烧成工艺

烧成工艺（共8篇）

烧成工艺 篇1

引言

钦州坭兴陶产生于隋唐,盛名于清末民初,至今已有1300年历史,坭兴陶曾经名扬海外,在民国时期两获国外大奖,1915年在美国旧金山举办的巴拿马太平洋万国博览会获第二名金牌奖,1930年参加在比利时举行的世界陶瓷博览会获第一名金奖。中华人民共和国成立后,1953年在北京举办的全国民间工艺品展览会上,钦州坭兴陶与江苏宜兴陶、云南建水陶、四川荣昌陶被命名为我国的“四大名陶”。钦州坭兴陶的特点为无釉磨光,烧成经磨光的陶器呈现出变化无穷的“窑变”色彩,艺术品位极高,被誉为“中国一绝”,1997年钦州坭兴与壮族织锦一起被国务院列入了《传统工艺保护条例》,成为目前广西最具民族特色的二件宝之一[1~3]。

过去坭兴陶烧制陶器使用龙窑、倒焰窑、隧道窑等窑炉,现在多使用煤气窑和电窑炉。随着煤气等燃料价格的不断上涨,烧制成本也在不断增加。本文主要通过对制备坭兴陶的原始坯料进行不同的工艺处理,来探索降低烧成温度的可能性,降低烧成温度能显著降低能耗,延长窑炉、窑具的使用寿命,提高企业的经济效益[4]。

1 实验部分

1.1 原料制备

原料取自钦州工业生产坭兴陶已制备好的坯料(化学成分见表1),将原坯料进行以下两种工艺处理:(1)球磨将原坯料放入装有氧化铝瓷球的球磨罐中,按球∶料∶水比为5∶1∶1.5,球磨12h,烘干备用。(2)除砂将原坯料加水稀释,将上层较稀的泥浆倒出,除去底部的大颗粒砂子,反复进行几次,得到粒度较细的上层泥浆,烘干备用。

1.2 样品制备及性能测试

称取一定质量的原坯料、球磨料、除砂料,分别加入适量水,采用可塑成型制成样品,放入100℃干燥箱里烘干,将干燥后的样品放入硅钼炉中用不同的温度烧结,保温时间都为2h,根据国标GB/T 3810.3—2006测试样品的吸水率,按(1)式计算。根据阿基米德原理测试瓷球的体积密度,按(2)式计算。

其中:m0、m1、m2分别为样品干燥时、浸水饱和后以及浸在水中的质量(g);ρ和ρ水分别为样品和测试温度下水的体积密度(g/cm3)。采用欧美克粒度分析仪LS-POP(Ⅲ)测试原坯料、球磨料、除砂料的粒度分布。

2 结果与讨论

2.1 原始坯料所制备坭兴陶的烧成温度

图1为用原始坯料所制备坭兴陶样品在不同烧结温度下的体积密度和吸水率。样品烧结温度范围的确定,可根据测定的吸水率不大于0.05%,体积收缩率和体积密度维持在最大的烧结温度至开始过烧温度的温度范围[5]。因此,由体积密度和吸水率可确定坭兴陶的烧结温度范围为1130℃~1170℃。钦州坭兴陶原始坯料的制备流程中研磨与混合工序为:用球磨机按泥料∶研磨介质∶水=1∶1.2∶3的比例球磨8小时。研磨介质为鹅卵石,其中大石直径7~10厘米占10%,中石直径5~7厘米占20%,小石直径3~5厘米占70%。图2为原始坯料的粒度分布图,使用欧美克粒度分析仪(LS-POPⅢ)进行测试,测试结果表明平均粒径为13.7um,30um~40um的颗粒含量较多,细颗粒含量较少,表面能是颗粒烧结的驱动力之一,如果颗粒度过大,颗粒的表面能低,在低温下难以形成液相,固相扩散比较困难,因此烧结温度较高。

2.2 球磨工艺对坭兴陶烧成温度的影响

在陶瓷工业中氧化铝球石、氧化铝衬砖替代传统的天然鹅卵石、燧石可大大提高研磨效率,提高设备生产能力,减少对研磨物料的污染,大幅度的提高设备运行效率,降低生产成本,提高劳动效率[6]。氧化铝瓷球的研磨效率比天然燧石和鹅卵石提高了20~40%,而磨耗不到天然球石的5%,是一种应用较广的工程陶瓷和性能优良的研磨介质。因此本实验用氧化铝瓷球来球磨坯体,图3为用球磨坯料所制备坭兴陶样品在不同烧结温度下的体积密度和吸水率。由图3可确定球磨坯料所制备坭兴陶样品的烧结温度范围为1070℃~1170℃,比原始坯料所制备样品的烧结温度降低了60℃,图4为球磨坯料的粒度分布图,由图4可以看出用氧化铝瓷球磨后的平均粒径为5.1um,8um~10um的颗粒含量较多,用氧化铝瓷球磨,会混入少量的氧化铝磨屑,如按化学成分推算,样品的烧成温度应该高于原始坯料[7],但是实验结果却正好相反,因为在球磨过程中,坯料的粒度逐渐减小,颗粒的表面能和表面活性增强,可以在较低温度下形成液相,在烧结时有较高的质点迁移速度和较短的扩散距离,有助于样品在较低温度下完成烧结致密化。因此烧成温度降低。

2.3 除砂工艺对坭兴陶烧成温度的影响

S iO2是瓷体的主要化学成分,在烧成前它对泥料的可塑性起调节作用;在干燥时能降低收缩,缩短干燥时间并防止坯体的变形;在烧成时,石英的加热膨胀能部分地抵消坯体的收缩;当玻璃质大量出现时,S iO2又成为陶瓷器的骨架,可以防止坯体发生软化变形等缺陷。但是,坯料中的S iO2的含量不是越多越好,当坯体中的S iO2含量达到76%以上时,就有未与Al2O3形成莫来石的游离 SiO2存在,游离的Si O2在不同温度下发生晶型转化并产生内应力,反而降低坯体的强度,而引起变形甚至炸裂[8]。图5为用除砂坯料所制备坭兴陶样品在不同烧结温度下的体积密度和吸水率。由图5可确定除砂坯料所制备坭兴陶样品的烧结温度范围为1050℃~1170℃,比原始坯料所制备样品的烧结温度降低了80℃,图6为除砂坯料的粒度分布,由图可知,除砂后的平均粒度为4.2um,比原始坯料的粒度降低很多,把大颗粒砂子除去,一方面可以提高原料细度,另一方面,也降低了坯料中的S iO2含量。因多硅坯料系统的烧成范围较窄[9],所以,仔细的除砂,可以降低烧成温度,拓宽烧成范围。但是在提高原料细度上,除砂工艺跟球磨工艺相比,操作相对复杂,一般工业上都不会进行多次除砂,也不会将大颗粒的砂子除的很干净,因此,球磨更容易实现大批量的工业生产。

3 结论

1、要降低坭兴陶的烧成温度,并且在不改变坭兴陶的原始配料的前提下(即不再加入别的原料),提高原料细度是一个途径,用氧化铝瓷球代替鹅卵石作为研磨介质和精细除砂工艺都可以起到降低烧成温度,拓宽烧成温度范围的作用

2、球磨工艺与除砂工艺相比较而言,球磨工艺效率更高,更适合实际工业生产。

图6为除砂坯料的粒度分布

参考文献

[1]黄万稳.钦州坭兴陶保护、传承与发展研究.广西民族大学硕士研究生学位论文.2007:3-15

[2]于长敏.广西钦州坭兴陶的兴衰与发展.陶瓷史话,2007(1):34-35。

[3]杨淑金,吴伯麟.坭兴陶土的塑性改造及在特种陶瓷中的应用.非金属矿,2008,31(4):40

[4]江群会,朱练平.景德镇日用瓷降低烧成温度的试验.中国陶瓷,2002,38(6):31-33。

[5]周永强,吴泽,孙国忠.无机非金属材料专业试验.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999,142

[6]朱志斌,郭志军,刘英等.氧化铝陶瓷的发展与应用.陶瓷,2003,1:5-8

[7]萧玉馨.坯料球磨工艺小议.景德镇陶瓷,1988,1:32-35

[8]温凤梅.浅谈瓷质产品的变形缺陷.河北陶瓷,2001,29(3):26-28

[9]刘康时.陶瓷工艺原理.广州:华南理工出版社,1990,56

美国激光武器能把坦克烧成灰？ 篇2

激光打坦克，有各种打法。激光眩目，让坦克乘员暂时失去战斗力，使坦克上的光学仪器失灵，属于软杀伤手段，目前已经实现。就是硬杀伤手段，也有各种打法。高能激光束穿透厚厚的坦克装甲，然后杀死乘员或破坏坦克上的重要机件，使坦克失去战斗力，是一种打法；把坦克打成废铜烂铁，也是一种打法；把坦克化成一滩铁水或烧成灰，又是一种打法，当然是最厉害的攻击了。且不说这种“最厉害的攻击”是否有必要，还是先来看一看“最厉害的打法”到底需要多大的能量吧！

