陶瓷岩板高温烧成装备的研究及应用

2021-03-08荆海山程希如陶志坚

中国陶瓷工业 2021年1期

熊亮，荆海山，程希如，陶志坚

(佛山市德力泰科技有限公司，广东佛山 528137)

0 引言

陶瓷岩板经高温(≥1200 ℃)烧结而成，因其具有优异的冷加工性能(如切割、开槽、钻孔等)，吸水率低(≤0.1 %，大多为“双零”吸水率)、莫氏硬度大(≥6 级)、强度高(破坏强度≥800 N)、韧性好(断裂模数≥45 MPa)、耐污染等特点，除了用于内、外墙，地面装饰外，现已拓展到泛家居领域，如饭桌、茶几面板、厨房台板、卫生间台板、橱柜立面板、门板、电冰箱面板等。因此，成为国内瓷砖行业的一款“火爆”产品，制订《陶瓷岩板》标准的工作也在紧锣密鼓进行，为受到房地产市场下滑、环保压力、国际经济萎靡等因素影响下的瓷砖产业注入了新的活力。

佛山市德力泰科技有限公司是一家以陶瓷干燥、烧成和输送装备为主的出口型国家高新技术企业，主要致力于建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷、发泡陶瓷、特种陶瓷和锂电池材料等领域整线工程、装备、工艺的技术研究、设计、生产、销售及服务。近年来，德力泰针对陶瓷岩板开发出一种高温烧成装备——宽体辊道窑，通过在陶瓷企业应用、验证，效果好于预期，得到了用户高度认可。本文将重点介绍德力泰陶瓷岩板窑炉相关结构技术，在与同行交流的同时也希望以此为契机，促进陶瓷、陶机行业共同进步、健康发展。

图1 为德力泰陶瓷岩板宽体窑。

1 陶瓷岩板烧成要求

陶瓷岩板的面积一般超过了2.88 m2(如1200 mm×2400 mm 或以上)，根据使用要求和功能特点，厚度薄的可达3 mm，厚的在10 mm 以上。由于规格尺寸大、厚度范围宽，对烧成、冷却提出了较高的要求。

图1 陶瓷岩板宽体窑Fig.1 Wide kiln designed for ceramic rock board

1.1 冷却控制要得当

在冷却过程中，如果温差大或冷却速度控制不当，无法消除产品中游离石英晶型转变产生的应力。或出窑后的砖坯存在伤痕、微裂纹、晶化不完全等隐形缺陷，将会在后期出现问题，如自然裂、后期变形、加工时切割裂等缺陷。

1.2 温差小

由于砖坯面积大，无论是烧成还是冷却过程，都要求窑内的截面温差小，否则会出现开裂、色差、变形等缺陷。

1.3 走砖好

陶瓷岩板烧成温度高、吸水率低，砖坯在高温下处于软化状态，如果前后砖坯在运行中因走砖不好而“紧靠”一起，会出现挤压变形；如果走砖歪斜，则会因砖坯不同部位下接触的辊棒数量不一致引起受力不均，出现“角下弯”“上翘”“波浪形”等缺陷。

1.4 节能

节能是工业生产中需要关注的永恒主题。而在陶瓷岩板烧成中，几乎都采用清洁能源——天然气，由于单价高，节能显得更加重要了。

2 关键技术及解决方案

2.1 如何控制砖坯冷却

冷却是控制陶瓷岩板品质的关键环节之一。

针对急冷、缓冷、尾冷各区降温，采取了热风冷却的方式。具体而言，通过缓冷区将窑尾的热风抽到缓冷区，经过换热管的热传递升温后进入急冷区。与直接使用车间内的冷风相比，整个过程的冷却风温与窑内产品的温度差值小，降温梯度更加平缓，利于晶型均匀转换。冷却分区及降温工艺过程见图2。

图2 冷却分区及降温工艺过程(含余热回收)Fig.2 Cooling sub-district and technological process (after-heat absorbing included)

