第七章辊道窑的操作与控制

1第七章辊道窑的操作与控制众所周知，烧成是陶瓷工业生产过程的关键工序。不管以何种原料来调配，也不管前道工序多么复杂、多么完善，没有烧成过程，或烧成过程不合理，就不可能得到满足要求的产品。要使制品烧成合乎质量要求，除了要有先进的烧成设备（辊道窑）外，还要有良好的操作控制，才会相得益彰。7.1烧成制度控制的原理与方法7.1.1陶瓷制品在烧成过程中的变化陶瓷制品的烧成过程甚为复杂，无论采用何种烧成工艺（一次或二次烧成），它在烧成过程的各个阶段中均将发生一系列物理化学变化。透彻了解陶瓷制品在烧成过程中的变化，无疑对烧成控制有重大意义。陶瓷制品在烧成过程中的变化随不同的温度阶段各有不同，下面分不同的阶段加以叙述。第一阶段：室温～300℃，此阶段为蒸发阶段，主要是排除机械水和吸附水，坯体不发生化学变化，只发生坯体体积收缩、气孔率增加等物理变化。第二阶段：300～950℃，此阶段为氧化分解阶段，坯体的主要化学变化是结构水的排除、坯体中所含有机物、碳酸盐、硫酸盐等化合物的分解和氧化，以及晶型转变。7.1.1.1分解反应1.结晶水的分解、排除此阶段为坯料中各种粘土原料和其他含水矿物（如滑石、云母等）结构水的排除。结构水的分解、排除温度，取决于原料的矿物组成、结晶程度和升温速度等。例如，高岭石的脱水温度约在400～600℃之间，蒙脱石的脱水温度为600～750℃，伊利石脱水温度为400～600℃，滑石在600℃以上脱水，瓷石在600～700℃之间急剧脱水。2.盐类的分解陶瓷坯料中一般含有碳酸盐、硫酸盐类物质，在此阶段会分解而逸出二氧化碳等气体，使坯体进一步收缩或气孔率增加（如釉面砖）。主要分解反应如下：MgCO3==MgO+CO2（400～900℃）CaCO3==CaO+CO2（850～1050℃）4FeCO3+O2==2Fe2O3+4CO2（800～1000℃）MgCO3·CaCO3==CaO+MgO+2CO2（730～950℃）Fe2(SO3)3==Fe2O3+3SO2（560～750℃）7.1.1.2氧化反应1.碳素及有机物的氧化坯体中的碳素来源于坯釉原料，如我国北方的紫木节土、黑碱石、黑砂虿和南方的黑泥等都含有大量有机物和碳素，还有烧成时烟气中未燃烧的碳粒沉积在坯体表面等。这些物质在加热升温时均发生氧化反应，其反应式为：有机物中C+O2CO2（350℃以上）C（碳素）+O2CO2（约600℃以上）S+O2==SO2（250～920℃）22.铁的硫化物氧化其反应式为：FeS2+O2=FeS+SO2（350～450℃）4FeS+7O2=2Fe2O3+4SO2（500～800℃）7.1.1.3晶型转变1.石英晶型转变石英在陶瓷配方中用量比较多，它在焙烧过程中会发生多种晶型转变，其体积产生较大的变化。在573℃，β-石英迅速地转变为α-石英，体积膨胀0.82％；在867℃，α-石英缓慢地转变为α-鳞石英，体积膨胀14.7％。2.氧化铝的晶型转变第一阶段：坯料中的粘土矿物脱水分解生成的无定形Al2O3，在约950℃时转化为γ-Al2O3。γ-Al2O3是一种反应能力很强的氧化物，在1000℃以上能与SiO2反应生成莫来石晶体，构成制品的骨架结构。第二阶段：950℃～最高烧成温度，此阶段为烧结阶段。由于各种陶瓷制品性质及其所用原料不同，最高烧成温度也不同。主要发生的变化是坯体中的长石类熔剂熔融出现液相，由于液相的产生，在其表面张力的作用下，不仅促使颗粒重新排列紧密，而且使颗粒之间胶结并填充孔隙。由于颗粒曲率半径不同和受压情况不同，促使颗粒间中心距离缩小，坯体逐渐致密。同时，游离Al2O3。与SiO2会在液相中再结晶，形成一种针状的莫来石新晶体，它还能在液相中不断成长，并与部分未被液相熔解的石英及其他成分共同组成坯体的骨架，而玻璃态的液相就填充在这骨架之中，使制品形成较严密的整体。此时，气孔率降低，坯体产生收缩，强度随之增加，从而达到瓷化。第三阶段：即由高温至常温的冷却阶段。