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

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

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