把坦克烧成灰需要多大能量 —辆主战坦克的战斗全重约为50-60吨，其中，50%以上的重量为装甲部分；其余不到50%的重量包括：动力—传动装置、行动装置、火炮和弹药、燃油、各种仪器仪表等，绝大部分也是钢铁制品，也有部分铝合金件和橡胶制品等。作为估算，我们认定整个坦克为50吨的钢铁件。钢铁的熔点为1536摄氏度，升温的温差为1500摄氏度，钢铁的比热为O.108卡克·摄氏度，根据热量计算公式，在不考虑能量转换效率的情况下；把整个主战坦克全部烧化所需的热量为3.4万兆焦！至于报道中所说的“使坦克瞬间消融于无形”，那就更十喊，所需的能量还要翻番！

就按3.4万兆焦来说吧，这是一个什么样的概念呢？在这里，我们打两个有趣的比方。—个是穿甲弹打坦克的例子。一发120毫米尾翼稳定脱壳穿甲弹的炮口能量约为10兆焦（10MJ），这个能量足以

把半米厚（500毫米）的优质钢装甲穿透110兆焦的能量用来做功，足以把50吨的主战坦克抬高到20米（约8层楼高），或者反过来说，相当于把50吨的大坦克从8层楼扔下去所表现出的能量！由此算来，需要3400发120毫米尼稳脱穿弹“万箭齐发”，才能把这辆主战坦克打成铁水！这虽然算不上是天文数字，但也够吓人了。

另一个比方是，拿三基火药来做类比。三基火药，主要是用于大口径火炮的发射药，其爆热值为4兆焦/千克。发出3.4万兆焦的热量，需要8500千克的发射药；如果考虑到33%的热效率，则需要25758千克发射药！

有的读者可能会想，坦克里的燃料和弹药被诱爆后，不是也能提供能量吗？这个问题想得好。这个能量值的确很可观。坦克里一吨左右的燃料，足以保证50吨的大坦克跑上500千米，可以打一个战役；坦克里的四五十发炮弹也有足够强大的威力。但是，和上面提到的3.4万兆焦相比，就是“小菜一碟”了，坦克里的燃料和炮弹的能量足以把接近10吨的炮塔和火炮掀掉并抛到几米之外，尽管这个能量也相当可观，但也仅仅是把坦克“一分为二”（炮塔部分和车体部分），还能看出来是坦克，距离把坦克打成铁水，还差得远！

激光把坦克烧成灰的代价 话又说回来。如果有人硬要较真，想来一个激光武器把坦克烧成灰的试验，结果会是怎样？

这里就拿当今最强大的美国YAL-1A型空中高功率激光武器来说吧！YAL-1A母机为“波音”747-400F大型客机，其激光输出功率高达兆瓦级，即1000千瓦，堪称是当今巨无霸级的激光武器。就是用这样

一个巨无霸级的激光武器来打坦克，看一看需要多长时间才能“把坦克烧成灰。”

我们知道，1千瓦时（即1度电）相对应的热能为3.6兆焦，那么，1000千瓦一个小时的能量转换成热能即为3600兆焦。想达到3.4万兆焦的热量，也要连续“照”上9.4小时！

这样一算，我们该明白，激光武器熊把坦克烧成灰吗？答案是：能！其条件是：一架巨无霸级的空中激光武器，在一万米的高空上，对准一辆坦克一个劲地“照”，连续，“照”上近10个小时，这中间既不需要空中加油，也不要敌方去攻击它，10个小时后，你可以松一口气，终于fe这辆坦克化成铁水啦，甭说别的，仅仅这一天的“油钱”就要十多万美元！这就是激光武器把坦克烧成灰的“代价”。

摘自《坦克装甲车辆》

烧成工艺 篇3

从20世纪80年代引进世界先进技术和装备,通过消化吸收以及自主创新,我国的建筑陶瓷行业得到了快速发展,现已成为建筑陶瓷生产大国,陶瓷砖产量多年来一直位居世界第一。据有关资料统计[1],2010年全国陶瓷砖总产量约为80亿m2,2011年约88亿m2,占全世界总产量的70%左右。以2011年全国陶瓷砖的产量测算,我国每年消耗矿物原料约2亿t,耗能0.35亿t标准煤。

如何减少陶瓷砖行业的资源和能源消耗,已是我们的紧迫课题,而陶瓷砖薄型化是一条节能减排的有效途径之一,为此,建筑卫生陶瓷工业“十二五”发展规划提出瓷砖薄型化的要求,目标为单位工业增加值能耗降低20%,并把薄型化作为技术研发重点。浙江省“十二五”重大科技专项也把陶瓷砖减薄技术列入其中。通过陶瓷薄型化技术研究,使薄型陶瓷砖产品达到批量生产并实现产业化,实现建筑陶瓷行业生产的资源和能源节约化、废弃物排放减量化的目标。

建筑陶瓷砖主要分为挤压陶瓷砖和干压陶瓷砖,按照GB/T 4100—2006《陶瓷砖》分类,挤压陶瓷砖按照吸水率分类为E≤3%、3%10%(采用液压机半干压成型工艺)。不同类别的产品其制造工艺、烧成温度均有差异。

随着建筑陶瓷生产技术的不断完善和发展,陶瓷砖产品规格越来越大,目前市场出现的大规格陶瓷砖的主要规格有600 mm×300 mm、600 mm×900 mm、800 mm×800 mm等,有的更大规格长度超过1000 mm。

以往,规格越大,产品的厚度也需相应增厚,才能保证生产过程有较高的坯体强度和产品合格率。但随之生产单位面积产品所需的原料增加,烧成周期延长,消耗的能源更多,制造难度相应增加,所以,传统工艺生产的大规格产品与国家节能减排的目标相脖。因此,陶瓷行业如何通过技术进步,在生产大规格产品时,实现陶瓷砖薄型化显得十分迫切。

1 国内外研究现状

目前作为普通建筑陶瓷装饰使用的大型陶瓷薄板,其制造工艺比较成熟的主要有2种:一种是可塑挤出滚压成型,另一种是半干压成型。等静压生产工艺由于成本高、效率低,在大批量生产及推广中受到限制[2]。

半干压成型是目前普遍倡导使用的技术,也是目前广泛使用的成型工艺。其生产工艺流程为:原料配料→球磨制浆→喷雾干燥→压型→干燥→施釉→烧成[3]。

由于采用半干压成型工艺生产大规格薄型砖,并不是简单的减少厚度即可实现,需通过添加外加剂,调整配方,以及改良装备,但由此增加生产成本,所以一时制约了该工艺在大规格薄型砖生产中的应用。目前,国内外有不少生产企业在开展陶瓷砖薄型化研究,但能批量化生产的还很少。诺贝尔陶瓷集团有限公司最近采用原有陶瓷砖生产装备,试制600 mm×300 mm×(5~6)mm大规格瓷质薄板,取得了良好的效果,项目的实施可以有效达到节材、节能、减排的目的。该技术生产的大规格陶瓷薄板工艺,不需专用装备,节省投资,降低成本,使新技术具有较好的推广应用价值。

可塑挤出滚压成型工艺是另一生产大规格薄型砖的工艺。在20世纪80年代初,全国各地相继从日本引进了5条大型陶瓷饰面板生产线,包括河北廊坊、陕西咸阳、湖北黄石、上海、杭州等地,其生产工艺流程为:原料配料(加水)→球磨→压滤→陈腐→揉练→真空挤压成型→(辊压)→切割→干燥→施釉→烧成。

引进线产品规格均为600 mm×300 mm×5 mm,当时各地相关主管部门相当重视项目的引进工作,但由于当时产品及生产线工艺、技术、设备等成熟程度不够,随后5条线均相继下马,成为一件憾事。时过境迁,随着建筑陶瓷在我国近30年的发展,陶瓷砖生产设备及相应设备配件加工能力,如成型设备、窑炉、施釉、抛光、切割磨边等都得到提升,已能满足大规格陶瓷砖的生产要求。

随着国家对节能减排,节约资源等工作的不断深化,建筑陶瓷行业节能减排,节约资源、减薄工作,符合国家建筑卫生陶瓷工业“十二五”发展规划的要求。湿法可塑滚压成型工艺作为一种新的薄型陶瓷砖生产方法,填补半干压成型的不足,开发出独特的产品。

2 可塑挤出滚压成型工艺的应用

为了能充分了解成型工艺的特点,进一步完善该工艺技术,以作者在引进10万m2大型陶瓷饰面板生产线负责生产管理期间发现的一些工艺技术、设备等问题进行回顾和剖析,以便在新时代、新环境下,使生产行业更好地利用可塑挤出滚压成型工艺,研制新型陶瓷产品。

2.1 生产线工艺路线

(1)生产中采用湿法球磨制备浆料,根据原料性质决定投料顺序,确保达到理想的原料颗粒级配及良好的烧结性能。原材料加工属于国内配套内容,当时采用浙江省内成熟的工艺、设备,较好地满足配套要求。(2)达到规定细度的泥浆,经板框式压滤机进行脱水,泥饼水分控制在20%左右,并集中堆放进行陈腐。(3)经引进的双轴搅拌机搅拌,确保泥饼水分和物料的均匀。(4)经真空练泥机练制后,将泥料挤出形成圆管,达到规定直径和厚度,以满足滚压成型的要求。(5)纵横向切割达到满足要求的长度和宽度,以备滚压成型使用。(6)经多级对辊滚压,制成符合尺寸要求和图案的薄板,并通过纵横双向切割,满足烧成后尺寸为600 mm×300 mm×5 mm的坯体,并确保平整和尽量少的内应力。(7)采用远红外快速加热器对坯体进行快速烘干,并进入素烧窑低温烧成,采用电加热和预热风进行700℃左右低温素烧,排除部分有机物和水分;(8)通过转向切割机,按照烧成收缩率对素坯进行切割和磨边,对尺寸进行定型,以与产品尺寸匹配。(9)进入自动积载机供喷釉机施釉。(10)喷釉后进入自动积载机供烧成用,保证入窑坯体的时间周期。(11)24 m电热辊道窑,烧成温度控制在1150~1200℃,烧成周期约1 h。(12)成品拣选后,通过自动积载包装机采用热收缩薄膜进行自动包装。

