燒成蜂窩陶瓷各種窯爐的選型

徐培勛

摘 要：本文以蜂窩陶瓷蓄熱體和催化劑載體兩類產品的燒成工藝為主要考察對象，對窯爐選型進行了相應探索，綜述了隧道窯、側燒式梭式窯和底燒式梭式窯的燒成特點和優缺點，并重點介紹了隧道窯的技術參數、封閉氣幕、燃燒系統等相關特性。研究發現，在燒制蜂窩陶瓷時，隧道窯產量大、質量穩定、能耗低；側燒式梭式窯能實現自動控制，但存在低溫還原操作困難、集中排放黑煙等缺點；底燒式燃氣梭式窯低溫還原操作容易、投資小、節能，但無法實現自動化控制、產量小。

關鍵詞：蜂窩陶瓷；隧道窯；選型

1 前言

蜂窩陶瓷是一種結構似蜂窩的新型陶瓷產品。從早期的小型汽車尾氣凈化，到如今的石化、電力、冶金、電子電器、制藥、汽車等，蜂窩陶瓷應用經歷了不斷的發展。蜂窩陶瓷按用途可以分為蓄熱體、填料、催化劑載體和過濾材料四大類。其材質主要有：堇青石、莫來石、鈦酸鋁、活性炭、碳化硅、活性氧化鋁、氧化鋯、氮化硅及堇青石-莫來石、堇青石-鈦酸鋁等復合基質。

本文以蜂窩陶瓷蓄熱體和催化劑載體兩類產品的燒成工藝為主要考察對象，對窯爐選型進行了相應探索，以期對業內人士和有關生產廠家提供參考和幫助。

2 隧道窯

隧道窯是現代化的連續式燒成的熱工設備，廣泛用于陶瓷產品的焙燒生產。適用于生產產量大，質量要求高而穩定的制品。隧道窯與間歇式窯爐相比，除了生產連續化，產量大，質量穩定外，最大的優點是能耗低，余熱利用好。

然而用于燒成蜂窩陶瓷的隧道窯，其節能效果不如燒制其它產品。分析其原因如下：蜂窩陶瓷生坯含有大量的有機可燃物，在間歇式窯爐中燒至500 ℃左右時，這部分可燃物可替代部分燃料。而在隧道窯中燒制蜂窩陶瓷時，這部分可燃物基本無助于節能。

用隧道窯燒制蜂窩陶瓷最大的優點是質量穩定。由于蜂窩陶瓷在600 ℃以前需要還原氣氛，而在間歇式窯爐中還原氣氛不易控制，氣氛或多或少都會有所波動，難免影響燒成質量的穩定。而隧道窯能很好地解決這一問題。

另外，間歇式窯爐燒制蜂窩陶瓷時，在升溫前期會出現集中排放黑煙的現象，考慮到環保要求，需對黑煙進行處理，這無疑增加了生產成本。但用隧道窯燒制蜂窩陶瓷不會出現此現象，排煙濃度大幅度降低，處理起來也比較容易，從而降低環保成本。

筆者為廣州南海益環新材料有限公司設計安裝的，用于燒制蜂窩陶瓷的隧道窯已投產多年，使用效果一直不錯。下面以這條隧道窯為例進行介紹。

（1）主要技術參數

主要技術參數如表1所示。

另外，進出車方式是油壓頂車機進車，窯頭窯尾各1部電動渡車，每部渡車均能電動推拉單部窯車。風機的配置為所有風機均一開一備，所有高溫風機均為非水冷卻方式。控制方式則是溫度自控、壓力自控、進出車人工電動控制，集中顯示。

（2） 窯體結構

該爐全長46 m，主要包括窯爐主體、窯頭封閉氣幕及排煙系統、攪拌氣幕、燃燒系統、窯尾冷卻風和抽熱風系統、窯車、自動控制系統等，見圖1。

窯爐采用金屬型鋼框架式結構，外表面為鋼板包封。

窯體高溫帶主要耐火材料為輕質莫來石磚。其它熱面材料依次為高鋁聚輕磚、輕質粘土磚。其它隔熱材料有無石棉硬硅鈣板、多晶莫來石纖維、硅酸鋁耐火纖維等。

窯頂結構為拱形結構，窯墻與窯車曲封為單曲封。傳統高溫隧道窯大多采用雙曲封結構，理論上認為阻擋火焰下竄的效果好，其實能有效阻擋火焰下竄的只有依靠合理調節窯內壓力制度。為避免產品碎塊落入曲封造成堵車停窯事故的發生，曲封間隙大小和曲封形式采取了特殊設計。

