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泡沫陶瓷烧成工艺的现状及进展

2014-11-18王霞

佛山陶瓷 2014年10期
关键词:窑炉工艺

摘 要:本文简述了泡沫陶瓷过滤器生产厂家常用的烧成工艺,将其按燃烧能源分为煤、液化气和电;按窑炉结构类别分为梭式窑、隧道窑和辊道窑,并对比了煤、液化气和电烧泡沫陶瓷过滤器的优缺点。同时,对梭式窑、隧道窑和辊道窑三种窑炉结构做了简单的对比分析,并阐述了各种窑炉结构的特点。最后,本文提出了泡沫陶瓷厂家应根据自身生产情况和发展需要,选择合适的烧成工艺。

关键词:泡沫陶瓷;烧成;窑炉;工艺

1 前言

泡沫陶瓷过滤器属于新材料领域的高性能结构陶瓷类,是国家重点支持的高新技术领域之一。泡沫陶瓷过滤器相比于其他陶瓷过滤器(如:直孔陶瓷)优点是通孔率高、比表面积大,过滤效果好。缺点是强度低、掉渣严重等[1]。

众所周知,烧成是特种陶瓷生产中的关键工序,而窑炉是生产中的核心设备,为在烧成性能和燃料节能方面有好的效果,许多技术雄厚的窑炉厂家和特种陶瓷厂家进行协作攻关,并取得了较好的效果[2]。泡沫陶瓷过滤器属于特种陶瓷类别的结构陶瓷,具有三维网状结构,通孔率达到80%~90%,体积密度约0.5g/cm3(除氧化锆质)。因此,其烧成相比于建筑、日用陶瓷产品,具有产品内外升温均一、烧成保温时间短、自然冷却速度快以及蓄热效果差等特点。另外,由于国内大多泡沫陶瓷生产厂家采用聚氨酯海绵浸渍上浆工艺[3-4]。因此,在泡沫陶瓷烧成过程中,载体聚氨酯海绵的挥发速度快慢,直接决定了泡沫陶瓷的烧成质量。同时,聚氨酯海绵在挥发过程中伴随的放热效应,也影响着整个产品烧成曲线。

2 泡沫陶瓷烧成工艺的现状

目前,泡沫陶瓷产品在国内销售已有30年,产品在金属熔体过滤方面取得的了显著效果,在提升金属熔体成品率和提高铸件理化性能方面发挥着重要作用。因此,未来几十年,在没有发明新的产品代替其过滤净化效果作用时,泡沫陶瓷产品依然会成为金属熔体铸造厂家的优先选择。另外,随着泡沫陶瓷产品的大众化和成熟化,泡沫陶瓷在隔热隔音材料、汽车尾气处理、电工电子、医用材料以及生物化学等领域也有了较为广泛的应用[5]。

泡沫陶瓷烧成工艺经过不断优化改进,取得了较快的发展。但它相对于建筑、日用陶瓷的烧成工艺,工艺技术尚处于落后水平。笔者认为有以下几个方面的原因。首先,因为泡沫陶瓷产品出现只有近三十年,行业专家对其研究时间不够充分。其次,泡沫陶瓷产品销售量远不如建筑、日用陶瓷,相应窑炉公司针对泡沫陶瓷产品烧成设备的研发不够,其特点也不能很好把握。第三,铸造用泡沫陶瓷产品属于一次性使用产品,产品在短时间过滤完成后,就不再重复使用,泡沫陶瓷生产厂家很少花费资金和精力做单独的烧成工艺研究。第四,国内泡沫陶瓷生产厂家规模较小、分散度高,科研研发实力较弱。综上几种情况,泡沫陶瓷产品的生产(尤其烧成)工艺在国内依旧停滞在满足使用,而非精细化生产阶段。