为了控制各区温度，除了急冷区自动控温外，缓冷区的管路也分组控制，使每个窑炉模数段能够独立调节、温度曲线可控。

为了防止“空窑”期间冷却过快，分别在急冷、缓冷区底部设置有烧嘴。当降温幅度超过了砖坯不能承受的温度时，烧嘴自动点火升温，以满足温度曲线要求。

2.2 如何减小截面温差

在烧成区，通过更换燃烧室出口、调节火焰射程及改变烧嘴、燃烧室和窑墙之间的结构来将截面温差缩小到3 ℃以内，如图3 所示。

图3 窑内截面温差示意图Fig.3 Sketch-map of section temperature difference in kiln

在急冷区、尾冷区直接鼓风冷却的区域，采用穿过窑炉截面的钻孔细管、两侧同时供风的方式保证细孔出风量、风压均匀，如图4 所示。

图4 急冷区两侧同时供风冷却示意图Fig.4 Sketch-map of cooling from both sides

在缓冷区内部的产品上方，延窑长方向采取分段纵向布管的方式。窑炉内宽加大时，可以通过增加支管数量来保证截面温差。热交换支管入口管、出口管分别分多组、分窑段独立、自动控制温度；能够根据不同产品的冷却工艺要求灵活、自动控制不同区域的进风量和交换后的热风温度，减少由于冷却制度不合理造成的冷裂、变形等缺陷，提高产品质量。有时，还会回收冷却区热风后从产品下方供入，使产品、直接供风之间的温降幅度小，既能加快冷却，形成循环、搅拌的效果，也可进一步减小截面温差，参见图5。

图5 缓冷区间接冷却管Fig.5 Cooling pipes linked to gradual cooling district

2.3 如何保证走砖平直

采取高强度陶瓷辊棒、高精度传动齿轮输送砖坯，在急冷区采用传热快的复合碳化硅材质防止辊棒弯曲，以保证走砖平直。除此之外，还采取横向进砖的方式(砖坯长边的尺寸大于短边)，以减少砖坯下的辊棒接触数量，降低传动的干扰，使“砖形”易于控制，参见图6—图8。

图6 纵向进砖示意Fig.6 Sketch-map of vertical transmission of brick

图7 横向进砖示意Fig.7 Sketch-map of horizontal transmission of brick

2.4 降低产品能耗

烧成工序是陶瓷生产的必经流程，辊道窑是制造建筑陶瓷的核心装备。该项目技术装备围绕流体力学、传热学和燃烧技术等原理，通过开发接力回收窑炉冷却余热系统、烟气换热装置，实现余热高效回收和循环利用，提高热利用效率；优化宽体辊道窑的耐火保温结构和技术，提高保温效果，显著降低窑体散热；通过风/气精准比例控制技术、节能型蓄热式燃烧组合结构系统性地增强了烧成温度场稳定性，提高了烧成质量。通过余热循环利用、窑炉高效保温、高效烧成实现降耗，使陶瓷生产更加节能、环保和绿色化。

3 陶瓷岩板高温烧成装备实例

国内典型的高端品牌用户：广东***有限公司，投产日期：2020 年。

图8 纵向、横向进砖时辊棒支撑示意Fig.8 Sketch-map of rolling bar motion in both vertical and horizontal transmission of brick

3.1 主要参数

窑炉长度为275.1 m，内宽为3.1 m，配套了公司多层自循环干燥器。整个过程运行顺畅、合格率高、综合燃耗低。

(1) 窑炉设计参数

参见表1。

(2) 实际使用参数

该项目的日产量实际上超过了9000 m2(烧后单位重量为14.53 kg/m2)，产品耗气量为1.25 Nm3天然气/m2砖，烧成单位热耗为714 kcal/kg瓷(或102.01 kgce/t瓷)。

与现有同类产品相比，节省燃料的幅度超过了15 %，参数见表2。

3.2 重要创新点

3.2.1 节能技术结构

(1) 研究出节能型蓄热式燃烧组合结构，解决了窑内空气过剩系数大、能耗高的问题

受急冷区的热风流到烧成区、辊孔四周、观火孔漏风、烧嘴燃烧后存在过量空气等因素的影响，窑内烟气中的氧含量一般在8 %以上，导致空气过剩系数大，不仅浪费了较多的燃料(多余的空气也将被加热到窑内温度)，而且废气量多也增加了排烟风机功率。公司技术人员通过改变烧嘴、烧嘴砖与窑墙配合方式及空气、燃气混合结构，第1 次燃烧给予少量空气，让燃烧产物中存在一定的过剩燃气。然后，对窑内蓄有大量热能的烟气中的氧含量回收后，再与燃烧室喷出的火焰进行燃烧加温，将窑内高温区的氧气含量持续控制在3 %—5 %以下，从而达到节能3 %的目的。该烧嘴具有燃烧速度快、射程远等特点，不仅可以缩小窑内截面温差，减少砖坯色差、变形等缺陷，还能够提高烧成合格率，见图9、图10。