（3） 窯頭封閉氣幕及排煙系統

為了保持窯內壓力穩定，避免燒成溫度波動，該窯的窯頭窯尾均不設窯門，而是在窯頭兩側墻及窯頂各設置一道氣幕風罩，采用吹風和抽風形式作為封閉氣幕，改變傳統的窯門封閉形式，也有利于產品干凈入窯燒成。

排煙系統采用窯內多點排煙、窯外風機集中排煙形式。在預熱帶的兩側窯墻上，設置多對排煙口，排煙口位于窯墻靠近窯車臺面處，這樣熱煙氣在排出前多次向下流動，有效改善預熱帶氣流分層。同時通過調節排氣口的開度，調整預熱帶的溫度曲線。每個排煙口的外側設有冷風稀釋口。

（4） 攪拌氣幕

傳統隧道窯預熱帶因氣流分層導致上下溫差較大。該窯在預熱帶前段無燒嘴區域設置10組循環風攪拌氣幕，從窯墻一側底部抽出熱煙氣，再從頂部吹入窯內，攪拌氣流，阻止氣流分層和“偏流”，縮小預熱帶上下溫差，也易于控制預熱段的升溫曲線。

（5） 燃燒系統

蜂窩陶瓷的高溫恒溫時間要求較長，因而本方案燒成帶占窯體全長比例略大，布置的燒嘴數量也略多。全窯共設30只高速燒嘴，燒嘴布置于燒成帶兩側墻下部，且正對窯車臺面與料垛下部之間的燃燒通道，每個燒嘴均配有燃氣閥門和助燃風閥門，通過改變點燃的燒嘴數量和部位來調節燒成帶高溫點的位置和高溫恒溫時間，可以適應不同配方的燒成工藝要求，具有更大的燒成工藝適應性和調節的靈活性。

該窯的燃燒方式與傳統陶瓷隧道窯有很大的區別。傳統陶瓷隧道窯助燃風全部是通過燒嘴進入窯內助燃的。助燃風的換熱主要通過金屬換熱器來實現，助燃風的換熱溫度只有200～300 ℃。而該窯只有極少部分冷風通過燒嘴進入窯內，起冷卻燒嘴和助吹作用，絕大部分助燃風來自冷卻帶鼓入的冷卻風。冷卻制品后的熱風，除少部分排出窯外用于干燥外，大部分運動到燒成帶助燃。這部分熱風到達燒成帶后，其溫度接近或達到最高燒成溫度，因而，節能效果顯著，并且高溫升溫和高溫恒溫操作變得容易。

（6） 窯尾冷卻風和抽熱風系統

該窯在窯尾兩側墻及窯頂各設置一道冷風口，由風機向窯內鼓入大量冷風冷卻制品。冷卻制品后的熱風除大部分運動到燒成帶助燃外，剩余部分經冷卻帶窯墻排風口由抽熱風機抽出送至干燥窯用。endprint

（7） 窯車

窯車底盤采用型鋼制作加工而成，兩側設有砂封板，砂封板鑲有隔熱層。

窯車耐火材料中車臺面磚選用抗熱震性好的大塊平枚磚，干砌擺放；周邊選用嚙合磚砌筑；中間選用隔熱磚砌筑。車臺面磚干砌的優點在于可大大減少窯車檢修次數，延長窯車使用壽命。窯車砂封板上隔熱層使用效果也很好，起到了隔熱、保護砂封板的作用。