2.2 原材料及工艺参数

配方采用宁海泥、伊利石、长石、匣钵等原料,其基本配比为:可塑性料30%~40%、非可塑性料60%~70%,典型配方宁海泥20%、伊利石65%、匣钵5%~10%、制品回收料10%,配方化学成分见表1。可塑滚压成型流程见图1。

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球磨细度控制在万孔筛筛余<1%,滚压成型水分控制在18%~20%,釉料采用全生料釉及部分熔块釉,产品规格有600mm×300 mm×5 mm、600 mm×600 mm×5 mm,最大尺寸达到900mm×600 mm,最薄厚度为4 mm。

2.3 产品性能

烧成的产品吸水率控制在1%以下,抗折强度大于30MPa,釉面光泽度和成色良好,具有特殊的装饰效果。花色品种按照壁纸的图案而定,品种丰富多变。当时生产线部分产品见图2、图3。

通过走访当初国内引进的其它4条可塑挤出滚压生产线,主要工艺参数、工艺流程、生产设备情况大同小异,区别主要体现在以下方面。

(1)在配方的确定上根据不同地区原料特点有所变化。

(2)加工工艺上有的工厂直接采用达到要求的原料加水搅拌练泥,供成型,简化了工艺,节约了投资成本,但对原料的依赖性增强,对配方调整带来困难。杭州厂采用原料球磨工艺,为配方调整带来了方便(当时日方提供的工艺配方不成熟)。

(3)窑炉使用能源不同,有采用柴油、液化气,电烧辊道窑,但窑炉规格基本相同。杭州厂引进的生产线,基于为了能顺利投产、尽量减少损失,中方技术人员积极负责地对生产线工艺参数进行调整和改良,取得了良好的进展,解决了素坯开裂等质量问题,一度合格品率达到90%以上。但由于引进线在验收时仍存在较多问题,调试需要花费大量人力、物力、财力。最终国内引进的5条生产线相继由于资金、设备、配件、信心、工艺、成本、产品市场等诸多问题,被迫停产。杭州生产线设备最后转让给温州南方陶瓷厂。

在杭州厂生产线引进至停产期间,中方技术人员进行了大量的技改、调试工作,取得了良好的效果,但由于当时条件不成熟,限制了问题的全面解决,主要体现如下:

(1)采用可塑成型工艺生产,泥坯含水率达到18%~20%,决定了坯体的干燥收缩率比采用半干压成型的干燥收缩率大,干燥素坯尺寸较难控制。因为素坯采用700℃左右烧成,具有一定强度,切割素坯,带来爆边及破损问题。如果采用可塑坯加工尺寸来决定产品尺寸,由于可塑坯含水率不同或配料波动,引起成品尺寸偏差,不能满足标准要求。

(2)采用可塑成型工艺,坯体强度低,容易引起变形,对生产设备、工艺参数控制、干燥制度带来更高要求。

(3)干燥窑炉较短,干燥素烧制度调整余地小,输送设备不合理,控制不佳极易造成素坯大口裂问题,严重影响素烧合格率。

(4)由于可塑成型,坯体较软,素烧前工序如处理不当,容易产生坯体变形问题。

(5)单线生产能力相对较小。

(6)尽管杭州厂当时选用电烧辊道窑,但长度仅为24 m、宽度为0.8 m辊道窑,温度控制较困难;由于采用日本生产U型硅钼棒作为加热元件,成本高,配件供应困难,当时仅上海电炉厂能通过拼接加工,但使用寿命及使用性能不能满足要求,严重影响了设备的正常运行。

(7)真空练泥机挤出头设计欠合理。当时采用真空成型设备挤出管状圆形坯体,因设计挤出比较大,尽管提高了泥坯的致密度,但是对轴心处受力加大,挤压处连接杆经常损坏,影响正常生产,挤出机设计参数不能适应该生产线的技术要求;

(8)电烧辊道窑,加热器分布比较集中,高温区主要采用辐射传热,烧成曲线控制较难,能耗高。

(9)高温区传输用2 m多长的陶瓷管,国内不能加工,采用日本原产进口,价格高;同时由于陶瓷管传动设计不理想,磨损大,加上窑炉设计问题,烧成区堆坯、堵窑、粘棍等情况经常出现,造成陶瓷棍严重损坏,备件严重受制于供方。

3 可塑挤出滚压成型工艺的改进与发展

随着国内建筑陶瓷整体水平提升,目前国内陶瓷砖的生产技术、装备水平处于国际先进水平,很多问题现在可以迎刃而解,主要体现在以下几个方面:

3.1 窑炉与传输设备技术成熟

目前国内窑炉技术水平已经完全能满足生产大规格陶瓷装饰面板的要求,如温差、窑宽、产量及烧成制度及烧成气氛的可控,包括素烧和釉烧窑,辊道窑采用的陶瓷辊传输设备已很成熟。

3.2 切割技术水平提高

20世纪80年代生产瓷砖产品的切割成本高,无法对产品进行后续切割,出现尺寸精度不足、瓷砖翘角等质量问题,严重影响了当时的产品质量。现在切割技术成熟、成本合理、可控,使成品一次切割,即可达到尺寸精度要求。目前广泛使用了陶瓷砖无缝拼接理念,顺其自然地解决了以往可塑成型中收缩大、前期尺寸控制难的问题,产品尺寸完全满足质量要求。

3.3 抛光技术改进

抛光技术在陶瓷砖生产中广泛应用,很好地解决了产品的平整度问题,提升了产品质量档次。

3.4 设备配套自动化成套水平提高

当时未能很好解决的设备运转率低,配套不合理等问题,包括自动输送线、自动积载机、施釉线等传输设备存在的误动作等问题。由于光电技术的发展,并在半干法陶瓷砖生产线广泛使用,技术成熟,在可塑挤出滚压大型陶瓷砖生产线上光电自动化控制设备等得到应用。

3.5 外加剂的应用改善了产品质量

可塑滚压陶瓷砖配方中外加剂的应用,从根本上解决了可塑滚压陶瓷砖大口裂、坯体变形等制约产品质量的问题,如减少收缩率、增加坯体和产品强度、提高产品合格率[4]。

3.6 真空练泥水平提高

真空练泥机等设备的加工水平国内已得到提升,目前浙江省内采用了可塑挤出机生产大规格外墙干挂板。

3.7 色釉料开发丰富了色彩

色釉料的系列开发对可塑滚压陶瓷砖的装饰及产品美化提供方便,解决了当时熔块花色品种少、质量差的问题。

3.8 可塑滚压工艺的进步丰富了产品品种

可塑滚压工艺丰富了陶瓷砖的加工技术,丰富了产品结构,如采用绞胎技术生产,可大大丰富产品品种。

3.9 陶瓷砖粘结技术提高

陶瓷砖粘结剂在建筑陶瓷砖施工中成熟使用,很好地解决了大板陶瓷施工中强度不足的问题,当时采用该可塑滚压工艺,背纹燕尾槽的设计比较困难,为大型陶瓷板的粘贴牢固度带来了难度,担心收缩膨胀不匹配,造成瓷砖脱落,限制了产品在建筑中的推广应用。随着粘结剂新产品的开发和粘结技术的发展,使用胶粘剂可以安全解决瓷砖施工的牢固度问题。

随着以上问题的有效解决,较好地克服了采用可塑挤出滚压工艺生产超薄大型陶瓷砖的核心技术问题,为该工艺在建筑陶瓷领域的开发应用创造了良好条件。

4 可塑挤出滚压成型工艺的优势

可塑挤出滚压成型与半干压成型工艺生产超薄大规格陶瓷砖,在国家倡导节能减排,对行业持续发展具有积极作用,2种工艺各有利弊,主要体现在以下一些方面:

(1)实现大型超薄陶瓷砖生产相对整体投入资金较小,企业调头快,不需要大型的自动压砖机等加工精度要求较高的生产设备,大大降低了设备投资,投资产出率较高,能在较低的投资额下生产大规格超薄陶瓷砖。当时成熟的尺寸可以达到900 mm×600 mm×5 mm,如果对滚压装备进行改良,生产超过1000 mm的产品是轻而易举的,设备投资很低。

(2)可以不采用喷雾干燥工艺,减少了喷雾干燥塔等生产装备,减少投资。

(3)大大节约能源,由于可塑滚压成型工艺原材料可以采用直接投料,符合要求的标准细度和成分的粉料,通过添加水分搅拌、练泥成型,不需要对粉料流动性提出特殊的要求,大大简化了生产工艺,节约超过20%的排水能量,节约能源;也可以直接按照配方要求,采用湿法球磨要求制备泥浆,经过压滤脱水制备符合要求的泥饼,供滚压成型使用,该流程工序简单可行,工作环境良好。

