无机热工基础第一章绪论

无机材料热工基础主讲人:宁伟东华大学材料学院2014.6第一章.绪论

引言耐火材料窑炉分类窑炉发展单位制引言材料科学和窑炉发展材料--窑炉--材料--窑炉--材料

间歇与连续平焰与倒焰烟气与空气操作制度窑炉结构和热工基础(流体力学、燃烧学、传热学）工艺过程和热工过程设计依据和设计原则陶瓷、玻璃、水泥工艺过程

湿法工艺

干法工艺陶瓷：配料----成型----烧成

烧成制品窑（基础）（手段）（关键）玻璃：配料----熔融、澄清、冷却

----成型----退火熔融制品窑水泥：配料----生料磨----熟料煅烧

----配料----水泥磨

粒状制品窑热工过程陶瓷：预热----烧成----冷却玻璃：熔融----澄清----冷却水泥：干燥--预热--碳酸盐分解--固相反应----液相烧结--熟料凝结--冷却凝固

湿法窑

H2O40

中空窑

立波尔窑

e：40

悬浮预热器窑

e：45-50

预分解窑

e：85-95注：e-生料分解率热工过程连续式陶瓷窑炉预热带烧成带冷却带热工过程间隙式陶瓷窑炉返回

操作制度

陶瓷：温度气氛压力（烧成制度）玻璃：温度气氛压力液面泡界线（作业制度）水泥：温度气氛（煅烧制度）烟气与空气两个相对独立的子系统平焰与倒焰

火焰流动方向与窑内上下温差的关系间歇与连续

产量热效率劳动强度自动控制炉龄上下温差烧成制度调整投资额耐火材料单击进入

窑炉分类陶瓷

Kg/d运载工具：

窑车式—

隧道窑非窑车式—

推板窑辊道窑气垫窑步进窑操作类型：连续式—

隧道窑推板窑辊道窑间歇式—

倒焰窑新型间歇式—钟罩窑梭式窑能量转换：化学能

热能

火焰窑

油、煤气…

电

能

热能

电窑

发热元件金属

Mo/W/Ni/Cr

非金属

SiC、MoSi2

烧成条件

真空、气氛、

无压、气压、热压其它：

用途：素烧釉烧烧银烤花原料煅烧烧成温度：低温中温高温断面积：大中小烧嘴位置：顶烧窑底烧窑侧烧窑烧成速度：快烧窑火焰流动方向：倒焰平焰升焰半倒焰

……火焰窑明焰隔焰半隔焰电窑敞露式封闭式陶瓷窑炉辊道窑陶瓷窑炉隧道窑抽屉窑陶瓷窑炉网带窑升降窑陶瓷窑炉钟罩窑隔焰窑陶瓷窑炉推板窑陶瓷窑炉推板窑陶瓷窑炉梭式窑陶瓷窑炉梭式窑操作类型：间歇式—

坩埚窑

半间歇式—池窑+坩埚

连续式—

池窑

火焰流动方向：横焰窑

纵焰窑马蹄焰窑（水平、垂直）余热回收设备：

蓄热式（立式、卧式）

换热式（金属、陶瓷）窑顶结构：单碹、双碹玻璃液分割形式：浅层分割（冷却水管…）

深层分割（流液洞…）玻璃kg/m2.d

熔化率

kg/m2.周期周期熔化率制品种类：平板玻璃、器皿玻璃、玻璃纤维…

能量转换：

化学能

热能

火焰窑

全部燃料燃料+电辅助富氧燃烧全氧燃烧电能

热能

全电熔窑玻璃窑炉玻璃窑炉玻璃窑炉马蹄焰窑双碹池窑玻璃窑炉浮法玻璃窑1100℃600℃玻璃窑炉坩埚窑逆流式窑玻璃窑炉玻璃窑炉电熔窑马蹄焰玻璃池窑出料口冷却风孔流液洞投料口小炉风口