2.1燃料烧成分类

泡沫陶瓷烧成中使用的燃料包括:焦油、煤、液化气、天然气和电等能源。本文主要介绍煤、液化气、电三种常用的代表性燃料。煤、液化气和电烧泡沫陶瓷工艺对比如表1所示。

2.1.1煤烧成工艺

煤作为窑炉烧成燃料,属于时间最早、应用最广泛的一类。它的特点是成本低、来源广泛、燃烧值低及空气污染大。泡沫陶瓷起初的生产力量差,相应的设备也处于试用改进阶段,窑炉也往往是采用日用陶瓷改造而成。煤作为泡沫陶瓷烧成燃料,经过了十几年时间。随着环境保护力度加大,产品质量进一步提升,经改造的老式窑炉已经不能满足其生产需求。煤作为泡沫陶瓷烧成燃料已经渐渐退出舞台。

2.1.2液化气烧成工艺

液化气作为新型燃料,在近十年内得到了广泛推广应用。无论民用、工业用都被广泛使用。对泡沫陶瓷烧成工艺而言,液化气有以下优点:燃烧值高、烧成气氛(氧化或还原气氛)稳定及空气污染小。液化气窑炉为保证产品烧成温度稳定性,需对燃气压力进行控制。因此,需要在输送管道内加设减压阀、过滤器、调压阀等装置。为了提高液化气的使用率,可在管道前增设气化炉。由于液化气在使用过程中,存在易燃、易爆等危险,应当制定严格的操作规程,并尽可能将液化气的存放间建在远离火源、窑炉高温、办公场所等地方。

液化气由于来源较广泛、使用绿色环保、对产品烧成控制稳定等特点,已成为目前泡沫陶瓷生产厂家的主要烧成燃料。

2.1.3电烧成工艺

电作为真正环保绿色的能源,被用作陶瓷烧成时间较短。电通过电热元件转化为热能,热能通过热辐射加热陶瓷坯体。电能可以通过自动控制电流大小,按规定时间升至规定温度并保温。电能烧成工艺具有以下优点:热效率高、自动化控制精准、经济环保、操作简便及烟气管道少等。缺点是电窑内容积较小(否则温差过大)、断电事故不易控制、窑内为氧化气氛烧结、电热元件须设置在整个升温区、电热元件需常更换等。

小型电炉作为实验室广泛采用的烧成窑炉,具有操作简单、自动化控制程度高、绿色环保等特点。工业用电窑是在实验室电炉基础上发展起来的,特别是对于烧成泡沫陶瓷产品,其主要应用在泡沫陶瓷规格小、天然气匮乏、电能充裕且价格便宜等地方。

2.2窑炉结构分类

窑炉按结构分类,可划分为梭式窑、隧道窑和辊道窑三大类。梭式窑、隧道窑和辊道窑烧成泡沫陶瓷工艺对比如表2所示。

2.2.1梭式窑烧成工艺

梭式窑(又称抽屉窑)属于间歇式窑炉,其生产方式和生产安排具有灵活性,既能满足规模连续性生产,也能采用小型间歇性生产。对规模相对小的、市场容量不大的陶瓷厂家,大都选择此类烧成窑炉。随着燃料结构、自控程度、保温材料的不断发展,相继出现了一些结构新颖、装配先进、温差小及能耗低的新型梭式窑,产品烧成质量也得到了大幅提升[6]。

梭式窑作为传统窑炉,具有投入少、应用广泛、维护成本低及生产灵活性高等特点,加之泡沫陶瓷产品本身产量不大,因此也被选为烧成泡沫陶瓷产品最早的窑炉,也是使用时间最长的窑炉。随着泡沫陶瓷产品领域的不断发展,产品需求不断扩大、产品竞争愈发激烈和产品质量要求不断提高。传统的梭式窑烧成泡沫陶瓷产品具有的产量小、质量不稳定、能耗大等缺点。同时,梭式窑烧成泡沫陶瓷过程中,烟气呈集中排放(250~550℃),对烟气处理的投入会大大增加,并且处理效果也很不理想。因此,传统的梭式窑已不能满足泡沫陶瓷现代化生产。endprint

