Tính toán nhiệt lò nung tuynen sản xuất sứ vệ sinh (thuyết minh+bản vẽ)

1. LÒ NUNG VÀ QUÁ TRÌNH NUNG GỐM SỨ Tổng quan quá trình nung gốm sứ: Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong nung, Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung Phân loại lò nung gốm sứ 2. TÍNH TOÁN SƠ BỘ LÒ TUNNEL XE GÒONG Nhiên liệu sử dụng và quá trình cháy của nhiên liệu Tính toán sơ bộ kích thước, kết cấu lò Cân bằng nhiệt trong lò Tính toán cân bằng nhiệt vùng sấy, đốt nóng và nung của lò Cân bằng nhiệt vùng làm nguội nhanh Cân bằng nhiệt cho vùng làm nguội chậm và cuối cùng

Mục lục:

Trang

Phần 1: LÒ NUNG VÀ QUÁ TRÌNH NUNG GỐM SỨ 2

I Tổng quan quá trình nung gốm sứ: 2

1.Quá trình nung: 2

2 Đường cong nung – cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong nung: 4

2.1 Đường cong nung: 4

2.2 Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong nung: 4

3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung: 5

II Lò nung gốm sứ: 6

1.Phân loại: 6

1.1 Lò đứng : 6

1.2 Lò nằm : 6

1.3 Lò bầu – lò lửa đảo: 7

1.4 Lò vòng: 7

1.5 Lò tunnel: 7

Phần 2: TÍNH TOÁN SƠ BỘ LÒ TUNNEL XE GÒONG 8

I Nhiên liệu sử dụng và quá trình cháy của nhiên liệu: 8

II – Tính toán sơ bộ kích thước, kết cấu lò: 10

III Cân bằng nhiệt trong lò: 15

1 Tính toán cân bằng nhiệt vùng sấy, đốt nóng và nung của lò 15

2 Cân bằng nhiệt vùng làm nguội nhanh: 22

3 Cân bằng nhiệt cho vùng làm nguội chậm và cuối cùng: 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Phần 1: LÒ NUNG VÀ QUÁ TRÌNH NUNG GỐM SỨ

I Tổng quan quá trình nung gốm sứ:

1.Quá trình nung:

Nung là toàn bộ quá trình gia nhiệt sản phẩm gốm sứ với chế độ thích hợp,

từ nhiệt độ thường cho tới nhiệt độ cao nhất ( nhiệt độ nung) và làm nguội trongmôi trường nung cần thiết

Khâu nung là khâu rất quan trọng có tính chất quyết định then chốt đến chấtlượng cũng như giá thành sản phẩm Sản phẩm gốm sứ được nung đến kết khối, đểtriệt tiêu các lỗ xốp trong vật liệu và tăng cường liên kết giữa các hạt vật thể dướitác dụng của áp suất và nhiệt độ Nhiệt độ và môi trường nung trong các giai đoạnđược quyết định bởi tính chất nguyên liệu của mộc, độ dày mỏng, cỡ to nhỏ vàhình dáng của sản phẩm Ngọn lửa nung cũng có ảnh hưởng lớn tới chất lượng vàmàu sắc của sản phẩm, những sản phẩm nào được phản ứng đầy đủ trong môitrường hoàn nguyên thì sản phẩm đó có chất lượng tốt và màu sắc đẹp Để đảmbảo chất lượng sản phẩm,việc tăng nhiệt độ trong các giai đoạn phải theo đúngđường cong quy định, phải căn cứ vào yêu cầu ngọn lửa đối với từng giai đoạn vàcăn cứ vào chất lượng gas Do đó trong quá trình nung phải thường xuyên theo dõitình hình nhiệt độ, quan sát ngọn lửa, giải quyết và khắc phục kịp thời tình hìnhchênh lệch nhiệt độ trên - dưới, trong - ngoài

Chế độ nung:

 Nhiệt độ nung: là nhiệt độ cao nhất cần thiết cho quá trình phản ứng và kếtkhối đạt mức cần thiết mà sản phẩm không bị biến dạng.Với các quá trìnhnhiệt độ cao, danh từ nung được hiểu như những quá trình gia nhiệt mà cácbiến đổi chủ yếu ở pha rắn còn quá trình biến đổi xảy ra ở pha lỏng thườngngười ta gọi là nấu

