陶瓷巖板高溫?zé)裳b備的研究及應(yīng)用

熊 亮，荊海山，程希如，陶志堅

(佛山市德力泰科技有限公司，廣東 佛山 528137)

0 引 言

陶瓷巖板經(jīng)高溫(≥1200 ℃)燒結(jié)而成，因其具有優(yōu)異的冷加工性能(如切割、開槽、鉆孔等)，吸水率低(≤0.1 %，大多為“雙零”吸水率)、莫氏硬度大(≥6 級)、強(qiáng)度高(破壞強(qiáng)度≥800 N)、韌性好(斷裂模數(shù)≥45 MPa)、耐污染等特點(diǎn)，除了用于內(nèi)、外墻，地面裝飾外，現(xiàn)已拓展到泛家居領(lǐng)域，如飯桌、茶幾面板、廚房臺板、衛(wèi)生間臺板、櫥柜立面板、門板、電冰箱面板等。因此，成為國內(nèi)瓷磚行業(yè)的一款“火爆”產(chǎn)品，制訂《陶瓷巖板》標(biāo)準(zhǔn)的工作也在緊鑼密鼓進(jìn)行，為受到房地產(chǎn)市場下滑、環(huán)保壓力、國際經(jīng)濟(jì)萎靡等因素影響下的瓷磚產(chǎn)業(yè)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、燒成和輸送裝備為主的出口型國家高新技術(shù)企業(yè)，主要致力于建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、發(fā)泡陶瓷、特種陶瓷和鋰電池材料等領(lǐng)域整線工程、裝備、工藝的技術(shù)研究、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)。近年來，德力泰針對陶瓷巖板開發(fā)出一種高溫?zé)裳b備——寬體輥道窯，通過在陶瓷企業(yè)應(yīng)用、驗(yàn)證，效果好于預(yù)期，得到了用戶高度認(rèn)可。本文將重點(diǎn)介紹德力泰陶瓷巖板窯爐相關(guān)結(jié)構(gòu)技術(shù)，在與同行交流的同時也希望以此為契機(jī)，促進(jìn)陶瓷、陶機(jī)行業(yè)共同進(jìn)步、健康發(fā)展。

圖1 為德力泰陶瓷巖板寬體窯。

1 陶瓷巖板燒成要求

陶瓷巖板的面積一般超過了2.88 m2(如1200 mm×2400 mm 或以上)，根據(jù)使用要求和功能特點(diǎn)，厚度薄的可達(dá)3 mm，厚的在10 mm 以上。由于規(guī)格尺寸大、厚度范圍寬，對燒成、冷卻提出了較高的要求。

圖1 陶瓷巖板寬體窯Fig.1 Wide kiln designed for ceramic rock board

1.1 冷卻控制要得當(dāng)

在冷卻過程中，如果溫差大或冷卻速度控制不當(dāng)，無法消除產(chǎn)品中游離石英晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力?；虺龈G后的磚坯存在傷痕、微裂紋、晶化不完全等隱形缺陷，將會在后期出現(xiàn)問題，如自然裂、后期變形、加工時切割裂等缺陷。

1.2 溫差小

由于磚坯面積大，無論是燒成還是冷卻過程，都要求窯內(nèi)的截面溫差小，否則會出現(xiàn)開裂、色差、變形等缺陷。

1.3 走磚好

陶瓷巖板燒成溫度高、吸水率低，磚坯在高溫下處于軟化狀態(tài)，如果前后磚坯在運(yùn)行中因走磚不好而“緊靠”一起，會出現(xiàn)擠壓變形；如果走磚歪斜，則會因磚坯不同部位下接觸的輥棒數(shù)量不一致引起受力不均，出現(xiàn)“角下彎”“上翹”“波浪形”等缺陷。

1.4 節(jié)能

節(jié)能是工業(yè)生產(chǎn)中需要關(guān)注的永恒主題。而在陶瓷巖板燒成中，幾乎都采用清潔能源——天然氣，由于單價高，節(jié)能顯得更加重要了。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 如何控制磚坯冷卻

冷卻是控制陶瓷巖板品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

針對急冷、緩冷、尾冷各區(qū)降溫，采取了熱風(fēng)冷卻的方式。具體而言，通過緩冷區(qū)將窯尾的熱風(fēng)抽到緩冷區(qū)，經(jīng)過換熱管的熱傳遞升溫后進(jìn)入急冷區(qū)。與直接使用車間內(nèi)的冷風(fēng)相比，整個過程的冷卻風(fēng)溫與窯內(nèi)產(chǎn)品的溫度差值小，降溫梯度更加平緩，利于晶型均勻轉(zhuǎn)換。冷卻分區(qū)及降溫工藝過程見圖2。

