大規(guī)格陶瓷超薄板的燒成技術*

曾令可 王 慧 程小蘇 李 萍

(1 華南理工大學材料學院 廣州 510640)(2 中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

前言

近幾年來，陶瓷薄板作為一種新興裝飾建材，已逐漸被人們認識。陶瓷薄板是指磚寬度不小于900 mm，厚度不大于6 mm的陶瓷制品，因其外形是板狀，故被稱為陶瓷薄板。在建筑外墻應用方面，薄板由于其質(zhì)量輕可以減輕建筑物的承重，而且抗?jié)B、抗?jié)裥院茫蜔嵝詮?，并且可以抵御惡劣天氣和環(huán)境所產(chǎn)生的溫度快速變化的影響，永不褪色，可保持完美的外觀，所以可以替代傳統(tǒng)的建筑裝飾材料，長期保持穩(wěn)定的高性能。應用在車站，機場，地鐵等公共場所，且陶瓷薄板的鋪貼縫小，美觀大方，表面的硬度極高，壽命長，使用過程中維護成本低，便于清潔，又能節(jié)省空間，所以是公共場所的很好選擇。關于大規(guī)格陶瓷超薄板已經(jīng)積累了全面的案例，大型市場工程方面，有景德鎮(zhèn)機場外墻、深圳與南京地鐵、佛山與南京的2條隧道；房地產(chǎn)領域，有萬科、保利、合生創(chuàng)展等知名房地產(chǎn)公司；專業(yè)應用市場，較為明顯的是陶瓷薄板醫(yī)院工程案例，現(xiàn)在已超過40余個；超高層建筑，有杭州生物科技大樓、包頭國際金融中心等高度超過130 m、應用面積超過12萬m2。如圖1所示為蒙娜麗莎PP板在佛山海八路金融隧道應用。陶瓷薄板化既能解決資源、能源短缺與環(huán)境污染難題，又可以發(fā)揮建筑陶瓷特性與裝飾優(yōu)勢，符合當前社會對節(jié)能、減排和環(huán)保的要求。薄板的成形主要有2種：一種是干法成形，另一種是擠壓成形。在表面性狀上，有上釉的(亞光釉和亮光釉2種)，無釉拋光的和無釉不拋光的。廣東摩德娜科技股份有限公司自主研發(fā)的“擠出法一次燒大規(guī)格陶瓷薄板”樣品試生產(chǎn)獲得成功。該薄板厚度僅為3～5 mm，規(guī)格尺寸達到了1 200 mm×1 800 mm，通過多次壓延成形，經(jīng)高溫燒成后密度達到2 550 kg/m3，比同樣厚度的干壓陶瓷板密度高，表面耐污性更強；厚度為5 mm時，破壞強度可達到800 N以上，比現(xiàn)有干壓成形薄板強度高[1]。

雖然薄板具有很多的優(yōu)點，但是由于人們受傳統(tǒng)觀念的影響較大，比如厚的磚比薄板強度就會高，故在薄板的推廣過程中也受到不小的阻力。同時在薄板的生產(chǎn)過程中，工藝的控制，比如原料配方、成形方法和燒成工藝的控制還是個難點，其中燒成過程和窯爐結構是關鍵。筆者針對大規(guī)格陶瓷薄板的燒成技術進行探討。

1 窯爐結構要適合大規(guī)格超薄板的燒成

1.1 窄斷面窯結構

由于大規(guī)格超薄板規(guī)格大，寬度1 m左右、長度2～3 m、厚度小于6 mm。故其燒成過程質(zhì)量控制的難度比一般墻地磚大得多。由于磚薄、傳熱快、燒成時間可縮短，磚面積大而薄更容易變形開裂，故對燒成速度和窯內(nèi)溫度的均勻性要求更高，目前窯的內(nèi)寬還是以窄寬為主。如蒙娜麗莎超薄板燒成窯內(nèi)寬為1.6 m。華窯中信窯爐為內(nèi)蒙古伊東集團力弘陶瓷有限公司建造薄板燒成窯內(nèi)寬為1.8 m，由于斷面小，同水平斷面溫差容易解決，故斷面溫差小，燒成質(zhì)量容易保證。圖2為大規(guī)格超薄板燒成后出窯圖，就目前國內(nèi)的輥道窯設計技術、窯爐結構及燒成技術水平，寬一些的窯也能完全適應大規(guī)格超薄板的燒成。