1.玻璃池窑的熔化部：是进行配合料熔化和玻璃液澄清、均化的部分．由于工业化玻璃池窑大都采用火焰对玻璃液表面进行加热，所以玻璃池窑的熔化部可以分为上、下两部分。上部被称为“火焰空间”；下部被称为“窑池”。烟气出口小炉蓄热室火势走向烟气走向火焰从小炉的一个风口出来，烟气从小炉的另一个风口进入通过蓄热室．因此在蓄热室留下烟气的高温．从而为上升的助燃空气预热做准备．每隔半个小时换向，意即每半小时火焰将从小炉的另一风口进入，烟气从另外出口出去．玻璃窑俯视图横焰窑烟气走向助燃空气走向煅烧系统（……+冷却机）水泥立窑：普通立窑（自动卸料）机械化立窑（自动卸料、自动加料）回转窑：湿法窑湿法长窑加热交换装置的湿法长窑（窑内、窑外）干法窑中空干法窑立波尔窑e：40-45%料球加热机+干法回转窑悬浮预热器e：40-45%旋风预热器+干法回转窑

（SP型）

立筒预热器+干法短窑

预分解窑

e：85-95%

（NSP型）悬浮预热器+预分解炉+干法短窑机械化立窑水泥窑炉腰部加风燃烧湿法长窑水泥窑炉排烟机配合料自然吸风二次风立波尔窑水泥窑炉烟气1400℃悬浮预热器窑水泥窑炉加料管熟料库电收尘器烟囱预分解窑水泥窑炉燃烧设备窑外分解炉系统让我们追寻那已逝去久远的年代，想象着步入古人类的生活圈子，去探求窑炉的起源和发展吧…发展简史发展简史

无有简单复杂低级高级陶瓷陶器---彩陶（红、灰）---黑陶、釉陶---原始瓷---瓷器-800℃850-1000℃1000-1300℃>1300℃

1-1.5万年前陶器无窑堆烧窑址不固定的薄壳窑0.7-0.8万年前新石器时期彩陶穴窑(竖穴、横穴）新石器时期晚期灰、黑陶釉陶改进的穴窑现代传统陶瓷传统窑炉0.2-0.3万年前

西周、战国时期原始瓷穴窑馒头窑、龙窑-0.2万年前

秦、汉、魏、晋龙窑-1000年前

宋朝瓷馒头窑（还原气氛）蛋形窑-600年前

明朝阶级窑--德化窑串窑-400年前

明末清初高级瓷蛋形窑--景德镇窑先进陶瓷先进窑炉（快烧、高温、功能、控制）完全封顶或不完全封顶，控制气氛火口火膛火道窑算窑室

横穴窑竖穴窑

发展简史制品

发展简史蛋形窑

发展简史灰坑

发展简史拾遗：我国唐朝开始烧煤，欧洲十八世纪才开始。欧洲最早仿景德镇的平焰窑，后改为升焰窑，最后才采用倒焰式。

关于隧道窑：

1751年

法国人威塞尼斯发明

1880年

瑞典人波克发明“砂封”

20世纪初

英国人厥斯勒大大改进

1938年

中国大连电瓷厂第一座诞生平焰升焰倒焰

发展简史熔制器皿

泥

罐

陶、瓷质器皿

特种器皿

（古埃及）（中国春秋战国时期原始瓷）（现代）

掌握熔制技术熔制设备

坩埚窑

池窑

池窑

现代池窑

（间歇式）（间歇式）（连续式）（电熔、富氧）

1867年

19世纪始发展

发展熔制技术玻璃

发展简史

约在1万年前的新石器时期，挖穴建室已兴起，当时的“穴窑”就是用粘土，或掺入稻草、壳皮建成的。以后又在红土中挑出姜石（一种石灰质原料）涂铺，表面变得光滑坚硬。发现“火”以后，人们煅烧石膏或石灰调制砂浆建成了埃及金字塔、我国万里长城等著名古建筑。至汉朝，烧制石灰已有相当高的水平。生产发展后，用石灰浆加入火山灰调制，也可加入些废陶、碎砖。水泥

发展简史18世纪后期，生产有了量的概念，逐渐由天然制作转向人工合成。含粘土20

-25的石灰煅烧后磨细形成的水硬性石灰就是有名的罗马水泥。19世纪发展到人工配料，组织工业化生产，1877年第一台回转窑（干法）问世，英国人的专利。后来有了立窑、湿法回转窑。20世纪20年代出现了立波尔窑，50年代出现了悬浮预热器窑，70年代出现了预分解窑。随着水泥窑炉的更新，水泥生产技术和水平也得到了飞快的提高和发展。

发展简史国

际

制

工

程

制

关系基本量mKgSKmolAcdmKg(f)S℃Kcal辅助量radsr导出量NJPaKg(f)/cm2(at)长度Lmm时间SS温度T、tK℃T=t+273国际单位制和工程单位制质量MKgKg(f)S

