節(jié)能框架式窯具在陶瓷燒成中的應(yīng)用

林佳 郭喜斌

摘 要：現(xiàn)代陶瓷燒成過程中主要采用隧道窯、輥道窯、梭式窯、電窯等，此類窯具性能和質(zhì)量的好壞，會直接影響到其能耗與產(chǎn)品合格率。當前，正值陶瓷行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之際，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)結(jié)合高質(zhì)量建設(shè)與高水準生產(chǎn)目標持續(xù)提高對節(jié)能框架式窯具的研發(fā)設(shè)計及推廣應(yīng)用。本次研究中概述了節(jié)能框架式窯具的結(jié)構(gòu)和特點，剖析了其在陶瓷燒成中的應(yīng)用優(yōu)勢，并對其在日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、其他陶瓷燒成中的具體應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：節(jié)能框架式窯具；陶瓷燒成；應(yīng)用

1 前言

改革開放四十多年來，我國陶瓷行業(yè)獲得了高速發(fā)展，企業(yè)數(shù)量超過了3600家，工業(yè)總產(chǎn)值已達8000多億元。近幾年隨著統(tǒng)一大市場的建成，此類企業(yè)在國際市場－國內(nèi)市場雙循環(huán)和雙流通新發(fā)展格局下，根據(jù)行業(yè)“定價權(quán)”“供應(yīng)鏈”競爭等實際情況，普遍擴大了生產(chǎn)規(guī)模，也增加了能耗。因而，在新時期中國式現(xiàn)代化改革過程中，此類企業(yè)應(yīng)結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展主題持續(xù)加強環(huán)保安全管理，并將工作落實到對節(jié)能窯具的創(chuàng)新及應(yīng)用方面。下面先對節(jié)能框架式窯具的結(jié)構(gòu)做出簡要概述。

2節(jié)能框架式窯具結(jié)構(gòu)概述

傳統(tǒng)窯車以耐火泥做車面，使用橫梁、立柱、棚板等設(shè)置窯具后，進行一層一層壘燒時產(chǎn)品高度不同，缺點集中表現(xiàn)在以下方面：（1）支柱粗大笨重；（2）托板厚重缺乏空腔；（3）窯具多層堆疊；（4）窯車推進不平穩(wěn)，易發(fā)生震動、倒車等風(fēng)險事件及安全事故。

從日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、工藝美術(shù)陶瓷、建筑陶瓷中使用的燒成設(shè)備看，雖然類型較多，但是使用傳統(tǒng)窯具時的重量比大于陶瓷產(chǎn)品，吸熱量大，燒成后高溫窯急冷、緩冷處理中需消耗較多能量，而且對陶瓷燒成時間、質(zhì)量存在影響。與之相比，節(jié)能框架式窯具應(yīng)用了具有節(jié)能降耗、輕質(zhì)化特性的材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過對柱－梁－板規(guī)格、尺寸的調(diào)整與組合應(yīng)用，能滿足不同陶瓷產(chǎn)品燒成中節(jié)能框架式窯具優(yōu)化設(shè)計需求，形成裝配框架結(jié)構(gòu)，進而從整體上有效解決傳統(tǒng)窯具中的缺點。

3節(jié)能框架式窯具在陶瓷燒成中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1節(jié)能降耗優(yōu)勢

目前，節(jié)能框架式窯具設(shè)計過程中，主要按項目立項→窯具調(diào)查→節(jié)能框架式窯具投資決策→窯具材料選擇→裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計→窯具制安→竣工環(huán)保驗收→試運行→測試→能耗分析→綜合評價→正式運行等環(huán)節(jié)實施。其中，每個環(huán)節(jié)都可以通過對優(yōu)化設(shè)計思想的運用，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

