结构隧道窑设计中的改进建议与设想

本栏编辑：孙国凤

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大断面吊顶结构隧道窑设计中的改进建议与设想

湛轩业

刘秀玲

张红林（西安墙体材料研究设计院）

【摘要】分析了我国砖瓦行业吊平顶隧道窑的某些细部结构中存在的问题，结合国外先进经验，提出了大断面吊顶结构隧道窑在吊顶结构形式、侧墙与钢柱的连结、热伸缩缝的预留位置、侧墙支撑与保温、砂封、窑车车面层结构、送排风系统、顶车机位置等方面设计中的改进建议与设想。

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自从>?@A年双鸭山市从法国西方工业公司引进了?9B,宽的超大断面吊平顶结构隧道窑以来，我国砖瓦行业中，特别是在利用煤矸石、粉煤灰、黄河泥沙制造烧结空心砖的许多工厂，选用了我国自行设计的C9D,、D9?,、?9B,宽的大断面吊平顶隧道窑，甚至也自行设计和建造了>E9C,宽的超大断面吊平顶隧道窑。

笔者根据个人的一些直观感受情况，分析这些隧道窑的实际运行及建设中出现的问题，并结合国外文献资料及对西欧某些砖厂实地考察，提出了建议与设想。因而恳请业内人士能对这些问题给予关注，以促进我国隧道窑设计方面的不断进步和完善。>

产品最终质量与高内燃坯体、燃烧过程的关系（焙烧周期）传统的设计思路是在煤矸石、粉煤灰这种高内燃热值的坯体的燃烧过程中，要求达到最高烧成温度时要在保温带前结束。在这种基本思路的指导下，若坯体中的热值不能将燃烧过程保持到这一最高烧成温度时（如用河泥沙或是粉煤灰制砖时），则在坯体原料中加入煤粉补充热量。即目前这种大断面吊平顶式结构的隧道窑完全是依赖于很高的热量在坯体中燃烧来维系这一燃烧过程的。其结果就直接导致了焙烧周期的延长。如焙烧周期太短时，就会造成坯体中部形成燃烧不完全的黑心，使产品的抗冻性、耐久性及使用中的稳定性变差；其二，如果焙烧周期短，则在坯体表面易于产生液相，使坯体表面收缩，封闭了坯体内部燃烧气体逸出的通道，同时也限制了氧气的渗透，使燃烧过程不能进行完全；其三，如果在表面液相出现后坯体中还有未释放出的气体时，此时可能会引起肿涨气泡的出现，或是形成裂纹，严重时形成“面包”砖；其四，在坯体互相叠压的部位，还原气氛的局部形成，使“压花”现象更严重，严

重时会使叠压区出现太多的液相，坯体局部收缩过大，出现下凹面，并大多数伴随有裂纹，使最终产品的质量大幅度下降。因此，当这类高内燃的坯体需要很长的焙烧周期时，就不得不把窑体建设得相对长些，使窑炉的产量指标有所降低，并使得窑炉的建设投资增加很大。

根据德国林格公司热工专家米由勒（,F((#&）先生的观点，以及德国埃森砖瓦研究所（G**#’）的研究结果认为：坯体含有的大量可燃物在?EEH以前（换句话说是在到达液相出现前）必须燃烧完全，而在?EEH最高烧成温度这一阶段的加热主要由外加燃料来完成，这是确保最终产品质量最稳妥可靠的焙烧制度。采用这种焙烧方法，产品在最终烧结时，坯体中几乎已无可挥发气体，因最后的烧结过程是在完全氧化气氛下进行的，也大幅度减轻了坯体叠压部位的压花缺陷。此外，使用这种焙烧方法，完全可以将这些高内燃坯体烧制成吸水率很低的铺路砖、广场砖、清水墙砖、工程砖等高质量的产品。使用这种焙烧方法的最大优点是可大大地缩短这种高内燃坯体的焙烧周期。根据林格公司对发热量在AEEI?EE61%(J65的煤矸石原料所做的试验，他们认为该种全煤矸石坯体的焙烧时间为KD"，当然在焙烧带需要外加补充燃料（油或气）。

上述焙烧方法可大幅度地提高产品的质量，同一窑炉的产量可提高>LMIKEM或更多。然而，为了节约热能，我国均没有采取上述原理来设计大断面的隧道窑。这里就需要讨论这样一个问题：是保证最终产品质量的最优化，还是为了节能而损失一定程度的产品质量？此外还有产品的成本及市场售价的问题需要考虑。在成本及售价可以接受的地方，还是应采用上述焙烧方法。因此，应以保证最优产品质量为前提来设计窑

