高溫梭式倒焰窯的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

曹俊倡 楊顯鋒 欒婷

摘 要：本文介紹了高溫梭式倒焰窯爐的結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)對窯具種類和使用方式及溫控制度進(jìn)行了分析總結(jié)，并結(jié)合石英制品的燒結(jié)對窯爐的燒結(jié)過程進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：梭式倒焰窯;窯具;溫控制度;石英陶瓷

1 前 言

無機(jī)陶瓷材料近些年來發(fā)展較為迅速，在結(jié)構(gòu)材料和功能材料領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。陶瓷產(chǎn)品的燒成是陶瓷材料制備過程中重要的一個環(huán)節(jié)，它是產(chǎn)品性能最終形成的關(guān)鍵工藝單元。陶瓷燒結(jié)設(shè)備主要有以電爐、梭式窯[1]、鐘罩窯等為代表的間歇式燒成設(shè)備和隧道窯、推板窯的連續(xù)式窯爐[2]。梭式倒焰窯是間歇式窯爐的一種，它采用高速噴射式燒嘴和倒焰旋風(fēng)式排煙結(jié)構(gòu)，升降溫控溫精確，熱循環(huán)過程窯爐內(nèi)部溫場均勻，并具有建造周期短、操作簡便、投入相對較少，可采用小批次、易調(diào)節(jié)、周轉(zhuǎn)快等特點(diǎn)，在小批次材料燒結(jié)方面具有其它窯爐不可比擬的優(yōu)勢。

本文對高溫梭式倒焰窯的結(jié)構(gòu)組成，窯具和溫控制度進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，并結(jié)合石英制品的燒成特點(diǎn)對梭式窯的燒結(jié)過程進(jìn)一步進(jìn)行了說明。

2高溫梭式倒焰窯的原理與結(jié)構(gòu)

高溫梭式倒焰是下排煙窯爐的一種，采用程序?qū)ΩG爐溫度等各項參數(shù)進(jìn)行控制以實現(xiàn)燒結(jié)。

2.1高溫梭式倒焰窯的原理

窯爐采用高速噴射脈沖式火嘴，根據(jù)程序設(shè)定溫度、窯壓等參數(shù)控制燃?xì)夂椭硷L(fēng)按照比例燃燒形成脈沖氣流，各層燒嘴通過設(shè)置噴射周期和噴射時間，形成沿窯墻環(huán)向高溫氣流。氣流沿窯墻環(huán)向流動通過對流傳熱方式增加燒結(jié)制品四周受熱均勻性;窯爐底部設(shè)置排煙口，排煙風(fēng)機(jī)通過抽負(fù)壓控制高溫氣體流動，氣流自窯爐窯墻四周經(jīng)窯爐頂部至下部形成倒排煙環(huán)形氣體，窯體內(nèi)部上下空氣產(chǎn)生對流，保證窯體內(nèi)部上下溫場分布的均勻。在1200℃左右的燒結(jié)過程中，傳熱方式以對流傳熱為主，熱輻射傳熱為輔，環(huán)形氣流的形成大大提高了窯體內(nèi)部均勻性[3]。相較于其它側(cè)排煙等其它模式窯爐，梭式倒焰窯爐在熱循環(huán)方面設(shè)計更為合理，控制窯溫均勻方面具有非常大的優(yōu)勢。

2.2窯爐結(jié)構(gòu)組成

高溫梭式倒焰窯主要包括窯體，燃燒系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)，放散系統(tǒng)和調(diào)溫風(fēng)系統(tǒng)等。

窯體自內(nèi)到外一般為耐火棉，耐火磚，保溫板及最外側(cè)的金屬框架結(jié)構(gòu)。耐火棉多為莫來石、氧化鋯等耐火棉，除了具有保溫之外，它能夠很大程度提高窯爐整體的耐溫度沖擊性，最大程度的保護(hù)耐火磚，防止因熱沖擊開裂。耐火磚一般采用輕質(zhì)莫來石耐火磚。在高溫1600℃以上窯爐一般采用空心氧化鋁球耐火磚作為內(nèi)層耐火材料，提高耐火性。