圖2 冷卻分區(qū)及降溫工藝過程(含余熱回收)Fig.2 Cooling sub-district and technological process (after-heat absorbing included)

為了控制各區(qū)溫度，除了急冷區(qū)自動控溫外，緩冷區(qū)的管路也分組控制，使每個窯爐模數(shù)段能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)、溫度曲線可控。

為了防止“空窯”期間冷卻過快，分別在急冷、緩冷區(qū)底部設(shè)置有燒嘴。當(dāng)降溫幅度超過了磚坯不能承受的溫度時，燒嘴自動點(diǎn)火升溫，以滿足溫度曲線要求。

2.2 如何減小截面溫差

在燒成區(qū)，通過更換燃燒室出口、調(diào)節(jié)火焰射程及改變燒嘴、燃燒室和窯墻之間的結(jié)構(gòu)來將截面溫差縮小到3 ℃以內(nèi)，如圖3 所示。

圖3 窯內(nèi)截面溫差示意圖Fig.3 Sketch-map of section temperature difference in kiln

在急冷區(qū)、尾冷區(qū)直接鼓風(fēng)冷卻的區(qū)域，采用穿過窯爐截面的鉆孔細(xì)管、兩側(cè)同時供風(fēng)的方式保證細(xì)孔出風(fēng)量、風(fēng)壓均勻，如圖4 所示。

圖4 急冷區(qū)兩側(cè)同時供風(fēng)冷卻示意圖Fig.4 Sketch-map of cooling from both sides

在緩冷區(qū)內(nèi)部的產(chǎn)品上方，延窯長方向采取分段縱向布管的方式。窯爐內(nèi)寬加大時，可以通過增加支管數(shù)量來保證截面溫差。熱交換支管入口管、出口管分別分多組、分窯段獨(dú)立、自動控制溫度；能夠根據(jù)不同產(chǎn)品的冷卻工藝要求靈活、自動控制不同區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量和交換后的熱風(fēng)溫度，減少由于冷卻制度不合理造成的冷裂、變形等缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。有時，還會回收冷卻區(qū)熱風(fēng)后從產(chǎn)品下方供入，使產(chǎn)品、直接供風(fēng)之間的溫降幅度小，既能加快冷卻，形成循環(huán)、攪拌的效果，也可進(jìn)一步減小截面溫差，參見圖5。

圖5 緩冷區(qū)間接冷卻管Fig.5 Cooling pipes linked to gradual cooling district

2.3 如何保證走磚平直

采取高強(qiáng)度陶瓷輥棒、高精度傳動齒輪輸送磚坯，在急冷區(qū)采用傳熱快的復(fù)合碳化硅材質(zhì)防止輥棒彎曲，以保證走磚平直。除此之外，還采取橫向進(jìn)磚的方式(磚坯長邊的尺寸大于短邊)，以減少磚坯下的輥棒接觸數(shù)量，降低傳動的干擾，使“磚形”易于控制，參見圖6—圖8。

圖6 縱向進(jìn)磚示意Fig.6 Sketch-map of vertical transmission of brick

圖7 橫向進(jìn)磚示意Fig.7 Sketch-map of horizontal transmission of brick

2.4 降低產(chǎn)品能耗

燒成工序是陶瓷生產(chǎn)的必經(jīng)流程，輥道窯是制造建筑陶瓷的核心裝備。該項目技術(shù)裝備圍繞流體力學(xué)、傳熱學(xué)和燃燒技術(shù)等原理，通過開發(fā)接力回收窯爐冷卻余熱系統(tǒng)、煙氣換熱裝置，實(shí)現(xiàn)余熱高效回收和循環(huán)利用，提高熱利用效率；優(yōu)化寬體輥道窯的耐火保溫結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高保溫效果，顯著降低窯體散熱；通過風(fēng)/氣精準(zhǔn)比例控制技術(shù)、節(jié)能型蓄熱式燃燒組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性地增強(qiáng)了燒成溫度場穩(wěn)定性，提高了燒成質(zhì)量。通過余熱循環(huán)利用、窯爐高效保溫、高效燒成實(shí)現(xiàn)降耗，使陶瓷生產(chǎn)更加節(jié)能、環(huán)保和綠色化。

3 陶瓷巖板高溫?zé)裳b備實(shí)例

國內(nèi)典型的高端品牌用戶：廣東***有限公司，投產(chǎn)日期：2020 年。

圖8 縱向、橫向進(jìn)磚時輥棒支撐示意Fig.8 Sketch-map of rolling bar motion in both vertical and horizontal transmission of brick

3.1 主要參數(shù)