2.2.2隧道窑烧成工艺

隧道窑属于连续性生产的热工设备,广泛用于陶瓷制品的烧成工序。隧道窑具有生产产量较大、质量控制较稳定、温差较小等特点。

隧道窑烧成泡沫陶瓷,相比于梭式窑具有更好的产品质量稳定性。同时,在隧道窑烧成泡沫陶瓷过程中,坯体进入窑内烟气排放温度区数量少且均匀。因此,烟气排放较少且较均一,不会呈现集中排放。对均一量较少的烟气处理,环保设备投入较小、烟气处理效果较好。

2.2.3辊道窑烧成工艺

辊道窑烧成是在隧道窑基础上发展起来,广泛应用于建筑、日用陶瓷制品的生产。因辊道窑具有烧成速度快、单位能耗少、产量大、烧成温差小等特点,已成为国内建筑卫生陶瓷广泛使用的烧成设备[7]。

泡沫陶瓷在辊道窑中烧成,在国内已经有了相关专利(ZL201110342739.7)和生产线,辊道烧成泡沫陶瓷具有产量大、能耗少、产品质量稳定及烟气处理方便等特点。辊道窑可将低温区均一较少的烟气作助燃风输入高温区焚烧,焚烧后的烟气再经简单的物理化学处理,即可达到规定烟气排放标准。

3 结语

对泡沫陶瓷的烧成,已经历了煤、气、电三种能源的烧成工艺发展。煤具有低热值、高污染、杂质多等性质,已不能满足泡沫陶瓷节能环保的现代化生产需求。事实上,经过厂家主动放弃或政府强制改革,煤作为泡沫陶瓷烧成燃料已逐渐被淘汰。目前,各地政府都在提倡甚至强制企业执行煤改气,气成了陶瓷制品的主要烧成能源。气(主要包括液化气和天然气)杂质含量少、热值高、绿色环保,适用于泡沫陶瓷产品烧成。国内大多泡沫陶瓷生产厂家都采用气烧烧成工艺。电通过电热元件产生热辐射,属于真正绿色环保能源。泡沫陶瓷烧成用电窑具有热效率高、温度控制精准、操作简便等特点。但对于规格较大的泡沫陶瓷产品烧成,不宜采用电窑。因为热辐射距离效应明显,窑体越宽窑内温差越大。国内采用电窑烧成泡沫陶瓷制品,多为氧化锆、碳化硅等规格较小的泡沫陶瓷制品。

梭式窑、隧道窑和辊道窑等结构窑炉的发展,也成为泡沫陶瓷烧成的发展方向。从最初的梭式窑间歇式生产,到隧道窑连续生产,再到辊道窑快速连续生产,泡沫陶瓷不仅产量得到了快速的发展,而且其产品质量、生产成本、单位能耗、绿色环保等方面也都有了较好的发展。虽然窑炉结构在不断更新,但由于泡沫陶瓷生产厂家分散度高、规模小、市场份额有限,各材质泡沫陶瓷产品质量要求不一、泡沫陶瓷产品使用一次性等诸多原因,导致梭式窑、隧道窑和辊道窑都还在国内厂家广泛使用,各占比例也都相差不大。梭式窑具有生产调度灵活(可随时停窑)、产量小、投入少等特点,适用于企业规模小、产量较小、产品质量要求(如:氧化铝泡沫陶瓷)稳定性较差及环保要求较低的生产厂家。隧道窑具有产量较大、产品质量稳定性较好、投入较大等特点,适用于中小型企业规模、产品市场较大、产品质量要求较高(如:碳化硅、氧化锆泡沫陶瓷)的生产厂家。辊道窑具有窑内宽、产量大、投入大、节能环保、产品稳定性好等特点,适用于大中型企业规模、产品国内外市场大、产品规格较大(如:氧化铝泡沫陶瓷)、产品要求质量高的生产厂家。