炉结构。

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吊顶结构

现在大断面吊平顶隧道窑的吊顶结构，均是根据上述同样原理设计的。如图"所示。蘑菇状的悬挂耐火吊件通过耐热钢钩固定件被挂在上方的由墙外钢柱支撑的窑顶梁（次梁）上，耐火混凝土（耐火材料）吊板放置在蘑菇状吊件上（或直接浇注在其中）

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度（还有烧咀燃烧的火焰）的冲击，也可能还要经受到还原气氛下的作用。因此，这种自身支撑自身重量的侧墙有弯向焙烧道的倾向，实际发现是易于弯向焙烧道的。所以，在这种结构中，焙烧道的侧墙必须锚固在外部的支撑柱或墙体上。在某些情况下，锚固的材料是由耐火材料和耐热钢件组成。而我国的习惯做法是仅用支撑墙，此时，焙烧期间的热运动往往使锚固件拉脱，中间支撑联结点分离，导致内侧墙（耐火砖墙）变形。这种结构的另一个特殊问题是吊顶与内侧墙结合处的密封问题。从长远观点看，在高温区域中这一结合处的密封是无法保证的。这是因为窑顶全部是由外部处于常温（冷态———相对而言）下的支撑钢柱所支撑着，支撑钢柱始终是在常温下，当窑内加热或冷却时其支撑钢柱并不改变它的位置和高度，而内侧墙从!"加热到#!!!"时，要增高约$%#!&&，并在冷却后恢复到原状。我国现行建造的这些大断面吊平顶结构的隧道窑，将内侧墙与吊顶结合处设计成一连续的通长凹槽，让吊顶板插入其中，并用陶瓷纤维填塞，其作用如同一通长（窑长）的膨胀收缩缝。这样的设计就在全窑长方向上，在这一结合处留下了不能完全密封的隐患。因在全窑长方向上，内侧墙受到的温度影响不同，其膨胀———收缩量的大小也有不同。虽然说在每经历一次冷却后，在此结合处补塞陶瓷纤维是可以补救的，但是在某些地方的局部泄漏还是不能完全消除。

其次，这种设计中，窑顶梁必须从窑的外墙外边延伸到另一侧外墙外边的钢柱上，跨度增加大。例如，当焙烧道净宽为窑顶梁必须有约$&长，必须在跨度上承受额外的荷载。’&时，

而这$&长的钢梁在实际使用中也不能有太大的挠度（除结构上允许的范围外），因太大的挠度将会对吊平顶上使用的耐热混凝土吊板、耐火吊件等部件的耐久性产生很不利的影响。超大断面隧道窑的窑顶主梁更长，如$()&净宽的窑，窑顶梁长度约为近)&；窑顶梁长约##&；净宽#!(’&的窑，)(*&净宽的窑，窑顶梁长约#+&。为了克服挠度大的缺陷，这样长的钢梁截面就必须足够大。这样一来，钢梁的重量和投资也就增加了很多。这种结构的吊平顶大断面隧道窑并不经济。

为了避免上述缺陷，应采用一种新的设计形式（图$），这种结构把原来整个窑顶的重量由侧墙钢柱来承担改变为由窑的内侧墙来承担，将梁和柱的刚性连接方式改变为铰连接。这种结构的优点是，由于整个窑顶的重量压在内侧墙上，那么内侧墙顶部多少都有着向外的推力，这就抵消了内侧墙向内的弯曲。再者，由于吊顶结构的整个窑顶较轻，由窑顶和钢梁施加在内侧墙上的压力荷载较轻。根据有关文献记载，当焙烧道是’&时，由窑顶和钢梁施加在内侧墙上的静荷载仅是!(*’,-./&*。因此，这种结构形式是保险的、安全的。鲁道夫先生在有关文章中讲到，这种内侧墙承重的隧道窑运行几十年后，窑的内侧墙也没有出现翘曲或是弯曲。此外，边墙之间也没有锚固措施，仅内侧墙顶部处于张应力状态下就完全可以满足长期稳定性和耐久性的要求。

这种结构形式中，整个窑顶层及钢梁的重量全部在内侧墙上，在加热和冷却期间，窑顶层的上升和下降随着侧墙一起移

动，那么内侧墙与窑顶层结合处相对于内侧墙或窑顶层讲，是不移动的，因此，

其结合处的密封状态是耐久的。

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如果将窑车车轮的翼缘设置在轨道外侧时，窑中的车架受热膨胀，车轮轮距和导轨轨距的间隙（位移量）不是变小了，而是变大了。因此，将窑车车轮的翼缘设置在轨道外侧时，车轮轮距就可以做成与导轨轨距一样的精确。这样，窑车进入窑道时，就能够准确安全地通过窑道。在焙烧带即是车架产生的膨胀量达到!""的情况，窑车也会安全地通过窑道。此外，车轮翼缘设置。在轨道外侧，没有卡住窑车车轮的危险存在（参见图#）