（8） 自動控制系統

該窯自動控制系統包括溫度控制、壓力控制和安全報警。

全窯30只燒嘴共分4區控制溫度。通過AI人工智能儀表、燃氣管路上的電動執行器和閥門來控制窯內溫度。

窯內壓力控制，是通過變頻排煙風機來實現的，助燃風壓力通過變頻高壓風機來控制。窯尾冷卻風機和熱風抽出風機也均采用變頻控制。

在安全控制方面，燃氣總管道上設有電磁閥和高低壓壓力開關、燒嘴控制器（火焰檢測、自動點火、熄火保護）、油壓頂車機過載保護報警等。

該窯控制系統配備有觸摸屏處理器。觸摸屏處理器能實現對窯爐溫度壓力的自動控制，還能根據燒成要求模擬并儲存多種燒成制度曲線和參數，同時燒成曲線參數可按需要隨時修改。

3 側燒式梭式窯

梭式窯（又稱抽屜窯）屬于間歇式窯爐，既可滿足連續化大生產，又能用于小規模間斷性生產，生產方式和時間安排非常靈活，是近年來許多陶瓷和耐火材料生產廠家普遍采用的熱工設備。隨著燃料結構和自控程度的發展，相繼出現了一些結構新穎、裝配先進的新型梭式窯，使產品質量上了一個新臺階。

側燒式梭式窯的高速燒嘴安裝于窯體兩側墻上，上下交錯布置，對準窯內制品垛之間的火道，將火焰水平吹入窯內，見圖2。高速調溫燒嘴噴出火焰速度高，席卷窯內氣體循環，加強窯爐的對流換熱，使窯內溫度均勻。在窯車臺面每個制品垛中心部位留有排煙口，地面基礎上與窯車排煙口相對應處也設置排煙口，與地下煙道相通。燒成過程中產生的熱氣流經過制品間的空隙，同時加熱制品，由窯車臺面排煙口進入車底地下支煙道，匯總后由總煙道引入排煙機排空。在地下總煙道內，裝有助燃風不銹鋼換熱器，助燃風換熱溫度可達300 ℃以上。在排煙機和換熱器入口前各裝有熱電偶，檢測煙道溫度，并設有冷風配入口，根據煙氣溫度調節配風量，使排煙機和換熱器在安全工作溫度下運行。排煙機采用電機變頻控制，自動調節窯內壓力。

側燒式梭式窯的溫度、壓力、燒成氣氛均可實現自動化控制。尤其適于高溫燒成和中高溫還原氣氛燒成，自動化控制手段日臻成熟。然而對于燒制蜂窩陶瓷制品，側燒式梭式窯的應用效果不太理想。由于蜂窩陶瓷的還原過程是在600 ℃以下的低溫完成的，這期間的燒嘴配風量較小，火焰吹入窯內的力度不大，火焰發飄，因此窯內溫差較大。并且低溫還原自動控制較麻煩，大多還需人工操作。

如前所述，用側燒式梭式窯爐燒制蜂窩陶瓷時，在升溫前期會出現集中排放黑煙的現象，并且每窯次的燒成質量會有所波動。

4 底燒式梭式窯

底燒式燃氣梭式窯目前在國內使用較為普遍，投資小、操作簡便、無需動力設備。但底燒式燃氣梭式窯無法實現自動控制，只能靠人工操作。

底燒式燃氣梭式窯的燃料為液化石油氣或天然氣，采用結構簡單的文丘里式燒嘴，燒嘴在窯爐兩側墻底部對稱排列，噴口垂直向上對準窯體進火孔，整個噴燃裝置都設置在窯體底部以下的空間，見圖3。高溫燃氣流由進火孔噴入窯內后，沿窯體兩側墻與窯車制品垛之間的火道向上噴射擴散，至窯頂轉向下，穿過窯車上的所有制品，經窯車臺面蓋板之間預留的條縫狀或圓孔狀吸火孔進入車臺面水平煙道，經窯體后端墻排煙口進入垂直煙道引出窯體，由煙囪排空。端墻垂直煙道設有閘板調節窯內壓力，控制升溫速度。這種結構屬于倒焰式，高溫氣流的走向提高了傳熱效率，加上文丘里式燒嘴燃燒空氣過剩系數不大，因此節能效果較為理想。

用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷，低溫還原燒成人工操作較容易控制，其能耗也明顯低于側燒式梭式窯。 同樣，用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷時，也存在集中排放黑煙的現象，需要在煙道里焚燒黑煙，以達到環保要求。

