【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 灣等地掀起了一股引進(jìn)國(guó)外輥道窯及生產(chǎn)技術(shù)的熱潮，先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)極大地推動(dòng)了我國(guó)釉面磚、墻地磚等建筑陶瓷的發(fā)展，到90年代初期在全國(guó)建立了多所建筑陶瓷生產(chǎn)基地，建陶工業(yè)的迅速發(fā)展也推動(dòng)了陶瓷輥道窯的發(fā)展[[] [J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30 (8)： 8586.]。 輥道窯的研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外對(duì)輥道窯的文獻(xiàn)研究所見(jiàn)較少，部分學(xué)者從輥道窯的氟化物的排放、窯爐控制系統(tǒng)的選用以及窯內(nèi)傳熱多個(gè)方面對(duì)輥道窯進(jìn)行了有關(guān)研究。在窯內(nèi)污染物排放方面，等通過(guò)監(jiān)測(cè)窯內(nèi)氣固樣本中的氟化物含量對(duì)建筑陶瓷磚在輥道窯內(nèi)燒成過(guò)程中的氟排放的排放機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為輥道窯內(nèi)氟排放的排放始于溫度較低區(qū)域、窯體中某些區(qū)域吸收而不是排放氟化物。等在控制系統(tǒng)選用方面對(duì)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩種控制方式進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)在輥道窯溫度控制上全面優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但該研究的不足在于研究成果并未經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)[[] Nguyen Quoc Dinh, Nitin V. Afzulpurkar. Neurofuzzy MIMO nonlinear control for ceramic roller kiln[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2007,15:12391258.]。在窯內(nèi)傳熱方面，和創(chuàng)建了一個(gè)解析解用來(lái)描述輥道窯內(nèi)產(chǎn)品平面下的輥?zhàn)訉?duì)傳熱的影響，最終得到的熱流與通過(guò)偏微分方程求得的值最多約有15%的誤差，不過(guò)他們?cè)诮⒌哪Ｐ椭邪压髯虞S向方向上的參數(shù)都假設(shè)成了定值，而實(shí)際情況并非如此。、等人對(duì)輥道窯內(nèi)陶瓷瓷磚在工業(yè)燒成中磚內(nèi)溫度分布進(jìn)行了理論熱力計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，得出瓷磚頂部表面與底部表面之間存在超過(guò)100℃的顯著溫差且瓷磚表面溫度與窯爐熱電偶所測(cè)得的溫度總會(huì)存在較大差異的結(jié)論。國(guó)內(nèi)關(guān)于輥道窯的研究較多，研究方向主要集中在輥道窯基礎(chǔ)傳熱、溫度均勻性等方面。在基礎(chǔ)傳熱研究方面，胡國(guó)林、胡曦等人對(duì)輥道窯內(nèi)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬， 得出輥道窯預(yù)熱帶與燒成帶的內(nèi)壁溫度比制品溫度高的定量結(jié)論，證實(shí)了輥道窯內(nèi)壁溫度比制品表面溫度高這一猜想[[] 胡國(guó)林，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2000，21(1)：3236.]。胡國(guó)林、張維江等人研究了不同燒成曲線、保溫時(shí)間及改變瓷質(zhì)磚的物性參數(shù)等因素對(duì)瓷質(zhì)磚內(nèi)部溫差的影響，得出瓷質(zhì)磚由于厚度有限，在燒成過(guò)程中沿厚度方向溫差較小適合快燒，瓷質(zhì)磚表面和中心的最大溫差都出現(xiàn)在升降溫速率最快的區(qū)段[[] 胡國(guó)林，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2006，27(3)： 259263.]。