无机材料烧成设备教程

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1、第一章 无机材料热工设备概述,本章内容： 1、无机材料热工设备基础知识 2、烧成反应与煅烧的热工设备,第一节 无机材料热工设备基础知识 1、硅酸盐制品的类型:陶瓷、耐火材料、水泥、玻璃以及石膏、石灰等。 2、硅酸盐制品的烧成： 一般都是将经过加工处理的原料置于高温下经煅烧反应而制得的。此高温加工的过程称之为烧成。 3、硅酸盐制品烧成窑炉：烧成所需设备在硅酸盐工业中称之为窑炉。 4、烧成在硅酸盐工业生产过程中的作用：烧成在硅酸盐工业生产过程中是关键的工序。制品的产量，质量以及能耗高低在很大程度上取决于烧成工序，即与制品的烧成工艺(温度制度、气氛与压力制度)、窑炉的类型及流程等有密切的关系。,3,

2、5、影响硅酸盐制品的其它因素：原料的配合，成型加工过程，燃料的选用等也至关重要。 6、硅酸盐材料烧成的目的：如原料在烧成过程中的物理化学变化、窑炉结构及操作原理、燃料燃烧与炉内传热等，以期达到优质、高产、低消耗和改善操作条件的目的。,4,第二节 烧成反应与煅烧的热工设备,一、烧成反应的分类 (一) 分解反应(热分解) (二）晶型转换 （三）固相反应 （四）烧结 （五）熔融 二、窑炉的分类 三、窑炉参数控制,5,(一)硅酸盐制品烧成过程的分解反应(热分解),1、热分解：是由氢氧化物、碳酸盐等所组成的原料，在加热到一定的温度时，逸出其中的水分或CO2的过程。分解后所得为无水物或氧化物。分解反应为吸

3、热反应。 2、常见硅酸盐矿物的分子式： 高岭石(Al2032SiO22H2O)、水铝石(Al203 H2O)、 叶蜡石(A12O34SiO2H2O)、水滑石 (Mg(OH)2)、 蛇纹石(3MgO 2SiO22H2O)、 菱苦土(MgCO3)， 白云石(CaCO3MgCO3)及 方解石(CaCO3) 加热时因脱水或分解出CO2而呈现的吸热峰。,6,3、常见矿物在烧成中的热分解反应： （1）高岭石在500650左右开始脱水，放出约14的水分，生成偏高岭石： A12O32SiO22H2OA12O32SiO2+2H20 该分解属一级化学反应，温度每升高100， 其分解速度就加快一倍。 在烧制陶瓷制品

4、时，当温度为200 500这一阶段，排除的即为此类结构水(粘土矿物中的结晶水和层间水)，此时分解速度快，制品也不致开裂。在快速烧成窑中，若坯体干燥(入窑水分0.5%)，脱水温度提高到700，只需几分钟就可以达到完全脱水的程度。 将高岭石的温度再升高，至980左右，遂发生放热反应而开始生成莫来石(3A12032SiO2)并发生明显体积收缩。所以应将70%左右的粘土先行煅烧成熟料，促使其体积安定后再加工制砖。,7,（2） 碳酸盐、硫酸盐类矿物在烧成中的热分解反应：在5001000进行分解反应，成为多孔质的氧化物：,8,（3）水泥熟料在烧成过程中物理化学变化：在以石灰石为主要原料的水泥熟料烧成过程中

5、，由于碳酸盐分解吸热量很大(一般为1800 2060kJkg料)，分解反应对烧成的速度与热耗影响都很大。 这时，碳酸盐的分解不仅取决于化学反应过程，还受到热量传递和质量传递 (CO2的扩散)的影响；,9,（4）热分解反应的特点： 1）分解反应所生成的氧化物富于反应活性。 2）如果这种氧化物立即进一步反应生成所需化合物，则这种反应活性是有利的，如在水泥熟料烧成中那样。 3）如果这种氧化物不需要进一步反应，则这种反应活性是不利的，因为它们易于水化、碳化，这就需要在更高的温度下烧成更稳定的形态，如用做耐火材料原料时的情况。 4）对于陶瓷制品，碳酸盐、硫酸盐的分解应在釉面玻化以前完成，以便生成的CO2

6、 SO3体排除干净，否则在釉面玻化时反应还在进行，气体排不出，就会使制品起泡，影响制品质量。,10,(二)硅酸盐制品烧成过程的晶型转换,1、天然矿物烧成过程中的晶型转变： 天然矿物一般均呈低温晶型，烧成时就会转变成高温晶型。 在转换温度下，有的产生可逆的急剧变化，如 型之转换； 有的成非可逆的迟钝型转换。 1、天然矿物烧成过程中的晶型转变伴随的物理变化：这些转换伴有显著的体积膨胀或收缩，如果使用会发生这类变化的原料时，在烧成过程中，必须使其变成稳定的高温晶型。石英就是最好的例证。,11,(三)硅酸盐制品烧成过程的固相反应,1、硅酸盐制品烧成过程的固相反应：是传统硅酸盐材料以及新型无机功能材料生