综上所述,厂家根据各自规模及自身发展的不同,会选择不同结构的窑炉。然而,随着全球经济一体化的发展,产品资源的不断整合,以及环保要求的不断提高。相信许多中小型规模企业将被合并或收购,取而代之是大型泡沫陶瓷生产厂家。海绵、配料、上浆、干燥、喷浆、烧成等工艺都采用先进的生产装备,几条生产线同时生产氧化铝、碳化硅、氧化锆等各种材质泡沫陶瓷,烧成也会选择产量大、能耗低、产品质量稳定及绿色环保的辊道窑气烧工艺。

参考文献

[1] 孟萍.直孔陶瓷过滤片和泡沫陶瓷过滤片的区别[J].铸造,2007

(56):880~881.

[2] 顾立德.特种耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,2006:302.

[3] 王霞.铸造用泡沫陶瓷过滤器的生产工艺[J].佛山陶瓷,2008,12:

28~30.

[4] 曹大力,周静一,伊国力,等.铸造用泡沫陶瓷过滤器[J].铸造,

2005(54):293.

[5] 董毅峰,王雪瑶,李志宏,等.泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研

究进展[J].陶瓷,2007(7):50~52.

[6] 徐培勋.烧成蜂窝陶瓷各种窑炉的选型[J].佛山陶瓷,2014(2):

19~21.

[7] 胡国林,周露亮,陈功备.陶瓷工业窑炉[M].武汉:武汉理工大学

出版社,2010:131~150.endprint

2.2.2隧道窑烧成工艺

隧道窑属于连续性生产的热工设备,广泛用于陶瓷制品的烧成工序。隧道窑具有生产产量较大、质量控制较稳定、温差较小等特点。

隧道窑烧成泡沫陶瓷,相比于梭式窑具有更好的产品质量稳定性。同时,在隧道窑烧成泡沫陶瓷过程中,坯体进入窑内烟气排放温度区数量少且均匀。因此,烟气排放较少且较均一,不会呈现集中排放。对均一量较少的烟气处理,环保设备投入较小、烟气处理效果较好。

2.2.3辊道窑烧成工艺

辊道窑烧成是在隧道窑基础上发展起来,广泛应用于建筑、日用陶瓷制品的生产。因辊道窑具有烧成速度快、单位能耗少、产量大、烧成温差小等特点,已成为国内建筑卫生陶瓷广泛使用的烧成设备[7]。

泡沫陶瓷在辊道窑中烧成,在国内已经有了相关专利(ZL201110342739.7)和生产线,辊道烧成泡沫陶瓷具有产量大、能耗少、产品质量稳定及烟气处理方便等特点。辊道窑可将低温区均一较少的烟气作助燃风输入高温区焚烧,焚烧后的烟气再经简单的物理化学处理,即可达到规定烟气排放标准。

3 结语

对泡沫陶瓷的烧成,已经历了煤、气、电三种能源的烧成工艺发展。煤具有低热值、高污染、杂质多等性质,已不能满足泡沫陶瓷节能环保的现代化生产需求。事实上,经过厂家主动放弃或政府强制改革,煤作为泡沫陶瓷烧成燃料已逐渐被淘汰。目前,各地政府都在提倡甚至强制企业执行煤改气,气成了陶瓷制品的主要烧成能源。气(主要包括液化气和天然气)杂质含量少、热值高、绿色环保,适用于泡沫陶瓷产品烧成。国内大多泡沫陶瓷生产厂家都采用气烧烧成工艺。电通过电热元件产生热辐射,属于真正绿色环保能源。泡沫陶瓷烧成用电窑具有热效率高、温度控制精准、操作简便等特点。但对于规格较大的泡沫陶瓷产品烧成,不宜采用电窑。因为热辐射距离效应明显,窑体越宽窑内温差越大。国内采用电窑烧成泡沫陶瓷制品,多为氧化锆、碳化硅等规格较小的泡沫陶瓷制品。