另外，底燒式燃氣梭式窯因其本身結構原因，容積不能過大，一般最大不超過5 m3為宜。而側燒式梭式窯沒有此限制，可以做到100 m3以上。

5 結語

上述幾種窯型用于燒制蜂窩陶瓷各有優缺點：隧道窯產量大、質量穩定、能耗低；側燒式梭式窯能實現自動控制，但存在低溫還原操作困難、集中排放黑煙等缺點；底燒式燃氣梭式窯低溫還原操作容易、投資小、節能，但無法實現自動化控制、產量小、也需采取措施集中處理排放黑煙問題，以達到環保要求。

因此，有關廠家在新建窯爐時，應根據自身經濟能力、生產實際情況和產品工藝要求，有針對性地合理選擇窯型，以免造成經濟損失。這也是有關窯爐設計制造單位應充分考慮的。endprint

（7） 窯車

窯車底盤采用型鋼制作加工而成，兩側設有砂封板，砂封板鑲有隔熱層。

窯車耐火材料中車臺面磚選用抗熱震性好的大塊平枚磚，干砌擺放；周邊選用嚙合磚砌筑；中間選用隔熱磚砌筑。車臺面磚干砌的優點在于可大大減少窯車檢修次數，延長窯車使用壽命。窯車砂封板上隔熱層使用效果也很好，起到了隔熱、保護砂封板的作用。

（8） 自動控制系統

該窯自動控制系統包括溫度控制、壓力控制和安全報警。

全窯30只燒嘴共分4區控制溫度。通過AI人工智能儀表、燃氣管路上的電動執行器和閥門來控制窯內溫度。

窯內壓力控制，是通過變頻排煙風機來實現的，助燃風壓力通過變頻高壓風機來控制。窯尾冷卻風機和熱風抽出風機也均采用變頻控制。

在安全控制方面，燃氣總管道上設有電磁閥和高低壓壓力開關、燒嘴控制器（火焰檢測、自動點火、熄火保護）、油壓頂車機過載保護報警等。

該窯控制系統配備有觸摸屏處理器。觸摸屏處理器能實現對窯爐溫度壓力的自動控制，還能根據燒成要求模擬并儲存多種燒成制度曲線和參數，同時燒成曲線參數可按需要隨時修改。

3 側燒式梭式窯

梭式窯（又稱抽屜窯）屬于間歇式窯爐，既可滿足連續化大生產，又能用于小規模間斷性生產，生產方式和時間安排非常靈活，是近年來許多陶瓷和耐火材料生產廠家普遍采用的熱工設備。隨著燃料結構和自控程度的發展，相繼出現了一些結構新穎、裝配先進的新型梭式窯，使產品質量上了一個新臺階。

側燒式梭式窯的高速燒嘴安裝于窯體兩側墻上，上下交錯布置，對準窯內制品垛之間的火道，將火焰水平吹入窯內，見圖2。高速調溫燒嘴噴出火焰速度高，席卷窯內氣體循環，加強窯爐的對流換熱，使窯內溫度均勻。在窯車臺面每個制品垛中心部位留有排煙口，地面基礎上與窯車排煙口相對應處也設置排煙口，與地下煙道相通。燒成過程中產生的熱氣流經過制品間的空隙，同時加熱制品，由窯車臺面排煙口進入車底地下支煙道，匯總后由總煙道引入排煙機排空。在地下總煙道內，裝有助燃風不銹鋼換熱器，助燃風換熱溫度可達300 ℃以上。在排煙機和換熱器入口前各裝有熱電偶，檢測煙道溫度，并設有冷風配入口，根據煙氣溫度調節配風量，使排煙機和換熱器在安全工作溫度下運行。排煙機采用電機變頻控制，自動調節窯內壓力。

側燒式梭式窯的溫度、壓力、燒成氣氛均可實現自動化控制。尤其適于高溫燒成和中高溫還原氣氛燒成，自動化控制手段日臻成熟。然而對于燒制蜂窩陶瓷制品，側燒式梭式窯的應用效果不太理想。由于蜂窩陶瓷的還原過程是在600 ℃以下的低溫完成的，這期間的燒嘴配風量較小，火焰吹入窯內的力度不大，火焰發飄，因此窯內溫差較大。并且低溫還原自動控制較麻煩，大多還需人工操作。