7、产过程中的基本反应，它直接影响到这些材料的生产过程和产品质量。 2、固相反应的特点：是反应只在相界面上进行。首先在相界生成一产物层，接着在相界上继续进行反应。因此反应物在产物层中的扩散往往成为控制反应速度的主要因素。,12,(四)硅酸盐制品烧成过程的烧结,1、粘土类及其他原料的烧结：粘土类及其他原料的烧成制品，在烧成过程中的固结现象皆称为烧结。 2、粘土类及其他原料烧结的目的：烧结的目的是把粉状物料转变为致密体。 3、粘土类及其他原料的烧结形式：烧结的形式大致可分为二种： （1）一种是坯料在高温下形成共熔物，然后降至低温时生成玻璃相或结晶相而烧结，这种烧结称为液相烧结。如一般陶瓷器坯体、水泥熟

8、料和耐火制品的烧结。,13,（2）另一种是原料粉末加压成型、加热烧结，烧结时并无液相生成，此类烧结称固相烧结。如粉末冶金，氧化铝、氧化铁等的烧结。 4、固相烧结与固相反应的不同之处：固相反应必须至少有两个组元参加(如A与B)，并产生化学反应最后生成AB，AB的结构与性能不同于A与B。 而烧结可以只有单组元，或者两组元参加，但两组元并不发生化学反应，仅仅是在表面能驱动下由粉体变成致密体。 5、杂质对固态烧结的影响：实际生产中由于不可避免地有杂质存在，因此固态烧结时会同时伴随发生固相反应或出现液相。,14,(五)硅酸盐制品烧成过程的熔融,1、硅酸盐材料的烧结温度与熔融温度的关系：烧结是在远低于固态

9、物质的熔融温度下进行的。硅酸盐类材料的烧结温度(Ts)约为熔融温度(TM)的80 90， 而对金属粉末来说，Ts=(3040%)TM。 2、烧结与熔融的异同点：烧结和熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时全部组元都变为液相，而烧结时至少有一组元处于固态。,15,3、熔融状态对烧结的作用：物质处于熔融状态时，由于原子、分子、离子等的动能增加，减弱了原来的结合力；因而有利于各组分之间的反应。 又由于高温液相的相对粘度小，有利于未熔化的固体熔解以及熔化后物质的扩散，可获得质地均匀的产品。例如制造高铝水泥时采用熔融法，由于熔融物料易混合均匀，因而生料不必经过细磨，反应比较完全，制造的高铝水泥

10、质量一般较佳。,16,4、硅酸盐原料的熔融过程：在硅酸盐类材料的生产中，由于组分比较复杂，往往在未达完全熔融之前，通过分解、晶型转换、固相反应等已经进行了若干形成硅酸盐的反应。例如玻璃的熔制过程中，原料尚未开始熔融之前，已有硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝等的形成。然后随着温度的升高(达1200左右)，各种硅酸盐开始熔融，同时未熔化的砂粒和其他粒子也被全部熔解在硅酸盐熔融体中，而形成玻璃液。,17,5、熔融对反应速度的影响： 熔融时，反应进行的条件对反应速度的影响是很大的。以熔制玻璃为例，熔化温度、各氧化物的相对含量、某些添加物、炉内气氛性质与分压、耐火材料的侵蚀、混合料的颗粒组成、鼓泡与搅拌等都对反应

11、速度产生一定的影响。,18,二、烧成各类产品的窑炉类型,（一）窑炉概述 1、窑炉的概念： 窑炉是硅酸盐产品进行烧成所用的热工设备。 2、窑炉的作用：它是既能产生热、又能将此热有效地传给物料并使物料产生所需化学反应的装置。 3、窑炉的重要性：由于烧成是影响产品产量、质量、能源消耗、成本的关键工序，所用窑炉也就成了硅酸盐工厂的核心设备，常将其喻为硅酸盐工厂的“心脏”。,19,(二)硅酸盐制品烧成窑炉分类方法,由于硅酸盐类产品品种繁多，烧成过程中的物理化学变化又极为复杂，所以硅酸盐工业窑炉的种类甚多，其分类大致如下： 1. 按产品种类分：水泥窑；陶瓷窑；玻璃窑；石灰窑；耐火材料窑等。 2按烧成产品的