燃燒系統(tǒng)包括燃?xì)庀到y(tǒng)和助燃風(fēng)系統(tǒng)。燃?xì)庀到y(tǒng)包括燃?xì)夤艿?，過濾器，減壓閥，流量計，比例閥，電磁閥等組成。工業(yè)氣路管道壓力一般為0.1MPa左右，通過過濾器除去氣體中鐵銹等雜質(zhì)，并經(jīng)減壓閥減壓至10kPa以下后進(jìn)入窯爐使用。比例閥是燃燒系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，它控制火嘴燃?xì)夂椭硷L(fēng)的比例，是窯爐燃燒升溫和窯爐氧化還原氣氛的關(guān)鍵。

助燃風(fēng)系統(tǒng)由助燃風(fēng)機(jī)，風(fēng)管，電磁閥等構(gòu)成。助燃風(fēng)管與燃?xì)夤艿拦餐B接燒嘴，比例閥控制二者比例，并與反饋管連接，調(diào)整二者開度，控制燃燒。在氧化物的燒結(jié)過程中，助燃風(fēng)比例要偏多一些，以實現(xiàn)燃?xì)獾某浞秩紵?，保證氧化氣氛。

窯爐控制系統(tǒng)控制過程根據(jù)窯溫、窯壓等系統(tǒng)采集參數(shù)，控制窯爐上下層窯爐燒嘴交替脈沖時間、周期及火嘴開度，在窯爐窯墻內(nèi)側(cè)、燒制產(chǎn)品外圍形成旋轉(zhuǎn)氣流;通過抽風(fēng)機(jī)使燃燒氣流自窯爐上端至下端形成倒焰，增加對流傳熱，保證窯溫均勻，提高制品燒結(jié)的一致性。

3窯具的分類及排列方式

窯具是耐火材料的一種，是陶瓷產(chǎn)品燒結(jié)過程中的承載介質(zhì)，根據(jù)燒結(jié)溫度和燒結(jié)材質(zhì)等，窯具主要分為碳化硅類和莫來石類窯具。碳化硅類窯具機(jī)械強(qiáng)度高，抗熱性能優(yōu)異，但是化學(xué)性能穩(wěn)定性略差。莫來石質(zhì)窯具化學(xué)組分比較穩(wěn)定，強(qiáng)度尤其是高溫荷重較大時易蠕變變形[4]。

3.1碳化硅窯具

碳化硅類窯具是目前窯具中應(yīng)用最廣，最普遍的一種窯具。國內(nèi)高檔窯具的大規(guī)模發(fā)展是從上世紀(jì)90年代中旬，從德國FCT引進(jìn)整套生產(chǎn)線和設(shè)備開始[5，6]，其中反應(yīng)燒結(jié)和重結(jié)晶碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟?，F(xiàn)有窯具基本上分為普通氧化結(jié)合碳化硅材質(zhì)、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材質(zhì)[7]、氮化硅結(jié)合碳化硅[8]和重結(jié)晶碳化硅材質(zhì)[9]和α碳化硅結(jié)合碳化硅等類型[10]。

普通氧化物結(jié)合碳化硅應(yīng)用環(huán)境溫度一般在1400℃以下，這主要是普通碳化硅產(chǎn)品中含有加入大量的堿土金屬類和二氧化硅等助燒劑，碳化硅含量在85%左右，在1200-1400℃進(jìn)行燒結(jié)而成，燒結(jié)過程中材料會產(chǎn)生一定液相，抗熱震性能偏差，材質(zhì)之間差異比較大，耐溫比較有限，使用過程中存在不穩(wěn)定、易開裂現(xiàn)象。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RS-SiC）是由α-碳化硅與碳源材料（炭黑、石墨等）混合并在高溫下滲硅反應(yīng)產(chǎn)生部分β-碳化硅，β-碳化硅在2100℃以下非常穩(wěn)定。同時，滲入的游離單質(zhì)硅填充氣孔，形成高密度材質(zhì)[11，12]。因材料含有近10-15%單質(zhì)硅，材料在溫度高于1380℃下會產(chǎn)生游離硅，材質(zhì)耐溫一般不超過1380℃。在高溫使用過程中，游離硅析出與氧氣反應(yīng)在窯具表面形成一層致密的二氧化硅保護(hù)膜，起到隔絕氧氣的作用，在一定程度上可以阻止窯具被氧化，延長窯具使用壽命。

重結(jié)晶碳化硅（R-SiC）材料通過2000℃以上高溫氬氣保護(hù)下使碳化硅顆粒重結(jié)晶形成共價鍵結(jié)合，彎曲強(qiáng)度在100MPa左右，耐高溫性能較好。