如前所述，用側燒式梭式窯爐燒制蜂窩陶瓷時，在升溫前期會出現集中排放黑煙的現象，并且每窯次的燒成質量會有所波動。

4 底燒式梭式窯

底燒式燃氣梭式窯目前在國內使用較為普遍，投資小、操作簡便、無需動力設備。但底燒式燃氣梭式窯無法實現自動控制，只能靠人工操作。

底燒式燃氣梭式窯的燃料為液化石油氣或天然氣，采用結構簡單的文丘里式燒嘴，燒嘴在窯爐兩側墻底部對稱排列，噴口垂直向上對準窯體進火孔，整個噴燃裝置都設置在窯體底部以下的空間，見圖3。高溫燃氣流由進火孔噴入窯內后，沿窯體兩側墻與窯車制品垛之間的火道向上噴射擴散，至窯頂轉向下，穿過窯車上的所有制品，經窯車臺面蓋板之間預留的條縫狀或圓孔狀吸火孔進入車臺面水平煙道，經窯體后端墻排煙口進入垂直煙道引出窯體，由煙囪排空。端墻垂直煙道設有閘板調節窯內壓力，控制升溫速度。這種結構屬于倒焰式，高溫氣流的走向提高了傳熱效率，加上文丘里式燒嘴燃燒空氣過剩系數不大，因此節能效果較為理想。

用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷，低溫還原燒成人工操作較容易控制，其能耗也明顯低于側燒式梭式窯。 同樣，用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷時，也存在集中排放黑煙的現象，需要在煙道里焚燒黑煙，以達到環保要求。

另外，底燒式燃氣梭式窯因其本身結構原因，容積不能過大，一般最大不超過5 m3為宜。而側燒式梭式窯沒有此限制，可以做到100 m3以上。

5 結語

上述幾種窯型用于燒制蜂窩陶瓷各有優缺點：隧道窯產量大、質量穩定、能耗低；側燒式梭式窯能實現自動控制，但存在低溫還原操作困難、集中排放黑煙等缺點；底燒式燃氣梭式窯低溫還原操作容易、投資小、節能，但無法實現自動化控制、產量小、也需采取措施集中處理排放黑煙問題，以達到環保要求。

因此，有關廠家在新建窯爐時，應根據自身經濟能力、生產實際情況和產品工藝要求，有針對性地合理選擇窯型，以免造成經濟損失。這也是有關窯爐設計制造單位應充分考慮的。endprint

（7） 窯車

窯車底盤采用型鋼制作加工而成，兩側設有砂封板，砂封板鑲有隔熱層。

窯車耐火材料中車臺面磚選用抗熱震性好的大塊平枚磚，干砌擺放；周邊選用嚙合磚砌筑；中間選用隔熱磚砌筑。車臺面磚干砌的優點在于可大大減少窯車檢修次數，延長窯車使用壽命。窯車砂封板上隔熱層使用效果也很好，起到了隔熱、保護砂封板的作用。

（8） 自動控制系統

該窯自動控制系統包括溫度控制、壓力控制和安全報警。

全窯30只燒嘴共分4區控制溫度。通過AI人工智能儀表、燃氣管路上的電動執行器和閥門來控制窯內溫度。

窯內壓力控制，是通過變頻排煙風機來實現的，助燃風壓力通過變頻高壓風機來控制。窯尾冷卻風機和熱風抽出風機也均采用變頻控制。

在安全控制方面，燃氣總管道上設有電磁閥和高低壓壓力開關、燒嘴控制器（火焰檢測、自動點火、熄火保護）、油壓頂車機過載保護報警等。

該窯控制系統配備有觸摸屏處理器。觸摸屏處理器能實現對窯爐溫度壓力的自動控制，還能根據燒成要求模擬并儲存多種燒成制度曲線和參數，同時燒成曲線參數可按需要隨時修改。

3 側燒式梭式窯

梭式窯（又稱抽屜窯）屬于間歇式窯爐，既可滿足連續化大生產，又能用于小規模間斷性生產，生產方式和時間安排非常靈活，是近年來許多陶瓷和耐火材料生產廠家普遍采用的熱工設備。隨著燃料結構和自控程度的發展，相繼出現了一些結構新穎、裝配先進的新型梭式窯，使產品質量上了一個新臺階。