12、状态分： a. 适于煅烧块、粒状物料的窑。如回转窑、立窑等；,20,b. 适于烧制成型制品的窑。如隧道窑、倒焰窑等； c. 适于熔制玻璃的窑，如池窑、坩埚窑等。 3按作业的性质分：连续式窑；半连续式窑；间歇式窑。 4 按热源分：火焰窑；电热窑。 5 按使用的燃料分：烧固体燃料的窑；烧气体燃料的窑；烧液体燃料（油）的窑。,21,6 按火焰是否与制品接触分： 明焰窑（直接焰式窑）； 半隔焰式窑； 隔焰式窑马弗窑(Muffle Kiln)。 7 按火焰进行的方向分： 直焰式窑；横焰式窑；倒焰式窑等。 8 按窑的形状分： 方窑；圆窑；隧道窑；立窑； 池窑；坩埚窑等。,22,9 按窑的余热利用方式分：

13、近年来，人们对合理利用窑炉的废气余热进行了大量的研究工作，提出了许多切实可行的方案并付诸实践，因而各种窑炉根据废气余热利用方案的不同，又可进一步细分为不同的类型。如回转窑又可细分为带余热锅炉的；带料浆蒸发器的； 带悬浮加热机的；带悬浮预热器的回转窑等。,23,(二)、工业窑炉要素的分析比较,1、硅酸盐工业窑炉选型要考虑的因素：由于硅酸盐工业窑炉是集发热、传热，反应的功能于一身，有的还兼有输送物料的功能。 因此，从满足煅烧制品要求考虑选择窑炉类型时，需要分析的因素有：热能来源、供热方法、 传热方式，余热利用，炉内气氛性质及运料方法等。,24,2 、硅酸盐工业窑炉热能来源,（1）硅酸盐工业中燃料费

14、用所占比例：硅酸盐工业中，燃料费用在生产总成本中所占比例较大，例如生产普通硅酸盐水泥时，以煤粉作为燃料，其燃料费用约占成本的1314%。如果以油作燃料，则燃料费用在成本中的比例还要高。 （2）使用何种燃料需要的比较：选用燃料首先要根据国家的燃料政策，其次所选用的燃料不仅要能满足生产制品的工艺要求，而且要求在总成本中所占比例尽可能低。,25,3 硅酸盐工业窑炉供热方法,（1）硅酸盐产品在烧成时窑炉的供热方法：硅酸盐产品在烧成时均希望获得尽可能均匀的加热。为此，人们曾设想过多种均匀供热的方法。 常用的有四种： 内部供热； 底部供热； 侧面供热； 顶部供热。,26,1） 内部供热：根据烧成制品性质和

15、窑炉结构的许可，将燃料混入物料中进行燃烧供热。 A、内部供热的优点：例如烧制轻质耐火材料时，在泥料中加入锯末、焦炭粉、无烟煤粉等，此时，不仅供热均匀，还由于可燃物的燃尽，使制品具有一定的气孔率。又如用立窑煅烧水泥熟料时采用黑生料球法，燃料(无烟煤粉)与生料粉紧密接触，不仅传热速度高，热利用也好，其热有效利用率可达50%。 B、内部供热的缺点：但是由了燃料混入物料内部，燃料与空气接触不良，燃烧不集中，温度不高，容易出现燃料未尽、熟料欠烧。特别是当料球大小过分不均匀时，更加严重。,2）底部供热：是热气流由底部进入，向上浮升的过程中和下沉物料相遇，使物料加热的供热方式。 A、底部供热的优点：是物料和

16、热量是逆向运动，传热效率高。 B、底部供热的缺点：由于热气流有向上浮升的趋势，因而易造成加热室内温度分布不均匀。并且由于底部燃烧烧嘴维修困难，烧嘴覆盖面不大，所以底部燃烧应用并不多。,28,3） 侧面供热：热量从窑炉侧部进入。是硅酸盐工业使用最为广泛的供热方法，如倒焰窑、梭式窑、隧道窑、池窑等。 A、侧面供热的优点：由于侧面燃烧的横焰覆盖面大，能够在较大面积的窑炉底部上获得较均匀的温度分布。为了避免火焰直接冲刷在物料上引起在物料上结焦或过烧变形，可采用火焰对准燃烧通道或采用挡火墙的办法。 B、侧面供热的局限性：在侧面燃烧中，如在一般隧道窑中那样，由于受到烧嘴喷射力的限制，窑不宜太宽。,29,4）顶部供热：窑的宽度可不受限制。烧嘴设在顶部，数目可不受限制，从而可以采用小流量、多点分散的配置方式，进一步改善窑内温度分布的均匀性和火焰气体对制品的传热条件。 4、硅酸盐工业窑炉传热方式 明焰传热-火焰直接进入窑内进行传热； 半隔焰传热-部分火焰直接进入窑内进行 传热； 隔焰传热-火焰不进入