陶瓷燒成中框架式窯具的節能分析*

曾令可 劉平安 陳皇忠 劉 娉 劉霄昱 黃智明

(1 華南理工大學材料學院 廣州 510640)(2 廣東熱金寶新材料科技有限公司 廣東 揭陽 515500)

前言

隨著社會經濟的快速發展，窯具作為一種特殊的耐火材料,已成為陶瓷工業和耐火材料工業等行業必不可少的高溫輔助材料制品。窯具一般分為3大類：第一類是隧道窯、梭式窯等窯車臺面用輕質邊圍磚，此類窯具使用環境溫度稍低，主要是能承受壓力的載荷且只要能達到低蓄熱的目的；第二類是立柱、棚板和橫梁等，該類窯具直接與火焰接觸，使用環境溫度高，棚板、橫梁等部位還需要承受高溫及承重壓力的雙重作用，所以要求其應具備一定的高溫抗折強度及良好的抗熱震穩定性；第三類是支承燒成中陶瓷坯體的專用窯具，如匣缽、墊板等，此類窯具不一定直接與火焰接觸，僅承受瓷件自身的重力，所以其應用環境要好得多。在這些窯具中，棚板的面積大、厚度薄，是目前窯具用量最大的一部分，無論是生產還是應用，它最具代表性。生產中常用的棚板材料有莫來石質、堇青石質、氧化物結合SiC質、反應燒結碳化硅(SiSiC)等。

窯具質量與性能的好壞對燒成陶瓷制品的質量、產量、能耗、合格率、等級率、生產成本及整個企業的經濟效益具有舉足輕重的作用，因此提高窯具的材料性能和質量，減少窯具的重量、延長棚板的使用壽命對燒成優質陶瓷產品起著重要的作用。

1 創新性框架式窯具結構

傳統隧道窯窯車及窯具結構圖如圖1所示。為了防止陶瓷制品在燒成中不變形、不倒窯，采用粗大的支柱、厚厚的托板，窯車上的窯具笨重而且根據燒成制品的不同采用多層堆疊式，窯車在窯內高溫燒成中運行，非常容易引起窯車倒塌的嚴重事故(厚重的窯具材料是燒成制品的幾倍甚至十幾倍)，這也是隧道窯、梳式窯等窯車式窯爐能耗高、燒成窯爐熱效率極低的主要原因。窯具的模塊化及薄型化設計，大大地減少輔助材料燒成中的熱損耗，充分發揮堇青石-莫來石框架窯具部件與SiSiC柱梁結構部件各自特點，進行標準化的模塊設計和精加工安裝制造，根據燒成瓷種的不同形狀和要求，制備出適用于燒制形狀、類型要求各異的隧道窯、梭式窯窯車專用的框架式窯具、多功能通用框架型窯具，最大特點是裝配式框架式窯具結構緊湊、牢固可靠、節能降耗、節省原材料。創新性制備出框架板薄為4～10 mm，節約原材料一半以上，比傳統窯具節能率可以提高30%～40%。圖2為先進的裝配式框架結構窯具實物圖；圖3為組裝式窯具材料部分部件圖；圖4為燒成衛生潔具碼坯燒成實物圖；圖5為燒成日用陶瓷碼裝坯實物圖。

圖1 傳統隧道窯車及窯具實物圖

圖2 先進框架式隧道窯窯車、窯具結構

圖3 組裝式窯具材料部分部件圖

圖4 燒成衛生潔具碼坯燒成實物圖

圖5 燒成日用陶瓷碼裝坯實物圖

2 窯具對陶瓷窯爐能耗影響的分析

大多數陶瓷在燒成中離不開窯具，目前國內的建筑陶瓷(如瓷片、外墻磚)、衛生陶瓷、日用陶瓷、工藝美術陶瓷、電瓷及大多數特種陶瓷生產多以輥道窯、隧道窯、梭式窯作為燒成設備，雖然采用柴油或燃氣為燃料明焰裸燒，能耗相對較低，但窯具相對于產品的質量比例仍較大，一般仍需要2倍以上，最多的可達10倍以上，這樣窯具在燒成過程的吸熱量遠大于產品的吸熱量及產品物化反應熱耗之和。窯具在燒成過程中需消耗大量的熱量，合理選用窯具材料及窯具結構是降低產品燒成能耗的重要途徑，也是陶瓷燒成中節能的關鍵之一。

