一种板状刚玉烧结系统的制作方法

本发明涉及超高温烧结装置领域，尤其是涉及一种板状刚玉烧结系统。

背景技术：

烧结板状刚玉，是以工业氧化铝为原料，经粉磨、成型后，以天然气为燃料，经1890～1940℃超高温度下快速烧结而成的再结晶阿尔法三氧化二铝(α-al2o3))，其体积密度≥3.55g/cm³，显气孔率≤5.0％，吸水率≤1.5％，具有纯度高、化学稳定性强、耐热震稳定性优异等显著优点，是冶金、军工和航天等领域不可或缺的重要基础材料。

烧结竖窑是生产烧结板状刚玉产品的关键设备，具有控制难度大和温度稳定性要求高的特点，其性能的优劣，决定着板状刚玉产品的质量和最终产品成本，是整个工艺技术的重点和关键。

现有的烧结竖窑按功能可分为物料预热区(以下简称预热带)、高温集中区(以下简称高温带)和物料冷却区(以下简称冷却带)。其结构如图1所示，由窑体、燃烧器、气体流量计、手动截止阀、雾化风分配器、天然气分配器、助燃风分配器、冷却风分配器、圆盘出料机和高温链板机组成；竖窑进料口和尾气排出口分设在窑体顶部的两侧。

烧结竖窑工作时，物料经顶部下料装置进入窑内，自上而下，经预热带预热、高温带煅烧和冷却带降温冷却后出窑。

天然气和雾化风由各自的分配器分配给分布高度差为700mm的上下两层共12只燃烧器，按所需流量，经手动截止阀调节和流量计计量后进入燃烧器，在燃烧器出口混合后，以35m/s的流速喷入竖窑，燃烧后产生高温气流。为了防止燃烧器出口处产生过高温度和保证竖窑内截面温度的均匀，每1m³天然气所配给的雾化风量(以下简称配比)不大于9m³，混合气体喷入窑内后，因缺氧尚未燃烧的燃气与来自下部的助燃风再混合、燃烧，并在燃烧器上部形成1890～1940℃的烧成带，物料经预热带预热后，以0.045m/min的速度匀速下行，通过高温带而烧成，经低温助燃风和常温冷却风冷却后，由圆盘出料机排出；进入窑内的所有空气，经竖窑尾气排出口有组织排入后道脱硝装置。

现有烧结竖窑虽能满足生产合格烧结板状刚玉的要求，但使用中的技术经济指标一直不如人意，其结构和控制手段明显存在缺陷和不足，主要有以下几个方面：

一、燃烧器设置缺陷

1、燃烧器分上下两层设置，必然造成高温带拉长和温度降低，使物料的煅烧时间延长，γ晶相转化为α晶相的过程延长，晶体内部的部分封闭性气孔会转变成开放性气孔，从而使产品的显气孔率提高；

2、每层分布6只燃烧器，每两只燃烧器间的夹角为60°，这一夹角所形成的扇形区域的温度相对于燃烧器出口处的温度较低，自下部而来的纵向助燃风，无法在短距离内实现过大范围温度的横向均化，因此，高温带内截面上各点温度的不一致，造成物料煅烧状况良莠不齐，产品质量一致性差。

二、燃烧控制方式缺陷

烧结竖窑对天然气和雾化风采用的是手动截止阀调节流量的人工控制方式。这种控制方式，无法实现流量调节的及时性和准确性。同时，环境温度的变化，必将引起管道系统内气体的压力发生变化，进而引起在阀门开度保持不变的情况下，燃气和雾化风的流量发生变化，这种变化是不间断的，而手动截止阀门开度的精准度和频率根本无法对应因环境温度变化而引起的压力变化，就会形成两个严重的问题：一是给入窑内的天然气总量失控：总量增大，不仅浪费燃气，还会导致物料过度煅烧，出现结块；总量减少，会导致物料欠烧，造成质量不合格；二是配比失灵：天然气和雾化风的特性并不一致，温度变化引起的压力变化也不尽相同，当温度变化到某一数值时，天然气和雾化风的流量变化值也各有差异，必将导致配比失调：配比变大，过多的冷空气会降低窑温；配比变小，不能完全燃烧，不仅会降低窑内温度，而且还造成燃气浪费。

