談微晶玻璃熔爐的烤窯工藝

摘要 文章針對微晶玻璃熔爐烤窯過程中出現的問題，提出熱風烤窯的工藝方法，對熱風烤窯的過程管理也進行了詳盡的說明。

關鍵詞 微晶玻璃，熔爐，熱風爐，烘烤，過大火，過程管理

1前 言

2006年3月，佛山市南海某微晶板材公司28m2微晶玻璃熔爐在烤窯時采用明火焰直接燒烤法烤窯。由于柴油著火點高，造成明火焰溫度高，所以既無法控制低溫區內升溫的速度，又無法控制溫度的均勻性。結果點火后3h燃燒室內溫度就達到600℃，從而造成窯體耐火材料急劇膨脹，尤其是燃燒室胸墻及碹頂的硅磚急劇膨脹造成拉桿和拉條彎曲、燃燒室胸墻及碹頂出現裂縫、部分硅磚出現爆裂及碹頂出現掉磚的情況。倘若情況發現不及時，將會出現窯體坍塌、整體報廢甚至發生火災和人員傷亡的重大安全事故。

雖然該事故挽救及時，沒釀成重大事故，但從該窯的使用情況看，損失依然非常慘重。首先是窯體三磚（指硅磚、鎂磚和電熔鋯剛玉磚）的嚴重損壞；其次是由于這些磚的嚴重損壞干擾了投料、出料、保溫、蓄熱及抽煙功能的正常運作，從而造成產量低、質量差、能源浪費嚴重和維修費用高等問題；再者就是造成熔爐壽命的減退和潛在安全事故的隱患。該窯投產后出現的生產問題如表1所示。

該窯在投產后，由于不堪背負表中所述日益嚴重的問題，于2006年8月份停產大修，10月筆者對該窯制定了烤窯的方案和計劃。本文主要談一下烤窯的工藝技術和過程管理。

2 烤窯工藝技術的制定

2.1 烤窯溫度曲線的設計

在充分考慮各種因素的情況下，筆者制定出如圖1所示的烤窯作業溫度曲線圖和表2所示的工藝參數。

2.2 夾具的調節方法

夾具其實就是窯體結構中鋼結構中的一部分，它由次梁、立柱、碹渣鋼、拉條和頂桿等組成。在升溫過程中硅質大碹受熱膨脹，由于大碹水平推力的增加，推動立柱鋼和碹渣鋼外移，從而需要相應地調節拉條和頂桿。保證大碹膨脹的均勻性是夾具調節的根本目的，大碹的均勻膨脹保證了碹角和大碹弧度的恒定，其實大碹是由一些斧頭磚組成的，所有這些斧頭磚均勻一致膨脹才能保證整個大碹的均勻膨脹。大碹的膨脹首先表現的是整個弧的膨脹，反應到水平方向上的膨脹應通過調整立柱上的拉條或頂桿來調節。由于立柱與次梁的點接觸并不能使立柱整體水平外移，所以立柱鋼會與垂直線形成一定的角度，造成拉條與拉條以下的頂桿的調節量并不一致。拉條及頂桿的調節量如果不計算鋼立柱出現的彈性變形的影響，其調節量應與弧膨脹量及股膨脹量成正比，股膨脹量可通過安裝在大碹中心處的膨脹尺來檢測，而股膨脹的均勻性可通過安裝在偏離大碹中心的某角度處的膨脹尺來觀測。有經驗的師傅還可通過來敲打拉條發出的聲音來判斷調節量和是否調節到位。松拉條量△S與大碹碹股增量△f在理論上存在以下關系：

S1=f1tgθ/2， S2=f2tgθ/2 (1)

△S=S2-S1=(f2-f1)tgθ/2

=(f2-f1)·S1/f1=△f·S1/f1(2)

式中：

S1——膨脹前的大碹跨度（mm）

S2——膨脹后的大碹跨度（㎜）

f1——膨脹前的大碹股高（㎜）

f2——膨脹后的大碹股高（㎜）

大碹的股跨比不變，其股增量△f與跨增量△S之比也不變，而松拉條量應該與跨增量相等。大碹的股增量△f可通過大碹中心處的膨脹尺和與之對應的固定于拉條上的指針來測視。

盡管說烤窯過程中有了膨脹尺和股跨比作為拉條和頂桿調節的有力依據，但是在生產實踐中仍有許多技術和經驗值得注意，否則稍有不慎同樣可以釀成重大損失：

（1） 烤窯前要對拉條、絲帽和絲桿進行修正，發現拉條變形要校正，粗細材質質量不一致要更換，絲帽和絲桿有損傷的也要更換并且用高溫油脂潤滑保護。方向相同工作主體相同的拉條需在同一水平面上，不在同一水平面上的拉條要進行校正調整。校正維修過的拉條、頂桿重新裝配后需記錄每根拉條的間距并做好標記。安裝膨脹標尺、指針要確保主標尺在大碹中心且不會出現松動情況。