由窯爐熱平衡熱效率測試及計算方法可知，通過對陶瓷窯爐的熱工測試及熱平衡、熱效率計算，可以分析出影響窯具能耗的因素。

2.1 測試方法

以衛生陶瓷燃氣隧道窯為代表，計量周期為連續12 h(或24 h)，為縮小窯爐性能差異的影響，對同一組類型產品選擇同一窯爐公司安裝的窯爐，測量并計算產品總質量；測量并統計窯具總質量；計量燃氣消耗總量，根據所測出的產品質量、窯具質量、液化石油氣(或燃氣流量)總量，可以計算出產品燃耗及“產品+窯具”的燃耗：

2.2 測試結果

根據實際測試數據分析得出，當窯具質量與產品質量之比由1.08/1.00增至5.41/1.00時，其單位產品能耗由0.112 2 kgLPG/kg瓷增至0.493 6 kgLPG/kg瓷，增加了4.4倍，即隨著窯具與產品質量之比的增加而能耗成幾倍的增加，可見窯具質量在窯車式窯爐中對能耗大小影響的重要性。

2.3 窯具及陶瓷產品燒成中的能耗分析

以陶瓷隧道窯為例，分析窯具對單位陶瓷產品能耗的影響。

2.3.1 隧道窯有效熱

由隧道窯有效熱計算可知，對于含窯具材料在內的隧道窯有效熱為：

Qxy=Qq+Qh+Qg+Qx+Qjg

式中： Qxy——窯爐有效熱;

Qq——坯體水分蒸發并加熱至離窯的熱耗;

Qh——產品燒成中物化反應熱耗;

Qg——產品加熱至燒成溫度的升溫熱耗;

Qx——產品燒結時玻璃相熱耗;

Qjg——窯具加熱至產品燒成溫度時的升溫熱耗。

式中Qq、Qh、Qx相對于Qg和Qjg所占比例一般較小，由于窯具質量要比產品質量大得多，所以Qjg比Qg要大得多。對于衛生(或日用)陶瓷而言，根據陶瓷隧道窯熱平衡測試可知，各項相對于Qxy的比例：Qq+ Qh+ Qx約占15%，Qg約占 25%，Qjg約占60%，窯具在產品燒成過程中消耗了大量的有效熱，這是因為目前大多數陶瓷生產企業使用的窯具質量都為其產品質量的2倍以上，有的甚至高達10倍，而窯具比熱與陶瓷產品相當，由此可見，窯具在升溫過程中需要吸收大量的熱量，占用了大部分的有效熱，因此合理選用窯具、減少窯具質量，對降低產品燒成能耗意義重大。

2.3.2 窯具對隧道窯產量與單位產品燒成能耗的影響

從上述含窯具有效熱計算可以看出，窯具所消耗的有效熱可達60%左右，所以在升溫過程中窯具需吸收大量的熱量，吸熱量增加，在一定程度上降低了升溫速度，對于隧道窯而言必須降低推車速度，因而也降低了單位時間的產量。在窯具質量增加的同時，隧道窯窯腔裝載的密度也增大，從而使預熱帶的氣流阻力也增大，為滿足排煙及分解物排出，需加大排煙力度，這樣，造成窯內負壓增大，預熱帶漏風量增加，由于下層冷風的進入，增加了預熱帶的溫度分層，為確保下層產品有充分的氧化分解時間，必須降低推車速度，因而窯爐的單位時間產量也隨之降低。

在冷卻帶中，由于窯具的質量大，蓄熱量也增加，則帶進冷卻帶的熱量增加，從而加大了冷卻帶負擔，為使熱量充分排出使已燒成的制品冷卻，需延長冷卻時間，以降低冷卻速度，即降低推車速度，迫使窯爐產量減少。從上述分析可知，窯具/產品質量比的增加將大大降低產量，從而大大地增加單位產品的能耗。

3.2.3 窯具及燒成時間對熱分配比例的影響

由陶瓷燒成過程中的加熱、冷卻過程可以看出，窯具質量增加，產量減少，而在此過程中窯體的表面散熱量并沒有減少，且排煙的煙氣帶出的顯熱卻會增加，具體表現為兩個方面：一方面，由于窯具的吸熱量增加，導致燃料的消耗量增加，故燃料燃燒的干煙氣量增加；另一方面，當排煙阻力增加時，為滿足燒成帶的煙氣排出需加大排煙的引風力度，即增加了窯內負壓，從而增加了預熱帶的漏風量，漏入的空氣受加熱后隨煙氣排出而增加煙氣帶出的顯熱。目前，在大多數陶瓷隧道窯中，煙氣顯熱、窯體表面散熱占燒成總熱支出的一大部分，而減小窯具質量可縮短燒成時間，從而達到降低單位產品燒成能耗的目的。