氮化硅結(jié)合碳化硅（N-SiC）材質(zhì)最高使用溫度在1650℃至1750℃，采用碳化硅骨料與硅粉在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)而成，碳氮化硅硅含量25%-30%，通過Si3N4和SiC形成共價鍵結(jié)合而成。硬度非常高，抗折強(qiáng)度達(dá)到50MPa左右，可作為燒結(jié)承重棚板。

常壓燒結(jié)碳化硅（S-SiC）是近幾年快速發(fā)展的一種新窯具，通過加入亞微米α-碳化硅顆粒無壓高溫?zé)Y(jié)而成，產(chǎn)品基本沒有氣孔等微觀缺陷，強(qiáng)度和耐溫性非常好。

各種碳化硅窯具體性能見表1。

碳化硅材質(zhì)窯具種類不同，性能不同，價格差異非常大，目前RS-SiC和S-SiC市場價格差距將近10倍，在選擇窯具時應(yīng)該在滿足工況條下盡量選擇性價比高一些的窯具。

3.2莫來石窯具

莫來石窯具主要是指以莫來石為基本材質(zhì)制備，材料化學(xué)組分非常穩(wěn)定，熱性能較好，材料強(qiáng)度偏差，常溫抗折強(qiáng)度在20MPa左右[13]。通過結(jié)合堇青石[14]、剛玉[15]等其它材料在熱性能和耐高溫強(qiáng)度[16]上進(jìn)行一定的改進(jìn)?？梢宰鳛橄惑w材料、承燒棚板或者坩堝式窯具使用，在燒成鋰電池用匣體材料[17]、石英陶瓷燒結(jié)、電瓷產(chǎn)品燒結(jié)等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，高檔的莫來石窯具近些年已經(jīng)作為高檔電子陶瓷元件燒結(jié)承燒板使用。

3.3窯具的搭建方式

現(xiàn)有窯具根據(jù)窯具的碼放方式分為兩種，框架式和塊狀碼放堆疊式。

框架式采用立柱在窯車上固定、與橫梁互相穿插連接，形成較為穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。承燒棚板根據(jù)需要鋪設(shè)在橫梁上，為待燒陶瓷件載體。

框架式窯具立柱采用深埋窯車或者在窯車表面利用套件進(jìn)行固定，橫梁穿插在碳化硅立柱預(yù)留孔中，使用非常簡便。窯具一次性安裝完成后，除了更換損壞部件之外基本上不需要進(jìn)行其它拆裝。此類窯具相較于碼放堆疊式窯具，裝填空間要更大，可以增加窯爐燒結(jié)制品的填充量;省去了拆裝窯具時間，出裝窯效率更高?？蚣苁礁G具因立柱之間跨距較大，所以對窯具立柱和橫梁材質(zhì)多選擇、耐溫較好、強(qiáng)度高的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、重結(jié)晶碳化硅或常壓燒結(jié)碳化硅等碳化硅類作為首選材質(zhì)。在設(shè)計窯具過程中，窯具前期承重受力計算、窯具尺寸和厚度都有較高要求，一般設(shè)計余量都在50%以上。在碼放燒結(jié)制品過程中一定要根據(jù)允許載重、分散進(jìn)行碼放，避免受力載荷集中造成窯具局部受力過大，窯具斷裂折斷。

碼放堆疊式窯具主要有兩種，一種是最簡單的坩堝堆疊式窯具，窯具外型相同、尺寸和大小一致的坩堝式窯具。使用過程中將產(chǎn)品放置在坩堝中，然后將坩堝在窯車上堆疊碼放。另外一種相對復(fù)雜，采用墊腳、棚板進(jìn)行分層碼放。這種碼放方式碼放較為自由，可變性較大，但是裝填過程非常復(fù)雜，層與層之間受墊腳高度穩(wěn)定型的影響高度非常有限，窯具裝填量相對較大，制品裝填量偏少，一般每次裝窯、出窯都要重新碼放，勞動量相對較大。

在窯具碼放過程中，為保證對流傳熱，保證窯內(nèi)溫場的均勻分布，一般要預(yù)留煙道，煙道尺寸要根據(jù)燒嘴的分布，制品的形狀尺寸等進(jìn)行預(yù)留，煙道尺寸一般要大于60mm。