（2） 在升溫時，在0→120℃木材烘干階段，主要是烤水分，干燥收縮與硅磚的微膨脹基本相當，此階段一般不忙于松夾具，要根據爐體情況盡量多烤幾天；120→200℃為點熱風爐的緩沖階段，一般情況是熱風爐點燃后30min就可能升到160→200℃，此階段來不及松夾具也不必要松夾具，一般至碹股增量20㎜才開始松夾具；200→810℃為烤窯的危險期，保溫時間應不少于120h，且松拉條和頂桿的時間間隔要盡量縮短即堅持勤松少松的原則； 810→1290℃為過渡期，此時仍有部分石英在完成晶型轉變，松夾具的間隔時間可長一些；1290→1470℃可根據具體情況來處理，一般不需要松夾具。正常投料三天后待大碹股回落5mm后方可進行熱保和緊夾具。

（3） 夾具的松緊工具一般為管鉗加套管，有些頂桿可用板手加套管。在立柱拉條絲桿外端應有角度計和指針標記，還要記錄絲桿的位置，每次松夾具時可用游標卡尺測量每次的△S值并與理論△S對照。松緊夾具時一定要保護好絲桿的絲紋并且及時對絲帽注油。

2.3熱風爐的制作

熱風爐是快速烤窯的關鍵設備，筆者所設計的熱風爐由調溫風系統、冷卻風系統、霧化風系統、助燃風系統、柴油路系統、柴油槍系統和熱風爐膛等組成。熱風爐如圖2所示，耐熱不銹鋼爐內膽5開有小孔11，這有助于均勻調溫，溫度可通過蝶閥15來調節，柴油槍通過后部的法蘭盤連接。柴油槍由槍套、槍心和噴油嘴組成，常用油嘴有1.0mm、1.5mm、2.0mm及2.5mm的規格，隨溫度升高可更換大孔徑油嘴。

2.4 窯體的保溫方法

窯體的保溫可分為：熱保和冷保、臨時保和長期保。熱保和冷保一般指大碹保溫，大碹熱保即大碹工作穩定后采取的保溫措施，冷保是在烤窯前采取的保溫措施。熱保和冷保都有優點，但也都有缺點，冷保有助于大碹硅磚的均勻膨脹，但不利于觀察大碹膨脹情況，也不利于保溫層的穩定，保溫效果相對較差；熱保是在大碹膨脹穩定后的保溫，因此保溫效果好、結構層密封好且利于觀察窯體膨脹情況，但熱保對烤窯期內的碹頂硅磚的均勻膨脹不利。臨時保溫是在烤窯期內的臨時保溫措施，主要針對一些散熱比較嚴重的部位如熔池電熔磚、燒嘴磚、前后山墻及溫度壓力氣氛液面測試孔或其它由于工作所需必須臨時密封保溫部位的保溫措施，這些部位在達到一定溫度或工作階段后將不再需保溫。長期保溫是窯體在工作區間內甚至是作為窯體結構部件一部分的保溫措施或設施，主要是指蓄熱室、小爐、燃燒室、熔池及工作部的密封保溫設施。筆者主要論述烤窯期前后的保溫措施和方法，具體的保溫技術如下：

（1） 大碹頂保溫采用臨時保溫和熱保相結合的方法，不再按傳統熱?；蚶浔５膯我环椒āＴ诳靖G至200℃時對碹頂采用硅酸鋁纖維毯進行臨時保溫，硅酸鋁毯的厚度為100mm，待投料生產正常后再去除纖維毯進行熱保。熱保時要一邊去除纖維毯一邊熱保，動作要快，熱保采用50mm石英砂＋100mm輕質硅磚＋200mm輕質粘土磚的工藝。

（2） 熔池及工作部電熔磚的臨時保溫采用50㎜硅酸鋁纖維毯＋230mm輕質粘土磚，測試液面的耳池采用50mm多晶莫來石纖維板＋100㎜鋯纖維卷毯保溫，加料口、出料口、溫度測試孔、窺視孔及燒嘴用500mm鋯纖維卷毯塞實。