Nhiệt độ của các lò nung sản phẩm gốm sứ thường trong khoảng:

- 950 – 1150oC : Nung các sản phẩm gốm thô như; gạch, ngói xây dựng,một số gốm vệ sinh hay gạch ốp lát…

- 1200 – 1250oC: nung một số sản phẩm bán sứ, sứ dân dụng…

- 1280 – 1350oC: nung các sản phẩm sứ mền, samốt…

- 1400 – 1450oC: nung các sản phẩm sứ cứng, sứ điện, sứ kỹ thuật cao cấp

- 1500 – 1700oC: nhiệt độ tương đối cao nên yêu cầu lò có kết cấu riêng.Thường nung các loại gốm từ ôxít tinh khiết như corund,zircon, VLCL caocấp…

 Thời gian nung ( chu kỳ nung ): là toàn bộ thời gian cần thiết của một chutrình nung, kể từ khi bắt đầu nâng nhiệt độ cho tới khi lấy được thànhphẩm Tuỳ theo mục đích sử dụng của sản phẩm mà thời gian nung khácnhau, từ một vài giờ cho tới hàng chục giờ, thậm chí nhiều ngày Tuy nhiênnếu ta xét về hiệu quả kinh tế thì để tiết kiệm năng lượng tăng năng suất ,chu kỳ nung càng ngắn càng tốt Trong kỹ thuật nung ta cần tính đến tốc độ

tăng hay giảm nhiệt độ một cách hợp lý để những quá trình hoá lý xảy ra tốt

và sản phẩm không bị biến dạng

 Môi trường nung: Tức là môi trường trong không gian lò, môi trường ôxyhoá là môi trường dư không khí, môi trường trung tính nghĩa là không khícháy vừa đủ, ngược lại thì môi trường khử là môi trường thiếu ôxy Ngoài

ra còn có những yêu cầu đặc biệt khác như nung trong môi trường khí nitơ,nung chân không hoặc khí trơ

Chế độ nung bao gồm các quá trình :

- Nâng nhiệt độ với tốc cần thiết

- Thời gian lưu đủ lớn ở nhiệt độ cao

- Quá trình hạ nhiệt độ với tốc độ phù hợpTrong các giai đoạn trên ta cần chú ý đến môi trường nung cho phù hợp củatừng loại sản phẩm ( chủ yếu là về màu sắc )

Nâng nhiệt độ : là quá trình nâng dần nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến nhiệt

độ nung Khi tăng nhiệt độ thì trong mộc sẽ xuất hiện ứng suất nhiệt và có thể gâynên nứt vở sản phẩm Trong giai đoạn này đồng thời cũng xảy ra quá trình hoá lýnhư khử nước hoá học , phân huỷ muối cacbonat, biến đổi thụ hình, có thể xuấthiện pha lỏng … làm biến đổi thể tích riêng Chính vì điều đó ta cần hạn chế tốc

độ tăng nhiệt độ

Thời gian lưu ở nhiệt độ cao : Quá trình phản ứng và kết khối chủ yếu diển

ra ở nhiệt độ cao Thời gian lưu thì do động lực phản ứng quyết định Nếu ta tăngnhiệt độ để rút ngắn thời gian nung thì trong mộc sẽ sinh ra nhiều pha lỏng khi đósản phẩm sẽ dể bị biến dạng, càng nếu ta lưu ở nhiệt độ thấp và thời gian lưu ngắnthì quá trình kết khối của mộc sẽ không tốt Vì vậy ta cũng cần chú ý đến thời giancũng như nhiệt độ lưu cho phù hợp

Giai đoạn hạ nhiệt độ : Giai đoạn này cũng gây nên ứng suất nhiệt nhưng vìkhi này mộc đã kết khối nên khó nứt vở hơn

Biến đổi hoá lý khi nung: Nguyên liệu chủ yếu để làm gốm sứ thông

thường là đất sét, do đó để xét sự biến đổi hoá lý khi nung của mộc gốm sứ ta cóthể xem xét sự biến đổi hoá lý của đất sét khi nung