2/m1Kg(f)S2/m=9.8Kg

力FN(Kg.m/s2)Kg(f)1Kg(f)=9.81N热能QJ(N.m)Kcal1Kcal=4.187KJ功率PW(J/S)Kcal/h1Kcal/h=1.163W压力FPa(N/m2)Kg(f)/cm2

(at)*1at=9.81×104Pa动力粘度Pa.SKg(f)S/m

2

1Kg(f).S/m

2=9.81Pa.S运动粘度m2/Sm2/S国际单位制和工程单位制1atm=760mmHg=10336mmH20=101325Pa1at=10000mmH20=9.81×104Pa1mmH20=9.81Pa1bar=103mbar=105Pa=0.1MPa1MPa=10.2at1mmHg=1乇21世纪前景广阔的玻璃全电熔窑技术玻璃电熔技术引言定义优点熔化形式电极种类及配置配套耐火材料引言1902年沃尔克（Volker）申请了一个利用电流通过玻璃配合料产生的焦耳热来熔化玻璃的专利,世界上就揭开了玻璃电熔的一页

1920～1925年，挪威的雷德(Raeder)使用石墨电极成功地实现了玻璃的全电熔经历100多年的发展，该技术已在世界范围内普及国际上著名的电熔窑炉设计公司主要有：德国索尔格公司（SORG）、德国约戴特熔炼技术有限公司（JSJ）、英国依莱克格拉斯公司（ELECTROLGLASS）、英国FIC（UK）有限公司、美国TECO国际工程公司国内从上世纪八十年代开始运用电熔技术，并以蓬勃发展的态势，目前运用该技术的窑炉近千座，约占整个玻璃熔炉的8%定义玻璃电熔技术——利用高温，在交变电场作用下，使玻璃液中的钾（K+）、钠(Na+)等离子做往复运动，产生的焦耳热从而熔化玻璃的技术，该过程符合欧姆定律。节能减排产品品质高环保劳动强度低投资回报快占地面积小、操作简便优点熔化形式全电熔炉窑主要特点是垂直熔化、深澄清；其炉型丰富多样，根据熔制玻璃品种的特性一般分为:矩形或方型三角型六边型或八边型电极种类钼电极钼电极主要适用于具有还原性的玻璃，玻璃中对电极有害的成分是铅、砷、锑。石墨电极

石墨电极的优点是比重小，便于使用水平布置的大电极，缺点只能用于具有还原能力的玻璃。

锡电极锡电极是一种具有氧化作用的氧化物陶瓷材料，但它的电阻受温度影响大。铂电极

在对玻璃质量要求很高的时候用铂电极。电极种类顶插法底插法水平插法电极配置方式电极底插法电极水平插法配套耐火材料电熔炉中使用的耐火材料比较简单，主要有：电熔锆刚玉轻质保温砖：高铝砖、保温砖锆莫来石砖玻璃窑炉北雄都江堰玻璃窑炉金华九州玻璃窑炉晋城华鹏玻璃窑炉韩国OREX浙江山蒲玻璃窑炉台湾琉璃工房浙江山蒲照明ElectricMeltingTechnologyEnergyEfficiency能源效率GlassQuality玻璃质量FurnaceOutput产量----SpecialistTechnologiesfortheGlassIndustryMaximizeAll-ElectricMelting全电熔All-ElectricForehearth电加热料道ElectricBoosting电助熔KeyDesignVariablesofElectrodeSystemsElectrodeImmersionrelatedtoGlassDepthNumberandPositionofElectrodesElectrodeImmersionrelatedtoGlassColourElectrodeSpacingElectricalCircuit200T/DFurnacewithoutBoostIndirectGasHeatingDirectElectricHeatingTransformerElectricBoostingElectricBoostingEnergydirectlyintotheGlassElectricBoostingEnergydirectlyintotheGlass200T/DFurnace(150T/Dunboosted,with50T/DBoost)All-ElectricMeltingAll-Electric

Melting

EnergyEfficiencyupto85%

NoEnvironmentalPollution

SilentOperationELECTROGLASS

32Tonnes/DayBorosilicateGlassFurnace250Tonnes/DayAll-ElectricFurnaceAll-ElectricForehearthsTypicalEnergyConsumptionsperKgGlass200T/DFurnace