4窯爐的燒結(jié)運(yùn)行

4.1溫控制度

產(chǎn)品燒結(jié)過程中，需要控制的主要參數(shù)有，升降溫曲線制度、窯壓、助燃、排風(fēng)等等。

升降溫曲線，一般根據(jù)產(chǎn)品的成型方式及產(chǎn)品性能要求制定，產(chǎn)品成型過程中會有一定的水份、有機(jī)物含量的差異，所以低溫階段一般要根據(jù)產(chǎn)品生坯含水量、有機(jī)含量的多少進(jìn)行燒結(jié)，制定出干燥和排膠合適的溫度工況制度。在高溫階段不同產(chǎn)品在不同溫度情況下會發(fā)生一定的化學(xué)固液相反應(yīng)，晶體變化等，對材料的性能的獲得有非常重要影響[18]，不同的產(chǎn)品應(yīng)該制定不同的高溫制度。

產(chǎn)品尺寸較厚、生坯含水量較多的制品，在低溫下（小于200℃）應(yīng)該適當(dāng)?shù)难娱L升溫時間，增加保溫時間，減小高溫下坯體內(nèi)部水汽形成較高的蒸汽壓，避免產(chǎn)品開裂。在200℃至800℃是有機(jī)物氧化排出溫度[19]，在低溫階段主要是一些含氫較多的小分子揮發(fā)份的排出;中高溫下是含碳較多的大分子有機(jī)物燃燒排出階段。在實際應(yīng)用過程中，在中低溫階段對排出有機(jī)物的燒結(jié)制度要求較高，整個排膠過程必須保持氧化氣氛，以保證有機(jī)物的氧化排出。在一些多孔材料，譬如陶瓷膜多孔材料，為了在中高溫下使材料獲得較高的強(qiáng)度，一般會加入一定量的燒結(jié)助劑，利用燒結(jié)過程中形成一定量的液相，增加材料致密度。在窯爐燒結(jié)過程中，如果窯爐內(nèi)部溫差過大，部分地區(qū)在沒有完全排膠的情況下就已形成大量液相，材料有機(jī)物被液相包裹而不能夠完全氧化排出，最終造成燒成后產(chǎn)品“黑心”。

高溫階段是使材料獲得相關(guān)性能的關(guān)鍵，溫度高低一般是根據(jù)材料的配方設(shè)計而定。一般而言，粘土助燒類陶瓷材料、石英材料燒成溫度為1200-1400℃左右，在這個溫度下產(chǎn)品既可以獲得足夠使用的性能，窯爐建設(shè)材料、控制系統(tǒng)和窯具也能夠具有較低的控制成本。而某些氧化鋁制品采用二氧化硅類助燒劑或者通過形成晶相結(jié)合，燒結(jié)溫度更高，保溫時間也要相應(yīng)的延長。

在陶瓷材料燒結(jié)的降溫階段，大部分產(chǎn)品都有較為嚴(yán)格的降溫制度，溫度降低過快，材料收縮不均勻，會容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品易產(chǎn)生裂紋等;材料降溫過慢，不僅會產(chǎn)生較多的成本，對易析晶產(chǎn)品容易造成析晶，產(chǎn)品形成一定的尺寸變化較大，形成晶體類裂紋。

4.2石英制品的燒結(jié)

石英制品一般是指熔融石英的燒結(jié)，燒結(jié)屬于固相燒結(jié)，在燒結(jié)過程中通過顆粒之間的固相反應(yīng)，形成顆粒連接。

石英制品燒結(jié)采用低溫緩，900℃以上快升快降的升降溫方法，燒成溫度一般不超過1250℃，主要是為了避免α方石英的析晶。

石英陶瓷制品一般作為耐火材料或者介電材料使用，在燒結(jié)過程中一定要避免析晶，否則強(qiáng)度會明顯降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的品質(zhì)。石英制品的成型過程中會有一定量的有機(jī)物作為料漿分散劑或者坯體成型添加劑，雖然加入量相對較少，但是在燒結(jié)過程中仍舊需要進(jìn)行排碳，否則會影響產(chǎn)品強(qiáng)度和性能，尤其是介電性能。

產(chǎn)品的燒制過程采用800℃前低溫適當(dāng)延長保溫時間，900℃-1250℃高溫?zé)Y(jié)過程中視產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品應(yīng)用要求等進(jìn)行快速燒結(jié)，一般石英制品的總燒制溫度不超過48小時，高溫保溫不超過6小時。