梭式窑、隧道窑和辊道窑等结构窑炉的发展,也成为泡沫陶瓷烧成的发展方向。从最初的梭式窑间歇式生产,到隧道窑连续生产,再到辊道窑快速连续生产,泡沫陶瓷不仅产量得到了快速的发展,而且其产品质量、生产成本、单位能耗、绿色环保等方面也都有了较好的发展。虽然窑炉结构在不断更新,但由于泡沫陶瓷生产厂家分散度高、规模小、市场份额有限,各材质泡沫陶瓷产品质量要求不一、泡沫陶瓷产品使用一次性等诸多原因,导致梭式窑、隧道窑和辊道窑都还在国内厂家广泛使用,各占比例也都相差不大。梭式窑具有生产调度灵活(可随时停窑)、产量小、投入少等特点,适用于企业规模小、产量较小、产品质量要求(如:氧化铝泡沫陶瓷)稳定性较差及环保要求较低的生产厂家。隧道窑具有产量较大、产品质量稳定性较好、投入较大等特点,适用于中小型企业规模、产品市场较大、产品质量要求较高(如:碳化硅、氧化锆泡沫陶瓷)的生产厂家。辊道窑具有窑内宽、产量大、投入大、节能环保、产品稳定性好等特点,适用于大中型企业规模、产品国内外市场大、产品规格较大(如:氧化铝泡沫陶瓷)、产品要求质量高的生产厂家。

综上所述,厂家根据各自规模及自身发展的不同,会选择不同结构的窑炉。然而,随着全球经济一体化的发展,产品资源的不断整合,以及环保要求的不断提高。相信许多中小型规模企业将被合并或收购,取而代之是大型泡沫陶瓷生产厂家。海绵、配料、上浆、干燥、喷浆、烧成等工艺都采用先进的生产装备,几条生产线同时生产氧化铝、碳化硅、氧化锆等各种材质泡沫陶瓷,烧成也会选择产量大、能耗低、产品质量稳定及绿色环保的辊道窑气烧工艺。

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(56):880~881.

[2] 顾立德.特种耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,2006:302.

[3] 王霞.铸造用泡沫陶瓷过滤器的生产工艺[J].佛山陶瓷,2008,12:

28~30.

[4] 曹大力,周静一,伊国力,等.铸造用泡沫陶瓷过滤器[J].铸造,

2005(54):293.

[5] 董毅峰,王雪瑶,李志宏,等.泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研

究进展[J].陶瓷,2007(7):50~52.

[6] 徐培勋.烧成蜂窝陶瓷各种窑炉的选型[J].佛山陶瓷,2014(2):

19~21.

[7] 胡国林,周露亮,陈功备.陶瓷工业窑炉[M].武汉:武汉理工大学

出版社,2010:131~150.endprint

2.2.2隧道窑烧成工艺

隧道窑属于连续性生产的热工设备,广泛用于陶瓷制品的烧成工序。隧道窑具有生产产量较大、质量控制较稳定、温差较小等特点。

隧道窑烧成泡沫陶瓷,相比于梭式窑具有更好的产品质量稳定性。同时,在隧道窑烧成泡沫陶瓷过程中,坯体进入窑内烟气排放温度区数量少且均匀。因此,烟气排放较少且较均一,不会呈现集中排放。对均一量较少的烟气处理,环保设备投入较小、烟气处理效果较好。

2.2.3辊道窑烧成工艺

辊道窑烧成是在隧道窑基础上发展起来,广泛应用于建筑、日用陶瓷制品的生产。因辊道窑具有烧成速度快、单位能耗少、产量大、烧成温差小等特点,已成为国内建筑卫生陶瓷广泛使用的烧成设备[7]。

泡沫陶瓷在辊道窑中烧成,在国内已经有了相关专利(ZL201110342739.7)和生产线,辊道烧成泡沫陶瓷具有产量大、能耗少、产品质量稳定及烟气处理方便等特点。辊道窑可将低温区均一较少的烟气作助燃风输入高温区焚烧,焚烧后的烟气再经简单的物理化学处理,即可达到规定烟气排放标准。