綜上所述，選擇優質、輕型窯具是降低陶瓷單位產品燒成能耗的重要途徑，也是降低陶瓷產品綜合能耗的有效措施。

3 窯具輕質化的關鍵

為了達到節能的目的，在窯爐性能和產品未改變的情況下，合理選用窯具材料至關重要。只有選用理想窯具材料并減輕窯具質量，才能達到節能的目的。

3.1 莫來石-堇青石質棚板

棚板作為支撐燒成中瓷件的專用窯具，是陶瓷工業中一種重要的輔助材料，傳統材質多為抗熱震性好、高溫性能優良的堇青石-莫來石復合材料，且國家在“八五”攻關科研科項目中提出了堇青石-莫來石棚板的研制。

早在20世紀90年代初，華南理工大學與佛山羅村某窯具企業合作，進行堇青石質窯具的系統性研究與產業化，配方優化和摻雜改性，研究了堇青石骨料與莫來石結合劑的比例、堇青石骨料的粒度分布、結合劑中摻入紅柱石、骨料中摻入SiC、鈦酸鋁、 根據總量按比例摻入莫來石纖維、及成形壓力大小對堇青石質窯具材料內部顆粒結合情況、晶相相變情況、微裂紋網絡形成程度等微觀結構，及窯具強度、抗熱震性等宏觀性能的影響。最終得出了一個較佳的窯具配方，并確定了其主要生產工藝參數：

1)堇青石作為骨料可以有效地降低窯具的熱膨脹系數，減少因溫差引起的熱應力。通過調節堇青石骨料中顆粒級配可以明顯提高窯具的強度。

2)在窯具中摻入紅柱石細粉，有利于其莫來石化，生成針狀或柱狀莫來石纖維， 起到纖維增韌作用，既提高了堇青石質窯具材料的斷裂表面能，又改善窯具的強度和抗熱震性，其生產實用性比直接摻入莫來石纖維好。

3)在窯具中摻入SiC用于提高其導熱系數時，應控制其粒度和摻入量以防止被氧化后生成過量的石英玻璃相，破壞材料的微觀結構。在窯具中摻入鈦酸鋁以降低其熱膨脹系數時，堇青石中的Mg2+和莫來石的存在可以有效地阻止鈦酸鋁的分解， 促進金紅石和剛玉轉變成鈦酸鋁，達到提高窯具抗熱震性的目的。但同時堇青石中Mg2+易與鈦酸鋁形成固熔體，破壞了堇青石骨料的強度，且易引起燒成過程中試樣變形。

4)當窯具的配方和燒成溫度確定后，成形壓力是決定窯具微觀結構和性能的關鍵因素，從綜合效果來看，堇青石質窯具成形壓力以46～60 MPa為佳。

目前，國產堇青石-莫來石窯具制品的生產較為成熟，方斌祥等從理論上對堇青石-莫來石的配比及條件進行了分析，按m(堇青石)∶m(莫來石)=45∶30配料，且在1 350 ℃/3 h條件下合成的棚板材料主要晶相為堇青石和莫來石，其顯微結構均勻，晶間生成大量的原位堇青石和莫來石晶粒，骨料之間的“聯接橋”發育良好，其各項性能指標最優，具有較高的抗折強度。陳冀渝在此過程中進行了一些改進，得到了耐用壽命更高的堇青石棚板。從化學組成來看，田惠英等討論并研制了材料的成分對堇青石-莫來石棚板物理力學性能的影響，制品的氣孔率與孔結構對強度、抗熱震穩定性的影響，結合我國原料的實際情況提出了根據原料的純度(即低熔性雜質成分Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O的含量)來確定棚板的化學組成范圍：Al2O3:40%～41%;SiO2:50%～51%;MgO:6%～7%;Fe2O3,TiO2,K2O,Na2O含量:<2.7%。俞秋玉等為了解決外購堇青石-莫來石棚板價格高的問題，利用鎂質粘土和高嶺土原料人工合成堇青石，再與其它原料配合制成的堇青石棚板，取代了高價外購的堇青石棚板，進一步降低了生產成本，提高了企業的經濟效益。因此在配方系統、燒成技術、工藝路線及工業應用效果及性價比等莫來石-莫青石棚板方面對于陶瓷行業來說都是比較成熟且普遍應用的一種耐火材料。