2.5 窯內變量的測控方法

微晶玻璃熔爐需要測控的變量有：溫度、壓力、液面和氣氛，其中前三者為物理量，后者為化學量。檢測溫度的儀器有雙金屬溫度計和各系列熱電偶，檢測壓力的儀器為U型微壓計，液面的檢測一般用氣壓檢測儀或激光檢測儀。壓力式檢測比激光檢測精確度高（氣壓±0.5㎜，激光±1㎜），儀器價格僅是激光檢測儀的一半，但氣壓檢測儀需要耳池，而且與氣源的穩定性也有關，考慮到微晶玻璃料性和節能的要求，且耳池的投入比測試孔要多，一般選用激光檢測儀。氣氛的檢測一般用奧氏氣體分析儀，取氣位置在煙囪取尾氣口處，通過測試尾氣中的CO2、CO和O2值來確定氣氛和燃燒情況。對于溫度的檢測，筆者認為0～500℃用雙金屬溫度計，500～1200℃用S型熱電偶，1200～1600℃用B型熱電偶，溫度計的更換要做好預熱準備，筆者建議用鋯質纖維毯卷好熱電偶陶瓷管放于碹頂的臨時保溫纖維棉內并保持4h以上，更換時用預熱過的硅酸鋁纖維棉包住正在使用的熱電偶并慢慢抽出，然后將陶瓷管塞進碹頂的纖維棉內慢慢冷卻，將預熱過的熱電偶連同包裹的纖維棉慢慢塞進測試孔內并固定。

3烤窯升溫作業的過程管理

熱風烤窯作業的過程管理其根本目的就是組織員工按時、按質、按量完成烤窯作業計劃任務，并在執行過程中，在保證安全作業的前提下，盡最大可能地提高作業效率、節約物資、減少能源消耗，并為以后的生產作業提供設備安全保障。

生產車間管理所追求的不只是車間環境的外觀，關鍵是對作業現場在控狀態下可能出現的一切事件要有預見性、計劃性，保持作業穩定的秩序。筆者認為針對烤窯作業的特殊需要，生產車間管理的開展應包括以下四點：

(1) 動態物料管理：主要指烤窯作業過程中發生的消耗動態物件(如木材、柴油、重油、耐火纖維散棉、耐火纖維卷毯、硅質耐火保溫磚、粘土質保溫磚、石棉手套、石棉布、高溫作業勞保用品、壓縮空氣等)。在烤窯作業前期應由車間主任制定材料使用計劃草案，并由廠長或總工根據以前的使用情況確定材料的使用方案，再由倉庫審核經理審察并確定采購計劃，采購物料應由技術部門、生產車間和倉庫驗收合格后方可入倉待用，對于動態物資的管理使用應做到專人管理、專材專用。

(2) 固定物件管理：指烤窯作業區內相對固定在某個工序或崗位上物件的使用管理(如生產設備、生產工具、各種安全或其它行為約束的標識、標牌、標語、各種生產報表、各種干粉滅火器、熱風爐及各系列柴油噴嘴、風機、閥門、管道、儀表、各種工具等)。對于固定物件的管理，要做到定期檢查、定期校驗、定期維修保養和生產試車作業的有效管理。

(3) 車間環境管理：指對生產車間各單位或個人所占用工作責任區域的管理，包括作業區、道路以及相關的環境設施等。對于車間的環境管理，要按照5S管理原則來管理。

(4) 車間人員管理：指對從事烤窯作業人員的組織管理，包括生產工人、非生產工人、施工人員、車間管理干部等。

4結果與討論

烤窯工藝的設計要考慮六大因素：耐火材料、爐體結構、熱風爐的結構、熱風爐的布局、燃料情況及其它工序（點火、清洗燒嘴、更換燒嘴噴頭、過大火等）的要求。

4.1 耐火材料的晶形轉變和顯微結構對烤窯作業的影響

在考慮耐火材料時除主要抓住SiO2、MgO和ZrO2相變規律和收縮膨脹規律外，還要考慮耐火材料的顯微結構。例如AZS搗打料及磚中的ZrO2從室溫到1170℃為單斜結構，1170～2370℃為四方結構。這兩種結構的氧化鋯，比重分別為5.68和6.10。可見溫度越高，比重越大。因此， 在1170℃附近緩慢升溫既是保證搗打料燒結的最好條件，又是鋯質耐火材料保證質量的前提，否則一旦出現急劇降溫將出現鋯質磚爆裂或開裂，這也是過大火溫度必須低于1050℃的理論依據之一。此外，AZS磚中20%左右的玻璃相及再結合AZS磚中玻璃相的增加，以及莫來石晶相的出現也是影響升降溫作業的重要原因，實踐證明，玻璃相或莫來石每提高一個百分點升降速度就要降低2℃/h，同時電熔磚的使用壽命也將大大縮短。