(4)可塑挤出滚压成型由于其加工工艺独特,颗粒分布致密,颗粒排列有利于产品强度的提高。600 mm×300 mm规格产品,5~6 mm厚度,甚至4 mm左右,就可以满足产品强度要求,节约原材料的同时大大降低能耗,是一项节能降耗的大好事。

(5)与半干压法模具成本比,可塑挤出滚压成型模具成本低廉,具有独特的装饰效果、丰富的纹理结构。

(6)综合节能减排效果明显,从节约制粉能耗,降低产品厚度两个方面都具有较大的节能降耗效果。

5 技术改进

尽管可塑滚压成型工艺作为一项传统工艺技术,在大型超薄陶瓷生产中得到广泛应用,但还有一些问题需要重视和改良。

(1)电气、机械加工设备进一步完善,由于当时引进的生产线,在日本并未得到很好的推广和运行,一些问题没有得到及时发现和改良,加上引进生产线条件不同,没有很好地消化吸收。随着中国建筑陶瓷行业长期发展,设备加工能力和水平得到普遍提高,但还需要结合该生产线工艺特点,提高生产线自动化程度和生产稳定性。

(2)满足可塑滚压成型工艺要求的坯体配方是关键,虽然原材料标准化工作比以前有很大的进步,但确保品种、性能稳定的原材料是根本,通过外加剂等新技术应用,确保工艺稳定,并具有较高的等级率。

(3)目前国内釉料、色料及熔块的发展比较成熟,给各种花色品种的设计带来方便。开发适应工艺需要的釉料配方,减少产品色差,生产出具有市场亮点的新产品仍然是行业不断努力的方向。

(4)挤出机及真空练泥机的改良。早期采用真空成型设备挤出管状坯体,由于设计中受力分布不合理,挤出头连接杆经常损坏。加强对挤出头结构设计研究,尽量使真空挤出泥料的性能满足要求,颗粒排列、管壁厚度均匀,以免泥料内部应力分布不合理,造成泥坯在干燥、烧成阶段出现“S”形裂纹;同时通过对挤出比、挤出角的研究保证设备在真空挤出时,各零部件受力均匀,延长使用寿命。目前,浙江省已有4家挤出大板生产线生产干挂外墙砖,其设备满足挤出成型要求,产品见图4。表明该工艺技术在陶瓷行业的应用具有良好的生命力。

6 结语

随着国家产业政策的调整,陶瓷砖行业的资源和能源消耗问题已显得越来越紧迫,而陶瓷砖薄型化是一条有效改善和缓解这一问题的途径之一,国家对建筑卫生陶瓷工业“十二五”发展规划提出瓷砖薄型化的要求,目标单位工业增加值能耗降低20%。本文通过对可塑滚压成型工艺的剖析,明确可塑滚压成型工艺生产大规格超薄陶瓷砖的可行性和有待克服的难点,明确通过对生产设备的配套、工艺技术的完善,采用可塑滚压成型工艺生产大规格超薄陶瓷砖是一项投资省、能耗低、资源节约、工艺简单的生产工艺。迎合节能减排大环境的需要,时机适合,同时对丰富陶瓷砖的品种,促进陶瓷砖的发展,具有积极意义。

摘要：介绍了大型超薄陶瓷装饰面板的国内外发展现状,侧重对国内引进的可塑挤出滚压成型生产线设备、工艺参数及技术问题进行了剖析,以及采用可塑挤出滚压成型工艺对生产的建筑陶瓷砖进行厚度减薄的可行性论证,明确对可塑挤出滚压成型工艺技术的进一步研究改进,在生产大型超薄陶瓷装饰面板,促进建筑陶瓷领域节能减排的作用和意义。

关键词：成型工艺,大型陶瓷薄板,可塑挤出滚压成型工艺,节能减排

参考文献

[1]傅心甫.转型升级和谐发展[R]//2011年浙江省建筑材料卫生陶瓷协会年会,杭州:2011,12.

[2]W D金格瑞.陶瓷导论[M].北京:中国建筑工业出版社,1982.

[3]俞康泰.现代陶瓷色釉料与装饰技术手册[M].武汉:武汉工业大学出版社,1999:263-277.

预分解窑烧成系统的技改 篇4

我公司回转窑预分解系统为天津院设计的5000t/d在线预分解系统, 采用双列5级旋风预热器+DD分解炉, 配套Φ4.8×72m回转窑和119.3m2篦冷机, 设计生产能力5000t/d, 于2004年10月投产。经过多年的生产实践, 产能已经远超过设计产量, 实际产量5900t/d, 标煤耗≥110kg/t-cl。现有预分解系统的生产及工艺数据见表1、表2。

但受当时烧成技术的制约, 该系统的设计也存在一定的局限, 回转窑的基本运行状况以及主要存在的问题如下:

(1) C1出口风温350~360℃, 明显偏高, 其余各级旋风筒温度梯度基本正常。

(2) 分解炉出口温度8 9 0~9 1 0℃, C5旋风筒出口温度910~920℃。

以上两组数据明显偏高, 是导致C1出口风温高的主要原因。分析认为:煤粉在分解炉内燃烧不充分, 随气、料进入C5后继续燃烧换热, 导致C5出口温度和整个预分解系统出口温度偏高;分解炉出口、C5出口及下料管温度倒挂。

(3) 三次风分两路进分解炉, 风量靠高温闸阀控制, 不能均衡量化, 造成分配失衡, 影响分解炉内流场的稳定性。

三次风管在框架内的水平长度为34.4m, 并有4个90°弯头, 造成管壁衬料磨损、管内积灰。

三次风进口在分解炉直筒部位, 喂煤点在进风口上部, 占用了3m左右的直筒高度, 减少了分解炉的有效容积。原三次风管接口位置在分解炉的锥体部分之上, 占用2.3m高度的直筒, 没有充分利用分解炉的有效容积, 缩短了三次风在分解炉内的停留时间。

(4) 各级旋风筒间的连接风管上的撒料装置安装位置偏高, 物料进入换热管道后的运动距离较短, 气、料换热时间不充足。

当产量达到5900t/d时, 分解炉容积不足, 温度倒挂比较严重, 预热器的换热交换功能被削弱, 熟料烧成热耗增加。

1 技改方案

1.1 分解炉改造

原分解炉直筒高度只有22m, 而且被三次风管接口占用了3m左右, 总容积偏小, 必须扩大分解炉容积。

加高后的分解炉保留大部分壳体, 比原分解炉增高12.5m, 原分解炉直筒部分有效容积823m3, 加高后增加了467m3, 比原有效容积增加了57%, 达到1290m3。

熟料产量5900t/d时, 原分解炉内气体停留时间为2.2s, 加高分解炉后, 气体停留时间为3.6s。

1.2 增设分解炉-C5旋风筒管道

分解炉加高后出风口位置向上移动了13m左右, 由于框架梁的限制, 鹅颈管若设计成圆柱体, 其截面积较小将不能满足要求, 只能根据框架梁的位置把鹅颈管设计成长方体, 才能获得最大的截面积。

鹅颈管主体截面是5.4×4.4m长方形, 总高度18m, 有效容积330m3。增设鹅颈管后, 熟料产量5900t/d时, 管内气体停留时间为1.0s。

技改后, 分解炉+鹅颈管的有效容积达到1620m3, 比之前增加了97%。对煤粉燃烧、气固换热和Ca CO3分解率等均有明显改善作用, 整个预热器的气体温度整体下降。

1.3 更换C5旋风筒蜗壳

原分解炉出风口与C5旋风筒通过平管道相联, 增设鹅颈管后必须对C5蜗壳进风口方向进行改动。原C5旋风筒蜗壳是270°三心结构+等高锥体, 偏心距450mm, 这种结构形式在新建生产线上已不采用了。经推算, 原C5旋风筒进风口有效截面积为8.1m2, 熟料产量5900t/d时, 截面风速为≥22m/s, 明显偏大。新蜗壳采用三心结构+等角变高锥体, 增大进风口截面积, 使截面风速≤19m/s。配套的内筒也随之进行调整。

更换较大的蜗壳和内筒, 降低了C5旋风筒的气体阻力, 并使全系统的气体阻力降低。

1.4 改造分解炉与三次风管接口

将三次风管改为单路进分解炉, 通过1台高温闸阀调节风量, 将与分解炉接口位置移至分解炉锥体部分, 偏心侧旋入炉。燃烧器的位置下移2m。原C4旋风筒分两路下料与分解炉接口, 拟保留位置较低的下料点, 弃用位置较高的接口。

技改后简化了工艺流程, 三次风的风量容易控制。三次风管在框架内长度缩短为8.2m, 且无急弯, 减少了水平积灰段长度和气体阻力。减少了壳体表面散热和漏风点。

三次风管从分解炉锥体部位侧旋进入, 与缩口分解炉底部上升窑气相遇, 产生喷旋结合气流, 有利于气、料、煤的混合;进风位置下移可增加气流在炉内的运动距离和气料煤混合换热时间;C4下料点和燃烧器的位置下移, 增加了料煤在炉内的运动距离, 等于又增加了2m的分解炉有效高度。