3.2 剛玉-莫來石棚板

隨著功能陶瓷如軟磁(鐵氧體)材料和電子絕緣陶瓷的發展，傳統堇青石-莫來石棚板的發展受到一定的局限，而剛玉-莫來石棚板得到廣泛應用，該棚板具有優良的高溫強度、抗熱震性和較高的使用溫度(1 700 ℃)，且化學穩定性良好，不易與所承燒的產品發生反應，但是由于高溫棚板在高溫(一般>1 600 ℃)下承載量較大，同時承受較大的剪切應力，棚板易發生高溫彎曲蠕變。周會俊等采用板狀剛玉、電熔白剛玉、電熔莫來石、Al2O3微粉和硅灰為主要原料，采用大噸位液壓成形、超高溫燒成，研制出具有優良高溫強度、抗熱震性和極低高溫蠕變變形的剛玉-莫來石高溫棚板。將該棚板應用在1 650 ℃以上的高溫梭式窯爐上，能夠滿足長期高溫高荷重的使用要求，可以替代同類進口產品。

3.3 SiSiC材料

SiSiC材料具有高強度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕及良好的抗氧化、抗熱震等性能，是應用最廣泛的結構陶瓷和窯具產品之一。廣東固特耐科技新材料有限公司生產的反應燒結碳化硅材料的長期性能與重結晶碳化硅和氮化硅結合碳化硅相比更加突出，其抗彎強度是重結晶碳化硅的兩倍多，比氮化硅結合碳化硅高約50%，其中NBSiC與ReSiC分別為氮化硅結合碳化硅與重結晶碳化硅(見圖6)。

等靜壓成形的反應燒結碳化硅(SiSiC)的密度為≥3.08 g/cm3,氣孔率<0.1%，高溫(1 200 ℃下)抗彎強度達280 MPa，板做得很薄，梁、柱做得很細，高溫中強度也很高，這就是框架式窯具輕型化的關鍵。

當前絕大多數使用的窯具是燒結碳化硅柵板，其厚度為12 mm，用耐火支柱支撐于柵板平面的邊緣，支點跨度大，燒結碳化硅的高溫抗折強度為56 MPa。理論上，如果選用的材料抗折強度提高至4倍，則柵板厚度可降低至0.5倍，因抗折強度與材料厚度的平方成正比；如支點跨度降低至0.5倍，則柵板的承重能力可提高4倍，因梁的承載能力與支點距離的平方成反比。所以，對新型窯具材料的選用及支撐方法要不斷進行優化設計。

(a)四點抗彎強度值比較 (b)抗氧化性

圖6反應燒結碳化硅(SiSiC)與NBSiC、ReSiC性能比較

4 節能窯具的設計

4.1 窯具材料的選用

綜合考慮各方面因素，窯具材料采用工藝成熟、質量穩定、使用壽命長、性價比良好的莫來石-堇青石材料及反應燒結碳化硅材料，特別是反應燒結碳化硅，它具有顯氣孔率低、密度大、抗氧化性強、強度大，抗彎強度大(其高達280 MPa，是普通燒結碳化硅抗折強度的5倍)等優點。由于強度的提高有利于減少柵板的厚度，常用的燒結碳化硅厚度為12 mm。而在實際的設計與生產中一般選用5 mm的反應燒結碳化硅即可。

4.2 支撐結構設計

窯具支撐結構采用柵架式進行設計，窯具支撐柵架式結構圖如圖7所示。

圖7 窯具支撐柵架式結構圖

立柱垂直固定在窯車上，立柱為外寬50 mm×30 mm，壁厚為5 mm，有的還在寬度為50 mm左右的兩個側面各開有兩排直徑為15 mm孔(見圖3及圖8)，孔中心距為25 mm，兩排錯開，即前后排孔中心距為12.5 mm，支承管按產品裝載的高度確定管的中心高，并橫穿在立柱上，有的還可以用陶瓷螺栓緊固，使整個框架形成整體結構，大大地增強整體結構的牢靠性。支承管長度為550～700 mm，外徑為13 mm，壁厚為3.5 mm，托板架在支承管上，供擺放產品用，托板的長度為450～550 mm，視窯車設計而定，托板的寬視陶瓷坯體的大小和形狀而定，要略大于坯體底部寬度，讓整個坯體底部能全部放在同一片托板上，但寬度不小于50 mm，托板厚度為5 mm，托板在支承管上的中心距離等于或略大于產品坯體的最大直徑(寬度)。為了讓托板處于最佳的受力狀態，一方面設計了支承管的中心距離在托板長度的55%～60%(見圖8)，以縮短支撐距離，對比目前燒結碳化硅柵板支承在板的端點上，受力距離大為縮短。另一方面，由于托板是架在兩條支承管上，以兩條線支承托板，實現了均勻受力，對比目前燒結碳化硅柵板用點的支撐，是集中受力，條件有著明顯的改善。