Quá trình nung vật liệu trải qua các giai đoạn sau :

- Giai đoạn sấy

- Giai đoạn đốt nóng

- Giai đoạn mất nước hóa học

- Giai đoạn nung

- Giai đoạn làm nguội

2 Đường cong nung – cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong nung:

2.1 Đường cong nung:

Là đường biểu diễn những quá trình tăng nhiệt độ, lưu nhiệt và hạ nhiệt độ

trong một chu kỳ nung Hay đó là đường biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ vớithời gian hoặc giữa nhiệt độ với chiều dài của lò

2.2 Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong nung:

Để thiết lập chế độ nung trong lò tunnel cho sản phẩm cần nung cần thiếtphải xác định vận tốc nâng nhiệt hoặc làm nguội lớn nhất cho phép, thời gian bảolưu nhiệt độ cao nhất phù hợp cho sản phẩm đó

Vận tốc làm nguội và nâng nhiệt lớn nhất cho phép đối với từng khoảngnhiệt độ được dựa trên cơ sở ứng suất nhiệt suất hiện trong cấu kiện nung ở điềukiện phòng thí nghiệm và trực tiếp trong lò sản xuất

Trong công nghệ nung sứ vệ sinh ta nên chia chế độ nung thành những giaiđoạn được xem là đặc trưng để tính toán tốc độ nâng hạ nhiệt cũng như thời gianlưu cho phù hợp, những giai đoạn đó có thể chia như sau:

- Giai đoạn từ 25-500oC : giai đoạn này vật liệu nở, trên bề mặt ngoàixuất hiện ứng suất nén, ở bên trong ứng suất kéo

- Giai đoạn từ 500-700oC : Giai đoạn này thì hiện tượng ngược lại vậtliệu bị co Trong giai đoạn này xảy ra hiệu ứng thu nhiệt do mấtnước hoá hoc và sự biến đổi thù hình của  -quắc Để đánh giá đúnghơn những biến dổi xảy ra trong giai đoạn này ta có thể xem xét trênđường cong phân tích nhiệt vi sai (DTA) và cả đường TG

- Giai đoạn 700-1198oC : Vùng nhiệt độ này bắt đầu xuất hiện phalỏng và được coi là vùng đàn hồi dẻo nhớt

- Giai đoạn làm nguội nhanh 1198-600oC : Giai đoạn này ta cũng tínhgiống như giai đoạn nâng nhiệt độ, nhưng vì lúc này đã có mặt phalỏng nên ta có thể hạ với tốc dộ nhanh hơn

- Giai đoạn làm nguội chậm 600-500oC :Để tránh sự biến đổi thù hìnhcủa quắc làm hư sản phẩm thì trong giai đoạn này ta cũng nên hạnhiệt độ từ từ như khi tăng nhiệt độ

Để xây dựng đường cong nung trước tiên ta cần biết được đặc điểm của vậtliệu nung, những biến đổi hoá lý của nó khi nung …

Các bước xây dựng đường cong nung :

- Xác định phạm vi nung của sản phẩm: Cơ sở của việc xác định

này là dựa vào độ hút nước của sản phẩm Độ hút nước là tỷ lệgiữa khối lượng nước ngấm đầy mẫu thử và khối lượng mẫu khô,tính bằng % Cách xác định độ hút nước của sản phẩm: nung mẫu

ở những nhiệt độ khác nhau, sau đó cho mẫu vào trong bể nước

để mẫu hút nước, lấy mẫu ra và đêm cân để xác định độ hútnước, tới một khoảng nhiệt độ nào đó độ hút nước của sản phẩm

gần bằng không Khoảng nhiệt độ đó chính là khoảng nung tốtnhất của sản phẩm.