林依翰、胡國(guó)林等人對(duì)輥道窯的窯內(nèi)空間傳熱進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，得出輥道窯內(nèi)煙氣中的和的黑度的經(jīng)驗(yàn)公式以及計(jì)算輥道窯內(nèi)煙氣對(duì)制品傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[[] 林依翰，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2012，33(1)：8589.]。為了提高輥道窯內(nèi)溫度均勻性效果，國(guó)內(nèi)學(xué)者在窯爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面所作研究比較多，如馮青、李柯等人研究了不同的擋火板開(kāi)度對(duì)預(yù)熱帶內(nèi)氣體流動(dòng)的影響，得出擋火板開(kāi)度在10cm～15cm時(shí)，對(duì)氣流的作用很明顯，氣流的溫度和速度分布都比較均勻[[] 馮青，[J].中國(guó)陶瓷，2006，42(4)： 2629.]。童劍輝、汪和平對(duì)輥道窯內(nèi)閘板的結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)熱帶中煙氣流動(dòng)的影響效果進(jìn)行了一些研究。通過(guò)分析模擬發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是沿窯長(zhǎng)方向還是窯寬方向，“一”字形閘板對(duì)煙氣流動(dòng)的影響總是最小的，鋸齒形閘板影響也比較小，而“凹”字形閘板產(chǎn)生的影響最大[[] 童劍輝，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2010，31(3)：502506.]。馮清、陸琳、李柯、張柏清等人分別對(duì)燒嘴的噴射角度、流速以及布置等方面對(duì)窯爐內(nèi)溫度均勻性的影響進(jìn)行了研究，得出了有利于窯內(nèi)氣體流動(dòng)和溫度均勻性的最佳燒嘴設(shè)置參數(shù)。孟漢、蔣方樂(lè)研究了不同窯頂結(jié)構(gòu)下窯內(nèi)氣體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，分析了不同窯頂結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，認(rèn)為在輥道窯燒成帶，采用拱頂結(jié)構(gòu)比平頂結(jié)構(gòu)要更好一些[[] 孟漢堃，[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)， 2012，19(3)：1013.]。 綜上可知，對(duì)于燃料入口速度和空燃比對(duì)輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)的影響方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究資料較少，本研究重點(diǎn)探尋這兩個(gè)因素對(duì)燒成帶溫度場(chǎng)的影響，以期獲得最優(yōu)操作參數(shù)。 研究目的及內(nèi)容 研究目的 隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，窯爐的現(xiàn)代化水平不斷提高，窯爐制造技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多能耗較低、截面溫度較均勻、燒成速度較快、溫度控制較精確的自動(dòng)化輥道窯。由于輥道窯保證了陶瓷制品比較優(yōu)良的燒制過(guò)程，所以陶瓷行業(yè)特別是建筑陶瓷行業(yè)在輥道窯方面有著非常廣泛的應(yīng)用。中國(guó)是一個(gè)建筑衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)大國(guó)與消費(fèi)大國(guó)，輥道窯作為建陶企業(yè)生產(chǎn)的核心部分，有關(guān)它的各項(xiàng)研究都已有所開(kāi)展。輥道窯采用輥棒傳動(dòng)來(lái)進(jìn)行連續(xù)式生產(chǎn)，沒(méi)有使用窯車、匣缽，與傳統(tǒng)隧道窯相比，減少了因窯車運(yùn)動(dòng)所帶走的一部分熱量而產(chǎn)生的熱能損失，從而提升了熱效率；并且由于沒(méi)有使用窯車，輥棒上下均可加熱，窯內(nèi)溫差較隧道窯、梭式窯小，溫度分布更加均勻，在很大程度上減小了產(chǎn)品的燒成周期，為實(shí)現(xiàn)窯爐高效節(jié)能環(huán)保奠定了基本條件。雖然輥道窯相對(duì)于傳統(tǒng)隧道窯優(yōu)點(diǎn)明顯，但依舊存在窯內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性較差的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于輥道窯溫度場(chǎng)均勻性開(kāi)展了較多研究工作，研究?jī)?nèi)容主要集中在“研究集中和分散排煙”、“不同的擋火板開(kāi)度對(duì)預(yù)熱帶內(nèi)氣體流動(dòng)的影響”以及“不同窯頂結(jié)構(gòu)下窯內(nèi)氣體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布”等方向，研究成果頗為豐碩。