天然氣梭式窯的設計及其燒成龍泉青瓷的研究

尹朋岸，張　鶴，阮萬興，楊　輝，郭興忠，周方武，梅麗玲，梅紅玲

（1. 浙江大學材料科學與工程學院，浙江 杭州 310027；2. 浙江天豐陶瓷有限公司，浙江 龍泉 327000）

天然氣梭式窯的設計及其燒成龍泉青瓷的研究

尹朋岸1，張鶴1，阮萬興1，楊輝1，郭興忠1，周方武2，梅麗玲2，梅紅玲2

（1. 浙江大學材料科學與工程學院，浙江 杭州 310027；2. 浙江天豐陶瓷有限公司，浙江 龍泉 327000）

以天然氣代替石油液化氣為主要燃料的青瓷燒成天然氣梭式窯，設計了天然氣梭式窯的窯體結構、燃燒系統、排煙系統等，并采用該梭式窯進行龍泉青瓷制品的燒成試驗，采用排水法、掃描電子顯微鏡（SEM）和X-射線衍射（XRD）等測試技術分析了青瓷制品的力學性能和顯微結構。研究結果表明，所設計的天然氣梭式窯具有較好的減排效果，煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO和CO總濃度降低10%以上；燒成的青瓷制品有較好的綜合力學性能，抗折強度41.9 MPa，壓縮強度126MPa，維氏硬度4.0GPa，青瓷制品玉質感強、色澤青翠，質量指標達到部頒標準。

龍泉青瓷；梭式窯；天然氣；力學性能；顯微結構

近年來，國內外為提高梭式窯窯爐的熱效率，在窯爐結構、窯具、窯體保溫材料、窯爐余熱利用等方面做了大量工作。也有不少企業在新原料、新配方和工藝等方面進行了研究，以此來減少能量消耗，降低生產成本。但由于采用了石油液化氣為燃料，盡管上述節能技術在一定程度起到節能的效果，但仍不能從根本上實現液化氣梭式窯能源綜合利用。優化燃料構成，采用先進燒成技術，開發新型節能型梭式窯已成為龍泉青瓷燒成工藝急需解決的關鍵共性問題，亟待得到高度重視和極力發展。本文嘗試以天然氣代替石油液化氣為青瓷燒成梭式窯的主要燃料，通過天然氣梭式窯的窯體結構、燃燒系統、排煙系統設計，開發出新型的、以天然氣為燃料、高效節能的青瓷燒成專用梭式窯，并采用該天然氣梭式窯進行龍泉青瓷制品的承燒試驗，分析了天然氣梭式窯的節能減排效果以及承燒青瓷產品的力學性能和表觀質量。

1　天然氣梭式窯設計

1.1窯爐構成

擬設計的青瓷天然氣梭式窯，該窯窯長7.31m，窯寬2.18 m，高度 2.76 m。窯內僅設一節窯車，窯車長度為6.0 m，寬度為0.96 m，高度1.65 m。窯內可實現強氧化、弱氧化、中性和弱還原性各種氣氛。整個窯爐主要由窯體鋼構架、輕質耐火砌體、窯車及窯門、風機及管路系統、燃氣供給系統、測量及控制系統、燃燒系統、排煙系統組成。本窯的主要特點是在窯體結構、燃燒系統、排煙系統進行了新的設計，提高了燃燒效率，減少了煙氣排放。

1.2窯體結構

對天然氣梭式窯的窯體內部結構進行節能設計，窯頂采用懸掛式微弧頂結構，窯門采用單臂連軸旋轉式運轉機構。整窯框架采用方鋼通過嚴密高精度的焊接，形成組裝式整體結構，外封烤漆彩板，窯襯材料選用高熱阻低蓄熱的輕質耐火材料，從而使整個窯體輕型化和節能化。

1.3燃燒系統

燃料為天然氣，其熱值為8500 kcal/Nm3，每爐（10立方米窯爐）天然氣流量為62 m3，天然氣共同預熱到350 ℃，進入噴槍。采用外混式噴嘴設計，整個窯噴嘴數量50支，窯車底部兩側各25支，每側的噴槍平行排列，左右兩側火焰在窯車兩側向上噴入爐內。采用這種噴嘴布置調整后，燃料的分散性更好，窯爐內部溫度更均勻，燃燒充分，抑制CO的生成。

1.4排煙系統

根據梭式窯的燃燒特點，設計新的煙道及余熱回收裝置。采用窯尾排煙方式，在側墻支煙道均設有閘板，窯內橫向壓力和縱向壓力均可調節。采用耐高溫、耐腐蝕的高效陶瓷熱交換器，降低煙氣溫度，將煙氣中的熱量轉化成清潔的熱風供天然氣助燃、坯體干燥、窯具預熱等，實現天然氣梭式窯余熱回收利用。

圖1　新型節能型天然氣梭式外觀及窯內照片Fig.1 Photos of outside and inside of new energy-saving natural gas shuttle kiln