1.2 窯內(nèi)各帶合理分配

在大規(guī)格超薄板的輥道窯設計中，為了適合大規(guī)格超薄板的燒成，窯爐上各帶的比例與傳統(tǒng)輥道窯應有所不同，適當調(diào)整窯爐各帶(預熱帶、燒成帶、冷卻帶)和各結構段(排煙段、過渡段、下燒嘴段、全燒嘴段、急冷段、前緩冷段、后緩冷段、前終冷段、后終冷段)的長度比例。根據(jù)科達機電股份有限公司的專利數(shù)據(jù)，使預熱帶的長度為窯體總長度的28%～32%。預燒帶包括數(shù)個窯段，后部窯段的下部設置有燒嘴，所述燒嘴與預設溫度曲線的燒嘴控制組連接。燒成帶的長度為窯體總長度的13%～17%，燒成帶每個窯段設置8個燒嘴，此燒嘴與調(diào)節(jié)控制燒嘴發(fā)熱量的執(zhí)行器連接。急冷帶為窯體總長度的5%，適當減少緩冷結構段的長度比例，增加尾冷結構段的長度比例，以便降低窯尾出磚溫度，緩冷抽熱風段和尾冷段的長度為窯爐總長度的35%，回收更多可用于干燥的熱風量。

圖2 大規(guī)格超薄板燒成后出窯圖

1.3 燃燒系統(tǒng)及先進預混系統(tǒng)燒嘴的應用

窯爐燃燒系統(tǒng)設備的優(yōu)化必須適應大規(guī)格超薄板，如對窯爐通道尺寸、燒嘴類型、燒嘴功率及燒嘴噴出口徑、風機選型、管徑大小及管路配置方式的優(yōu)化，調(diào)整窯爐各段功能的能力大小，使所設計的窯爐熱工特性更符合不同特性坯體的燒成的需要。

預混系統(tǒng)燒嘴有4大優(yōu)點：①燃燒器可根據(jù)不同燃氣成分改變噴氣板的孔徑，調(diào)整鼓風進氣量，可滿足液化石油氣、天然氣、人工煤氣、水煤氣及發(fā)生爐煤氣等多種燃氣的燃燒；②燃燒器可改善燃燒條件，利于燃氣的完全燃燒，提高火焰溫度，延長火焰在爐膛中的停留時間；③通過二次空氣補償，可使熱氣流的射程可調(diào)，使爐膛溫度均勻；④可有效控制空氣過剩系數(shù)，降低排煙溫度，減少熱量的散失，同時還可減少有害氣體(CO、SO2、NOx)的排放量，具有明顯的節(jié)能環(huán)保效果。如佛山某廠10年前建了一條窯寬3 m的窯爐，不管采用什么手段，均燒不出合格的產(chǎn)品。然而十多年后的今天，還是這條窯爐，采用二次預混燒嘴，完全可以燒制合格產(chǎn)品，不但成品率極高，而且可以節(jié)能10%左右?？梢?，預混式系統(tǒng)燒嘴，也完全可以適用于陶瓷薄板的燒成。

1.4 小輥棒的設置

小輥棒、小間距是對窯爐傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，采用優(yōu)質(zhì)小輥棒作為精準密排的傳動系統(tǒng)。比如針對磚坯規(guī)格大、薄的特點，窯爐輥棒設計采用直徑為30mm，且相應將輥棒之間的間距減小為15 mm，有效解決了大規(guī)格磚坯易變形、開裂的缺點。這也進一步說明寬斷面窯輥棒長、粗，高溫燒成中變形大，輥棒轉動中晃動大，不利于超薄燒成的原因之一。

