反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具在電瓷梭式窯上的應(yīng)用

劉要才

湖南湖電電力設(shè)備有限公司 株洲 412205

窯具在陶瓷燒結(jié)中不可缺少，不參與產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)過程，它僅起物理承燒和支撐作用。同時(shí)在產(chǎn)品燒結(jié)過程中，它隨產(chǎn)品溫度升高它也一起吸收熱量而升高溫度，產(chǎn)品燒結(jié)后，它又隨產(chǎn)品冷卻而放出熱量。在這一過程中它消耗的熱量是一種無用能源消耗，因此窯具材料選型及重量直接影響陶瓷產(chǎn)品燒結(jié)能耗。同時(shí)它也在陶瓷燒結(jié)過程中，每使用一次，就經(jīng)歷一次冷熱交替過程，在這個(gè)冷熱交替過程中，窯具必定會(huì)產(chǎn)生開裂損耗，只有冷熱性能好的材料，在這次冷熱交替過程中，窯具開裂損耗會(huì)少些，所以它是一種內(nèi)部生產(chǎn)過程消耗材料，它只會(huì)增加生產(chǎn)成本，提高窯具的使用壽命，是窯具生產(chǎn)過程中一項(xiàng)永恒的、無止境的工作。

這樣糾結(jié)的問題就出現(xiàn)了，要使窯具少耗能只有越輕越好，窯具要承受產(chǎn)品重量，太輕了窯具在使用過程中容易變形，且強(qiáng)度也不會(huì)太高，易產(chǎn)生破損。因此需要選用高低溫機(jī)械強(qiáng)度高、高溫不易變形、冷熱性能優(yōu)良、比熱容低的材料來做窯具。反應(yīng)燒結(jié)碳硅及重結(jié)晶碳化硅具有優(yōu)良的高低溫機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性、抗熱震性好，導(dǎo)熱系數(shù)高，而腐蝕抗氧化等特點(diǎn)非常適合窯具材料選用。

1 電瓷窯具的發(fā)展及材料選用

窯具的發(fā)展是跟隨燃料的使用而有所不同，在陶瓷生產(chǎn)的初期由于使用煤碳、臟煤氣、重油，這樣燃料對產(chǎn)品污染較大，為了保證產(chǎn)品不受污染，窯具一般做成一個(gè)缽子（俗稱：匣缽），因此陶瓷生產(chǎn)初期主要采用黏土窯具、黏土礬土窯具。窯具的重量是產(chǎn)品重量的幾倍，也就是燒1千克的瓷要好幾千克的窯具。當(dāng)時(shí)能耗大致為每千克瓷耗能418×103KJ。

隨著輕柴油、液化石油氣、天然氣能源等干凈能源的使用，窯具的減輕減重就尤為重要。

電瓷燒成比較高，普遍在1300℃左右，同時(shí)高溫階段停留時(shí)間長，一般在1300℃，它的制造工藝是碳化硅以不同的顆粒配合黏土或者二氧化硅的微粉進(jìn)行結(jié)合燒制而成，保溫3至5個(gè)小時(shí)，此溫度下只有碳化硅才能適合做窯具材料。

碳化硅具有高低溫機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性（碳化硅俗稱：金剛砂）、抗熱震性好，導(dǎo)熱系數(shù)高，而且腐蝕抗氧化等特點(diǎn)，是在高溫條件下廣泛使用的窯具材料。

碳化硅根據(jù)燒結(jié)工藝不同分別有：黏土結(jié)合的碳化硅、氧化物結(jié)合的碳化硅、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、重結(jié)晶碳化硅。其他還有氮化硅結(jié)合的碳化硅，但很少用來做窯具。

黏土結(jié)合的碳化硅、氧化物結(jié)合的碳化硅其性質(zhì)是一類的，它的制造工藝是碳化硅以不同的顆粒配合黏土或者二氧化硅的微粉進(jìn)行結(jié)合燒制而成。產(chǎn)品特點(diǎn)是：高低溫機(jī)械強(qiáng)度高，窯具產(chǎn)品厚實(shí)，適合于做大于一定厚度的支柱，600×600以下的棚板不適合做厚度15mm以上大規(guī)格的窯具。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅：它的制造工藝是碳化硅以微小顆粒配合金屬硅等微粉在真空狀態(tài)參下1800℃至2000℃燒制而成。產(chǎn)品特點(diǎn)是：高低溫機(jī)械強(qiáng)度極高，產(chǎn)品厚度不宜超過20mm，適合做平薄板、異型平薄板、空心支柱及空心梁。

重結(jié)晶碳化硅：它的制造工藝是碳化硅以微小顆粒在真空狀態(tài)參下2000℃至2200℃燒結(jié)而成。產(chǎn)品特點(diǎn)是：高低溫機(jī)械強(qiáng)度極高，產(chǎn)品厚度不宜超過20mm，適合做平薄板、異型平薄板、空心支柱及空心梁。

價(jià)格比較：重結(jié)晶碳化硅＞反應(yīng)燒結(jié)碳化硅＞氧化物結(jié)合的碳化硅＞黏土結(jié)合的碳化硅。

高低溫度機(jī)械能達(dá)到的條件下，為了達(dá)到減輕減重的目的，應(yīng)選用重結(jié)晶碳化硅或者反應(yīng)燒結(jié)碳化硅作為窯具的材料。從性價(jià)比及供貨等方面考慮，本次選用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅作為窯具改進(jìn)。

2 框架窯具設(shè)計(jì)方法

2.1 梭式窯和裝載基本概況

梭式窯窯內(nèi)可容納窯車4輛，單個(gè)窯車可裝載尺寸為長1850mm，寬4500mm，高2650mm，窯爐容積為100m3，裝載產(chǎn)品為R12.5ET125。

