大断面隧道窑吊顶结构性能对比分析
1 前言
随着社会不断进步，墙体材料行业也在不断升级，淘汰落后产能。烧结砖瓦行业的传统窑型——轮窑正快速被隧道窑取代。砖瓦工业机械化、自动化水平的提高，使得隧道窑的采用越来越普遍。人工成本日益增大，工人对劳动环境改善的要求，也使得隧道窑的采用成为必然。国家发展和改革委员会令第40号《产业结构调整指导目录》中明确指出淘汰轮窑。
砖瓦行业的产品附加值低，只有规模才能产生效益。生产线规模大，配置窑炉产能必须大，单台窑车的码坯数量也必须大。由于热气流在隧道窑的工作通道中总是向上流动，若依靠在窑车高度方向上增加码坯高度来提高码坯数量，势必造成窑车断面上下温差加大，上下制品的质量不一致。要增加隧道窑产能就必须在窑体宽度方向上扩展空间，由此有了大断面隧道窑，其断面从过去的2.4m、2,8m、3.3m扩大到目前普遍采用的4.6m、6.9m、9.2m甚至超过10m的断面，窑顶形式从半圆拱、圆弧拱、微弧拱过渡到平吊顶结构。
由于隧道窑断面的扩大，隧道窑的顶结构就显得尤为重要。一方面，隧道窑顶结构必须满足结构的需要，保证承重、密封和安全，满足窑炉附属设备安装和工人操作的需要；另一方面，窑顶结构还必须耐火、承受高温、抗热冲击和耐腐蚀。
下面针对目前采用的几种大断面隧道窑平吊顶材料和吊顶方式做一介绍和比较，方便设计人员和建设单位根据具体情况作出选择。
2 吊顶材料为不定型耐火烧注料——轻质（或重质）耐火混凝土板
2.1 窑顶为整体现浇耐火混凝土板
窑顶结构从下至上依次为“现浇耐火混凝土板+耐火吊柱砖+耐热钢构+主梁（钢梁或钢筋混凝土梁）”。
该吊顶结构的代表窑型为从台湾引进的中断面隧道窑。
该窑顶的优点是：①由于整体现浇，密封性能好；②耐火吊柱砖在现浇时置入，各个吊柱砖受力均匀。
该窑顶的缺点：①施工难度大，施工过程需要大量模板，内顶标高及平整度控制严格；②维修难度大，特别是在生产过程中不便于修补；③由于整体现浇，其适应断面较小。
2.2 窑顶为整体预制单位，拼装窑顶，瓦楞铁承重结构
窑顶单元预制成型，结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土板+耐火砖葫芦+耐热钢构+保温棉+瓦楞铁承重结构”。隧道窑窑顶为多个预制单元拼装而成。该吊顶结构的代表窑型为从法国西方公司引进的断面宽度为9.20m隧道窑。整体预制单位结构见图1.
1——瓦楞铁；2——耐热吊钩与吊件；3——耐火纤维；4——耐火混凝土板
该窑顶的优点是：①窑顶安装速度快，外观漂亮；②密封性能好；③轻质耐火混凝土质轻，既耐火又隔热保温。
该窑顶的缺点是：①窑顶单元要提前预制，需要较大的预制和翻转平台，预制及安装难度大；②由于窑顶单元面积较大且窑顶被瓦楞铁承重结构覆盖，内顶局部破损不易发现、不易修补和维修；③轻质耐火混凝土配方要求严格。
2.3 窑顶为置入吊钩组件小块预制单元，拼装窑顶
结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土预制板（置入耐火砖葫芦+耐热钢构）+保温棉+普通钢构+主梁（钢梁或钢筋混凝土梁）”。由于上述2.2所述结构使用性能优良，考虑到整体预制单元制造及安装的困难，将整体预制单位进一步分解为小块单元，每块轻质耐火混凝土板置入4~8葫芦，将轻质耐火混凝土板上做保温层并与主梁保持隔离一定空间。小块预制单元拼装窑顶结构见图2.