- Xác định chế độ nâng nhiệt : Dựa trên những cơ sở như đường

phân tích nhiệt vi sai (DTA), TG và các yếu tố khác Trên đườngDTA, TG cho ta thấy những biến đổi khi nung như những vị trítoả và thu nhiệt, các quá trình phản ứng, phân huỷ ở những nhiệt

độ khác nhau, căn cứ vào đó ta có chế độ nâng nhiệt thích hợp.Trong giai đoạn nâng nhiệt ta cần chú ý tốc độ nâng nhiệt ở khoảng nhiệt

độ 500oC – 600oC vì tại vị trí nhiệt độ này có sự biến đổi thù hình của quắc làmthay đổi thể tích, và đồng thời quá trình mất nước hoá học xảy ra lớn nên có thểgây nên nứt vở sản phẩm, do đó ta nâng nhiệt chậm ở những vị trí này

- Xác định chế độ hạ nhiệt : Sau thời gian lưu nhiệt, vì trong mộc

có mặt một ít pha lỏng nên ta có thể giãm nhiệt với tốc độ nhanh,nhưng đến vị trí nhiệt độ 573oC tinh thể quắc sẽ biến đổi thù hìnhngược lại, cho nên ta cần hạ nhiệt độ chậm tại vị trí này

3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung:

Bản chất của vật liệu nung: Những khoáng có trong phối liệu có thể quyết

định đến chế độ nung của sản phẩm

Hình dáng, kích thước sản phẩm: Đối với những sản phẩm có hình dáng

kích thước phứt tạp thì ta cần chú ý tăng giãm nhiệt độ phù hợp để tránh xuất hiệnứng suất nhiệt

Công nghệ sản xuất: Có sản phẩm ta nung một lần, có sản phẩm ta nung

hai lần: lần nung thứ nhất là tạo độ bền cơ cho sản phẩm, lần nung thứ hai là saukhi đã tráng men

Môi trường nung: Trong quá trình nung thì có những lúc ta phải nung

trong môi trường ôxy hóa, có khi ta phải nung trong môi trường khử hay là trung

tính

Phân bố nhiệt trong không gian lò: Trong lò cần có sự phân bố nhiệt cho

thích hợp để tránh chênh lệch nhiệt độ trong lò

Cách nạp và cách bố trí vật liệu nung: Vật liệu khi vào lò có thể là xếp

nhiều lớp hay một lớp

II Lò nung g ốm sứ:

Lò gốm sứ là thiết bị nung những vật liệu đã tạo hình nhằm làm rắn chắcmộc và tạo cho sản phẩm có độ bền cơ cần thiết, cũng như những thông số kỹthuật ( độ hút nước, độ xốp…) đạt yêu cầu mục đích sử dụng

Lò gốm sứ cũng có nhiều loại: lò gián đoạn ( lò đứng, lò phòng lửa đảo…),

lò liên tục ( lò tunel, lò con lăn,…)

Lò gốm sứ có thể sử dụng nhiên liệu dạng rắn : than, củi , dạng lỏng: dầu,dạng khí hoặc năng lượng điện

Lò là nơi làm việc ở nhiệt độ cao nên vật liệu dùng để xây lò là vật liệu chịulửa Tuỳ theo đặc thù về kích thước cũng như hình dáng của sản phẩm nung mà ta

có những kết cấu lò khác nhau

1.Phân loại:

Có nhiều cách phân loại lò nung:

- Phân loại theo chế độ nung : lò liên tục, lò gián đoạn

- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng : nhiên liệu rắn, lỏng, khí, điện

- Phân loại theo vật liệu nung : lò gốm, lò sứ, lò gạch …

- Phân loại theo chiều hướng của ngọn lửa :lửa thẳng lửa đảo lửangang

- Phân loaị theo chuyển động của ngọn lửa : lò có ngọn lửa cố định

và lò có ngọn lửa di động

1.1 Lò đứng :

Chủ yếu để nung gạch, nó có dạng buồng hình chủ nhật, thành đứng và cócác buồng đốt được bố trí hai bên hông của lò Tường và nền lò được xây bởigạch chưa nung hoặc đã nung Lò đứng sử dụng nhiên liệu là than hoặc cũi Đây là

lò hoạt động gían đoạn và năng suất thấp

1.2 Lò nằm :

Khác với lò đứng, lò nằm được xây vòm kín, có ống khói để thải khói lò.Chiều dài của lò nằm được thiết kế phụ thuộc vào chiều rộng và chiều cao Haibên vách lò có cửa chính và có một số cửa nhỏ để quan sát Lò nằm thường đượcxây có độ dốc khoảng 5% Nhiên liệu được sử dụng chủ yếu là than