1.5減排效果分析

集成天然氣梭式窯的窯體結構、燃燒系統、排煙系統等設計，設計制造出新型節能型天然氣梭式窯，裝置的外觀和窯內如圖1所示。與普通梭式窯進行相比，天然氣梭式窯的煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO和CO總濃度降低10%以上，取得了預期節能減排效果。

2　青瓷制品燒成試驗

2.1試驗內容

采用浙江天豐陶瓷有限公司生產用胎體坯料制漿，采用石膏模型和傳統手工工藝成型為20×20×100 mm的樣條以及5×100×100 mm的青瓷片，干燥和800℃素燒后施青釉，然后在天然氣梭式窯中進行燒成。燒成溫度為1260-1280 ℃，燒制時間10-12 h，制備出供測試的青瓷樣條（如圖2所示）。采用排水法測試青瓷制品的密度。采用電子萬能實驗機（CMT520）測試青瓷制品的彎曲強度和壓縮強度。采用維氏硬度計測試青瓷制品的維氏硬度。采用國標GB/T 3810.7-2006測試青瓷制品的耐磨性能。采用掃描電子顯微鏡（ZEISS ULTRO 55）觀察青瓷制品的微觀形貌。采用能譜儀（Bruker Nano XFlash Detector 5010）進行表面和斷面能譜分析。采用理學Rigaku.D/Max-RA型X射線衍射儀對青瓷制品進行分析，測試條件為：Cu-Kα射線，工作電壓40 kV，工作電流80 mA，2θ范圍為10-80° ，掃描速度為4° /min，步寬為0.02° 。

圖2　青瓷樣條和片狀的實物照片Fig.2 Photo of celadon samples

2.2力學性能

表1是青瓷制品的力學性能，青瓷制品的體積密度為2.36 g/cm3，并有著較高的彎曲強度與壓縮強度。其中彎曲強度為41.9 MPa，壓縮強度為126 MPa，這是由于莫來石增強導致的。青瓷在高溫燒成時，瓷坯內形成大量的針狀莫來石晶體，針狀莫來石相互形成網狀增加坯體強度。維氏硬度為4.0 GPa，耐磨性能根據GB/T3810.14耐磨性分級為3級1500轉，在裝飾陶瓷中處于耐磨性能優良級別。

表1　青瓷制品的力學性能Tab.1 Mechanical properties of celadon sample

表2 青瓷制品坯體與釉層元素含量Tab.2 Element amounts of Celadon blank and glaze

2.3顯微結構

圖3和圖4顯示了青瓷胎層和釉層的成分組成。從圖3中看出，青瓷產品的胎體顯微結構為晶態，燒結較為致密，孔隙較少，從而在燒結過程中有較高的彎曲強度與壓縮強度。其中O、Si含量較高，Al含量次之，Ca、K、Na、Fe元素含量較低。從圖4中可以看出，釉料相對于坯體顯得更為致密，并且存在大量的氣泡，這些氣泡的存在使得青瓷釉面看上去更為生動。釉層為非晶態，元素中Si、O含量較高，其次是Ca，Al、K含量較少。

2.4XRD分析

圖5中（a）和（b）分別是青瓷在1260-1280 ℃下燒成的釉層和胎層的物相組成。從圖5中看出，青瓷產品胎體組成主要為莫來石相和石英相，其中莫來石相主要由胎體中氧化鋁與二氧化硅在高溫反應燒結而成，莫來石相可以增強青瓷的力學性能。而釉層基本為無定形的玻璃相。

2.5制品質量

燒制產品經北京國家建筑材料測試中心檢測，檢測結果如表3所示。從表3中可以看出，按GB/T3532-2009，GB/T3534-2002，GB/T3298-2008，GB/T3299-2011，GB/T14506.28-2011，GB/T1503-2011測定，天然氣梭式窯燒成青瓷制品的外觀質量、鉛溶出量、熱穩定性、吸水率等結果證明符合GB12651-2003、GB/T13522-2008、GB/ T3522-2009《日用瓷器》一等品規定。

圖3　坯體SEM圖譜及能譜Fig.3 SEM micrograph and EDS of blank

圖4　釉層SEM圖譜及能譜Fig.4 SEM micrograph and EDS of glaze

表3　青瓷制品的檢測結果Tab.3 Test results of celadon products

圖5　青瓷釉層與胎層XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of celadon glaze and blank

3　結　論

采用天然氣替代液化氣的梭式窯，并對窯體結構、燃燒系統、排煙系統進行了新的設計，該窯的燒成溫度和氣氛均能滿足工藝要求并提高了燃燒效率，煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO 和CO總濃度降低10%以上。采用該梭式窯燒制青瓷制品，燒成的青瓷坯體較為致密，有較好的綜合力學性能，其中抗折強度41.9 MPa，壓縮強度126 MPa，維氏硬度4.0 GPa，質量指標達到部頒標準。

［1］ 莫云杰， 林志明， 洪聲保， 等. 古代龍泉青瓷的傳承與創新研究［J］. 中國陶瓷工業， 2010， 17（6）： 34-37.