此阶段制品中玻璃相粘度增大，并由塑性状态转化为固体状态，硬度和强度增至最大。与此同时，发生石英的晶型转变（573℃）、析晶和物理收缩。因此，冷却速度对陶瓷制品的性能影响很大。7.1.2烧成制度确定的原则合理的烧成制度是实现烧成过程优质、高产、低消耗的关键。烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。温度制度无疑是烧成制度中最重要的。合理的温度制度包括：①各阶段合理的升（降）温速率；②适宜的最高烧成温度及高火保温时间；③窑内断面温度均匀性好（上下、水平温差小）。最高烧成温度主要取决于产品配方，可由同类产品工厂实际中收集数据或根据开发性实验得到的数据来确定。例如，一次烧成瓷质砖：白坯为1200～1250℃，红坯为1140～1180℃；一次烧成彩釉砖：白坯为1160～1200℃，红坯为1100～1160℃；二次烧成釉面砖：素烧为1100～1140℃，釉烧为1020～1030℃（透明釉）或1030～1060℃（乳白釉）。辊道窑多用于焙烧建筑瓷砖，产品厚度一般较薄，且单层焙烧，窑内温场容易保证均匀，因此可快速升温与冷却，属快烧窑。但由于制品的导热热阻，制品表面与中心总会有温差，也就会在制品内部产生热应力，一旦超出一定界限就会使制品产生变形或开裂。我国学者宋嵩对辊道窑面砖快烧过程进行了工艺实验与计算机模拟研究，得出了面砖在烧成过程中最大允许温差（见表7-1）。3表7-1面砖在烧成过程中最大允许温差生坯（升温）温度范围/℃0～500500～700700～1100允许温差/℃9090100熟坯（降温）温度范围/℃1100～650650～300300～0允许温差/℃1001727根据生产实际与计算机模拟，除急冷后段（800～700℃）降温速率要小于80℃/min和缓冷段降温速率要小于30℃/min外，其他阶段升降温速率达到100℃/min都不会超表7-1中的最大允许温差。因此，只要传热能力增加，辊道窑生产建筑瓷砖，缩短烧成时间仍有潜力。但是除了考虑烧成过程热应力的影响外，还要考虑各阶段所进行的物理一化学变化所必需的时间。按前述陶瓷制品烧成过程的变化，以下对各阶段所需时间进行分析。第一阶段：辊道窑焙烧建筑砖类产品。只要坯体入窑水分控制在1％以下，快速升温，坯体不裂。如入窑水分0.5％，窑温度达150～200℃，坯体不裂，坯体中残余水分也能在几分钟内排除。第二阶段：对于辊道窑来说，升温阶段的石英晶型转化并不是一个危险阶段，因为辊道窑温度均匀，石英晶型转换迅速，更重要的是升温阶段制品仍呈细颗粒状，孔隙率较大，体积变化有伸缩余地，故一般不会出现晶型转化而引起的开裂。需要注意的是此阶段一系列氧化分解反应需要足够的时间，且有大量CO2、H2O等气态物质逸出，并应尽量在釉料熔融前顺利排出，以免产生黑心、气泡、针孔等缺陷。由于氧化反应速度一般随温度升高而加快，故在800～950℃时降低升温速率，保证较长时间是可取的。第三阶段：该阶段发生烧结物理一化学变化，需要一定时间（国内一般大于10min）。特别要注意的是为了达到制品内外烧结程度一致，制品釉面平整、光滑，在最高烧成温度下需一定的保温时间。保温时间长短取决于制品尺寸、坯釉配方等，一般为3～6min。第四阶段为制品冷却阶段，冷却前段（即急冷区），由于产品还处于塑性阶段，只要冷却均匀，冷却速率可以达到100℃/min而不致引起制品开裂，但要注意在急冷后期（800～700℃）降温速率要减慢。在冷却中段（即缓冷区），由于产品内液相刚刚凝固，还比较脆弱，再加上573℃左右又有石英的晶型转换，故冷却速率不可超过30℃/min，在石英晶型转化温度范围还应更慢。500℃以后，随着制品强度的增加可以快速冷却（故称快冷区）。确定合理的温度制度除了理论分析（包括计算机模拟）外，由于产品种类、配方干变万化，更多地还要以实验数据为依据，并最终在生产实际中加以调整确定。图7-1为某厂焙烧瓷质砖明焰辊道窑实测的温度曲线图。