日用陶瓷節能窯具的研究

郭俊平

摘 要：窯具是日用陶瓷生產技術裝備中重要的組成部分，它對陶瓷產品燒成能耗的大小影響較大。本文采用高強度的反應燒結碳化硅材料、優化窯具托燒結構、減少窯具重量等一系列措施，實現降低產品燒成能耗。

關鍵詞：日用瓷；窯具；節能

1 前言

我國日用瓷歷史朽久，享譽海內外，產量在世界上占有很大比例。然而，由于陶瓷是高耗能產業，大規模的陶瓷生產，對節能減排帶來很大壓力，研究陶瓷生產節能減排，對實現十二五節能18%目標意義重大。

在整個陶瓷生產過程中，燒成能耗占綜合能耗的65%以上。對日用瓷而言，由于器型原因，燒成中托燒窯具的重量遠高于產品的重量，加熱時窯具同樣需要吸熱，浪費了大量的熱能。所以，研究、使用輕型窯具，是陶瓷工業節能減排關鍵環節之一。

2 日用瓷托燒窯具的現狀

在日用瓷的生產中，由于各種不同條件，窯具種類繁多，較為常見的有兩種：一種是盒缽；一種是柵板。由于逐漸使用清潔能源，燃氣窯爐數量增多，符合明焰裸燒，所以，主要采用柵板托燒。柵板基本上采用普通燒結碳化硅材料，規格比較集中在370 mm×500 mm×12 mm，支柱材料多為莫來石結合堇青石，規格為40 mm×50 mm×60 mm。日用瓷托燒側視圖如圖1所示，日用瓷托燒正視圖如圖2所示。

因一片碳化硅柵板需3個支柱支撐，通常一片柵板的重量為6 kg，一個支柱重量為0.3 kg，則一片柵板及支柱（一單元）的重量為：

一單元=6kg+（0.3kg×3）=6.9kg

在托燒產品時，由于器形多變，但柵板尺寸固定。所以，柵平面的裝容率都較低。以裝容率較好的其中一種（見圖2）為例，可裝5件6"盤，以常用器形尺寸，盤口直徑為φ153 mm，盤腳直徑為φ75 mm，每件重量約230 g，若空隙位置再放5件小件，每件以100 g計，一片柵板可裝產品重量為：

一單元產品=230g×5+100g×5=1650g=1.65 kg

在裝載過程中，窯具與產品的重量比如下：

窯具重量∶產品重量=6.9kg∶1.65kg=4.18∶1

以上窯具與產品重量比與2008年DB44/591-2009標準數據采集時基本吻合，當時在某一區域采集的數據中，窯具與產品的重量比在3.03～7.22之間，平均為5.41。某公司委托檢測單位對該公司隧道窯進行熱平衡測試數據顯示，24 h出窯窯具重量為39942 kg，出窯產品重量為6624 kg，其窯具與產品的重量比為39942kg∶6624kg=6.03。從各種數據可以看出，當前日用瓷燒成裝載中，窯具的重量遠遠高于產品的重量，對于高溫時碳化硅窯具的比熱容為0.962+1.46×10-4t kJ/kg℃，與陶瓷產品的比熱容0.836+2.6×10-4t kJ/kg℃相近，所以，在加熱到產品的燒成溫度時，單位重量的窯具吸熱量與產品也相近。

3 節能窯具的研究

為了達到節能的目的，在窯爐性能和產品沒有改變的情況下，只要減輕窯具重量，就能達到節能的目的。本文重點分析了日用瓷產品的特點及窯具性能指標。

3.1 日用陶瓷產品

日用陶瓷產品主要有盤、碗、杯、壺，總體都厚度不大，厚的可以達到5～6 mm；薄的只有3～4 mm；盤的高度只有20～40 mm；壺的高度較大可以達到150～200 mm，但不論何種器形，裝載時單一層單位面積的重量都不大，如果以常規的碳化硅柵板托燒，按同等面積計算，其柵板的重量都遠遠高于產品的重量。所以，只要窯具及支撐方法合理，就能滿足產品的托燒要求。

3.2 窯具

當前絕大多數使用的窯具是燒結碳化硅柵板，厚度為12 mm，用耐火支柱支撐于柵板平面的邊緣（見圖2），支點跨度大，燒結碳化硅的高溫抗折強度為56 MPa。理論上，如果選用的材料抗折強度提高至4倍，則柵板厚度可減至倍，因抗折強度與材料厚度的平方成正比；如支點跨度減至倍，則柵板的承重能力提高4倍，因梁的承載能力與支點距離的平方成反比。所以，對新型窯具材料的選用及支撐方法要不斷進行優化設計。

3.3節能窯具的設計

3.3.1窯具材料的選用

窯具材料采用反應燒結碳化硅，其具有顯氣孔率低、密度大、抗氧化性強、強度大（抗彎強度高達280 MPa），相對于普通燒結碳化硅抗折強度（56 MPa）的5倍等優點。由于強度的提高，有利于減少柵板的厚度，常用的燒結碳化硅厚度為12 mm。在本實驗設計中，為了使其可靠性更高，一般選用5 mm的反應燒結碳化硅。