1.3 Lò bầu – lò lửa đảo:

Dùng để nung các cấu kiện gốm xây dựng cần nung ở nhiệt độ cao hơn sovới lò đứng và lò nằm Sản phẩm mới được xếp vào các lò, buồng đốt lò được bốtrí hai bên hông, nhiên liệu sử dụng có thể là dạng rắn, lỏng hoặc khí không trựctiếp tiếp xúc với sản phẩm mà bị tường chắn hướng ngọn lửa đi thẳng lên vòm rồi

theo hướng thẳng đứng xuống dưới qua các rảnh thoát khí thải ở nền lò đi vàomương khí thải chung.

Hình 1: Lò bầu

1.4 Lò vòng:

Điều khác biệt quan trọng giữa lò vòng và các lò trên là vùng nhiệt di động,còn sản phẩm mộc đứng yên Cấu tạo của lò vòng đó là kênh rỗng dạng hình chữnhật hoặc elip Nhiên liệu được cấp bên trên vòm lò ở dạng hạt nhỏ, các vùngnhiệt di chuyển được là bằng cách thay nhiên liệu cung cấp vào các vùng Bêntrong kênh lò có vách ngăn bằng bìa cactông giữa vùng làm nguội và vùng đốtnóng

1.5 Lò tunnel:

Là loại lò hoạt động liên tục, vật liệu chuyển động ngược chiều với khói lòtheo chiều dài lò Theo chế độ nhiệt lò tunnel chia làm 3 vùng: vùng sấy đốt nóng,vùng nung và vùng làm nguội So với lò vòng, lò tunnel có ưu điểm là quá trìnhnung liên tục, mức độ tự động hóa cao, cơ giới hóa cao, giảm nhẹ sức lao động dokhâu xếp và dở sản phẩm lên xe gòong được thực hiện ở ngoài lò, quy trình nhiệtđiều khiển dễ dàng thuận lợi, chất lượng sản phẩm cao, …

Lò tunnel sử dụng nung gạch xây dưng, ngói, đá gốm, gạch lát nền… Sảnphẩm được xếp trên xe gòong chuyển động trên đường ray Nhiên liệu sử dụngthường là dạng lỏng(dầu mazut) và dạng khí, ít sử dụng nhiên liệu dạng rắn Đốivới dạng lỏng và khí vòi phun nhiên liệu bố trí hai bên hông và ngay tại khe hởcủa các xe gòong, nếu chiều rộng lò lớn thì ta có thể bố trí vòi phun bên trên vòm

Phần 2: TÍNH TOÁN SƠ BỘ LÒ TUNNEL XE GÒONG

I Nhiên liệu sử dụng và quá trình cháy của nhiên liệu:

Nhiên liệu sử dụng là dạng khí Khi sử dụng nhiên liệu khí , sự cháy xảy

ra đồng thời trong toàn bộ khối khí đã được trộn lẫn tốt của không khí và nhiên liệu nên lượng tro sinh ra rất ít

Nhiên liệu khí được đốt bằng vòi phun ( hoặc bằng mỏ đốt ) Điều khiển quá trình đốt nhiên liệu khí dễ dàng hơn nhiều so với các loại nhiên liệu khác

Nhiên liệu sử dụng: khí hoá lỏng (LPG) với thành phần 30% C3H8 và 70% C4H10

Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu:

 Nhiệt sinh của nhiên liệu:

Qt = 217.9*%C3H8 + 283.38*%C4H10

= 217.9*30 + 283.38*70 = 26653.6 kCal/m3

 Lượng không khí cần cho quá trình cháy:

 Lượng không khí khô lý thuyết:

) / ( 81 28 70

* 4

10 4 30

* 4

8 3 04762

.