1.5 预热器部分改造

预分解系统的气体阻力主要是由预热器部分产生, 经计算, 改造后预热器直筒截面风速最大值为5.9m/s, 各级风管截面风速最大值为16.6m/s, 虽然相对于目前各设计院的设计值略大, 但作为技改项目属于正常范围, 不必对预热器部分作较大改动, 仅在局部技改。

(1) 更换各级上升风管上撒料箱, 降低撒料箱位置

原有的撒料装置底部距离旋风筒出风口2m位置, 是出于防止物料撒入风管后“短路”落入旋风筒考虑而设计的。目前的产量为5900t/d, 上升风管内风速大于设计值, 对物料的悬浮能力增大, 排除了物料“短路”的现象。技改仅更换为新型扩散式撒料装置, 使物料分散更均匀, 提高换热效率。

在保证内筒完整的情况下, 物料撒入风管的位置尽量降低, 这样可增加物料在换热管道里的停留时间。

(2) 处理漏风点、检修各级锁风阀

由于经过长年生产, 检修门、捅料孔、连接法兰等存在不同程度的漏风, 在技改时统一进行了处理。对各级锁风阀进行检修, 有损坏的阀板全部更换。

1.6 窑头窑尾燃烧器

根据改造要达到的技术指标及燃料特点, 确定窑头采用性能先进的HP强涡流型多通道燃烧器替换现有燃烧器, 分解炉采用两台三通道燃烧器, 改造内容如下:

(1) HP强涡流型大推力多通道燃烧器利用现有移动行走装置, 现有送煤风机;更换窑头净风机, 更换柴油点火助燃系统。

(2) 分解炉采用两台三通道燃烧器替换现用的燃烧器。新增两台窑尾燃烧器净风机, 利用现有送煤风机。

2 技改后系统运行情况 (见表5)

3 项目效益情况

经过半年多的生产比较, 窑台时产量由原来的238.25t提高至现在的251.06t。五级筒出口和下料管温度比分解炉出口低10~20℃左右, 一级筒出口温度比以前低了20~30℃。

改造后, 窑平均熟料烧成标煤耗由≥112kg/t-cl降为108kg/t-cl, 吨熟料实物煤耗从147.61kg下降至142.25kg, 下降了5.36kg, 吨熟料工序电耗下降2.18度, 吨熟料发电量降低2.87度, 合计熟料实物煤耗降低5.36+2.18-2.87=4.67kg, 按年生产熟料170万吨熟料计算, 年可节约170×0.00467=7752吨实物煤。

4 仍存在的问题

(1) 一级筒出口温度目前基本在335℃左右, 温度偏高, 与设计要求的310℃, 还有一定的改造空间。

(2) 原设计图纸中三次风管与分解炉接口位置存在拐角, 生产实际中磨损较大。停机时已将侧面进风口拉直, 目前使用情况较好。

(3) 生产大半年以来, 实际标煤耗为108~111kg, 与设计要求的106kg有较大差距。

(4) 改造配套备件中更换的翻板阀存在漏风问题, 密封效果不好, 在以后变更解决。

5 结论

浅析熟料烧成精准平衡的操作 篇5

水泥熟料烧成系统的操作, 是直接关系到水泥质量和成本的重要工作。因此, 掌握先进的、正确合理的、精准的、高水平的操作技术是水泥厂中控工作的最重要的任务。

新型干法水泥生产技术的核心是悬浮预热和窑外分解技术。因此, 采用窑外分解技术的烧成系统, 首先需要保证窑尾预热器系统特别是分解炉的正常、稳定、高效的工作。并使其最大限度地发挥预热预分解作用。而目前正在运行的新型干法熟料烧成生产线, 多年以来一直都是延续一种基本相同的原则和方法来操作。这种方法在运行中的表现特点为:

三次风管的阀门开度控制在30%~50%, 以加强窑内通风;喷煤管的火焰调整为活泼有力, 把喷煤管定位在第四象限, 加强火焰对熟料的直接热交换作用;调节头排风机的风量, 把窑头罩压力控制在-50~0Pa。

随着新型干法生产技术的进步和社会环境对节能减排和减少氮氧化物等有害气体排放要求的不断提高, 这种旧有的操作方法已经逐渐感到难以适应这些要求。例如:控制窑内的煤粉在低过剩空气系数的工况下燃烧 (α≤1.05) , 可以减少氮氧化物的生成量, 减少系统脱硝的成本, 就是一个突出的例子;很多窑如果这样操作, 就会出现熟料呈现还原气氛的现象, 严重影响熟料质量。还有, 将喷煤管定位在中心以上位置, 使火焰的中心落点移动到窑尾, 可以使生料入窑后快速通过过渡带, 进入烧成带, 这样生料升温速度快, Ca O的吸收速度也越快, 越有利于C3S的形成。同时减少煤灰落入熟料的几率, 提高熟料的质量。是将来降低热耗和运行成本的一种操作方法。而目前的操作方法都较难做到这一点。

“精准平衡操作技术”的核心是:以理论计算、数据分析为依据;以系统空气平衡为前提 (包括窑的烟气平衡) ;以保证分解炉用风 (三次风) 和烧成带恒温煅烧为重点;以窑头罩的温度、压力两个数据为主要控制参数;通过合理调整窑头喷煤管的四个风速和风量的匹配、合理的篦冷机操作, 最终实现熟料烧成的高质、高产、低消耗、低排放的目标。

这项操作技术在系统运行参数中的表现特点为:

(1) 三次风管的阀门开度在85%~100%。

三次风大多数都是由窑头罩的上方抽取, 也有从篦冷机的壳体上抽取的。当高温的二次风经过窑头罩下部的烟室去往窑内和分解炉的时候, 回转窑的通道阻力要小于三次风管。因此窑内的通风比较容易保证。而分解炉就要难一些。所以为了保证预分解系统的作用, 首先要保证分解炉的用风。这样, 三次风管的阀门就应该尽可能地打开。但是, 一般的烧成系统, 如果打开的幅度超过60%~70%, 都会出现感觉窑内通风不足的现象。所以, 在操作中就需要有另外的操作来进行相应的配合。以实现这种首先保证分解炉性能的操作方法。

已经有实验证明, 分解炉的用风量和温度增加后, 可以加快煤粉的燃烧。当减少了窑内的用风量后, 可以不用采用拉大窑内通风来拉长喷煤管火焰的做法, 使火焰的形状受外界 (窑内通风) 的影响小了。可以容易地调整火焰形状, 形成“正常火焰煅烧”的锻烧操作制度。

研究水泥煅烧工艺的专家们发现, 在水泥熟料的煅烧过程中, 在烧成带形成恒定温度煅烧时, 熟料的各项指标是最好的。

“正常火焰”的烧成制度, 可以使火焰的形状更加规整, 使火焰在长度方向上的温度差变小, 可以接近恒温度的工况, 最终形成了接近恒温煅烧的工艺状况。而这种煅烧状况, 正是优质水泥熟料烧成所需要的。采用这种煅烧制度烧制出来的熟料, 质量稳定, 不容易出现游离钙忽高忽低的大波动。同时由于烧成带温度稳定, 熟料结粒好于其他几种烧成制度下生成的熟料。

(2) 窑头罩压力仪表显示值为“正压”或“零压” (根据窑头罩的容积) 。

窑尾烟室的压力参数就是一个状态参数, 其主要是用来判断窑内的通风状态和窑内的某些工况。如果压力的负压值增大, 就说明窑内通风阻力增大了, 实际情况就有窑内结圈、结蛋等工艺故障。而对于窑头罩的压力和温度 (二次风温) 的控制, 则被大多数工厂放在了次要一些的位置上。特别是当篦冷机的性能不是很好, 或者是生料喂料量不稳定, 化学成分波动大的情况下, 这两个参数就更不被重视了。

但是, 不管从理论上还是实际生产中, 在窑头罩上显示出来的这两个数据都具有非同一般的重要意义。并应该在系统运行时认真地进行控制。

首先, 这个点是整个烧成运行时煤粉燃烧用空气的平衡点。烧成系统煤粉燃烧所需要的空气, 大约93%都要通过窑头罩 (其余的通过喷煤管风机供给) 。当窑头罩压力数据稳定在0~-30Pa时 (要真实数据, 并与窑头罩大小有关) , 就说明通过的空气量是稳定的。这样煤粉燃烧的条件 (过剩空气系数) 就能够保证。

其次, 当这个位置的温度数据高 (最好是大窑头罩的时候≥1150℃) 并稳定时, 系统的用煤量就可以减少。

还有重要的一点是, 这个温度数据是篦冷机性能和熟料急冷效果的一个观测点。当二次风温≥1150℃ (大窑头罩) 说明熟料的急冷效果是好的 (合理检测位置) 。反之则不够好。

所以, 只有这两个数据稳定, 煤粉的燃烧条件和燃烧状况才能够稳定 (其它条件不变时) 。系统的稳定运行才会有保障。反之则很难稳定系统的其他运行参数。并容易使系统出现窑内结圈、预热器结皮堵塞等工艺故障。