原有窯具實(shí)物裝載情況見圖1，采用的是氧化物結(jié)合的棚板和支柱相互搭碼而成。裝載時(shí)，一邊搭碼窯具一邊裝電瓷產(chǎn)品；卸產(chǎn)品時(shí)，一邊卸產(chǎn)品一邊拆棚板和支柱。

圖1 原有窯具實(shí)物裝載照片

2.2 設(shè)計(jì)思路

在單個(gè)窯車有效裝載范圍內(nèi)，寬度方向設(shè)置4個(gè)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅立柱，長設(shè)置2排共8個(gè)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅立柱，此8支反應(yīng)燒結(jié)碳化硅立柱埋入窯車內(nèi)。沿長度方向兩個(gè)立柱之間放置反應(yīng)燒結(jié)碳化硅橫梁；裝產(chǎn)品的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅長條板沿窯爐寬度方向放置于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅橫梁上，放置好反應(yīng)燒結(jié)碳化硅長條板后就可以裝載承燒的產(chǎn)品了，這樣窯具相互之間組成了一個(gè)框架。

2.3 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具的設(shè)計(jì)與裝載

2.3.1 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅立柱的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品及窯具的重量全部由支柱支撐，同時(shí)又需要它來調(diào)節(jié)產(chǎn)品的裝載高度。綜合各方面的因素反應(yīng)燒結(jié)碳化硅立柱設(shè)計(jì)成如圖2形狀。內(nèi)部是空心的，高度設(shè)置有多個(gè)調(diào)節(jié)孔，便于高度調(diào)節(jié)。對于此梭式窯設(shè)計(jì)的規(guī)格為：高2130mm，高度壁厚15mm，重量34.8kg。

圖2 立柱

2.3.2 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅橫梁

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅橫梁是常用產(chǎn)品，選用70mm×50mm×1700mm，重量8.24kg。

2.3.3 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅長條板

由于R12.5ET125坯體重量為6.6kg，重量比較重。如果采用薄板，經(jīng)強(qiáng)度核算不可以采用薄板。設(shè)計(jì)成如圖3中空板后，經(jīng)核算高低溫強(qiáng)度都符合要求。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅長條板規(guī)格選用20mm×110mm×1500mm，重量6.1kg。

圖3 長條板

2.4 裝載方法

按設(shè)計(jì)思路反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具實(shí)物裝載情況見圖4。

圖4 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具實(shí)物裝載

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 裝載量比較

表1是同一梭式窯采用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具與原有窯具的裝載量對比數(shù)據(jù)。

表1 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具與原有窯具的裝載量

同一梭式窯反應(yīng)燒結(jié)碳化硅比原來使用的窯具多裝1055件，多裝了17.17%，增加了產(chǎn)品的裝載容量。

3.2 窯具使用重量比較

表2是同一梭式窯采用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具與原有窯具的窯具總重量對比數(shù)據(jù)。

表2 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具與原有窯具的窯具總重量

從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具重量比原有窯具總重量輕了6954.12kg，窯具輕了48.64%。

3.3 天然氣消耗量比較

為了避免偶然現(xiàn)象的發(fā)生，需要跟蹤多窯次天然氣的耗量。表3是跟蹤匯總的結(jié)果。

表3 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具與原有窯具天然氣耗氣量

從每窯天然氣使用量上，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具比原有窯具少耗天然氣423標(biāo)立方米。

3.4 單位能耗分析

根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)計(jì)算可以得知，使用原有窯具每千克耗標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣為6226NM3÷37177.25kg＝0.167NM3/kg。使用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具每千克耗標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣為5803NM3÷43560kg＝0.133NM3/kg。改用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具后天然氣節(jié)約（0.167NM3/kg－0.133NM3/kg）÷0.167NM3/kg＝20.36%。

3.5 勞動(dòng)強(qiáng)度分析

采用原有窯具棚板和支柱裝載時(shí)，需要一邊搭碼窯具一邊裝電瓷產(chǎn)品；卸產(chǎn)品時(shí)，一邊卸產(chǎn)品一邊拆棚板和支柱。而裝卸反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具只需要卸產(chǎn)品和拆條板，其他如立柱及橫梁不需要拆卸和搬運(yùn)。每裝卸一窯產(chǎn)品窯具，搬運(yùn)和拆卸量與原有窯具比減少了（14297.6kg－5307kg）×2＝17981.2kg。

3.6 勞動(dòng)時(shí)間分析

由于搬運(yùn)的減少以及裝卸條件的改善，觀察統(tǒng)計(jì)了裝卸人員的勞動(dòng)時(shí)間，同樣4個(gè)裝載同樣的產(chǎn)品原有窯具需要16小時(shí)，改造后的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具只需要8小時(shí)，勞動(dòng)時(shí)間縮短了50%。

4 結(jié)論

1）同一梭式窯反應(yīng)燒結(jié)碳化硅比原來使用的窯具多裝1055件，多裝了17.17%。

2）同一梭式窯反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具重量比原有窯具總重量輕了6954.12kg，窯具重量輕了48.64%。

3）單位天然氣能耗：反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具比原有窯具天然氣消耗節(jié)約了20.36%。

4）改用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具裝載同樣的產(chǎn)品少搬運(yùn)了17981.2kg，也就是每一窯次減少62.22%的窯具拆卸和搬運(yùn)重量，勞動(dòng)強(qiáng)度得到改善。

5）改用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅框架窯具裝載同樣的產(chǎn)品勞動(dòng)時(shí)間縮短了50%。