Fuel-Fired

Fuel-FiredwithElectricBoost25%

All-ElectricChangingfromgastoelectricforehearths

reducedenergycostby70%21世纪前景广阔的

玻璃全氧燃烧1、优点2、规模与用途3、原理4、我国的发展动向全氧燃烧简介采用纯度≥85%的氧气参与燃烧的系统，我们称之为全氧燃烧；全氧燃烧就是将传统的空气—燃料燃烧系统改为氧气—燃料燃烧系统。全氧燃烧时助燃剂全部用氧气(纯度可从90%到100%),燃烧产物成份中只有CO2

和H2O,燃烧产物数量将大大减少优点全氧燃烧具有能耗低、产量高、质量好、环境污染小、池窑结构简单等优点废气排放中的N2含量从68.56％下降到0.05％，而且烟气量从34356(Nm3/h)降到8056(Nm3/h)，对改善大气污染具有重要的意义规模与用途全世界已有200多座全氧燃烧窑炉北美拥有的550座包括小型特种玻璃窑在内,其中约有140座为全氧燃烧窑炉欧洲现有的350座窑炉中已有80余座为全氧燃烧窑亚洲已有50多座全氧燃烧窑炉运用领域全氧燃烧熔制方法运用十分广泛：玻璃纤维瓶罐器皿平板玻璃特种玻璃······图1：全氧燃烧窑在北美的分布图

图2：全氧燃烧窑在欧洲的分布图

制氧方法真空变压吸收法(VPSA)

耦合成分子筛分离O2和N2,多采用双床式,轮换操作低温氧气分离法(ICO)

生产纯度达98％的低压O2,还可同时生产N2液氧

能供应纯度达99.5％的高压O2，生产费用高，每吨液氧产生700m3的O2我国的发展动向

近几年，在中国已开始推行全氧燃烧，发展速度比较迅猛，已经在以下几个方面成功运用：玻璃纤维池窑玻壳、玻锥电子窑浮法窑增设“0号小炉”的全氧助燃其他特种窑炉示意图工程实例一浙江某照明电器有限公司窑炉概况：产品——照明电器玻璃用玻壳玻管窑型——全氧燃烧窑炉窑炉尺寸——4m*10m=40m2出料量——60吨/天燃料——压缩天然气（8500cal/Nm3）+氧气运行结果：单位能耗——862.8kCal/吨玻璃（101.5Nm3/吨玻璃）氧气使用量——213Nm3/吨玻璃窑炉运行成本——约568元/吨玻璃工程实例一工程实例二浙江某日化玻璃有限公司窑炉概况：产品——香水瓶玻璃窑型——马蹄焰蓄热室窑炉窑炉尺寸——4.2m*7.4m=31.08m2出料量——50吨/天燃料——重油（9600cal/Nm3）+空气运行结果：单位能耗——2054kCal/吨玻璃（214kg/吨玻璃）窑炉运行成本——约856元/吨玻璃工程实例二工程现场

东华大学-先进玻璃制造技术教育部工程研究中心（原轻工业部玻璃搪瓷研究所）系国家唯一授予的“玻璃电熔技术”依托单位，所研发的玻璃电熔技术在1995年首次被国家科委列入九五《国家级科技成果重点推广计划》后，2003年再次被国家科技部列入《国家级科技成果重点推广计划》，该技术在国内外蓬勃发展。东华大学先进玻璃制造技术教育部工程研究中心特点与优势