上述两种问题的最终结果，都是既造成产品质量波动，又增加能源消耗。

三、竖窑结构缺陷

竖窑在工作过程中，在其他工艺条件确定的情况下，自下部而来的低温风对高温带的降温作用最大。特别是冷却风，这部分风的风量大，温度低，其作用只是冷却烧成后的物料，不需要参与燃烧，但是，这部分风进入窑内后，也必须要经过高温带才能排出，而经过高温带就必然要降低温度，要保持高温带的温度不变，就必须增加天然气的给入量，从而增加了不必要的燃气消耗。

四、环境保护缺陷

大于500℃的高温会将空气中的氮气氧化成no，no2，…nox(nox，俗称“硝”)，而竖窑高温度带的温度高达1890～1940℃，因此，无论是雾化风、助燃风还是冷却风，经过竖窑高温带灼烧后，都会产生大量的氮氧化物，虽然在所有的板状刚玉生产装置中，都配置了“选择性催化还原法”(简称“scr”)，脱销工艺，但也只能将其中的低价氮氧化物(no，no2，)除去，而高价氮氧化物和脱销过程中的逃逸氨(nh4)还无法处理，对环境的不良影响依然存在，对于板状刚玉的高温煅烧工艺而言，有效地解决途径只能是最大限度地减少进入窑内的空气量，以减少氮氧化物的产生量。而现行的集预热、高温煅烧和冷却功能于一体的烧结竖窑结构，每小时通过高温带的空气量高达12580m³/h，单位产品nox产生量高达5032g/t，环境缺陷显而易见。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种板状刚玉烧结系统，通过对现有窑体采用分体式设计、对燃烧器采取单层布置及采用plc自动控制等方式，实现提升生产效率、提高产品质量、降低成本、保护环境、实时自动控制等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种板状刚玉烧结系统，包括窑体、燃烧器、高温塔篦式出料机、料封管、高温链板输送机、强制式冷却器和控制单元；所述控制单元包括中央处理器、显示器、雾化风分配器、天然气分配器、手动截止阀、温压传感器、自动执行器和流量计；

所述窑体的顶部设置有大炉盖，大炉盖上设置有小炉盖，所述小炉盖上设有伸入窑体内部的下料管，所述下料管的顶端连接有受料斗；所述窑体上部的一侧窑壁上设有出风口，出风口的输出端与后道脱销装置连接；

所述燃烧器经法兰与所述窑体上的安装接口连接，所述安装接口设有16个，各个安装接口环向等间距的排列设置于窑壁上，所述燃烧器上设置有燃气接口和雾化风接口；所述高温塔篦式出料机设置于窑体的底部；高温塔篦式出料机的一侧设有助燃风进口，所述料封管的上端与所述高温塔篦式出料机的出料口连接；所述高温链板输送机的进料口与料封管的下端连接；所述强制式冷却器垂直安装于地面上，强制式冷却器的进料口经封闭式溜料槽与高温链板输送机的出料口连接，出料口与锁风出料设备连接，强制式冷却器上设置有冷却风进口和冷却风出口，所述冷却风进口与冷却风源管道连接，所述出风口与除尘设备连接，经除尘设备除尘后排入大气；

所述天然气分配器和雾化风分配器均水平安装于地面上，天然气分配器和雾化风分配器的进气口分别与相应的气源管道连接，天然气分配器和雾化风分配器上均设置有16支出气管接头，每个出气管接头的输出端依次连接有所述手动截止阀、温压传感器、自动执行器和流量计；所述天然气分配器上安装的流量计为燃气流量计，雾化风分配器上安装的流量计为雾化风流量计；所述燃气流量计和雾化风流量计的出气口分别通过管道与所述燃气接口和雾化风接口连接。

所述中央处理器的进出口端子经数据线分别与温压传感器、自动执行器和流量计连接；所述显示器经连接线分别与中央处理器的端子口和输入设备连接。

进一步的，所述小炉盖上的下料管伸入窑内长度为800～1000mm。

进一步的，天然气分配器和雾化风分配器均为罐体结构，所述天然气分配器上的16支出气管接头分为两排轴向均布的焊接于天然气分配器的上弧面；同样的，雾化风分配器上的16支出气管接头分为两排轴向均布的焊接于雾化风分配器的上弧面。