圖8 立柱兩個側面各開有兩排孔示意圖

4.3 窯具質量及產品/窯具質量比

在框架式節能窯具設計中，一方面改善了托板的受力條件；另一方面選用高強度的反應燒結碳化硅材料，不僅能夠減薄減輕了窯具的質量，在同等產品裝載的情況下，托板的面積大大縮小，而托板的承重能力反而增強。據各種材料結構及長、寬、厚度等尺寸核算，反應燒結碳化硅密度為3.05 g/cm3，則每層窯具的質量為：合計窯具=立柱+支承管+托板=2 385 g。

每片托板能托燒的產品質量為2 070 g/層產品，節能窯具與產品的質量比為：窯具質量∶產品質量=1.15∶1.00，遠小于傳統窯具中窯具與產品的質量比。

4.4 窯具節能對比分析

前面所述的傳統窯車托燒方法的窯具質量∶產品質量=4.18∶1.00，而框架式節能窯具的窯具質量∶產品質量=1.15∶1.00。同樣1個單位質量的產品，常規的托燒窯具質量是節能窯具質量的3.6倍，節能窯具與產品的質量和是常規窯具與產品的質量和的41.5%，減少了58.5%的質量。由于高溫時碳化硅的比熱容為0.962+1.46×10-4t kJ/(kg·℃)，與陶瓷產品的比熱容為0.836+2.6×10-4t kJ/(kg·℃)相近。所以，當加熱到產品燒成溫度時，在同等質量下，窯具吸收的熱量與產品吸收的熱量相近。以隧道窯為例，按常規托燒方法計算，窯具及產品加熱到燒成溫度時，兩項熱耗相加約占總熱耗的60%，若裝載產品相同，采用節能窯具后，窯具及產品相加的質量減少了58.5%，則節省的熱耗=60%×58.5%=35%。所以，采用節能窯具后，可實現窯具節能達35%。

潮州市某衛生陶瓷廠的一座長90 m、寬2.2 m、高1.1 m的隧道窯，燒成產品為800 mm×500 mm的洗手盆，改造前產能為49臺車/d×35件/臺=1 725件，消耗天然氣3 000 m3，則每件洗手盆消耗天然氣1.75 m3，利用框架式組合窯具改造后產能為68臺車/d×42件/臺車=2 856件，天然氣消耗量為3 200 m3，則每件洗手盆天然氣消耗量為1.12 m3，改造后每1件產品節約天然氣量為1.75-1.12=0.63 m3，而產量則提高了2 856-1 725=1 131件/d。可見改造后節約能耗為36%，增加產量達66%，每臺車裝載量增加20%，每天裝車燒成的臺車數增加39%，經濟效益和社會效益均非常顯著。

珠海市斗門區旭日陶瓷有限公司燒制外墻磚所使用的是莫來石-堇青石墊板，墊板的厚度原來為10～12 mm，該企業創新性地從墊板的結構及厚度等方面進行攺造，把承燒瓷片的莫來石-董青石墊板的厚度由10.5～13.0 mm降至7.3 mm(基至6.7 mm)每塊質量由4.8 kg多降至2.3 kg以下，節能達到18.7%以上。

5 特色和創新

1)多功能通用性框架型窯具。將堇青石-莫來石框架窯具部件與SiSiC柱梁結構窯具部件進行標準化的模塊設計和加工制造，并根據燒成瓷種的不同形狀和要求，制造出適用于燒制形狀、類型要求各異的窯車用的框架式窯具。

2)節能降耗、節省原材料。將堇青石-莫來石框架窯具部件與SiSiC柱梁結構窯具部件通過優化設計、組裝、制備架構得到的組合框架窯具框架板厚度為4～10 m，比傳統窯具節能率可以提高30%以上。

生產實踐證明，采用節能型框架式窯具材料結構牢固、使用安全、節能效果明顯，是改造窯車式裝載結構，減少陶瓷燒成熱耗，提高燒成設備熱效率的有效途徑。

1 曾令可,任雪譚,賀海洋,等.堇青石質窯具的配方優化.陶瓷學報,2000,21(4):195～201

2 曾令可,任雪譚,賀海洋,等.摻入紅柱石對堇青石窯具性能的影響.華南理工大學學報,2001,29(6):60～63

3 賀海洋,曾令可.莫來石-堇青石窯具的現狀與發展前景.耐火材料,1999,33(2):107～109

4 賀海洋,曾令可.莫來石-堇青石窯具的工藝特性及應用前景.中國陶瓷工業,1999,6(1):12～15

5 郭俊平.日用陶瓷節能窯具的研究.佛山陶瓷,2015,25(1)：29～31