中控操作人员稳定这两个参数的能力和水平, 也是评判篦冷机操作的一个重要依据。而篦冷机的篦速、篦床压力, 都应该依此参数的稳定、提高来进行调整。

稳定这个参数的操作, 也将篦冷机供风风机的开度和头排风机的操作关联起来。将煤磨的开停机关联起来。使窑头部分的所有风机全部纳入了一个完整的系统, 来保证系统空气用量的精准稳定。改变了人们原来为了发电而随意调整头排风机的错误做法。也使人们在开停煤磨时要注意增加供风量。

在评价一个中控操作人员的水平时, 能否稳定这两个数据, 并提高二次风温也是一个重要依据。

(3) 喷煤管定位在窑口中心线以上 (0, 10~50) 。

喷煤管定位在窑口中心线以上, 是根据回转窑内传热有三种热交换方式 (传导、对流、辐射) 的原理以及回转窑的长度直径比在10~12 (短窑) 比较合理的原理来确定的。

超低温釉烧成降温速率研究 篇6

近代实验证实,如果冷却速率足够快,即使金属也有可能保持其高温的无定形状态;反之,如果在低于熔点范围内保温足够长时间,则任何网络形成体都能结晶。因此从动力学的观点来看,形成玻璃的关键是熔体的冷却速率。在玻璃的形成动力学讨论中,探讨熔体冷却以避免产生可以探测到的晶体所需要的临界冷却速率(最小冷却速率)对研究玻璃形成规律和制定玻璃的形成工艺是非常重要的。在陶瓷釉行业中,通过改变降温速率来实现对釉层析晶程度的控制,可根据需要生产出结晶釉和透明釉。目前,国内外对生产烧成温度高于1000℃的结晶釉和透明釉的降温工艺已有所研究,而对低于800℃烧成的超低温釉降温工艺的研究几乎没有。本文首次研制出烧成温度低于800℃的釉料配方,为了减少析晶,增加釉面透明度,同时确保良好的釉面质量,对其降温速率进行了初步研究[1,2,3,4,5]。

1 实验

1.1 釉料样品制备

所用的主要原材料以及化学组成见表1

釉料的化学成分见表2:

此釉料配方烧制过程中始熔温度在500℃～600℃,即低于500℃为固相烧结,高于500℃釉料开始出现液态。因此,取800℃～500℃为析晶温度控制区,此温度段内降温速率分别为5℃/min、10℃/min、20℃/min,500℃～25℃,降温速率为5℃/min,分别制备样品进行表征。

1.2 测试表征

采用Panalytical公司的X-射线衍射仪(Cu靶,扫描范围为10°-85°)分析不同降温工艺下釉样品物相组成;采用FEI公司生产的超高分辨率热场发射扫描电子显微镜观测不同降温速率下釉面析晶状况。

2 实验结果与讨论

2.1 表征与分析

2.1.1 不同降温速率釉层XRD表征

图1为不同降温速率下,釉层XRD图谱。a为降温速率5℃/min烧成釉层XRD谱图,图中显示,烧成后釉层在20°～40°内有明显的非晶衍射谷峰,说明釉层处于非晶态,同时在15°～35°之间有Si O2、CaMgSi2O6和CaNa2Al4Si4O16晶体衍射峰出现;b为降温速率10℃/min烧成釉层XRD谱图,和谱图a相似,烧成后釉层在20°～40°内有明显的非晶衍射,且有SiO2、CaMgSi2O6和CaNa2Al4Si4O16晶体衍射峰出现,不同的是与a图相比,b图SiO2衍射峰数目减少且峰强度变弱,而CaNa2Al4Si4O16衍射峰强度增强;c为降温速率20℃/min烧成釉层XRD谱图,图中显示,试样特征衍射峰完全消失,形成了强度较大的非晶态衍射谷包,这说明在烧成后的透明釉样中,基本上已经完全达到非晶态,且在釉料玻璃中,短程有序度较大[6,7,8,9]。

通过对三个谱图对比可以看出,低于熔点范围内,降温速率过缓,晶体有足够的时间析出;而降温急剧,则熔体越过结晶区,为完全非晶态。

2.1.2 不同降温速率釉层SEM表征

图2为采取不同降温速率烧成的釉面SEM表征,放大倍数为5000倍。a图显示,缓冷降温烧成的釉面析出的晶体体积大、数量多,釉层失透;b图显示,急冷降温烧成的釉面残存晶体颗粒小,比较分散,实际看起来釉面平整光洁,透明性好[10,11,12,13]。

2.2 降温析晶机理

釉熔体有两种冷却途径:结晶化和玻璃化,大部分玻璃熔体在冷却时,这两个过程总是不等成都的发生。从热力学观点分析,玻璃态物质总有降低内能向晶态转变的趋势,在一定条件下通过析晶或分相放出能量使其处于低能量稳定状态;从动力学的角度讲,析晶过程分为晶核生长和晶体长大两个过程,熔体冷却是形成玻璃或是析晶,由两个过程的速率决定,即晶核生成速率(成核速率Iv)和晶体生长速率(u)。Iv和u随过冷度的增大均有极大值出现,玻璃的形成,是由于过冷熔体中晶核生成的最大速率对应的温度低于晶体生长最大速率对应的温度所致。因为熔体冷却时,当温度降到晶体生长最大速率时,晶核生成速率很小,只有少量的晶核长大;当熔体继续冷却到晶核生成最大速率时,晶体生长速率则较小,晶核不可能充分长大,最终不能结晶而形成玻璃。因此,晶核生成速率与晶体生长速率的极大值所处的温度相差越小,熔体越易析晶而不易形成玻璃。反之,熔体就越不易析晶而易形成玻璃。如果熔体冷却速率很快时,黏度增加甚大,质点来不及进行有规则排列,晶核形成和晶体生长均难以实现,从而有利于玻璃形成。因此,熔体冷却过程析晶程度与过冷度、黏度、成核速率以及晶体生长速率有关[14]。

陶瓷制品的烧成中,欲使釉层结晶,应在析晶区域内适当保温;若要得到透明釉,则应迅速冷却越过析晶区域,不使晶体析出[14]。

3 不同降温速率对釉面质量的影响

采取不同的降温速率,制备出釉样品,对其表观进行观测,得到表3的数据显示:

从表3中可以看出,800℃～500℃,随降温速率的增加,釉面透明度增加,晶体析出明显减少;500℃～25℃,随降温速率的减少,釉面裂纹减少。这是由于,在熔体玻璃化转变温度至釉料始熔温度之间,冷却速率过缓,熔体有足够的时间转变为晶体析出,急冷则使得熔体越过结晶区,向玻璃态转变的趋势增大;低于釉料始熔温度,熔体冷却速率过快,使得固化后期釉面受热不均,易形成裂纹等缺陷。

4 结论

1)釉熔体玻璃化转变温度至釉料始熔温度之间,降温速率为15～25℃/min,釉面透明度较好。

2)低于釉料始熔温度,降温速率为5～10℃/min,防止釉层固化后期因降温过快受热不均,形成裂纹。

摘要：首次成功烧制出温度低于800℃的透明釉。通过XRD和SEM表征对釉料烧成过程降温速率进行了初步探讨,结果表明,釉熔体玻璃化转变温度至釉料始熔温度之间,降温速率为15～25℃/min,釉面透明度较好,析晶少;低于釉料始熔温度,降温速率为5～10℃/min,釉面受热均匀,不易出现裂纹。

日用陶瓷烧成能耗状况与节能分析 篇7

陶瓷行业是一个高能耗行业,日用陶瓷又因其生产工序多、产品烧成温度较高等原因,产品单位能耗居陶瓷行业之首,是建筑卫生陶瓷的2~5倍。日用陶瓷生产过程的烧成和干燥能耗占日用陶瓷生产总能耗的80%以上,其中烧成工序能耗占50%以上,干燥工序能耗约占20~25%。窑炉是日用陶瓷生产主要耗能设备,近十几年以来,陶瓷窑炉技术的快速发展和窑炉燃料的煤气化,其耗能大幅下降,能源利用率由上世纪80年代的不到20%提高到30%以上,但与国外发达国家陶瓷工业50%左右的能源利用率相比,仍有较大差距。

1 日用陶瓷烧成能耗的状况

1.1 日用陶瓷燃料状况

过去,我国日用陶瓷窑炉燃料种类多样,存在煤、油、气并存的局面。陶瓷窑炉直接燃煤产生严重污染,不符合国家环保政策,各地政府严令禁止。随着国内燃油价格日趋上涨,致使陶瓷企业的窑炉燃油费用在产品成本中占有的比重越来越来大,严重影响了企业的经济效益。陶瓷企业纷纷对燃油窑炉进行技术改造,利用煤气发生炉,将煤转化成煤气取代燃料油。

现在,日用陶瓷窑炉绝大多数燃烧清洁的气体燃料,气体燃料种类有天然气、液化石油气、发生炉煤气、焦炉煤气等。根据相关调查,2006年日用陶瓷窑炉燃料消耗322.6万吨标准煤,其中天然气97.1万吨标准煤,占总能耗的30.1%;液化石油气57.4万吨标准煤,占总能耗的17.8%;发生炉煤气71.9万吨标准煤,占总能耗的22.3%;焦炉煤气37.1万吨标准煤,占总能耗的11.5%;重渣油和柴油19.1万吨标准煤,占总能耗的5.3%;直接燃煤31.6万吨标准煤,占总能耗的9.8%;其他燃料10.3万吨标准煤,占总能耗的3.2%。一些边远分散的小型日用陶瓷企业的仍然直接燃煤,但企业规模小,直接燃煤占燃料总能耗的比重并不高。焦炉煤气的使用主要为景德镇地区。随着国内液化石油气价格上涨,液化石油气在窑炉燃料的比重在不断下降。国家西气东送工程的实现,使天然气在窑炉燃料的比重在逐年提高。

