影響氧化鋁泡沫陶瓷過濾板燒成急冷溫度的因素

王霞

（杭州中亞新材料科技有限公司，富陽　311411）

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影響氧化鋁泡沫陶瓷過濾板燒成急冷溫度的因素

王霞

（杭州中亞新材料科技有限公司，富陽311411）

本文研究了影響輥道窯燒成氧化鋁泡沫陶瓷過濾板急冷溫度的因素，依次對比了擋火板高度、余熱壓力大小、產(chǎn)品規(guī)格大小和急冷風(fēng)機(jī)等因素與急冷溫度的關(guān)系，并分析了各自關(guān)系的原因。試驗(yàn)結(jié)果證明：產(chǎn)品規(guī)格一定，在不明顯增加燒成能耗的情況下，通過降低擋火板高度、提高余熱壓力、關(guān)閉急冷風(fēng)機(jī)等操作來提高急冷溫度，對提高泡沫陶瓷產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度及減少掉渣是有利的。

急冷溫度；泡沫陶瓷；輥道窯；燒結(jié)；強(qiáng)度

1　前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，考慮到成本、質(zhì)量、工藝等因素，國內(nèi)多數(shù)廠家對氧化鋁泡沫陶瓷過濾板（以下簡稱泡沫陶瓷）燒成溫度往往控制在1250℃以下，但所生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也須滿足JC/T895-2001泡沫陶瓷過濾器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：通孔率≥80%、抗折強(qiáng)度≥0.3 MPa、抗壓強(qiáng)度≥0.5 MPa。梭式窯在燒結(jié)泡沫陶瓷過程中由于煙氣排放集中、排放量大、煙氣處理困難、處理效果不理想等原因，許多廠家選擇放棄該燒成方式。隧道窯高度大、寬度小、溫差較大也不適合大規(guī)格氧化鋁泡沫陶瓷的燒結(jié)。而輥道窯具有的寬度大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、溫差小、連續(xù)排煙、煙氣可作為助燃風(fēng)引入高溫區(qū)、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，相比梭式窯和隧道窯，更適合于氧化鋁泡沫陶瓷的燒結(jié)［1］。

急冷風(fēng)機(jī)設(shè)置在輥道窯高溫?zé)蓭Ш竺?，余熱風(fēng)機(jī)前面。主要目的是對陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行高溫快速冷卻降溫，避免產(chǎn)品液相析晶和晶粒長大，從而提高產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度。對輥道窯燒成建筑或日用陶瓷而言，急冷風(fēng)機(jī)通過急冷風(fēng)管引入風(fēng)量多少來控制急冷溫度，急冷溫度高低不同，得到的產(chǎn)品性能也存在差異。有時(shí)急冷溫度控制不好，非但不能提高產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，而且會(huì)導(dǎo)致陶瓷產(chǎn)品開裂［2］。而對于低溫（≤1250℃）燒結(jié)且通孔率高達(dá)80%以上的氧化鋁泡沫陶瓷，其急冷溫度的控制與普通陶瓷制品存在很大不同。首先，氧化鋁泡沫陶瓷強(qiáng)度主要靠配方中磷酸二氫鋁在高溫下的結(jié)合強(qiáng)度，沒有晶體液相析晶，不需要快速降溫；其次泡沫陶瓷本身儲(chǔ)熱性能極差，經(jīng)高溫?zé)蓭Ш笈菽沾僧a(chǎn)品便開始快速降溫；最后，泡沫陶瓷由三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，網(wǎng)筋在快速冷卻下容易爆裂或是損傷，從而影響產(chǎn)品強(qiáng)度，掉渣也明顯。因此，研究如何利用相關(guān)因素來有效提高泡沫陶瓷急冷溫度，對提高泡沫陶瓷制品的機(jī)械強(qiáng)度及減少掉渣有重要意義。

2　影響急冷溫度的因素

通過試驗(yàn)證明，影響泡沫陶瓷急冷溫度主要有窯頂擋火板、余熱壓力、泡沫陶瓷規(guī)格及急冷風(fēng)機(jī)等因素。圖1為本試驗(yàn)輥道窯各溫度帶分布，包括預(yù)熱帶、低溫?zé)蓭?、高溫?zé)蓭?、急冷帶及緩冷帶，通過急冷溫度T1、緩冷帶溫度T2和T3、最終冷卻帶溫度T4，可以很好的表現(xiàn)出泡沫陶瓷冷卻曲線大致趨勢，反應(yīng)泡沫陶瓷冷卻速度。將測試急冷溫度熱電偶的位置設(shè)于急冷風(fēng)管的正中，能較好的反應(yīng)急冷溫度場的變化情況。