硅磚中石英晶相的轉變關系和硅磚的顯微結構是影響溫度區線設計的至關重要的因素，通常所生產的硅磚其物相組成大致如下：

磷石英晶體：20～80%，亞穩方石英：10～50%，殘余石英：0～35%，玻璃相：4～15%

硅磚的燒成一般在1450℃以下，溫度越低其殘余石英越多；雜質越多，玻璃相越多。玻璃相和殘余石英顆粒是影響硅質耐火材料質量的重要因素，同時也是影響烤窯作業溫度曲線設計和熔爐使用壽命的重要因素。硅磚的物相組成與石英砂的質量、雜質成份數量、助劑成份比例、耐火材料生產工藝、倉儲情況以及新舊磚等都有關系。硅磚升溫時的晶形轉變如下：

γ磷石英（117℃）→β磷石英(163℃)→亞穩磷石英(870℃)→α磷石英；

β石英(573℃)→α石英(870℃)→α磷石英 (1470℃)→α方石英；

β方石英(230℃)→亞穩方石英(1470℃)→α方石英。

其中殘余石英的晶形轉變、磷石英的低溫相變以及玻璃相的物理化學變化決定了烤窯溫度曲線的設計。此外，舊硅磚的使用歷史和顯微結構與新硅磚的不同也給烤窯作業溫度的設計提出了新的課題。

鎂磚是堿性磚，主晶相為方鎂石，其優點是抗堿性侵蝕能力強，缺點是熱膨脹系數高和易水化膨脹，但電熔鎂磚水化膨脹問題可得到改善。鎂砂的純度、鎂砂的雜質種類和數量、鎂磚的生產工藝及鎂磚的顯微結構均會影響鎂磚的質量和烤窯工藝。鎂、硅及鈣易形成低共熔點玻璃相，低共熔物膨脹系數極高，容易從母體耐火材料上剝落下來。筆者認為鎂磚與硅磚之間合理設置過渡磚可以減少硅鎂磚之間低共熔物的形成，微負壓烤作業保證了水份從煙道和煙囪中排出，避免了水對鎂磚的反應。

4.2 爐體結構對烤窯作業的影響

在考慮熔爐的爐體結構時主要考慮熔爐大碹的股高和跨度、熔池的熔化面積和長寬比、蓄熱室的換熱面積及三磚比、小爐噴火口面積及噴火口角度等因素。熔爐大碹的股高和跨度是烤窯作業的關鍵參數，小爐是熔爐節能的最直接因素，也是影響熔爐熱態工況分布的最根本保證點。一個熔爐不管其它結構設計怎么好，一旦小爐設計不合理就總是存在熱態工況分布不均勻、浪費能源的情況。在烤窯作業前應認真對窯體結構及附屬鋼結構進行檢查，做到“去”、“封”、“掃”、“?！保慈コ绊懜G體正常膨脹的任何障礙，做到對碹頂膨脹縫、窺火孔、燒嘴磚及窯溫窯壓測試孔的密封，做到對蓄熱室格子體、小爐腔內的粉塵和余物及熔池內的玻璃、耐火磚泥的清掃，做到對碹腰、前后山墻等需要臨時保溫部位的保溫。

4.3 熱風爐布局對烤窯作業的影響

熱風爐烤窯是一種新型的烤窯技術，它是利用氣態燃料或輕油燃料在爐體內產生熱空氣，并且可通過燃氣管的蝶閥或油管的蝶閥、主風管、助燃風管及參冷風管的蝶閥及不同孔徑的噴油嘴或噴氣嘴來調節風量和溫度，由于熱風烤窯燃燒火焰不與爐體直接接觸，可有效避免爐體因局部急速升溫而爆裂，可對爐體進行均勻烘烤。熱風爐的布置要避免熱風與爐體耐材接觸，也要避免熱風爐噴出的熱風相互沖撞，對于分別具有兩個加料口和出料口的28m2微晶玻璃熔爐，熱風爐最好設置于出料口處，且兩個熱風爐作向心俯視5°的布置。熱風經過燃燒室、小爐、蓄熱室和煙道從煙囪排除。

4.4 燃料及燃料更換對烤窯作業的影響

燃料的種類和性質對熱風爐的燃燒狀況以及烤窯工作曲線都有影響。木材烤窯在微晶玻璃熔料出料口進行，左右煙道閘板均設有10cm左右寬度，而且雙出料口設有兩個烤窯點；熱風爐烤窯一般在投料口進行，雙加料口設有兩臺熱風爐，熱風溫度和風量可通過調節燒嘴孔徑、柴油流量、助燃風量、摻冷風量來實現調控。在木材換柴油熱風爐時和柴油熱風爐換過大火時，都必須使新燃料系統燃燒正常后，方可對原燃燒系統熄火和進行保溫及提升出料口作業，如果能做到這一點，燃料及燃料更換對烤窯作業的影響幾乎很小。

參考文獻

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