窯爐長度為275.1 m，內(nèi)寬為3.1 m，配套了公司多層自循環(huán)干燥器。整個過程運(yùn)行順暢、合格率高、綜合燃耗低。

(1) 窯爐設(shè)計參數(shù)

參見表1。

(2) 實(shí)際使用參數(shù)

該項目的日產(chǎn)量實(shí)際上超過了9000 m2(燒后單位重量為14.53 kg/m2)，產(chǎn)品耗氣量為1.25 Nm3天然氣/m2磚，燒成單位熱耗為714 kcal/kg瓷(或102.01 kgce/t瓷)。

與現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，節(jié)省燃料的幅度超過了15 %，參數(shù)見表2。

3.2 重要創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 節(jié)能技術(shù)結(jié)構(gòu)

(1) 研究出節(jié)能型蓄熱式燃燒組合結(jié)構(gòu)，解決了窯內(nèi)空氣過剩系數(shù)大、能耗高的問題

受急冷區(qū)的熱風(fēng)流到燒成區(qū)、輥孔四周、觀火孔漏風(fēng)、燒嘴燃燒后存在過量空氣等因素的影響，窯內(nèi)煙氣中的氧含量一般在8 %以上，導(dǎo)致空氣過剩系數(shù)大，不僅浪費(fèi)了較多的燃料(多余的空氣也將被加熱到窯內(nèi)溫度)，而且廢氣量多也增加了排煙風(fēng)機(jī)功率。公司技術(shù)人員通過改變燒嘴、燒嘴磚與窯墻配合方式及空氣、燃?xì)饣旌辖Y(jié)構(gòu)，第1 次燃燒給予少量空氣，讓燃燒產(chǎn)物中存在一定的過剩燃?xì)?。然后，對窯內(nèi)蓄有大量熱能的煙氣中的氧含量回收后，再與燃燒室噴出的火焰進(jìn)行燃燒加溫，將窯內(nèi)高溫區(qū)的氧氣含量持續(xù)控制在3 %—5 %以下，從而達(dá)到節(jié)能3 %的目的。該燒嘴具有燃燒速度快、射程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，不僅可以縮小窯內(nèi)截面溫差，減少磚坯色差、變形等缺陷，還能夠提高燒成合格率，見圖9、圖10。

表1 項目窯爐設(shè)計參數(shù)Tab.1 Kiln design parameters

表2 項目窯爐實(shí)際使用參數(shù)Tab.2 Parameters in kiln application

而國內(nèi)窯爐公司沒有這樣的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，高溫區(qū)窯內(nèi)的氧含量超過了8 %，有的在12 %以上。空氣過剩系數(shù)大、單位能耗高。

圖9 蓄熱式燃燒組合結(jié)構(gòu)Fig.9 Conjoining structure of heat accumulating firing

圖10 窯內(nèi)氧含量測試Fig.10 Oxygen content testing in kiln

(2) 研發(fā)出高效接力回收冷卻的余熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冷卻熱風(fēng)“零排放”，節(jié)能且無熱污染

將窯爐末端熱風(fēng)送到緩冷區(qū)、急冷區(qū)經(jīng)過多級接力加熱后，回收的熱風(fēng)再分別用于助燃、坯體干燥，節(jié)能明顯，并實(shí)現(xiàn)了零排放，如圖11 所示。

而不少新建窯爐只能利用少量余熱，并將尾冷區(qū)80 ℃—100 ℃左右的大量熱風(fēng)直接排入大氣，造成浪費(fèi)和熱污染。有些企業(yè)盡管全部回收了余熱，但無法保證燃燒、燒成穩(wěn)定性，應(yīng)用結(jié)果不好。

圖11 窯爐冷卻余熱回收系統(tǒng)Fig.11 Kiln after-heat recycling system in cooling process

(3) 研究出分區(qū)精準(zhǔn)控制的燃燒技術(shù)和結(jié)構(gòu)，解決了燒嘴風(fēng)、氣配比混亂的問題，使不同溫區(qū)的每組燒嘴燃燒狀態(tài)基本一致，氣氛、溫度更均勻，也更省燃料。

本項目研究出不同功率的燒嘴，根據(jù)溫度曲線進(jìn)行分區(qū)安裝，同時在每支燒嘴風(fēng)、氣入口增加節(jié)流裝置。即使因管路、閥門、拐彎等情況導(dǎo)致風(fēng)、氣量波動，在節(jié)流裝置的作用下，仍然能夠保證同一區(qū)進(jìn)入每支燒嘴的風(fēng)、氣量基本一致，從而保持燃燒穩(wěn)定。此外，按照溫度高低對每區(qū)燃?xì)怆妱娱y位的范圍進(jìn)行限制(有些區(qū)不能開到100 %，也不關(guān)到最小點(diǎn)火位)，即使窯內(nèi)溫度出現(xiàn)大幅波動，燃?xì)饬恳膊粫眲≡鰷p。通過“面對點(diǎn)、點(diǎn)對點(diǎn)”的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了每支燒嘴都能節(jié)省燃料，同比可以節(jié)約2 %，如圖12 所示。