图7-166m油烧明焰辊道窑实测温度曲线4由于建筑陶瓷大多在氧化气氛下烧成，故气氛制度在辊道窑中较易得到保证。辊道窑属中空窑，窑内气体流动阻力小，据实测每米窑长压降约为1Pa，故辊道窑容易实现在预热带微小负压及成带微小正压霞工作，压力制度步难得到保证，图7-2微某厂66m油烧明焰辊道窑实测的压力曲线。图7-266m油烧明焰辊道窑实测压力曲线7.1.3烧成制度控制的一般方法陶瓷制品的烧成过程，要求在特定的烧成制度下进行。如上所述，通过分析与试验，并在辊道窑实际生产中摸索出一套合理的热工制度。维持这一热工制度的稳定，是辊道窑正常生产的前提。然而在生产实际条件下，影响热工制度稳定的因素很多。窑炉操作人员的任务是，当扰动因素出现或已影响热工制度发生变化时，能够及时地进行操作，使热工制度迅速恢复正常并稳定。这一工作也可借助自动化装置来实现，关于辊道窑的自动控制留待第7.4节讨论，这里着重介绍监测和人工操作控制的一般方法。7.1.3.1温度制度的控制1.温度的监测辊道窑温度的监测，主要依靠沿窑长装在窑顶或窑侧的热电偶所反映的温度数据。必须注意的是：由于传热的影响，热电偶测得的温度，既不是制品温度，也不是窑内气体温度。在预热带，热电偶测得的温度小于烟气温度而大于制品温度，且温度越低差别越大；在烧成带，与预热带类似，但三者温度差别比较小，且热电偶测得的温度较接近制品温度；在冷却带则相反，热电偶测得的温度大于气体温度而小于制品温度。（1）预热带温度的监测：要控制好预热带温度，有效办法是控制好3个关键温度点，即窑头温度点、预热带中部温度点（约500℃处）及预热带末端温度点（约950℃处）。窑头温度过高，易使坯体炸裂；预热带末端温度点的位置，反映坯体预热的效果，并间接反映坯体在烧成带停留的时间；预热带中部温度点则是预热带温度最关键的温度点，控制这个温度点在适当位置意义很大。因若太前，说明窑头升温过急，易在坯体蒸发期造成开裂缺陷；若太后，说明窑头温度偏低，使得预热带后段不得不快速升温，一方面可能在晶型转化处产生坯体炸裂，另一方面使氧化阶段时间减少，容易引起气泡、针孔等氧化不足的缺陷。（2）烧成带温度的监测：烧成带温度的监测，主要是确定烧成带的最高温度和高温区间长度，即制品在高温下停留的时间。烧成带的最高温度是成瓷的最高温度点，它影响到产品的生烧和过烧；高温区间长度，影响到保温时间的长短，从而也影响产品质量。（3）冷却带温度的监测：冷却带应监测急冷后的温度（约800℃处）、冷却带中部温度（约5500℃处）及出窑前温度。急冷后温度点是判断急冷好坏的依据；冷却带中部温度点附近制品发生石英晶型转换（注意：此处热电偶测得的温度比制品温度低），这是制品产生风裂的危险区，其前后温度变化应平缓；出窑前温度则可判断快冷区的效果，同时，出窑温度过高，即使制品在窑内未开裂，出窑后仍可能发生惊裂。2.温度的调控手段（1）预热带温度的调控：辊道窑预热带温度制度一般可通过调节排烟总闸、排烟支闸、安装在预热带的烧嘴等开度来调整。但调节排烟总闸对窑内压力制度影响较大，只有当整个预热带温度偏低（或偏高）时才适当将排烟总闸开度打大（或关小）；利用烟囱排烟的辊道窑，有时天气、季节发生变化时也需要适当调整排烟总闸开度，例如夏季或气压低时也应将排烟总闸开度略微增加。调节排烟支闸，主要是调整各段烟气流量的分配，使之满足各点的温度要求。例如当窑头温度过高时，可将窑头前端排烟支闸关小些、而将末端排烟支闸开大些。但辊道窑排烟系统一般属集中排烟，调节排烟支闸只能对调整预热带前段温度起作用。调整预热带后段温度，还要采取其他辅助调节手段。对明焰辊道窑，可以调节安装在预热带的烧嘴及调温风管，调节窑顶的闸板；对隔焰辊道窑，可以调节靠近预热带的烧嘴或燃烧室的燃烧情况，还可以调节窑顶各排湿孔的开度（这里起排热作用）。（2）烧成带温度的调控：烧成带温度制度主要是控制燃料与助燃空气的供应量及燃料与空气的混合程度，对气烧或油烧辊道窑，就是要控制燃料供应总管的压力、雾化风的压力、助燃风压以及各烧嘴的阀门开度。此外，控制两