側燒式梭式窯的高速燒嘴安裝于窯體兩側墻上，上下交錯布置，對準窯內制品垛之間的火道，將火焰水平吹入窯內，見圖2。高速調溫燒嘴噴出火焰速度高，席卷窯內氣體循環，加強窯爐的對流換熱，使窯內溫度均勻。在窯車臺面每個制品垛中心部位留有排煙口，地面基礎上與窯車排煙口相對應處也設置排煙口，與地下煙道相通。燒成過程中產生的熱氣流經過制品間的空隙，同時加熱制品，由窯車臺面排煙口進入車底地下支煙道，匯總后由總煙道引入排煙機排空。在地下總煙道內，裝有助燃風不銹鋼換熱器，助燃風換熱溫度可達300 ℃以上。在排煙機和換熱器入口前各裝有熱電偶，檢測煙道溫度，并設有冷風配入口，根據煙氣溫度調節配風量，使排煙機和換熱器在安全工作溫度下運行。排煙機采用電機變頻控制，自動調節窯內壓力。

側燒式梭式窯的溫度、壓力、燒成氣氛均可實現自動化控制。尤其適于高溫燒成和中高溫還原氣氛燒成，自動化控制手段日臻成熟。然而對于燒制蜂窩陶瓷制品，側燒式梭式窯的應用效果不太理想。由于蜂窩陶瓷的還原過程是在600 ℃以下的低溫完成的，這期間的燒嘴配風量較小，火焰吹入窯內的力度不大，火焰發飄，因此窯內溫差較大。并且低溫還原自動控制較麻煩，大多還需人工操作。

如前所述，用側燒式梭式窯爐燒制蜂窩陶瓷時，在升溫前期會出現集中排放黑煙的現象，并且每窯次的燒成質量會有所波動。

4 底燒式梭式窯

底燒式燃氣梭式窯目前在國內使用較為普遍，投資小、操作簡便、無需動力設備。但底燒式燃氣梭式窯無法實現自動控制，只能靠人工操作。

底燒式燃氣梭式窯的燃料為液化石油氣或天然氣，采用結構簡單的文丘里式燒嘴，燒嘴在窯爐兩側墻底部對稱排列，噴口垂直向上對準窯體進火孔，整個噴燃裝置都設置在窯體底部以下的空間，見圖3。高溫燃氣流由進火孔噴入窯內后，沿窯體兩側墻與窯車制品垛之間的火道向上噴射擴散，至窯頂轉向下，穿過窯車上的所有制品，經窯車臺面蓋板之間預留的條縫狀或圓孔狀吸火孔進入車臺面水平煙道，經窯體后端墻排煙口進入垂直煙道引出窯體，由煙囪排空。端墻垂直煙道設有閘板調節窯內壓力，控制升溫速度。這種結構屬于倒焰式，高溫氣流的走向提高了傳熱效率，加上文丘里式燒嘴燃燒空氣過剩系數不大，因此節能效果較為理想。

用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷，低溫還原燒成人工操作較容易控制，其能耗也明顯低于側燒式梭式窯。 同樣，用底燒式燃氣梭式窯燒制蜂窩陶瓷時，也存在集中排放黑煙的現象，需要在煙道里焚燒黑煙，以達到環保要求。

另外，底燒式燃氣梭式窯因其本身結構原因，容積不能過大，一般最大不超過5 m3為宜。而側燒式梭式窯沒有此限制，可以做到100 m3以上。

5 結語

上述幾種窯型用于燒制蜂窩陶瓷各有優缺點：隧道窯產量大、質量穩定、能耗低；側燒式梭式窯能實現自動控制，但存在低溫還原操作困難、集中排放黑煙等缺點；底燒式燃氣梭式窯低溫還原操作容易、投資小、節能，但無法實現自動化控制、產量小、也需采取措施集中處理排放黑煙問題，以達到環保要求。

因此，有關廠家在新建窯爐時，應根據自身經濟能力、生產實際情況和產品工藝要求，有針對性地合理選擇窯型，以免造成經濟損失。這也是有關窯爐設計制造單位應充分考慮的。endprint