具體而言，在項目立項后，生產(chǎn)企業(yè)可以按環(huán)境影響評價方法，對傳統(tǒng)窯具進行全面調(diào)查，對窯具構(gòu)成要素、使用指標分析，確定其中的缺點、能耗成因。然后，采用“具體缺點、具體成因、系統(tǒng)性解決”的編制項目建設(shè)方案，并按陶瓷產(chǎn)品類型設(shè)計適配性較高的裝配式窯具結(jié)構(gòu)。最后，在設(shè)計施工一體化實踐模式下完成對節(jié)能框架式窯具的應(yīng)用。進一步看，材料占到了總投資額的60%左右，此類企業(yè)可以選擇莫來石－堇青石作為棚板，在46～60MPa成型壓力下將莫來石、堇青石及SiSiC等結(jié)合劑進行混合壓制所需棚板。例如，在藝術(shù)陶瓷生產(chǎn)過程中以隧道窯為主，熱效率約在26%左右，其中余熱占到74%，除部分被利用的余熱外，41%的余熱尚可利用，但是受到窯具的影響利用中面臨較大挑戰(zhàn)。此時，可以根據(jù)上述流程應(yīng)用節(jié)能框架式窯具，實現(xiàn)對其余熱的利用，進而降低其能耗。

3.2輕質(zhì)化優(yōu)勢

此類窯具除了在設(shè)計施工一體化實踐中的諸環(huán)節(jié)具有節(jié)能降耗優(yōu)勢外，還具有十分突出的輕質(zhì)化優(yōu)勢。具體而言，窯具的重量主要受材料、結(jié)構(gòu)因素影響，其中棚板重量被稱為“硬傷”，改用其他材料制成的棚板后可降低窯具重量，進而使支柱、托板等重量減小。以常用的

SiSiC反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料為例，性能優(yōu)勢包括：（1）抗熱震；（2）抗氧化；（3）高硬度；（4）高耐磨；（5）耐腐蝕；（6）抗彎強度大等方面。目前，采用等靜壓成型工藝對其進行壓制后，其密度可以超過3.08g/cm3。實驗室測試與實際壓制板材應(yīng)用后的測定結(jié)果表明，在1200℃以下時其抗彎強度可以達到280MPa，氣孔率小于0.1%，在窯具的梁、板、柱中應(yīng)用該材料作為板材，既輕又薄，適用性較好。當前階段生產(chǎn)企業(yè)已在“校企合作”模式下利用各大院校的材料研究成果，擴大了對剛玉－莫來石的利用。

例如，華南理工大學(xué)和佛山羅村某窯具企業(yè)合作過程中，對莫來石－堇青石材棚板的利用已成為行業(yè)經(jīng)典案例。近幾年，莫來石－堇青石棚板的推廣應(yīng)用過程中，發(fā)展局限性有所增加，此類企業(yè)與高校結(jié)合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀在功能陶瓷方面，一方面增強了此類材料與SiSiC的聯(lián)合應(yīng)用，另一方面配套研發(fā)了適配性更高的剛玉－莫來石板，不僅繼承了原有材料耐高溫、抗熱震、化學(xué)性能穩(wěn)定、承載量大優(yōu)勢，還利用大噸位的液壓成形工藝與超高溫?zé)杉夹g(shù)實現(xiàn)了對不同形狀棚板的制作，創(chuàng)新了“預(yù)制+裝配”方案，既可以實現(xiàn)輕質(zhì)化棚板材料的高效生產(chǎn)，又能為其多元化的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。尤其在高溫板式窯爐中用輕質(zhì)化棚板代替了同類進口產(chǎn)品，為自主型窯具生產(chǎn)制作奠定了堅實基礎(chǔ)。

4節(jié)能框架式窯具在陶瓷燒成中的應(yīng)用分析

節(jié)能框架式窯具通過對不同耐火材料進行了融合，可以在材料性能基礎(chǔ)上結(jié)合優(yōu)化設(shè)計理念，將凈尺寸燒結(jié)技術(shù)與精加工能力相結(jié)合，根據(jù)陶瓷產(chǎn)品燒成需求、窯具設(shè)備類型等，選擇形狀結(jié)構(gòu)多變的通用形橫梁、立柱、棚板進行組合，可以滿足不同陶瓷產(chǎn)品形狀、尺寸、燒成溫度、氣氛等要素下的高效燒成，減少對燒結(jié)過程與冷卻過程的能量耗費。下面分別對其在日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷及其他陶瓷中的應(yīng)用做出分析。