当窑车一排有$个轮子时，多设置一个双向约束轮，即车轮的两边均带有翼缘，此时必须考虑到两翼缘间的宽度与导轨宽度之间的间隙，按照已往的经验值，翼缘间的宽度与导轨宽度间的间隙，每边至少应有%""。也就是说，在窑车进入端，必须保证双向约束轮两边翼缘每边与轨道边沿的间隙至少为必须注意的是每辆窑车轨道上的前后车轮轮子端%""。另外，

面必须保持在一个平面上。当车轮翼缘设计在外侧时，也要相应考虑摆渡车（转运车）、回车线导轨、窑内导轨的设置方式。%

窑车车面层

窑车车面层是隧道窑中最易出现问题的部位。车面层与隧道窑两内侧墙、顶层吊板形成了隧道窑中的四个面。除车面层外的其它三个面在预热带后的温度是稳定的，三个面上热损失仅限于从里到外传热的热损失。而窑车车面层则不同，窑车每次是在冷态下进入窑内，窑车除了出窑时本身带出热外，车面材料向车下传热也是一种热损失。此处，车面层材料的吸热和蓄热是重要因素。事实上，车面层的表面温度也达到了焙烧带的最高焙烧温度，因而车面层的热损失应考虑车面层材料的传热和蓄热。怎样将上述两项热损失减少到最小程度？必须用高质量的隔热材料来做车面层。因而可得到下述概念：车面层越厚，通过车面层的热损失就越小（向小传热）；车面层越薄，蓄热的比例就越小。

图&表示了车面层厚度、蓄热、传热与热损失之间的关系。为了简化起见，假定整个车面层是由均匀的材料组成，并假定是处于恒定的平衡状态。另外，在图&中也清楚地看到每一种车面层均有着它最佳的厚度，如果车面层厚度未达到时，通过车面层的热损失就增加；而车面层太厚时，蓄热量就会增加。通常，车面层不仅要由性能好的材料组成，而且由可适应不同温度应力的数层组成。须注意的另一点是，车面层的顶层温度（表面）几乎达到了最终的焙烧温度。因此，这层材料必须从这样的加热过程对蓄热起着决定性作用，’(被加热到)’’’(，

顶层材料对蓄热有着重要的影响，因而车面顶层的材料应尽可能轻。车面层的下部底层材料仅经受着较低的温度，对其蓄热量的大小影响甚微，所以底层材料的重量对蓄热影响小。窑车车面层除了要有最小的热损失外，还必须达到其它方面的要求，首先，它必须保证窑的底部密封性；其次也必须能安全地将焙烧的产品输送去焙烧，并且也能够经受住纵向的弯曲。此外，车面层还必须经受得住周期性的温度变化。一个宽%"的窑车车面在预热带约增大*%""，而在冷却时尺寸要减少约（如果是)’+$"宽的窑车车面，加热———冷却间的尺寸变*%""

化约为$,""），因此，大断面隧道窑曲折密封道的砌筑准确性

是非常重要的。窑车车面层边缘的砌筑误差和曲折密封道的砌筑误差常造成车面层与窑墙碰撞事故的发生。窑车车面层材料必须能够承受得住这种不断变化的热运动，所用的砌筑材

料也应当能够抵抗得住温度的变化及热冲击。

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构上的原因，车面层的最小厚度应是!"#$$，这也是最低的限制数据。随着车面层的减薄，车架和砂封槽太靠近火焰（高温），会因过热而损坏，在车边缘处耐火砌块破损的情况下，这种现象就更为严重。图%表示的是边部耐火砌块的设计。可明显看出这种设计中，窑车车面边部砌块符合“底部重，顶部轻”的要求。总之，车面层的总重量中（总材料），能被加热到&###’的材料的重量应达到最小值。许多工厂在窑车车面层的边部砌块设计中根本就没有注意到这种“底重、头轻”的原理，有的甚至用普通的红砖来做，其后果是天天修窑车。这样做不单对车面层损坏严重，而且对车架及砂封裙板的破坏也很严重。

此外，笔者建议最好将车面层最下部的钢板做成折形（瓦楞形），上面用的浇注混凝土最好使用陶粒来作为骨料，最好在混凝土中加入钢纤维。这样的结构方式，不但提高了窑车的整体刚度，

还提高了窑车车面层的抗弯能力。

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油缸大，活塞杆尺寸大，

通常将活塞杆设计成刚度较大空心杆。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4mk1.html