圖1　泡沫陶瓷過濾板燒成用輥道窯溫度帶分布

2.1擋火板對急冷溫度的影響

隨著輥道窯窯爐技術(shù)的不斷發(fā)展，輥道窯在預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶通常都設(shè)置有擋火板和擋火墻，用來控制各溫度帶溫度的平衡以及減少窯內(nèi)同水平溫差，其中擋火板可調(diào)，負(fù)責(zé)控制窯內(nèi)上半窯道，擋火墻不可調(diào)，負(fù)責(zé)控制窯內(nèi)下半窯道［3、4］。擋火板通過伸入窯內(nèi)深度來調(diào)節(jié)窯爐溫度場、氣流場及壓力場分布，從而更好的滿足陶瓷制品的燒成。冷卻帶一般設(shè)置一道或二道擋火板，本試驗(yàn)用的氧化鋁泡沫陶瓷燒成輥道窯，在燒成帶高溫區(qū)與冷卻帶急冷區(qū)和冷卻帶急冷區(qū)與緩冷區(qū)交界處各設(shè)置了一道“一字式”擋火板。其中燒成帶高溫區(qū)與冷卻帶急冷區(qū)交界處設(shè)置擋火板的作用主要是避免高溫氣體進(jìn)入冷卻帶影響高溫區(qū)燒成效果，同時(shí)避免增加能耗；冷卻帶急冷區(qū)與緩冷區(qū)交界處設(shè)置擋火板的作用主要是控制泡沫陶瓷制品冷卻制度的穩(wěn)定性。

圖2　擋火板插入深度與急冷溫度關(guān)系

圖2為燒成帶與急冷帶擋火板高度與急冷溫度變化的關(guān)系。從圖中可知，擋火板插入越深，急冷溫度越低：1 cm對應(yīng)570℃、3 cm對應(yīng)559℃、5 cm對應(yīng)548℃，1～5 cm深度處降溫幅度明顯，降溫速度5.5℃/cm；6～9 cm處則較為平緩，降溫速度1.6℃/cm。因?yàn)閾趸鸢宀迦肷?，高溫氣流進(jìn)入急冷帶少，導(dǎo)致急冷溫度相對低。而當(dāng)擋火板插入5 cm后，擋火板起到的高溫氣流阻隔作用趨于穩(wěn)定，使急冷溫度下降不明顯。

2.2余熱壓力對急冷溫度的影響

在國內(nèi)節(jié)能減排大形勢的號(hào)召下，考慮到輥道窯余熱的可回收利用性，試驗(yàn)利用輥道窯余熱進(jìn)行泡沫陶瓷坯體干燥和噴漿后坯體干燥，起到了很好的節(jié)約成本、減少排放的效果［5］。圖3為設(shè)定其它條件不變情況下，余熱壓力和急冷溫度關(guān)系曲線圖。由圖3可知，隨著余熱壓力升高，急冷溫度升高，并且其存在較好的線性關(guān)系：250 Pa、300 Pa、350 Pa、400 Pa、450 Pa，對應(yīng)的急冷溫度分別為564℃、583℃、601℃、615℃、633℃（余熱壓力每升高50 Pa，急冷溫度平均升高約15℃）。因?yàn)橛酂釅毫哟螅邷貐^(qū)熱風(fēng)量吸入到冷卻帶多，導(dǎo)致急冷溫度升高。反之亦然。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，余熱壓力調(diào)節(jié)后，急冷溫度需要延后約1 h后趨于穩(wěn)定。在輥道窯動(dòng)力柜余熱壓力表上的負(fù)號(hào)，只是表示壓力方向，不代表數(shù)值。

圖3　余熱壓力與急冷溫度關(guān)系曲線圖

2.3泡沫陶瓷規(guī)格大小對急冷溫度的影響

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在其它影響因素不變的情況下，其產(chǎn)品規(guī)格大小對急冷溫度高低有較大影響。圖4為擋火板高度相同、余熱大小相同、急冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下不同規(guī)格對應(yīng)急冷溫度繪制的曲線圖。從圖4可知，對20英寸（508 mm×508 mm×50 mm）的泡沫陶瓷走到急冷區(qū)時(shí)，其急冷溫度約為600℃，對17英寸（432 mm×432 mm×50 mm）的泡沫陶瓷走到急冷區(qū)時(shí)，其急冷溫度立即降為約580℃，對12英寸（305 mm×305 mm×50 mm）的泡沫陶瓷走到急冷區(qū)時(shí)，其急冷溫度又降為約565℃。其原因主要是由于泡沫陶瓷高達(dá)80%以上的通孔率所致，因?yàn)槠渫茁矢?，對熱的?chǔ)存性能差，散熱快，經(jīng)過高溫?zé)蓞^(qū)后進(jìn)入冷卻帶，泡沫陶瓷開始迅速散熱，規(guī)格大（體積大）的產(chǎn)品散熱多，相應(yīng)急冷溫度高，規(guī)格?。w積?。┑漠a(chǎn)品散熱少，相應(yīng)急冷溫度低。