3 结语

对泡沫陶瓷的烧成,已经历了煤、气、电三种能源的烧成工艺发展。煤具有低热值、高污染、杂质多等性质,已不能满足泡沫陶瓷节能环保的现代化生产需求。事实上,经过厂家主动放弃或政府强制改革,煤作为泡沫陶瓷烧成燃料已逐渐被淘汰。目前,各地政府都在提倡甚至强制企业执行煤改气,气成了陶瓷制品的主要烧成能源。气(主要包括液化气和天然气)杂质含量少、热值高、绿色环保,适用于泡沫陶瓷产品烧成。国内大多泡沫陶瓷生产厂家都采用气烧烧成工艺。电通过电热元件产生热辐射,属于真正绿色环保能源。泡沫陶瓷烧成用电窑具有热效率高、温度控制精准、操作简便等特点。但对于规格较大的泡沫陶瓷产品烧成,不宜采用电窑。因为热辐射距离效应明显,窑体越宽窑内温差越大。国内采用电窑烧成泡沫陶瓷制品,多为氧化锆、碳化硅等规格较小的泡沫陶瓷制品。

梭式窑、隧道窑和辊道窑等结构窑炉的发展,也成为泡沫陶瓷烧成的发展方向。从最初的梭式窑间歇式生产,到隧道窑连续生产,再到辊道窑快速连续生产,泡沫陶瓷不仅产量得到了快速的发展,而且其产品质量、生产成本、单位能耗、绿色环保等方面也都有了较好的发展。虽然窑炉结构在不断更新,但由于泡沫陶瓷生产厂家分散度高、规模小、市场份额有限,各材质泡沫陶瓷产品质量要求不一、泡沫陶瓷产品使用一次性等诸多原因,导致梭式窑、隧道窑和辊道窑都还在国内厂家广泛使用,各占比例也都相差不大。梭式窑具有生产调度灵活(可随时停窑)、产量小、投入少等特点,适用于企业规模小、产量较小、产品质量要求(如:氧化铝泡沫陶瓷)稳定性较差及环保要求较低的生产厂家。隧道窑具有产量较大、产品质量稳定性较好、投入较大等特点,适用于中小型企业规模、产品市场较大、产品质量要求较高(如:碳化硅、氧化锆泡沫陶瓷)的生产厂家。辊道窑具有窑内宽、产量大、投入大、节能环保、产品稳定性好等特点,适用于大中型企业规模、产品国内外市场大、产品规格较大(如:氧化铝泡沫陶瓷)、产品要求质量高的生产厂家。

综上所述,厂家根据各自规模及自身发展的不同,会选择不同结构的窑炉。然而,随着全球经济一体化的发展,产品资源的不断整合,以及环保要求的不断提高。相信许多中小型规模企业将被合并或收购,取而代之是大型泡沫陶瓷生产厂家。海绵、配料、上浆、干燥、喷浆、烧成等工艺都采用先进的生产装备,几条生产线同时生产氧化铝、碳化硅、氧化锆等各种材质泡沫陶瓷,烧成也会选择产量大、能耗低、产品质量稳定及绿色环保的辊道窑气烧工艺。

参考文献

[1] 孟萍.直孔陶瓷过滤片和泡沫陶瓷过滤片的区别[J].铸造,2007

(56):880~881.

[2] 顾立德.特种耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,2006:302.

[3] 王霞.铸造用泡沫陶瓷过滤器的生产工艺[J].佛山陶瓷,2008,12:

28~30.

[4] 曹大力,周静一,伊国力,等.铸造用泡沫陶瓷过滤器[J].铸造,

2005(54):293.

[5] 董毅峰,王雪瑶,李志宏,等.泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研

究进展[J].陶瓷,2007(7):50~52.

[6] 徐培勋.烧成蜂窝陶瓷各种窑炉的选型[J].佛山陶瓷,2014(2):

19~21.

[7] 胡国林,周露亮,陈功备.陶瓷工业窑炉[M].武汉:武汉理工大学

出版社,2010:131~150.endprint

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