1——耐火混凝土板；2——耐热吊钩与吊件；3——普通钢吊钩；4——耐火纤维毯。
该窑顶的优点是：①使用性能优良；②小块预制单元易制造、易安装、易检查、易维修；③瓦楞铁承重结构改为主、次梁结构，造价低且安全。
该窑顶的缺点是：①由于窑顶由较小的小块预制单元拼装而成，窑顶密封性能较差；②腐蚀气体上窜，吊钩易受腐蚀，甚至受气氛影响吊钩晶体结构改变导致易损；③轻质耐火混凝土配方要求严格。
2.4 窑顶为小块预制单元，吊钩组件分体，拼装窑顶
结构从下至上依次为“耐火砖葫芦（置入耐热钢构）+轻质耐火混凝土预制板+保温棉+普通钢构+主梁（钢梁或钢筋混凝土梁）”。该吊顶方式改耐火砖葫芦（置入耐热钢构）与轻质耐火混凝土预制板一体为分体结构，主要克服上述结构中轻质耐火混凝土预制板与吊钩使用寿命不一致的问题，便于更换吊钩组件。轻质耐火混凝土预制板单独浇注成型，在指定位置预留耐火砖葫芦安装空间。
该窑顶的优点是：①使用性能良好；②便于轻质耐火混凝土预制板在工厂制造和长途运输；③易维修，特别针对易受腐蚀吊钩，方便更换吊钩组件，节约维修费用。
该窑顶的缺点是：①由于吊板上预留耐火砖葫芦安装空间，导致窑顶安装间隙增多，窑顶密封性能最差；②吊钩易受腐蚀。
2.5 窑顶为小块预制单元、置入耐火吊柱、组合吊钩分体拼装窑顶
结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土预制板（置入耐火吊柱）+组合吊钩+主、次梁结构”。该吊顶方式克服了窑顶安装间隙多的毛病，保留了方便更换吊钩的优点。组合吊钩与吊板结构见图3.
该窑顶的优点是：①使用性能良好；②组合吊钩造价低；③易维修，方便更换组合吊钩组件。
该窑顶的缺点是：①组合吊钩结构复杂；②窑顶密封差，组合吊钩易受侵蚀。
从材料上分，不定型耐火浇注料吊顶材料分为轻质和重质两种，轻质耐火浇注料，密度p≤1.5g/cm3;重质耐火浇注料，如磷酸盐类密度，密度p≥2.1g/cm3。相对轻质耐火浇注料而言，重质耐火浇注材料的优点是：①配方传统且容易掌握；②造价低。缺点是：①重质耐火浇注料保温性能较差；②预热带吊板易受腐蚀；③预制板结构重、吊钩受力较大、窑顶承重结构较大。
3 吊顶材料为耐火吊板或耐火纤维模板
3.1 耐火吊板+吊柱
窑顶结构从下至上依次为“耐火吊柱+耐火吊板+保温棉+耐热钢构+主梁”。
该吊顶结构的代表窑型为从欧洲引进的大断面燃气隧道窑。耐火吊板窑顶结构见图4.
1——吊柱砖；2——吊板；3——吊钩；4——主梁；5——纤维毯
该窑顶的优点是：①适应温度高；②适应性广，易于维修；③外观漂亮。
该窑顶的缺点是：①安装难度大、精度高；②吊顶材料对温度敏感，急冷急热性能差；③安装间隙多、密封性差；④造价高。
3.2 耐火吊板+锚式吊柱
该窑顶结构从下至上依次为“锚式吊柱+耐火吊板+耐热钢构+主、次梁”。锚式吊柱窑顶结构见图5.
该窑顶的优点是：①结构简单；②不受施工条件限制；③造价适中。
该窑顶的缺点是：①锚式吊柱易损，受力不均，锚爪部易折，即结构不尽合理；②对温度波动敏感，原料热值波动影响大；③密封性差。
3.3 耐火吊板（薄板）+吊柱
窑顶结构从下至上依次为“耐火吊柱+耐火吊板（薄板）+保温棉+耐热钢构+主梁”。该结构吊顶方式与上述两种类似，区别在于吊顶板的厚度，其厚度只有20mm~30mm，因此该窑顶结构比较轻巧。
1——吊柱砖；2——吊板；3——吊钩；4——主梁；5——次梁；6——纤维毯
该吊顶结构的代表窑型从冶金行业借鉴的大断面燃气隧道窑。
该窑顶的优点是：①结构轻巧，易安装；②吊顶材料耐急冷急热性能好。
该窑顶的缺点是：①吊顶耐火部分不承重；②窑顶安装对易损坏吊顶板。
3.4 耐火纤维模块
窑顶结构从下至上依次为“硅酸铝纤维模块（内置耐热吊挂件）+主、次梁”。该结构有硅酸铝纤维模块替代了上述窑顶中的耐火板和保温层。耐火纤维具有质轻、耐高温和保温功能，可以广泛应用于各行业高温窑炉，耐火纤维模块在隧道窑上的应用使隧道窑断面可以向更宽的方向发展成为可能。耐火纤维模块窑顶结构见图6.
1——硅酸铝纤维模块；2——耐热吊挂件；3——主梁
该窑顶的优点是：①耐火纤维模块质轻、窑顶轻，适应大断面隧道窑，窑顶承重结构简单、易安装；②适应温度高；③密封性能良好；④耐急冷急热性能好。
该窑顶的缺点是：①耐火纤维吸湿后失去弹性，不适宜用于隧道窑的预热带；②造价高。
4 结束语
以上介绍两大类大断面隧道窑的吊顶方式及性能分析，在实际操作过程中应考虑原料种类和成分、燃料成分、生产规模及品种、烧结温度、窑型的大小及投资规模等因素，合理选择大断面隧道窑的吊顶方式和材料。