石英制品對高溫?zé)Y(jié)溫度比較敏感，燒成范圍較窄，宜按照燒成溫控范圍下限溫度燒成;窯爐內(nèi)部溫差較大，容易造成產(chǎn)品，尤其是大尺寸產(chǎn)品不同位置收縮不一致，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響整體強(qiáng)度和應(yīng)用效果。所以石英燒結(jié)對窯爐內(nèi)部溫度均一性分布要求較高，一般通過微正壓，低脈沖進(jìn)行燒結(jié)，減少窯內(nèi)溫場局部波動。

5小結(jié)

梭式倒焰窯爐通過程序控制燒成火嘴周期性開閉，形成脈沖氣體并在陶瓷制品四周形成環(huán)向高溫氣流;采用倒焰排煙的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制高溫氣體在制品上下流動。兩種高溫氣體對流傳熱的方式使內(nèi)部溫場均勻，燒成制品受熱較為一致。

窯爐窯具選擇對窯爐溫場分布、使用效率有較大影響，在設(shè)計選型方面既要考慮成本，也要重點(diǎn)考慮應(yīng)用可行性，尤其是耐溫性能。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅窯具既有良好耐溫性能，又有非常高的強(qiáng)度，在1300℃以下燒制環(huán)境中應(yīng)用優(yōu)勢明顯，性價比非常較高。本文結(jié)合石英制品的燒結(jié)對倒焰窯的應(yīng)用進(jìn)一步進(jìn)行了說明。

總的來說，梭式倒焰窯結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制特點(diǎn)使窯爐內(nèi)部溫度分布均勻性、一致性較好，在小批次、高品質(zhì)陶瓷燒制領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢突出。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜洪舟.無機(jī)非金屬材料熱工設(shè)備[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2015.2：363-369

[2] 張銳，王海龍，許洪亮.陶瓷工藝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.7：174-178

[3] 高增麗.煙道與燒嘴的相對位置影響梭式窯內(nèi)溫度場的數(shù)值研究[J].冶金能源，2008，27（4）：27-28

[4] 魯兵，方昌榮，王周福等.窯具材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].耐火材料，2007，41（2）：132-136

[5] 芮家鈞.一種新型氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料[J].中國建材科技，1997，（4）：15

[6] 郝巖，孫洪鳴，李亞杰.高性能碳化硅窯具的特點(diǎn)及在電瓷領(lǐng)域的應(yīng)用[J].遼寧建材，2009.

[7] 寅霄，趙文興.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備及燒結(jié)機(jī)理[J].耐火材料，2000，34（6）：313-315

[8] 王立軍，高積強(qiáng)，王永蘭等.氮化硅結(jié)合碳化硅窯具材料的研制[J].硅酸鹽通報，1994，13（3）：4-7

[9] 馬曉紅.重結(jié)晶碳化硅質(zhì)窯具的開發(fā)與應(yīng)用[J].中國陶瓷工業(yè)，1999，6（2）：28-30

[10] 張勇，彭達(dá)巖，文洪杰.碳化硅質(zhì)窯具材料的研究現(xiàn)狀[J].耐火材料，2002，36（6）：363-365

[11] 黃清偉，高積強(qiáng).反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的高溫氧化行為研究[J].稀有金屬材料與工程，2000，29（1）：32-34

[12] 江東亮，潘振等.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的研究[J].無機(jī)材料學(xué)報，1988（2）：36-44

[13] 田惠英，郭海株.氣孔率及孔結(jié)構(gòu)對堇青石--莫來石棚板性能的影響[R].中國硅酸鹽學(xué)會第六屆耐火材料青年學(xué)術(shù)報告會，山東淄博，1997

[14] 夏霞云，王杰曾，劉錫俊. 堇青石-莫來石棚板化學(xué)組成及顯微結(jié)構(gòu)與高溫強(qiáng)度的關(guān)系[J]. 耐火材料，1999，33（2）：79-81

[15] 鄭建平，楊輝，程本軍.燒成制度和結(jié)合劑對剛玉-莫來石窯具性能的影響[J]. 耐火材料，2005，39（2）：112-115

[16] 壽科迪. 添加物對莫來石-剛玉窯具結(jié)構(gòu)和性能的影響[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)， 2010

[17] 段雪珂，王新福，劉國齊.鋰電池正極材料合成用堇青石—莫來石質(zhì)匣體材料研究進(jìn)展[J].耐火材料，2020，54（2）：172-176

[18] 張慧，夏侯宏光.燃?xì)馑笫礁G溫控制度的確定[J].中國陶瓷，2002，38（4）：21-23

[19]? 鄭路. 氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2006