4.1以日用陶瓷燒成中的應(yīng)用為例

日用陶瓷厚度小、壁較薄，采用傳統(tǒng)窯具裝載時單位面積重量不大。以碳化硅棚板托燒為例，在同等面積下棚板重量大于壺、杯、碗、盤等產(chǎn)品重量。應(yīng)用節(jié)能框架式窯具能夠應(yīng)用更為合理的支撐方法，在滿足托燒需求基礎(chǔ)上達到節(jié)能目標。具體而言，生產(chǎn)企業(yè)常用12mm厚的燒結(jié)碳化硅棚板，耐火支柱支撐棚板時支點跨度較大，其高溫抗折強度為56MPa。通過調(diào)查與抗折強度和材料厚度平方成正比的基本原理分析，按4倍要求提高其抗折強度后，厚度可以降低0.5倍。此時，可以在優(yōu)化設(shè)計理念下選擇新型棚板聯(lián)合支撐方法設(shè)計適配性較高的節(jié)能框架式裝配結(jié)構(gòu)。

例如，某日用陶瓷生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模較小，投資額度有限?？梢愿鶕?jù)實際的日用陶瓷燒成特點，在設(shè)計施工一體化實踐模式下選擇莫來石－堇青石棚板材料和大規(guī)格SiSiC超薄板作為窯具材料。然后，選擇精加工工藝，將兩種材料混合壓制，預(yù)制生產(chǎn)與企業(yè)需求相一致的形狀結(jié)構(gòu)變型通用柱、梁、板結(jié)構(gòu)，并根據(jù)窯爐設(shè)備進行窯具制安。操作步驟如下：

（1）在窯車上垂直固定壁厚5mm、外寬為30mm*50mm的立柱，并在兩側(cè)錯開布置中心距為25mm的兩排Φ15mm的孔。同時，根據(jù)產(chǎn)品裝載高度選擇支承管并設(shè)置合適的中心高。將支承管橫穿到立柱后，可以進行螺栓緊固。通常而言，此類企業(yè)會選擇壁厚3.5mm、外徑Φ13mm、長度范圍在550mm～770mm的支承管。

（2）在支承管上設(shè)置托板架，具體可根據(jù)窯車實際情況進行托板長度、大小、形狀方面的設(shè)計。一般情況下，長度范圍在450mm～550mm、寬度不小于50mm（以托板大于坯體底部寬度為準取舍）、厚度為5mm。實際應(yīng)用中設(shè)計人員應(yīng)將支承管的中心距離設(shè)置為托板長度的55%～60%以內(nèi)，從而有減少其支點跨度，縮短受力距離，有效改善其支撐效果等（如圖1）。

（3）當反應(yīng)燒結(jié)碳化硅密度確定后，可以按合計窯具=立柱+支承管+托板計算出其中每層窯具的重量。假定其密度為3.05g/cm3，取立柱、支承管、托板最小值計算出其中的合計窯具重量約為2385g，此時每片托板的托燒產(chǎn)品重量為2070g/層，那么窯具重量與產(chǎn)品重量的比值約等于1.15：1，能夠改變其重量比。在節(jié)能方面，常用窯具重量與產(chǎn)品重比約為4.18：1，此時可以計算出節(jié)能窯具重量減輕了3.6倍，而且總體上降低了58.5%的重量。根據(jù)高溫時碳化硅比熱容和陶瓷產(chǎn)品比熱容相近的實際情況，在同等重量下實際上可以將原來的總熱耗60%的被浪費熱量與節(jié)省重量相乘，得到節(jié)省熱耗值35%（60%*58.5%）。進一步，企業(yè)可以根據(jù)燃料對其節(jié)省的天然氣或其他燃料能耗進行計算。