3.3.2支撐結構設計

窯具支撐結構采用柵架式進行設計。窯具支撐柵架式結構側視圖如圖3所示，窯具支撐柵架式結構正視圖如圖4所示。

立柱垂直固定在窯車上，立柱為外寬50 mm×30 mm，壁厚為5 mm，且在寬度為50 mm左右的兩個側面各開有兩排φ15mm孔（見圖5）。孔中心距為25 mm，兩排錯開，即前后排孔中心距為12.5 mm，支承管按產品裝載的高度確定管的中心高，并橫穿在立柱上，支承管長度在550～700 mm之間，外徑為φ13 mm，壁厚為3.5 mm，托板架在支承管上（見圖6），供擺放產品用，托板的長度在450～550 mm之間，視窯車設計而定，托板的寬視陶瓷坯體而定，要略大于坯體底部寬度，讓整個坯體底部能全部放在同一片托板上，但寬度不小于50 mm，托板厚度為5 mm，托板在支承管上的中心距離等于或略大于產品坯體的最大直徑（寬度）。為了讓托板處于最佳的受力狀態，一方面設計了支承管的中心距離在托板長度的55%～60%之間（見圖4），以縮短支撐距離，對比目前燒結碳化硅柵板支承在板的端點上（見圖2），受力距離大為縮短。另一方面，由于托板是架在兩條支承管上，以兩條線支承托板，實現了均勻受力，對比目前燒結碳化硅柵板用點的支撐（見圖2），是集中受力，條件有著明顯的改善。

3.4 窯具重量及產品/窯具重量比

節能窯具設計中，一方面改善了托板的受力條件；另一方面選用了高強度的材料，不僅能夠減薄減輕了窯具的重量，在同等產品裝載的情況下，托板的面積大大縮小，而托板的承重能力反而增強。

在設計中，參照前面常規托燒方法選用的陶瓷產品6"盤（見圖2），確定節能窯具的數據（見圖4），層高為60 mm，立柱規格為50 mm×30 mm×5 mm、支承管為φ13 mm×3.5 mm×590 mm、托板430 mm×85 mm×5 mm。在計算中，由于中間兩立柱為左右共用，所以各分擔一半，且每條立柱在60 mm高度中左右兩側各挖去3個φ15 mm的孔，供穿φ13 mm支承管用，反應燒結碳化硅密度為3.05 g/cm3，每層窯具的重量為：

立柱：[﹙50-5﹚+﹙30-5﹚] ×2×5×60-[﹙15÷2﹚2π×5×﹙3+3﹚] =3670/mm3=36.7cm3/條

36.7×[2+﹙2÷2﹚] ×3.05=336g/層立柱

支承管：﹙13-3.5﹚π×3.5×590=61599mm3=61.6cm3/條

61.6×2×3.05=376g/層支承管

托板：430×85×5=182750mm3=182.8cm3/片

182.8×3×3.05=1673g/層托板

合計窯具=立柱+支承管+托板

=336+376+1673=2385g

每片托板能托燒的產品3件6"盤各230 g，則每層產品重量為：

產品：230g×3件×3片=2070g/層產品

節能窯具的窯具與產品的重量比為：

窯具重量∶產品重量=2385g∶2070g=1.15∶1

4 窯具節能對比分析

從上述計算得知，目前在用的托燒方法窯具重量∶產品重量=4.18∶1，而節能窯具的窯具重量∶產品重量=1.15∶1。由此對比所知，同樣1單位重量的產品，常規的托燒窯具重量是節能窯具重量的3.6倍，節能窯具與產品的重量和是常規窯具與產品的重量和的41.5%，節省了58.5%的重量。由于高溫時碳化硅的比熱容為0.962+1.46×10-4t kJ/kg℃，與陶瓷產品的比熱容為0.836+2.6×10-4t kJ/kg℃相近。所以，當加熱到產品燒成溫度時，在同等重量下，窯具吸收的熱量與產品吸收的熱量相近。以隧道窯為例，按常規托燒方法計算，窯具及產品加熱到燒成溫度時，兩項熱耗相加約占總熱耗的60%，若裝載產品相同，采用節能窯具后，窯具及產品相加的重量節省了58.5%，則節省的熱耗=60%×58.5%=35%。所以，采用節能窯具后，可實現窯具節能達35%。

5 結論

由于日用陶瓷產品高度小，裝載層數多。目前采用的碳化硅柵板托燒，窯具重量與產品重量比多數在4倍以上，窯具在燒成中由于吸熱浪費了大量的能源。采用反應燒結碳化硅的節能窯具，在同等裝載情況下，窯具與產品的重量和可減少58.5%，使產品燒成中吸熱量大大減少。按此比例計算，單位產品的燒成能耗可節省35%。所以，該技術在陶瓷行業中推廣應用，對日用陶瓷生產節能降耗意義重大。