但在燃料入口速度、空燃比等工藝控制參數(shù)方面研究較少，因此，本研究擬對(duì)燃料入口速度、空燃比對(duì)燒成帶溫度場(chǎng)均勻性的影響規(guī)律進(jìn)行研究。 研究?jī)?nèi)容 本文主要針對(duì)衛(wèi)生陶瓷輥道窯燒成帶內(nèi)溫度均勻性較差的問(wèn)題進(jìn)行研究，研究工作以工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和溫度場(chǎng)理論等理論知識(shí)為基礎(chǔ)，借助Fluent流體力學(xué)模擬軟件，建立輥道窯燒成帶仿真模型，得出有利于輥道窯窯內(nèi)溫度均勻性的最優(yōu)燃料入口速度、空燃比等工藝控制參數(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐及窯爐的自動(dòng)控制提供有效的指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）建立輥道窯燒成帶燃燒數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以了解窯內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)情況。（2）研究基準(zhǔn)工況下燒成帶燃料入口速度、空燃比這兩個(gè)工藝控制參數(shù)對(duì)輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性的影響。（3）研究主要工藝控制參數(shù)與輥道窯燒成帶內(nèi)溫度均勻性之間的變化規(guī)律，找到最優(yōu)設(shè)置參數(shù)。 第2章 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理 本文以湖南臨澧某陶瓷廠一44m衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶為研究對(duì)象，輥道窯實(shí)物圖如圖21所示。圖21 輥道窯實(shí)物圖該輥道窯部分設(shè)備參數(shù)如表21所示。表21 輥道窯部分設(shè)備參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目單位技術(shù)指標(biāo)備注1爐窯規(guī)格尺寸m2產(chǎn)品名稱衛(wèi)生陶瓷3設(shè)備產(chǎn)量件/天16004燒成周期h95窯體材料聚輕莫來(lái)石外敷硅酸鋁纖維 輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu) 燒成帶窯體結(jié)構(gòu)主要包括有窯墻、窯頂、窯底、輥棒、燒嘴和一些附屬結(jié)構(gòu)[[] [M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1989，2225.]。以下為部分結(jié)構(gòu)的說(shuō)明。（1）窯墻窯墻外部包有45mm的薄鋼板結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同區(qū)域?qū)囟鹊囊?，將選擇使用相應(yīng)合適溫度等級(jí)的耐火材料，由于燒成段對(duì)溫度要求是最高的，應(yīng)當(dāng)使用耐高溫，保溫性良好，耐火性能高的材料。通過(guò)選擇材料，最終決定窯墻最里層使用232mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用233mm厚的耐火纖維，最外層包裹含鋯針刺保溫氈、高鋁針刺保溫氈及硅酸鋁纖維保溫毯(板)等保溫層，窯墻總厚度為495mm。（2）窯頂窯頂位于輥道窯正上方，工作條件較差，窯頂除了需要具有耐高溫、散熱小、保溫性好等特點(diǎn)外，還需要符合爐窯頂部結(jié)構(gòu)合理、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高并且不漏氣等條件?？紤]到該衛(wèi)生潔具輥道窯工作溫度并非很高，采用和窯墻同樣的材料也能滿足要求，故本著節(jié)約簡(jiǎn)便的原則，該型輥道窯窯頂最里層使用250mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用140mm厚耐火纖維，最外層包裹含鋯針刺保溫氈、高鋁針刺保溫氈及硅酸鋁纖維保溫毯(板)等保溫層。最終窯頂總厚度為390mm。如果衛(wèi)生潔具制品的潮氣過(guò)重，可以針對(duì)性采用吊頂結(jié)構(gòu)和堇青石一莫來(lái)石平吊頂板，如此便能有效防止潮濕煙氣的侵蝕，并且也能較好地降低窯體對(duì)外的熱量喪失。