具有自我研发的技术及专长有近百篇相关论文，十余项技术专利，藉此满足国家节能减排、能源政策和可持续发展战略，且还可为企业立项报奖提供便利，数家企业已享受惠利。自2000年以来，与国内权威行业学（协）会共同主办了数届大型国际、国内玻璃熔制技术研讨会。特点与优势应用领域广，成功案例多，产品种类全可广泛应用于玻璃器皿、瓶罐、电光源、建筑、光学、玻璃纤维、饰品、装饰、仪器、交通、医用等20多种玻璃的熔制。既有节能显著型产品和高附加值产品，又有满足客户需求的特殊产品。特点与优势具有符合电熔技术的完整工艺和配方软硬件配套，主要提供：各类钠钙、硼硅、铅钡、乳白、微晶、铝磷、玻纤、颜色及具有特殊成分的玻璃等成熟工艺配方。已成功为企业建立数十条生产线，使之获得良好的效益。特点与优势技术形式多样，窑炉种类齐全有全电熔炉、电助熔炉、混熔炉、局部电加热系统炉、电熔坩埚炉以及电坩埚炉等十余种。全电熔炉规模从0.2吨/日到60余吨/日，电助熔炉可在200吨/日以上，各类炉型十种以上。特点与优势服务范围广，美誉度高服务范围已达全国25个省、自治区（包括台湾地区）及4个直辖市几百处，从工程承包、技术服务、人员培训、售后帮扶等全方位与用户合作，取得了理想的效果。特点与优势客户要求高，合作对象广几乎涵盖了所有玻璃行业领域及所有类型的企业，有包括个人贷款的私营业主在内的众多企业，有国内著名的龙头企业和较有实力的上市公司；还有发达国家如美国、奥地利、韩国等及第三世界国家的知名企业，受到业内广泛信任和好评。经典国际合作案例为美国KOPP公司研发设计机场照明灯玻璃电熔炉为美国PPG公司研发设计特种玻璃纤维电熔炉为韩国OREX公司研发设计CCFL/EEFL电熔炉为日本NCI公司研发设计高折射玻璃电熔炉为奥地利施华洛斯奇合作研发无铅水晶玻璃为伊朗某公司提供高级器皿玻璃电熔炉荣誉证书耐火材料定义

指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料

（狭义）直接或间接抵抗高温作业的无机非金属材料（广义）分类耐火材料酸碱性碱性耐火材料酸性耐火材料中性耐火材料化学成份石墨系耐火材料Al－Si系耐火材料Mg－Ca系耐火材料外形不定型耐火材料定型耐火材料晶相形成非烧结耐火材料烧结耐火材料电熔耐火材料保温性能纤维耐火材料`重质耐火材料轻质（保温）耐火材料MgO—CaO系耐火材料为碱性耐火材料，主要用于冶金行业的高炉，中间包，炼钢炉等，还应用于其它其主要成分为氧化镁或氧化钙，晶相为氧化镁或氧化钙或橄榄石或尖晶石等镁质原料：烧结镁砂，电熔镁砂

主要产于中国辽宁的鞍山、大石桥、营口等地。类别：镁质，镁碳质，镁铝尖晶石质，镁橄榄石质，镁铬质，镁钙质，钙镁质，白云石质等等铝硅系耐火材料粘土耐火材料

30<Al2O3%<60%

高铝耐火材料

60<Al2O3%<95%

半硅质耐火材料

SiO2%>60%

硅质耐火材料

SiO2%>90%石英耐火材料

SiO2%>98%刚玉耐火材料

Al2O3%>95%

用于玻璃行业的耐火材料：玻璃行业优质硅砖锆刚玉砖（AZS)

轻质耐火材料纤维耐火材料高铝砖粘土砖锆刚玉砖AZS普通浇铸锆刚玉砖（AZS）无缩孔锆刚玉砖（AZS）AZS33#AZS36#AZS41#倾斜浇铸锆刚玉砖（AZS）准无缩孔锆刚玉砖代号名称特点及用途PT普通浇铸通常的浇注方法,制品的缩孔位于铸口的下部,多用于熔化池的上部结构等侵蚀不严重的部位。QX倾斜浇铸采用倾斜浇铸方法,制品的缩孔偏置于下端部,主要用做池壁砖。WS无缩孔浇铸切除了铸造砖的缩孔部分的无缩孔制品,主要用于做流液洞、窑坎、池壁拐角、铺面等侵蚀严重的部位。ZWS准无缩孔浇铸类似于无缩孔浇铸,基本上切除了所铸造砖缩孔部分,主要用做池壁砖。特点及用途化学成分（%）AZS-33AZS-36AZS-41ZrO2≥32≥35≥40SiO2≤14.5≤14≤12.5Al2O3余量余量余量Na2O≤1.4≤1.6≤1.2Fe2O3≤0.15≤0.15≤0.15TiO2≤0.10≤0.10≤0.10物理性能真密度（g/cm3)3.843.954.10常温耐压强度（Mpa)350350350热膨胀率（%）1000°C0.800.800.801500°C0.800.800.80玻璃相渗出温度（℃）145015001500抗玻璃液侵蚀（mm/24hr）1.31.21.0容重（g/cm3)PT（普通浇铸）QX（倾斜浇铸）3.503.523.70WS（无缩孔）ZWS（准无缩孔）3.703.803.95晶相组成（