1.5 窯墻保溫材料的選擇

散熱和蓄熱是窯爐熱損失的主要原因之一，采用性能優(yōu)良的保溫材料，可以提高窯爐的保溫性能及密封性能，提高熱效率，降低能耗。目前用于窯體保溫材料主要有蛭石制品、膨脹珍珠巖制品、硅藻土制品、玻璃纖維、硅酸鈣纖維、礦渣棉、巖棉、硅酸鋁纖維、莫來石纖維等。這些保溫材料一部分是由于工作溫度低(一般在1 000 ℃以下)，如蛭石制品、珍珠巖制品、硅藻土制品、玻璃纖維；還有一部分是由于保溫性能差，散熱損失大，如礦渣棉、巖棉以及傳統(tǒng)的粘土和耐火磚等均不適合薄板的燒成過程。因此開發(fā)特殊超級納米保溫材料，對不同窯體材料進行組配優(yōu)化，可以使窯爐保溫性能大幅度提高。如納米孔超級絕熱材料二氧化硅的使用，其氣孔率高達80%～99.8%，孔洞典型尺寸為1～100 nm，具有極低的導熱系數(shù)。我們利用超輕硬硅鈣石作為基體和納米孔SiO2氣凝膠復合后，常溫常壓下導熱系數(shù)為0.023 W/m·K，保溫效果明顯。生產(chǎn)實踐表明，使用該類保溫材料，不但可以大大減薄窯墻厚度，而且可以大大減少窯壁的散熱，節(jié)能降耗，取得非常好的性價比。但是目前其制備成本較高，機械強度較低，特別是高溫段使用的絕熱材料產(chǎn)品較稀少，也限制其在窯爐上的應用范圍。

1.6 控制系統(tǒng)的優(yōu)化

控制系統(tǒng)的優(yōu)化就是通過窯爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化，比如對窯爐溫度、壓力采集點的優(yōu)化，對檢測、控制儀表的選型優(yōu)化，提高窯爐自動控制性能的靈敏度、可靠性；目前輥道窯控制系統(tǒng)大多數(shù)還是采用單元數(shù)字儀或PLC單點，噴嘴的成組控制，有的還配有管理機，主要用于采集數(shù)據(jù)、模擬顯示及管理用，基于現(xiàn)場總線的嵌入式控制系統(tǒng)較少，所使用的總線形式主要有基于CAN總線，Profibusf和高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線等幾種。系統(tǒng)的上位機僅負責系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理，下位節(jié)點完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制嵌入式系統(tǒng)作為控制的下位機芯，具有運算處理能力強、可靠性高、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)可定制和人機界面友好等特征。下位節(jié)點的微處理器與總線通信控制器配合具有強大的通信能力，但是現(xiàn)有的總線型控制系統(tǒng)中節(jié)點之間仍處于相對信息孤立的狀態(tài)，其網(wǎng)絡通信能力沒有得到充分發(fā)揮。對于大規(guī)格陶瓷薄板來說，由于其本身的特點，其對窯爐內(nèi)溫度和壓力精確要求程度更高，因此，很有必要對輥道窯控制系統(tǒng)進行進一步升級優(yōu)化。除了測溫點的準確測量外，有條件時也可以進行壓力點測試、氣氛點測試和控制等。

2 燒成制度應適合大規(guī)格超薄板的燒成

大規(guī)格薄板采用低溫快燒技術，在素燒時應適當減少冷卻時間及燒嘴的數(shù)量，在釉燒時因其體薄而幅面大，平整度的控制是釉燒的關鍵，出窯平整度的標準需考慮入庫后的二次變形。同時考慮不同配方的薄板的燒成，如利用拋光廢渣制造輕質(zhì)陶瓷薄板，其燒成制度的確定主要依據(jù)坯體的發(fā)泡過程，在1 000 ℃隨著溫度的升高，坯體發(fā)生膨脹，溫度高于1 000 ℃坯體隨著溫度升高而收縮。在1 150～1 200 ℃，坯體又因發(fā)泡而膨脹。圖3是厚度為15 mm，容重為1.4 g/cm3的QQ大規(guī)格陶瓷薄板的燒成曲線。從圖3可以看出，坯體在980 ℃時有一個氧化保溫階段，為的是保證坯體在比較厚的情況下能開始氧化，避免黑心；當溫度超過1 150 ℃坯體開始膨脹，發(fā)泡溫度范圍以及發(fā)泡持續(xù)時間取決于厚度及容重，厚度越大，容重越小 所需的發(fā)泡溫度范圍越寬，發(fā)泡持續(xù)時間越長。圖4是PP板爐的燒成制度。從圖4可以看出，對于燒成大規(guī)格制品，正確的燒成制度和控制好各階段輥棒上限溫度是保證產(chǎn)品不變形的關鍵。