4.2以衛(wèi)生陶瓷燒成中的應(yīng)用為例

以衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)為例，原來生產(chǎn)中以隧道窯為準，產(chǎn)品為洗手盆。改造前相關(guān)參數(shù)如下：（1）隧道窯規(guī)格：90m×2.2m×1.1m（內(nèi)高）；（2）洗手盆產(chǎn)品規(guī)格：800mm×500mm；（3）產(chǎn)能：49車/d；（4）裝載量：35件/車；（5）產(chǎn)量：1725件/d；（6）天然氣消耗量：3000m3/d。按照標準流程進行設(shè)計生產(chǎn)一體化實踐模式，開展了項目立項→調(diào)查→決策→選材→設(shè)計→制安→驗收→試運行→測試→能耗分析→綜合評價等。結(jié)果顯示，采用“石－堇青石+SiSiC”方案設(shè)計節(jié)能框架式窯具并進行應(yīng)用后，可以將其能耗大幅度降低，并提高其產(chǎn)量。

具體而言，在材料確定后，材料生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)該衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的實際需求在1350℃/3h、46～60MPa條件下，按 m（堇青石）∶m（莫來石）=45：30進行合成不同規(guī)格的部件板材，同時在等靜壓成型工藝下壓制SiSi部件，然后通過組合方式制安適用于該窯爐設(shè)備的窯具。具體操作時，根據(jù)節(jié)能框架式窯具優(yōu)化設(shè)計理念進行組合式窯具制安、運行后，其中的窯車數(shù)量增加到了68臺、產(chǎn)能提高到了42件/車，消耗天然氣量不變的情況下，每件產(chǎn)品的能耗從原來的1.75m3/d降低到了1.12 m3/d，節(jié)約天然氣總量為0.63 m3。經(jīng)比較，改造后一天的產(chǎn)能為2856件，增加了1131件。按照百分比進行計算，改造后的能耗、產(chǎn)量、裝載量、燒成臺數(shù)，分別提高了36%、66%、20%、39%，有利于企業(yè)產(chǎn)出綜合效益。

4.3以其他陶瓷燒成中的應(yīng)用為例

除在日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷中應(yīng)用新材料、新結(jié)構(gòu)的窯具外，在建筑陶瓷、電瓷、藝術(shù)陶瓷中均可以應(yīng)用節(jié)能框架式窯具，實現(xiàn)降低能耗、提高產(chǎn)量、減少窯具重量、改變產(chǎn)品/窯具重量比等目標。例如，在一些電子絕緣陶瓷燒成過程中，部分企業(yè)結(jié)合實際需求選擇了剛玉-莫來石質(zhì)棚板，將硅灰、三氧化二鋁微粉、電熔莫來石、電熔白剛玉、板狀剛玉等作為原材料，利用大噸位液壓成型與超高溫?zé)晒に噳褐坪眠m用的柱、板、梁后，可以根據(jù)節(jié)能框架式窯具設(shè)計方案對其半成品材料進行裝配及應(yīng)用。

需要注意的是，應(yīng)用節(jié)能框架式窯具時，主要原料相對固定，棚板生產(chǎn)工藝比較成熟，實際應(yīng)用時的重點集中在對原有窯具的調(diào)查分析與節(jié)能窯具的研發(fā)設(shè)計方面。尤其應(yīng)突出其功能性、通用性、裝配性，進而在材料節(jié)能有保障的條件下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)提高對其材料的應(yīng)用。建議在實踐過程中，盡可能利用模塊化設(shè)計對節(jié)能框架式窯具的制安進行簡化，有效發(fā)揮其“預(yù)制+裝配”工藝方面的優(yōu)勢。

5結(jié)論

總之，陶瓷行業(yè)具有高能耗、高污染的基本特點，生產(chǎn)企業(yè)在新時期高質(zhì)量發(fā)展階段應(yīng)結(jié)合技術(shù)賦能路徑進一步增強節(jié)能降耗工作。結(jié)合上述分析可以看出，節(jié)能框架式窯具結(jié)構(gòu)簡單、特點鮮明，與傳統(tǒng)窯具相比具有節(jié)能降耗與輕質(zhì)化優(yōu)勢，應(yīng)用后可以產(chǎn)生較好的節(jié)能效果與降耗作用。建議生產(chǎn)企業(yè)通過配置先進技術(shù)要素創(chuàng)新適配性較高的節(jié)能框架式窯具，并將其推廣應(yīng)用到各類陶瓷燒成之中，全面提高此類企業(yè)的全要素生產(chǎn)率，為我國陶瓷行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持。

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