进一步的，所述出气管接头的输出端经管丝与手动截止阀的进气口连接，手动截止阀的出气口经管丝和短管与温压传感器的进气口连接；自动执行器的进气口经连接短管与温压传感器的出气口连接，自动执行器的出气口经短管和法兰与流量计的进气口连接，流量计的出气口经法兰、管道与燃烧器连接。

进一步的，所述中央处理器内设置有温压补偿模块，以消除环境温度、气源和风源压力的变化对实际流量的扰动

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明对窑体采用分体式设计，即：将冷却带从原有窑体上分离出来，单独设计一台用于物料冷却的强制式冷却器，竖窑只保留预热和煅烧功能，其优越性在于：

(1)减少了大量低温风对竖窑高温带的降温作用，可显著降低单位产品的天然气消耗量，实现节能效果；

(2)减少大量不必要的空气燃烧，可大大降低单位产品的nox产生量，实现减排效果；

(3)减少了下部来风温度变化对竖窑高温带温度的扰动，有利于保持高温带温度的稳定平衡，可大大降低烧成物料显气孔率的波动。

2、本发明对燃烧器采取单层布置，数量增加到16只，其优越性在于：

(1)燃烧器单层布置，可缩短高温带的长度，实现温度有效集中，更加符合烧结板状刚玉“高温快烧”的生成机理，有利于降低烧成物料的显气孔率；

(2)燃烧器由现行的12只增加到16只，可使每2只燃烧器之间的夹角由30°减小到22.5°，此夹角内的扇形面积(即低温区面积)减小，有利于纵向助燃风在短距离内实现横向温度的均化，可有效缩小烧成物料的质量差异；

(3)在燃气总供给量一定的情况下，设置16只燃烧器可减少单只燃烧器的最大供气量，可有效防止燃烧器口的过高温度造成的物料过度煅烧和熔化结块现象，使操控更加稳定和顺当。

3、本发明调控燃烧的控制单元采用plc自动控制方式，其优越性在于：

(1)天然气和配比可根据需要任意设定和实时调整，一经设定流量值，中央处理器根据采集的当前温压，计算出所设定的天然气和雾化风的流量值所需的执行器开度，并即刻向所有执行器发出执行指令，所有执行器即根据指令同时动作，快速将流量调节到设定值，有效避免了人工调节误差大和有先有后的时间差，有效提高了竖窑生产效率；

(2)以设定流量为基准，中央处理器实时采集变量因子，并实时计算、命令和调整每个执行器的开度，每只燃烧器喷入窑内燃气的均衡一致，使窑内温度始终保持均衡稳定，促进了烧成物料显气孔率的一致性；

(3)中央处理器特有的温压补偿模块，消除了环境温度、气源和风源压力的变化对实际流量的影响，有效地保证了燃气和雾化风配比的稳定，避免了配比失准导致的过氧或缺氧等不良燃烧现象的发生，可有效节约燃气消耗。

附图说明

图1是现有技术中烧结竖窑的结构示意图。

图2是本发明板状刚玉烧结系统的结构示意图。

图3是控制单元中天然气分配器和雾化风分配器部分的放大结构示意图。

附图标记：1-窑体，2-大炉盖，3-小炉盖，4-受料斗，5-出风口，6-燃烧器，7-高温塔篦式出料机，8-助燃风进口，9-料封管，10-高温链板输送机，11-强制式冷却器，12-冷却风进口，13-冷却风出口，14-天然气分配器，15-雾化风分配器，16-中央处理器，17-显示器，18-手动截止阀，19-温压传感器，20-自动执行器，21-燃气流量计，22-雾化风流量计

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本实施例提供一种板状刚玉烧结系统，包括窑体1、燃烧器6、高温塔篦式出料机7、料封管9、高温链板输送机10、强制式冷却器11和控制单元；控制单元包括中央处理器16、显示器17、天然气分配器14、雾化风分配器15、手动截止阀18、温压传感器19、自动执行器20和流量计；