1.2 日用陶瓷窑炉状况

目前,我国的日用陶瓷生产企业基本淘汰了以煤或重油为燃料的传统倒焰窑、马弗式多孔推板窑、老式隧道窑等落后的烧成设备,取而代之的是技术水平比较先进、能耗较低的燃气隧道窑、燃气梭式窑、燃气明焰辊道窑。现代燃气隧道窑烧成带温差也由传统隧道窑的30~50℃下降到10℃,燃气明焰辊道窑烧成带温差更小。大型梭式窑均采用动力燃气烧嘴,10立方米以下的小型梭式窑多采用引射式燃气烧嘴。

燃气明焰日用陶瓷窑炉装烧方式主要有明焰匣装和明焰裸装。以天然气、液化石油气为燃料的窑炉都采用明焰裸装;以发生炉煤气为燃料的窑炉多采用明焰匣装;对以焦炉煤气为燃料的景德镇地区日用陶瓷窑炉,既有明焰裸装,也有明焰匣装,这是因为产品品种和生产企业的认识不同造成的现象。

由于采用清洁的气体燃料,可以进行明焰裸装烧成,使热气体和制品之间直接传热,加上高速烧嘴的使用,燃烧后的高温气体以100~300m/s的速度喷出,促进窑炉内气流循环,强化对流传热,均匀了窑炉温度。所以日用陶瓷烧成周期大幅度缩短,燃气隧道窑一般为20小时左右,燃气梭式窑烧成时间10~15小时,而燃气明焰辊道窑的烧成周期只要3~5小时,与同等产量的燃气隧道窑的1/5。

日用陶瓷烧成工艺呈多样化,传统的为一次烧成工艺,随着产品档次和质量要求的提高,二次烧成工艺采用也很普遍。我国日用陶瓷烧成温度大致为1150~1300℃,有的高档日用硬质瓷烧成温度大在1380℃以上。

1.3 日用陶瓷烧成能耗状况

上世纪90年代开始的窑炉技术改造和窑炉煤气化的快速发展,使日用陶瓷烧成能耗不断降低,已由上世纪80年代的20000~45000k J/kg瓷下降现在的10000~20000k J/kg瓷。日用陶瓷的烧成能耗,我们对国内日用陶瓷主要产瓷区的典型生产企业做了一些调查,并对一些窑炉进行了热平衡测定及计算。江西景德镇某厂燃气隧道窑以城市管道煤气即焦炉煤气为燃料,明焰匣装烧成,烧成能耗14500k J/kg瓷;燃气梭式窑以液化石油气为燃料,明焰裸装烧成,烧成能耗19700k J/kg瓷。广西北流某厂原燃煤隧道窑烧成能耗23800k J/kg瓷,技术改造后以天然气为燃料,烧成能耗降为13400k J/kg瓷;新建的燃气辊道窑的日用陶瓷烧成能耗为11300k J/kg瓷。山东淄博某厂以发生炉煤气为燃料,明焰匣装烧成,燃气隧道窑的烧成能耗13200k J/kg瓷,燃气梭式窑的烧成能耗20500k J/kg瓷。广东潮州日用瓷隧道窑平均能耗约为13000k J/kg瓷,梭式窑平均能耗21000k J/kg瓷,辊道窑约为6700~9200 k J/kg瓷。因为日用陶瓷品种、窑炉燃料、窑炉类型、烧成工艺等诸多因素不同,日用陶瓷烧成能耗范围比较大,平均能耗在13000k J/kg瓷左右。因辊道窑为中空快速烧成窑炉,其传热速度快,烧成周期短,能耗最低。但与建筑陶瓷、卫生陶瓷比较,日用陶瓷烧成能耗还是相对较高。

2 日用陶瓷烧成能耗分析

2.1 窑型方面

辊道窑烧成能耗较低,隧道窑次之,梭式窑较高。辊道窑烧成能耗较低的原因是烧成周期短、窑具耗用少、无窑车热耗,这些大家都有共识。辊道窑单层或低层装烧制品,垫板可以壁薄量轻,窑具/产品的重量比为2∶1左右,窑具热耗占总热耗2.5~4.0%。隧道窑梭式窑高层装烧制品,窑具强度高,支柱用量大,窑具/产品的重量比为2.5~5∶1。

同样作为连续性窑炉,隧道窑较辊道窑热耗高的主要因素之一就是有窑车热耗,传统的隧道窑窑车蓄散热大,在隧道窑的预热带烧成带热平衡中占热支出的25%以上。调查发现近年建造的隧道窑都是轻型窑车,老的隧道窑也纷纷进行窑车轻型化改造,轻型窑车中以轻质耐火砖和耐火纤维做车衬为主流,窑车热耗一般为隧道窑总热耗的10~14%,有的采用全耐火纤维做车衬的窑车热耗可以低到7.6%。某厂隧道窑原来是用耐火混凝土浇注窑车车衬,产品热耗16880k J/kg瓷,进行窑车轻型化改造前后产品热耗14500k J/kg瓷,下降14.1%

作为间歇性式的梭式窑窑体既有散热又有蓄热,提高了其烧成能耗,但现代燃气梭式窑多以容重小、蓄热低、强度高、隔热效果好的轻质耐火材料作为窑体砌筑材料,窑体蓄热大大降低。引射式燃气烧嘴梭式窑安装烧嘴在高温阶段散热严重。梭式窑烧成能耗较高更重要的原因是余热利用低。

2.2 装烧方式

景德镇地区日用陶瓷隧道窑装烧方式既有明焰棚架裸装也有明焰匣装,我们对两条情况基本相同但装烧方式不同的隧道窑进行了热工测定和热平衡分析。一条为明焰匣装隧道窑,窑具是熔融石英匣钵,窑具/产品的重量比为3.7∶1,另一条为明焰棚架裸装隧道窑,窑具是碳化硅棚板,窑具/产品的重量比为4.8∶1。明焰匣装隧道窑的烧成热耗为14280k J/kg瓷,匣钵窑具热耗占预热带烧成带热支出的18.93%;明焰棚架裸装隧道窑的烧成热耗为13750k J/kg瓷,匣钵窑具热耗占预热带烧成带热支出的25.24%,两条隧道窑的窑具热耗相差很大,但单位公斤瓷耗能仅相差3.8%。比较这两条隧道窑,明焰棚架裸烧隧道窑的窑具吸热损失大,但单位产品的热耗还是低,究其原因,明焰裸烧烟气与制品之间直接传热,减小了传热阻热,大大提高了传热速度,从而有利于缩短烧成周期,提高窑炉生产能力,事实也是如此,景德镇地区明焰棚架裸烧隧道窑的推车速度较明焰匣装隧道窑快3~5分钟。景德镇地区隧道窑以烧盘碗碟小件日用陶瓷为主,考虑到明焰匣装的装窑密度相对要大、装车方便、窑具费用低等因素,所以景德镇地区日用陶瓷隧道窑装烧方式上采用明焰匣装的仍较多。

2.3 烧成工艺

日用陶瓷烧成工艺多样化,传统日用陶瓷生产多为一次烧成工艺,随着产品档次和质量要求的提高,二次烧成工艺采用也很普遍。许多新建日用陶瓷企业产品以出口为主,多采用辊道窑二次烧成工艺。辊道窑二次烧成的综合烧成能耗范围为20000-25000k J/kg瓷。

我国日用陶瓷烧成温度大致为1150~1300℃,有的高档日用硬质瓷烧成温度大在1380℃以上。在陶瓷生产中,烧成温度越高,能耗就越高,据热平衡计算,烧成温度从1400℃降低1300℃,单位产品热耗可降低20%;烧成温度从1300℃降低1200℃,单位产品热耗可降低11%以上。福建德化某厂日用陶瓷采用二次烧成工艺,同样两条辊道窑,生产白瓷时1050℃素烧、1360℃釉烧,两窑综合烧成能耗24160k J/kg瓷;生产骨灰瓷时1260℃素烧、1150℃釉烧,两窑综合烧成能耗21330k J/kg瓷,单位产品耗耗降低11.3%,天然气消耗一天减少230立方米,而且烧成时间缩短,产量增加,成本降低。

2.4 余热利用

余热利用高低是衡量陶瓷窑炉是否先进的一个重要标准,陶瓷窑炉的余热包括烟气带走的热量和抽热风带出的热量。据热平衡测定数据显示,日用陶瓷辊道窑、隧道窑烟气带走的热量和抽热风带出的热量占总能耗的60%~75%;梭式窑烟气带走的热量和冷却物料消耗的热量占总能耗的80%以上。辊道窑、隧道窑冷却带抽出的热风主要用于干燥和加热助燃空气,某隧道窑抽出的热风量较大,部分热风用于助燃,热平衡分析可知提高热收入10%,降低燃耗5.8%。由于烟气的性质影响,烟气余热回收率很低,许多隧道窑的烟气直接排空。梭式窑排烟温度,烟气带走的热量占总能耗的40~50%以上,但由于温度和烟气量不稳定,一般大型动力烧嘴梭式窑多采用窑炉本身回收方法,就是在烟道内安装换热器,助燃空气通过换热器与烟气换热,回收烟气余热,余热回收率20~30%。对与小型引射式燃气烧嘴梭式窑,由于窑炉结构、烟气和冷却热量小的因素,余热利用几乎没有。