（3）窯底窯底結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，對(duì)材料的要求比窯墻和窯頂窯低。該型輥道窯燒成帶窯底采用三層結(jié)構(gòu)，最里層使用134mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用67mm厚耐火纖維，最外層填充134mm厚輕質(zhì)粘土。最終得到窯底總厚度為335mm。（4）輥棒實(shí)踐證明衛(wèi)生潔具陶瓷輥道窯中的輥棒的材質(zhì)和數(shù)量以及其運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小。由于本課題將整個(gè)燒成帶內(nèi)的溫度場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)加以研究，所以可以忽略輥棒對(duì)溫度場(chǎng)的影響，假設(shè)陶瓷材料是懸空固定于窯內(nèi)輥棒高度上的，很大程度簡(jiǎn)化了物理模型和數(shù)學(xué)模型。（5）燒嘴輥棒將窯內(nèi)空間分為上下兩個(gè)通道，燒嘴交錯(cuò)布置在窯墻輥棒下方兩側(cè)，本課題研究的輥道窯為新型節(jié)能輥道窯，使用的燃料為天然氣。該輥道窯使用的燒嘴是低速噴射燒嘴,其天燃?xì)夤軓綖?4mm，助燃空氣管徑為62mm（水力直徑為48mm），燒嘴的高溫氣流噴射速度在理想狀況下可達(dá)到5m/s，攪動(dòng)平緩，雖然燒成帶內(nèi)的對(duì)流換熱不強(qiáng)，但其溫度均勻性更優(yōu)越。（6）擋火墻本課題所研究的輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)，只在窯底每?jī)晒?jié)之間設(shè)置有高為402mm的擋火墻。擋火墻的主要作用是擋住輥棒下方的高溫?zé)煔?，促使在燒成帶每一?jié)內(nèi)都形成一個(gè)漩渦流場(chǎng)，有利于強(qiáng)化煙氣與陶瓷制品的對(duì)流換熱，所以調(diào)動(dòng)擋火墻能夠有效控制窯內(nèi)的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)。（7）制作物理模型時(shí)可忽略的附屬結(jié)構(gòu)測(cè)溫孔:主要用于對(duì)溫控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于使?fàn)t窯按照預(yù)定的燒制程序?qū)μ沾芍破愤M(jìn)行燒制。測(cè)溫孔一般設(shè)置在燒嘴上下側(cè)，有利于調(diào)節(jié)燒嘴，并且能夠起到控制上下溫差的作用。本課題在制作模型時(shí)考慮到測(cè)溫孔對(duì)溫度場(chǎng)影響比較微弱，所以忽略了該結(jié)構(gòu)。 事故處理孔:事故處理孔用于清理通道，排除事故。爐窯運(yùn)行時(shí)有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)輥棒折斷，制品掉落甚至發(fā)生倒窯事故。在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)事故處理孔被用耐火保溫材料砌嚴(yán)，與窯墻無(wú)異，模擬窯內(nèi)溫度場(chǎng)控制過(guò)程時(shí)可忽略該結(jié)構(gòu)。觀察孔:觀察孔稱也被稱作觀火孔，一般設(shè)置在燒嘴正對(duì)面的窯墻上，用于觀察窯內(nèi)燃燒情況與正對(duì)燒嘴的火焰長(zhǎng)度。窯內(nèi)出現(xiàn)一些小故障時(shí)也可以通過(guò)觀察孔觀測(cè)。其與事故處理孔一樣在模擬工況時(shí)可忽略。膨脹縫:窯體的四個(gè)面都要留有膨脹縫，膨脹縫用于緩沖耐火材料在溫度變化下的膨脹和收縮。在一般工況下，膨脹縫間隙里面充以耐火纖維棉，防止?fàn)t窯漏風(fēng)，相當(dāng)于窯墻的一部分。 輥道窯燒成帶運(yùn)行原理在燒成帶入口處，通過(guò)輥道窯預(yù)熱帶加熱到一定溫度的陶瓷制品整齊地碼放在棍子上進(jìn)入燒成帶。制品的前進(jìn)方向與窯內(nèi)煙氣流動(dòng)方向相反。制品在行進(jìn)過(guò)程中經(jīng)熱氣流的不斷加熱,發(fā)生一系列物理化學(xué)變化,直至燒成。天然氣和空氣通過(guò)燒嘴兩根管道以預(yù)定的速度噴入爐窯，快速混合后點(diǎn)火燃燒，使窯內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)。高溫?zé)煔庾詿蓭蚋G頭流動(dòng)，與制品充分換熱后進(jìn)入排煙孔，經(jīng)煙道及排煙機(jī)排出。 