窑体1的顶部设置有大炉盖，大炉盖2与小炉盖3活动配合后，通过法兰与窑体连接；受料斗4的进料口接于上部给料装置出料口，其下部出料管经法兰与小炉盖上固定的下料管连接；小炉盖上的下料管伸入窑内长度为800～1000mm；出风口5的一端焊接于窑体1顶部的一侧，另一端经法兰及管道与后道脱销装置连接；

燃烧器6通过法兰与窑体1连接，其上的燃气接口和雾化风接口经管道分别与燃气流量计21和雾化风流量计22出口连接；高温塔篦式出料机7通过安装法兰与窑体1连接；高温塔篦式出料机7内设置有电机；助燃风进口8焊接于高温塔篦出料机7上，通过法兰和管道与风源管道连接；料封管9的上端通过法兰与高温塔篦出料机7的出料口连接，料封管9下端与高温链板输送机10的进料口连接；高温链板输送机10安装于相应标高的楼面上，其出料口与强制式冷却器11的进料口连接；强制式冷却器11安装于地面，强制式冷却器11的进料口经封闭式溜料槽与高温链板输送机10出料口连接，出料口与锁风出料专用设备连接；强制式冷却器11上的冷却风进口12经法兰和管道与冷却风源管道连接，冷却风出口13通过法兰和管道与除尘设备连接，除尘后有组织排入大气。

如图3所示，天然气分配器14和雾化风分配器15均为罐体结构，均通过安装工装水平安装于地面上，天然气分配器14进气口经法兰及管道与气源管道连接，16支出气管接头的一端分两排沿轴向均布于上弧面，垂直焊接，出气管的另一端经管丝与手动截止阀18的进气口连接，手动截止阀18的出气口经管丝及短管与温压传感器19的进气口连接；自动执行器20的进气口经连接短管与温压传感器19的出气口连接，其中连接短管的一端为管丝，另一端为法兰；自动执行器20的出气口经短管、法兰与燃气流量计21的进气口连接，燃气流量计的出气口经法兰及管道与来自燃烧器的燃气接口连接。

雾化风分配器15中的手动截止阀18、温压传感器19、自动执行器20、雾化风流量计22连接方式同天然气分配器内各器件连接方式相同；最终雾化风分配器上的流量计的出气口经法兰及管道与来自燃烧器的雾化风接口连接。

本实施例中的雾化风和助燃风都是自然空气，雾化风是经螺杆空压机加压到0.8mpa，助燃风是经罗茨风机加压到50kpa

中央处理器16的进出口端子经数据线分别与温压传感器19、自动执行器20和流量计连接；显示器17连接经专用数据线分别与中央处理器端子口和键盘、鼠标等输入设备连接；

本实例的节能环保型板状刚玉烧结竖窑在运行时，窑体上部的给料装置将物料连续定量给入受料斗4，经下料管进入窑内，自上而下匀速下行，经过竖窑预热带预热后进入高温带烧成，再经助燃风初步冷却后经高温塔篦式出料机排出，经高温链板输送机送入强制式冷却器冷却至60℃以下后转入再加工工段使用。

运行时，控制单元采用plc燃烧控制方式将输入的天然气流量数值和配比，以及实时采集的温压数据，以4～20ma的模拟信号输入中央处理器，计算出执行器在当期工况下所需的开度，并下达执行指令，天然气分配器和雾化风分配器上的各个执行器以0.01s的响应速度同时动作，同时，还将从流量计采集实时流量值，以485通讯方式反馈给中央处理器，再计算、再执行，如此循环往复，确保每只燃烧器的瞬时流量值与设定值的误差不超过在1％(即精度等级0.01级)。本实施例中使用的plc系统采用西安交通大学控制自动化科技有限公司生产的型号为xpq16.7/50的控制系统。

采用本发明分体式竖窑设计和燃烧控制单元，使天然气的总给入流量准确稳定，每只燃烧器的给入流量一致，配比精准稳定，在实施例中体现出了优异的技术经济性能。具体差异见表1和表2。

表1

表2

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。