2.4急冷風(fēng)機(jī)對急冷溫度的影響

圖4　泡沫陶瓷產(chǎn)品規(guī)格與急冷溫度關(guān)系曲線圖

表1　自然冷卻與風(fēng)機(jī)冷卻速度對比

在輥道窯燒成建筑或日用陶瓷制品的工藝中，我們經(jīng)常利用急冷風(fēng)機(jī)引入冷風(fēng)對陶瓷制品進(jìn)行快速降溫，以便獲得好的產(chǎn)品晶相組成以及合適的出窯溫度。而對于無高溫液相燒結(jié)且通孔率高的泡沫陶瓷制品，不需要急冷風(fēng)機(jī)便可達(dá)到理想的晶相組成及出窯溫度。使用急冷風(fēng)機(jī)，反而對產(chǎn)品強(qiáng)度、掉渣有一定影響。

圖5　泡沫陶瓷自然冷卻曲線圖

圖6　泡沫陶瓷急冷風(fēng)機(jī)開啟后冷卻曲線圖

圖5和圖6分別為自然冷卻和急冷風(fēng)機(jī)開啟下的泡沫陶瓷產(chǎn)品冷卻曲線圖，試驗(yàn)燒成溫度T0=1180℃，圖中四個(gè)點(diǎn)分別為圖1上所標(biāo)的T1、T2、T3和T4。表1為圖5和圖6數(shù)據(jù)計(jì)算所得冷卻速度對比表。由表1可知，采用風(fēng)機(jī)冷卻方式，前急冷段的冷卻速度比自然冷卻方式快，而在后急冷段、緩冷段與最終冷卻段，冷卻速度與自然冷卻接近。分析其原因：由于急冷風(fēng)機(jī)帶入一定量冷風(fēng)，溫度T1降低較快，故其前急冷段冷卻速度較快；后急冷段、緩冷段和最終冷卻段由于沒有急冷風(fēng)的影響，雖然各溫度起始點(diǎn)不同，但冷卻速度接近。同時(shí)，由于泡沫陶瓷自身儲(chǔ)熱性能差散熱快，自然冷卻周期大約4 h。由于T3、T4溫度接近，且已較接近室溫，我們可以將圖1所示最終冷卻帶省去，可縮短燒成周期提高產(chǎn)量、減少單位能耗。試驗(yàn)證明急冷溫度高，急冷段冷卻速度慢，產(chǎn)品的強(qiáng)度提高、掉渣減少。

3　結(jié)論

影響泡沫陶瓷急冷溫度主要有窯頂擋火板高低、余熱風(fēng)壓力大小、泡沫陶瓷規(guī)格大小及急冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小等因素。但泡沫陶瓷產(chǎn)品規(guī)格一般由生產(chǎn)訂單決定，不能作為控制急冷溫度的可調(diào)因素，而應(yīng)作為擋火板、余熱壓力、急冷風(fēng)機(jī)等因素不變時(shí)，急冷溫度會(huì)出現(xiàn)變化的考慮。另外，高溫區(qū)熱氣進(jìn)入急冷段是急冷溫度升高的主要原因，這樣高溫區(qū)燃燒的能耗會(huì)相應(yīng)加大。為此，泡沫陶瓷產(chǎn)品規(guī)格一定，高溫區(qū)能耗增加不明顯的情況下，通過降低擋火板插入窯內(nèi)高度、加大余熱壓力、關(guān)閉急冷風(fēng)機(jī)，可獲得較高的急冷溫度和較平緩的冷卻曲線，對提高泡沫陶瓷產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度以及減少產(chǎn)品掉渣有重要的作用。

［1］王霞.輥道窯燒結(jié)氧化鋁泡沫陶瓷過濾板熱工工藝的研究［J］.佛山陶瓷，2013，09：15～18.

［2］潘雄.關(guān)于如何控制空窯時(shí)的急冷溫度［J］.佛山陶瓷，2007，17（11）.

［3］謝曉輝.淺談?chuàng)趸鸢逶谳伒栏G中設(shè)置的作用［J］.科技向?qū)В?011，03.

［4］張明，李汝湘.擋火板在輥道窯中設(shè)置的作用研究［J］.中國陶瓷工業(yè)，2001.

［5］范新暉.陶瓷輥道窯余熱綜合利用技術(shù)［J］.陶瓷，2014（09）：28～30.