國內(nèi)窯爐公司的每支燒嘴功率、結(jié)構(gòu)基本一致，一般由電動閥控制燃?xì)?，而助燃風(fēng)壓是相對固定的。即不管窯內(nèi)溫度、燃?xì)忾y位如何，每支燒嘴的風(fēng)量變化不大。使用過程中，燃?xì)饬看蟮模嬖谌紵煌耆那闆r；開得小的，則會出現(xiàn)空氣過剩。由于窯內(nèi)溫度處于動態(tài)之中，燃?xì)饬繉?shí)時變化。如果通過人力對每支燒嘴進(jìn)行調(diào)整，耗力費(fèi)時且難以做到。這種燃燒系統(tǒng)的設(shè)計、配置處于“粗放”狀態(tài)，風(fēng)、氣比例和溫度、氣氛波動大，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定且燃耗偏高。

圖12 分區(qū)精準(zhǔn)控制燃燒結(jié)構(gòu)Fig.12 Firing structure in district under control

(4) 開發(fā)出適應(yīng)巖板輥道窯的熱管式換熱器，將煙氣的熱量回收利用，減少了熱污染、降低了生產(chǎn)過程燃耗，參見圖13。

圖13 窯爐煙氣回收熱管式換熱器裝置Fig.13 Heat-exchange facility for smoke and gas recycling with pipes

(5) 集成創(chuàng)新了耐火保溫結(jié)構(gòu)，解決了窯體外表溫度過高的問題

耐材的導(dǎo)熱系數(shù)決定了窯爐保溫性能。常規(guī)窯爐墻體盡管使用了磚、棉板、棉毯等輕質(zhì)材料，但外表溫度仍然較高，散熱大。以保溫性能較好的棉板為例，在500 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了0.135(W/m.K，下同)，磚、毯的導(dǎo)熱系數(shù)更高。而本項目根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)、溫度的不同，配置了優(yōu)異的保溫材料，如頂部密封料在350 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.045，側(cè)墻保溫板在900 ℃時僅為0.020，底部的微孔磚在400 ℃時僅為0.085，無死角的降低了整個窯體外表溫度，散熱損失大幅減少。以側(cè)壁為例，窯內(nèi) 1200 ℃—1220 ℃、環(huán)境溫度34.8 ℃時，公司窯爐側(cè)墻外壁溫度僅為51.4 ℃，而在同樣燒成溫度的情況下，其他窯爐公司外壁在70 ℃左右，參見圖14。

圖14 環(huán)境溫度34.8 ℃，側(cè)壁溫度51.4 ℃Fig.14 Outside temperature 34.8 ℃，temperature of kiln side 51.4 ℃

3.2.2 開發(fā)出冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)，消除了坯體應(yīng)力、解決了冷裂問題

開發(fā)出分段、熱風(fēng)冷卻、補(bǔ)償溫度的技術(shù)結(jié)構(gòu)，使冷卻溫度曲線得到了有效控制，防止應(yīng)力的產(chǎn)生；兩側(cè)同時供風(fēng)的冷卻支管、縱向換熱管的設(shè)置，解決了截面和產(chǎn)品面的溫差問題，見圖15。

圖15 冷卻結(jié)構(gòu)(部分)Fig.15 Cooling structure

3.2.3 采用橫向進(jìn)磚、高強(qiáng)輥棒等技術(shù)，解決了走磚問題，提高了燒成合格率，見圖16—圖18。

圖16 精加工傳動齒輪Fig.16 Transmission gear in refined process

圖17 急冷復(fù)合碳化硅輥Fig.17 Fast cooling composite silicon carbide roller

圖18 橫向進(jìn)磚Fig.18 Horizontal transmission of bricks

4 結(jié) 語

該項目產(chǎn)品已獲得多項專利，盡管主要為燒成巖板而開發(fā)，但其結(jié)構(gòu)技術(shù)仍然可以用于拋光地磚、內(nèi)墻磚、透水磚、西瓦等各類燒成工序，具有綜合能耗低、保溫好、合格率高、外形美觀等特點(diǎn)，能夠降低陶瓷生產(chǎn)成本，減少廢氣排放，節(jié)約環(huán)保治理費(fèi)用。

隨著陶瓷巖板性能的不斷提高、其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大，相信該項目燒成裝備必將獲得進(jìn)一步推廣，促進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)向更加節(jié)能環(huán)保的方向深入發(fā)展。