圖3 QQ大規(guī)格陶瓷薄板的燒成曲線

圖4 PP板爐的燒成制度

3 燒成窯和干燥窯的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

大規(guī)格陶瓷薄板的燒成大多數(shù)是與干燥窯配套，而干燥窯的熱源多數(shù)來自于燒成窯爐冷卻帶的抽熱風(如圖5所示)。由于板體薄，干燥速度快，故抽熱風量基本上能滿足干燥窯的需要，故干燥窯不用設熱風爐。有些企業(yè)為了防止干燥窯前端干燥過快，產(chǎn)生氣泡、開裂等缺陷，還從燒成窯的排煙中把熱濕煙氣鼓入干燥窯頭，以抑制過快的干燥速度及煙氣中的余熱利用，故燒成窯與干燥窯必須協(xié)同配合，一定要配置必要的調(diào)節(jié)手段，保持燒成窯和干燥窯生產(chǎn)技術狀態(tài)的相對穩(wěn)定。①燒成窯爐所有引往干燥窯的管路均配有較小的管徑的放散管，用于再生產(chǎn)過程發(fā)生某些波動時將多余的煙氣和熱風直接排除室外，穩(wěn)定窯壓；②對于地處北方的用戶，仍配備一定熱功率的熱風爐，在冬天作為干燥窯補充熱源，避免為了滿足干燥需要而過多抽取燒成窯熱量，影響燒成窯正常運行；③提高燒成窯的溫度，窯壓自控功能，避免溫度、窯壓波動過大導致燒成、干燥相互影響。

圖5 蒙娜麗莎大規(guī)格陶瓷薄板的燒成車間

濕法擠壓成形，坯體含水率高達17%～18%，可進入網(wǎng)帶式干燥器，采用上下加熱、溫濕度自動控制系統(tǒng)，以確保干燥效率和干燥質(zhì)量。閻蛇民等利用實驗室設備研究了微波干燥超薄磚的工藝過程，得出了有益的啟迪。

圖6為燒成后出窯的薄板。圖7為蒙娜麗莎品牌的國際化戰(zhàn)略：從“我為意大利貼牌”到“意大利為我貼牌”。

圖6 燒成后出窯的薄板 圖7 蒙娜麗莎品牌的國際化戰(zhàn)略

4 展望

大規(guī)格陶瓷薄板作為一種新型的裝飾建材，正逐步進入人們的視野。由于其本身的強度高、環(huán)保、低碳的特性，將會越來越受到廣大消費者的認可，陶瓷磚薄型化之路，勢在必行！可以確定，通過對窯爐結構的優(yōu)化及燒成新工藝的改進和推廣，大規(guī)格陶瓷薄板的燒成技術越來越完善，燒成質(zhì)量將會越來越高，陶瓷行業(yè)將會為建筑裝飾行業(yè)提供更多質(zhì)優(yōu)價廉、綠色環(huán)保的建材產(chǎn)品。

1 劉西民,魯雅文,等.淺析陶瓷薄板生產(chǎn)工藝.全國性科技核心期刊——陶瓷.2009(6):13～14

2 閻蛇民,苑克興,等.超薄陶瓷磚微波干燥工藝研究.全國性科技核心期刊——陶瓷，2009(8):11～13

3 李萍,曾令可,程小蘇,等.預混式二次燃燒系統(tǒng)的節(jié)能減排效果.中國陶瓷工業(yè),2010(4):42～45

4 劉一軍.大規(guī)格高強度陶瓷薄板的制備.性能研究及工程應用，2011(8)：15～20