［2］ 張建平， 李巖. 近年來古代龍泉青瓷的研究綜述［J］. 中國陶瓷，2010， 46（8）： 74-78.

［3］ 毛丹陽. 龍泉青瓷裝飾藝術的審美特征［J］. 麗水學院學報，2010， 32（2）： 51-54.

［4］ 羅強， 汪和平， 程家泰， 等. 梭式窯節能技術探討［J］. 中國陶瓷工業， 2009， 16（3）： 20-23.

［5］ 龔暉， 稅安澤， 劉艷春， 等. 梭式窯高溫空氣燃燒的數值模擬［J］. 工業爐， 2010， 32（1）： 8-13.

［6］ 朱青霞， 胡國林， 唐奇， 等. 液化氣梭式窯燃耗的計算機仿真研究［J］. 陶瓷學報， 2005， 26（1）： 24-29.

［7］ 張慧， 夏侯宏光， 張方， 等. 液化氣梭式窯結構的研究［J］. 中國陶瓷工業， 2002， 9（2）： 23-28.

［8］ 尹向陽， 郭瑞松， 徐躍華， 等. 新型全纖維陶瓷燃氣梭式窯的研制［J］. 稀有金屬材料與工程， 2008， 3（1）： 648-651.

［9］ 馬成良， 葉方保， 楊道嫄， 等. 新型燃氣高溫梭式窯的設計［J］.耐火材料， 2003， 37（2）： 103-104.

［10］ 張全勝， 劉艷春， 曾令可. 梭式窯燒制蜂窩陶瓷及能耗分析［J］. 中國陶瓷工業， 2015， 22（4）： 10-17.

［11］ 武立云. 高效節能梭式窯的技術開發［J］. 中國陶瓷工業，1995， 01（8）： 27-31.

［12］ 周思敏， 丁新更， 葉宏明， 青瓷工藝的歷史發展［J］. 陶瓷學報，2010， 31（1）： 170-176.

Design and Application of Natural Gas Shuttle Kiln for Firing Longquan Celadon

YIN Pengan1， ZHANG He1， RUAN Wanxing1， YANG Hui1， GUO Xingzhong1， ZHOU Fangwu2，MEI Liling2， MEI Hongling2
（1. School of Materials Science and Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， Zhejiang， China； 2. Zhejiang Tianfeng Ceramics Limited Company， Longquan 327000， Zhejiang， China）

Natural gas shuttle kiln which is used for sintering celadon has been designed by replacing liquefed petroleum gas with natural gas， and the kiln body structure， combustion system， smoke exhaust system of the shuttle kiln are designed. The sintering experiment of Longquan celadon using the shuttle kiln is also conducted， and the mechanical properties and microstructure are analyzed by using Archimedes method， SEM， XRD and other technologies. The results show that the designed natural gas shuttle kiln has a great effect on reducing emissions. The discharge amount of fue gas was reduced by more than 10%， and the total concentration of NO and CO in fue gas decreased by more than 10%. And the celadon has great mechanical properties， with the bending strength of 41.9 MPa， the compressive strength of 126 MPa and Vickers hardness of 4.0 GPa. Celadon has great jade texture and green color. Its quality and index reach the ministerial standard.

Longquan celadon； shuttle kiln； natural gas； mechanical properties； microstructure

0　引　言

龍泉青瓷是我國歷史最早的瓷器品種，是中國陶瓷史上重要的名瓷之一。其以釉色青如玉、工藝精湛獨特、燒制年代久遠、窯址分布廣和外銷范圍大而著稱，具有極高的藝術水準和文化研究價值，被譽為我國珍貴的歷史文化瑰寶。目前，龍泉青瓷產品主要采用間歇式的梭式窯生產。梭式窯是應用最廣泛的現代間歇式窯爐之一，其結構簡單、操作方便、勞動條件好，投資小，適合多品種、小批量生產，已成為龍泉青瓷理想的燒成設備。但由于梭式窯是采取間歇燒成，大部分使用價格較高的高級燃料——石油液化氣為燃料。能源成本占很大比例，而且梭式窯爐的燃燒效率低，窯爐的蓄熱損失和散熱損失大，煙氣溫度高，有的達到800-900 ℃。煙氣帶走的熱量較高，煙氣余熱利用沒有得到足夠的重視，熱損失高達40%以上。這不僅是巨大的能源浪費，而且會造成嚴重的環境污染，還增加了制造成本，已極大制約著龍泉青瓷產品質量的提升以及整體青瓷產業的可持續發展。因此，提高梭式窯能源綜合利用已成為龍泉青瓷產業節能減排和健康發展的必經之路。

date：2016-06-05.Revised date： 2016-06-08.

TQ174.6+5

A

1006-2874（2016）04-0001-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.001

2016-06-05。

2016-06-08。

浙江省重大科技專項重點工業項目 （2014NM006）。

通信聯系人：郭興忠，男，副教授。

Correspondent author：GUO Xingzhong， male， Associate Professor.

E-mail：gxzh_zju@163.com