第3章 輥道窯燒成帶數(shù)學(xué)模型的建立陶瓷制品在輥道窯燒成帶中的燒制過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的演變過(guò)程，其涉及到流體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜的物理變化過(guò)程，同時(shí)還伴隨有不同的化學(xué)反應(yīng)與變化。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段對(duì)燒成帶內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)變化情況進(jìn)行研究較為困難。本研究采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)輥道窯燒成內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)變化情況進(jìn)行研究。為方便研究輥道窯燒成帶爐膛內(nèi)的溫度分布特性，本章首先建立一個(gè)合理的物理模型，然后確定與其相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)解析域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，為下一章輥道窯燒成帶基準(zhǔn)工況的數(shù)值模擬和綜合優(yōu)化做好鋪墊。 簡(jiǎn)化與假設(shè)為便于幾何模型的建立，合理利用計(jì)算資源，對(duì)輥道窯窯體的建立以及計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化與假設(shè)，具體如下：（1）陶瓷制品在輥棒間的傳動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，但由于設(shè)備配置無(wú)法滿足過(guò)高要求，對(duì)燒成帶內(nèi)的溫度場(chǎng)變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真較為困難，故在建模時(shí)忽略了輥棒，且只選取兩個(gè)特定的衛(wèi)生潔具來(lái)分析其各個(gè)表面的溫度分布特點(diǎn)。（2）在實(shí)際生產(chǎn)條件中，本研究對(duì)象的后方，即燒成帶末段為零壓面，無(wú)氣流通過(guò)，故將該零壓面按絕熱壁面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。（3）忽略窯墻透風(fēng)對(duì)爐溫的影響,假設(shè)窯體氣密性較好。（4）陶瓷制品體在燒成過(guò)程中因物理化學(xué)反應(yīng)吸收和排出的氣體的質(zhì)量較小，在建立模型時(shí)忽略其對(duì)爐窯溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的影響，即在燒成過(guò)程中假設(shè)陶瓷制品質(zhì)量與體積不變。（5）忽略燒成過(guò)程中陶瓷制品內(nèi)因化學(xué)物理反應(yīng)產(chǎn)生的熱源對(duì)溫度場(chǎng)的變化影響，即在燒成過(guò)程中不考慮制品內(nèi)熱源問(wèn)題。（6）由于不同陶瓷衛(wèi)生潔具形狀各異，本研究在建模時(shí)將其簡(jiǎn)化為兩個(gè)并排的的立方體。 物理模型本研究選取衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶的一節(jié)作為研究對(duì)象，輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)尺寸如圖31所示。輥道窯模型的中心點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)。該模型窯長(zhǎng)1000mm、窯內(nèi)空寬1220mm、窯內(nèi)空高1194mm，輥棒下側(cè)交錯(cuò)布置兩個(gè)垂直于窯墻的燒嘴，每?jī)蓚€(gè)交錯(cuò)燒嘴間距為250mm，燒嘴距窯體兩端間距也為250mm，擋火墻在窯底,高198mm。取兩個(gè)540420540的陶瓷坯體按照實(shí)際工況放置在傳動(dòng)輥棒上，輥棒距窯底高度為402mm，陶瓷坯體離窯壁距離為160mm，中間火焰平衡帶間隔為60mm，由于陶瓷坯體上表面距窯頂只有252mm，所以無(wú)需設(shè)置上擋火閘板。 圖31 燒成帶結(jié)構(gòu)尺寸圖從圖31可以看出，該節(jié)輥道窯主體部分是一個(gè)臥式矩形爐膛，在輥道窯爐壁下方兩側(cè)交錯(cuò)分布有燒嘴。該輥道窯使用的燒嘴是低速噴射燒嘴，其天然氣管徑為14mm，空氣管徑為62mm（水力直徑為48mm），燒嘴的高溫氣流噴射速度在理想狀況下可達(dá)到10m/s，天然氣與空氣在燒嘴噴頭處攪動(dòng)混合后點(diǎn)火燃燒。 數(shù)學(xué)模型和解析域數(shù)學(xué)建模是