3 节能措施

影响烧成能耗的因素很多,降低日用陶瓷烧成能耗提高日用陶瓷烧成过程能源利用率的方法和措施也有很多,主要应从优化窑体材料、改善燃烧技术、烧成余热利用、提高窑炉机电设备效率等方面加以研究。

3.1 推广节能型先进窑炉,发展日用陶瓷辊道窑技术

采用新型优质耐火保温材料,窑体耐火保温材料轻质化,窑炉全保温和优化结构;新建日用陶瓷窑炉向连续化、大型化、自动化方向发展;推广轻质耐火材料匣钵、窑具、窑车,采用清洁燃料,实现明焰无匣烧成。

3.2 发展工业窑炉余热利用技术

工业窑炉烟气余热用于空气、燃料及物料的预热及炉外热回收设施,研发日用陶瓷梭式窑余热利用技术,重点解决“双炉”系统梭式窑和梭式窑专用助燃空气预热换热系统。

3.3 发展应用先进高效的燃烧技术及装置

发展应用煤的气化及燃料的富氧助燃技术,应用先进的燃烧控制系统等技术,推广高速烧嘴等先进高效的燃烧技术与燃烧装置;研发、推广蓄热式燃烧器、自身预热烧嘴系列、高速烧嘴系列、平焰烧嘴系列产品。开发组合燃烧单元,炉温自动控制,空燃比控制,炉压控制等系列产品,提高燃烧效率。

3.4 发展、推广高效换热设备和高效机电设备,

开发各种强化换热装置,如碳化硅换热器、陶瓷换热器等高温换热器以及热管等小温差换热器,提高换热效率及余热利用率。

推广节能型通用风机产品,开发新型窑用高效节能风机,如三叶罗茨风机、三元流动叶轮的高效节能风机、可变频的具有恒流量变风压特性的风机等,提高通用风机的效率。推广应用变频调速技术与装置及内反馈斩波调速技术与装置,降低电能消耗。

4 结语

我国是陶瓷生产大国,日用陶瓷烧成能耗较过去已大幅下降,但还有很大节能潜力,了解和认识日用陶瓷烧成能耗状况具有重大的现实意义。日用陶瓷烧成过程的节能应采取综合措施,提高节能效果。

参考文献

[1]刘凯民.日用陶瓷工业的能耗现状和节能技术途径.山东陶瓷,2002(3)

陶瓷烧成添加剂的制备与应用 篇8

据统计中国的能源消耗仅次于美国,但能源利用率却与发达国家的差距很大[1]。在日用陶瓷的生产中,烧成温度越高,烧成时间越长,能耗就越高。传统的高档日用瓷烧成一般都选择在1350℃左右烧成,烧制时间也比较长,能耗较高。

据热平衡计算,烧成温度每降低100℃,则单位产品热耗可降低10%以上;烧成时间每缩短10%,则产量增加10%,热耗降低4%[2]。因此,降低烧成温度意义重大。降低烧成温度不仅能节约原料,也能延长窑具的使用寿命,近年来人们发现改变原料配方或者改变成分含量如用透辉石做原料或者提高原料中熟料氧化铝等的含量可以降低日用瓷烧成温度[3,6]。而通常比较简单的方法是在原料中混入高效的添加剂来改进工艺,在烧成中,添加剂不仅能降低烧成温度,还能提高陶瓷强度、抗热震性等[7]-[15]。

本文选用水解沉淀法[16]利用工业聚合铝和自制活化硅酸生成陶瓷添加剂,并利用XRD、DSC-TG和SEM等手段分析添加剂性能和其在陶瓷生产中的作用。

1 实验

1.1 试验用原料

所用硅酸钠、浓硫酸均为分析纯;所用水为去离子水;所用的聚合氯化铝为工业级优等品。泥料为中温陶瓷坯料,化学组成如表1所示。

1.2 烧成添加剂研制

(1)活化硅酸配制

将Na2Si O3·6H2O配成Si O2含量(质量分数)2.0%的溶液;称取相当于Na2Si O3溶液中Na2O质量的85%的纯H2SO4,并用水稀释至浓度(质量分数)为20%;将稀释后的H2SO4缓缓加入Na2Si O3溶液中,同时加以搅拌;将配制好的溶液在15℃下陈化5小时,随后加入溶液体积3倍的水终止硅酸聚合,得到活化硅酸溶液。反应过程为:

活化硅酸具有四面体状结构,是经羟基桥联和氧基桥联形成阴离子型的无机高分子,带有负电荷。

(2)Al13溶液配制

取工业级聚合氯化铝,加水溶解,配制浓度25wt%的聚合氯化铝溶液,其中铝离子主要Al13的形式存在。

(3)烧成添加剂合成

按莫来石组成定量称取活化硅酸和Al13溶液并混合,反应2小时,静置后分离沉淀,并用去离子水洗涤5次,得到烧成添加剂。

1.3 烧成制度

采用6立方米电脑脉冲自动控制液化石油气梭式窑,还原气氛煅烧。坯体入窑水分:1~3%,烧成温度:1330~1350℃;烧成周期:28小时(从点火至1030℃氧化阶段9小时,1030℃~1350℃还原阶段9小时(其中1350℃保温20分钟),保温后停火自然冷却至室温10小时)。

1.4 性能测试

采用NETZSCH STA449C热分析仪作DSC-TG分析,升温速度10℃/min;使用X射线衍射分析(D/max-ⅢA)进行物相分析;采用ZEISS公司的EVO Special Edition型扫描电镜进行SEM分析。

2 结果与讨论

2.1 烧成添加剂性质

(1)烧成添加剂XRD分析

烧成添加剂的XRD图谱如图1所示。

从图1可见,烧成添加剂为无定形相。

(2)烧成添加剂的热性能

烧成添加剂的DSC-TG曲线图谱如图2所示。

从图2可见,910.4℃有一个明显的放热峰,对应于某种矿物的形成。

(3)烧成添加剂的热变化

将添加剂在910℃煅烧,保温时间为1h,煅烧产物X射线衍射谱如图3示:

由图3可见,烧成添加剂经过910℃煅烧,生成大量的纯莫来石相,且衍射峰强度很高,说明烧成添加剂具有低温形成莫来石的优势,且莫来石结晶完好。

2.2 烧成添加剂应用

将烧成添加剂以外掺的方式引入瓷胎坯料配方,相关试验结果如下。

(1)DSC-TG分析

将烧成添加剂以2%的外掺比例引入坯料配方,其DSC-TG图谱如图5所示:

与图4原坯料相比,添加剂加入使得对应于形成γ-Al2O3的位于998.3℃的放热峰提前至994.6℃,同时位于1169.4℃的吸热峰也提前至1153.9℃,表明添加剂的加入使得烧成过程中的部分反应得以提前进行。

(2)XRD分析

将烧成添加剂以2%、4%的外掺比例引入坯料配方,经1350℃烧成,相应瓷胎的XRD分析图谱如图6所示。

由图6可见,随着烧成添加剂的引入,瓷胎中的石英相消失,同时无定型相增多,莫来石含量增加,并且莫来石衍射强度随着添加剂外掺量的增加而提高,表明烧成添加剂的引入有助于莫来石晶体的形成和生长。

(3)SEM分析

原坯料烧成瓷胎的SEM图谱如图7所示。

由图7(A)可见,大量细小晶体在瓷胎中生成,进一步扩大倍数,由图7(B)可见,生成的莫来石晶体呈针状结构,被玻璃相所包裹,结构均匀致密,针状莫来石粒径在数十纳米左右,长度约为数微米,且相互搭接交联。

外掺2%烧成添加剂配制的坯料,经1350℃烧成,其SEM照片如图8所示。

与图8对比,外掺2%烧成添加剂的瓷胎中针状莫来石的密度增加,尺寸也有所增大。可见,烧成添加剂的引入促进了主晶相莫来石的形成和长大。可见在保证陶瓷显微结构的前提下,可以降低烧成温度,达到节能的目的。

外掺2%烧成添加剂配制的坯料,降低烧成温度至1270℃,烧成周期缩短至25小时,其中从点火至1030℃氧化阶段8小时,1030~1280℃还原阶段7小时(其中1280℃保温20分钟),保温后停火自然冷却至室温10小时。瓷胎的SEM照片如图9所示。

从图9可见,与图8经1350℃、28小时烧成的样品对比,莫来石含量和尺寸均有所下降。但与图7对比,包括晶体含量、形貌和尺寸等,均没有太大变化,可见降低烧成温度80℃,缩短烧成时间3小时,仍能获得满意的显微结构,即烧成添加剂的使用可以实现降低烧成温度、缩短烧成时间的目的。

4 结论

1)采用工业聚合铝和活化硅酸合成的添加剂,经910℃煅烧后即可大量形成莫来石,具有明显的低温优势。

2)将烧成添加剂引入陶瓷坯料中,能够很好地促进莫来石的生成。