做，它可以清晰地反映出所建窯爐期望達(dá)到的工作效率。各類(lèi)窯爐的相關(guān)計(jì)算是相同的，主要差別是與窯內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的計(jì)算方法不同。在充滿(mǎn)H2和N2氣體的輻射型窯爐內(nèi)不存在來(lái)自氣體輻射的實(shí)際作用，只有一定的對(duì)流作用（雖然這種對(duì)流作用很小）。由于裝燒物自身會(huì)成為其后面裝