表1 项目窑炉设计参数Tab.1 Kiln design parameters

表2 项目窑炉实际使用参数Tab.2 Parameters in kiln application

而国内窑炉公司没有这样的结构和技术，高温区窑内的氧含量超过了8 %，有的在12 %以上。空气过剩系数大、单位能耗高。

图9 蓄热式燃烧组合结构Fig.9 Conjoining structure of heat accumulating firing

图10 窑内氧含量测试Fig.10 Oxygen content testing in kiln

(2) 研发出高效接力回收冷却的余热系统，实现了冷却热风“零排放”，节能且无热污染

将窑炉末端热风送到缓冷区、急冷区经过多级接力加热后，回收的热风再分别用于助燃、坯体干燥，节能明显，并实现了零排放，如图11 所示。

而不少新建窑炉只能利用少量余热，并将尾冷区80 ℃—100 ℃左右的大量热风直接排入大气，造成浪费和热污染。有些企业尽管全部回收了余热，但无法保证燃烧、烧成稳定性，应用结果不好。

图11 窑炉冷却余热回收系统Fig.11 Kiln after-heat recycling system in cooling process

(3) 研究出分区精准控制的燃烧技术和结构，解决了烧嘴风、气配比混乱的问题，使不同温区的每组烧嘴燃烧状态基本一致，气氛、温度更均匀，也更省燃料。

本项目研究出不同功率的烧嘴，根据温度曲线进行分区安装，同时在每支烧嘴风、气入口增加节流装置。即使因管路、阀门、拐弯等情况导致风、气量波动，在节流装置的作用下，仍然能够保证同一区进入每支烧嘴的风、气量基本一致，从而保持燃烧稳定。此外，按照温度高低对每区燃气电动阀位的范围进行限制(有些区不能开到100 %，也不关到最小点火位)，即使窑内温度出现大幅波动，燃气量也不会急剧增减。通过“面对点、点对点”的精准控制，实现了每支烧嘴都能节省燃料，同比可以节约2 %，如图12 所示。

国内窑炉公司的每支烧嘴功率、结构基本一致，一般由电动阀控制燃气，而助燃风压是相对固定的。即不管窑内温度、燃气阀位如何，每支烧嘴的风量变化不大。使用过程中，燃气量大的，存在燃烧不完全的情况；开得小的，则会出现空气过剩。由于窑内温度处于动态之中，燃气量实时变化。如果通过人力对每支烧嘴进行调整，耗力费时且难以做到。这种燃烧系统的设计、配置处于“粗放”状态，风、气比例和温度、气氛波动大，导致燃烧不稳定且燃耗偏高。

图12 分区精准控制燃烧结构Fig.12 Firing structure in district under control

(4) 开发出适应岩板辊道窑的热管式换热器，将烟气的热量回收利用，减少了热污染、降低了生产过程燃耗，参见图13。

图13 窑炉烟气回收热管式换热器装置Fig.13 Heat-exchange facility for smoke and gas recycling with pipes

(5) 集成创新了耐火保温结构，解决了窑体外表温度过高的问题

耐材的导热系数决定了窑炉保温性能。常规窑炉墙体尽管使用了砖、棉板、棉毯等轻质材料，但外表温度仍然较高，散热大。以保温性能较好的棉板为例，在500 ℃的导热系数达到了0.135(W/m.K，下同)，砖、毯的导热系数更高。而本项目根据墙体结构、温度的不同，配置了优异的保温材料，如顶部密封料在350 ℃时的导热系数仅为0.045，侧墙保温板在900 ℃时仅为0.020，底部的微孔砖在400 ℃时仅为0.085，无死角的降低了整个窑体外表温度，散热损失大幅减少。以侧壁为例，窑内 1200 ℃—1220 ℃、环境温度34.8 ℃时，公司窑炉侧墙外壁温度仅为51.4 ℃，而在同样烧成温度的情况下，其他窑炉公司外壁在70 ℃左右，参见图14。