0

5 0 5

0 5

1 4

04762 0

3 3

2 2

0

m m

O H CO

S H H

C y x

kk kk tt k

n n k

t c k k

V

t c L V

t c V

Q t C

Nhiệt độ không khí và nhiên liệu là 30oC

Công thức tính nhiệt dung riêng:

2 2 1

0 a T a T a

2 1 0

30

* 3 0 15 35

30

* 063 1 15 35

6 26653

m kcal

1800oC 1700oC 1800oC 1700oCCO2 10.53 10.55 0.00219 -204000 0.6715 0.6615 1208.76 1124.62

I I

c 1700 ( 1800 1700 ) 1706

1700 1800

Gn : năng suất năm của lò

Ln: số giờ làm việc của lò 1 năm Ln = 300.24 = 72000 h

T : thời gian một chu kỳ nung 20h

7200

20

* 300

* 721

50

l : Chiềi dài xe gòong.

n: số xe gòong trong lò nung

Tốc độ chuyển động của xe gòong:

Vtb = L/T = 47/20 = 2.35 m /h

Xe gòong được đẩy vào ló theo cơ chế gián đoạn

Chiều dài một lần đẩy chính là chiều dài xe gòong 1.46 m

Thời gian giữa hai lần đẩy : t = l / Vtb = 0.621 h = 37.2 phút

Các giai đoạn của quá trình nung :

Giai đoạn sấy :

Nước hóa học bắt đầu tách ra ở chậm ở 250 – 300oC Khi nhiệt độ tăng đến

450 – 500oC thì nước hóa học mới tách ra mạnh do phản ứng hóa học phân hủy cao lanh

Từ 200 – 500oC: giãn nở liên tục vì nhiệt Từ 500oC trở lên, sản phẩm bắt đầu co lại do hiện tượng kết khối xảy ra Trong giai đoạn này có hydroxyt nhôm, cacbonat và sunfat của kim loại kiềm, kiềm thổ bị phân hủy MgCO3 phân hủy

thành MgO và CO2 khi to > 500oC và phân hủy ở gần 1000 – 1100oC Ở 550oC CaCO3 bắt đầu phân hủy thành CaO và CO2 và chấm dứt ở 900– 950oC.

Đặc biệt chú ý tốc độ nâng nhiệt trong khoảng 500 – 600oC vì trong khoảngnhiệt độ này có sự biến đổi thù hình của SiO2 ở 573oC :SiO2 chuyển từ β-thạch anh(β-quartz) sang αL-thạch anh kèm theo sự thay đổi thể tích làm biến dạng sản phẩm

Vì vậy cần khống chế nhiệt độ tăng từ từ Tốc độ nâng nhiệt 90oC/h

Phản ứng hóa học xảy ra khi nung Caolinit ( đất sét và cao lanh): môi trường oxi hóa

Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O

Giai đoạn hãm nhiệt

Sản phẩm bắt đầu sít đặc mạnh, kéo theo giảm độ xốp và co rút mạnh Tốt nhất nên hãm lửa trong khoảng nhiệt độ này Quá trình phân hủy vật chất sét cũng như cháy hết cacbon tiến hành mạnh nhất Thời gian hãm nhiệt phụ thuộc độ sít đặc, chiều dày sản phẩm, nhiệt kết khối, cấu tạo lò…

Nước hóa học cũng như các loại khí thải khác bao bọc phần xương bên ngoài nhiều, cản trở oxy đi sâu vào bên trong xương để đốt cháy hết lượng cacbon.Nếu lượng cacbon không được đốt cháy hết trong giai đoạn này thì xương khi kết khối sẽ chảy men, sản phẩm có độ xốp cao, có màu xanh hoặc xám đen đồng thời

bị phồng cục bộ Vì vậy trong giai đoạn này nên tạo môi trường oxy hóa mạnh (8÷10% O2, 10÷12% CO2)

Giai đoạn nung:

Từ 1100÷1198ºC, môi trường oxi hóa (đối với sản phẩm sứ vệ sinh)

Làm cho sản phẩm có độ cứng cao Ở giai đoạn này cần thiết cho Fe3+chuyển thành Fe2+ nằm dưới dạng phaialit (FeO.SiO2) nhằm mục đích làm trắng sứ

Giai đoạn lưu nhiệt: