天然氣梭式窯的設(shè)計及其燒成龍泉青瓷的研究

尹朋岸，張　鶴，阮萬興，楊　輝，郭興忠，周方武，梅麗玲，梅紅玲

（1. 浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2. 浙江天豐陶瓷有限公司，浙江 龍泉 327000）

天然氣梭式窯的設(shè)計及其燒成龍泉青瓷的研究

尹朋岸1，張鶴1，阮萬興1，楊輝1，郭興忠1，周方武2，梅麗玲2，梅紅玲2

（1. 浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2. 浙江天豐陶瓷有限公司，浙江 龍泉 327000）

以天然氣代替石油液化氣為主要燃料的青瓷燒成天然氣梭式窯，設(shè)計了天然氣梭式窯的窯體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等，并采用該梭式窯進行龍泉青瓷制品的燒成試驗，采用排水法、掃描電子顯微鏡（SEM）和X-射線衍射（XRD）等測試技術(shù)分析了青瓷制品的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的天然氣梭式窯具有較好的減排效果，煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO和CO總濃度降低10%以上；燒成的青瓷制品有較好的綜合力學(xué)性能，抗折強度41.9 MPa，壓縮強度126MPa，維氏硬度4.0GPa，青瓷制品玉質(zhì)感強、色澤青翠，質(zhì)量指標(biāo)達到部頒標(biāo)準(zhǔn)。

龍泉青瓷；梭式窯；天然氣；力學(xué)性能；顯微結(jié)構(gòu)

近年來，國內(nèi)外為提高梭式窯窯爐的熱效率，在窯爐結(jié)構(gòu)、窯具、窯體保溫材料、窯爐余熱利用等方面做了大量工作。也有不少企業(yè)在新原料、新配方和工藝等方面進行了研究，以此來減少能量消耗，降低生產(chǎn)成本。但由于采用了石油液化氣為燃料，盡管上述節(jié)能技術(shù)在一定程度起到節(jié)能的效果，但仍不能從根本上實現(xiàn)液化氣梭式窯能源綜合利用。優(yōu)化燃料構(gòu)成，采用先進燒成技術(shù)，開發(fā)新型節(jié)能型梭式窯已成為龍泉青瓷燒成工藝急需解決的關(guān)鍵共性問題，亟待得到高度重視和極力發(fā)展。本文嘗試以天然氣代替石油液化氣為青瓷燒成梭式窯的主要燃料，通過天然氣梭式窯的窯體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)設(shè)計，開發(fā)出新型的、以天然氣為燃料、高效節(jié)能的青瓷燒成專用梭式窯，并采用該天然氣梭式窯進行龍泉青瓷制品的承燒試驗，分析了天然氣梭式窯的節(jié)能減排效果以及承燒青瓷產(chǎn)品的力學(xué)性能和表觀質(zhì)量。

1　天然氣梭式窯設(shè)計

1.1窯爐構(gòu)成

擬設(shè)計的青瓷天然氣梭式窯，該窯窯長7.31m，窯寬2.18 m，高度 2.76 m。窯內(nèi)僅設(shè)一節(jié)窯車，窯車長度為6.0 m，寬度為0.96 m，高度1.65 m。窯內(nèi)可實現(xiàn)強氧化、弱氧化、中性和弱還原性各種氣氛。整個窯爐主要由窯體鋼構(gòu)架、輕質(zhì)耐火砌體、窯車及窯門、風(fēng)機及管路系統(tǒng)、燃氣供給系統(tǒng)、測量及控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)組成。本窯的主要特點是在窯體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)進行了新的設(shè)計，提高了燃燒效率，減少了煙氣排放。

1.2窯體結(jié)構(gòu)

對天然氣梭式窯的窯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行節(jié)能設(shè)計，窯頂采用懸掛式微弧頂結(jié)構(gòu)，窯門采用單臂連軸旋轉(zhuǎn)式運轉(zhuǎn)機構(gòu)。整窯框架采用方鋼通過嚴(yán)密高精度的焊接，形成組裝式整體結(jié)構(gòu)，外封烤漆彩板，窯襯材料選用高熱阻低蓄熱的輕質(zhì)耐火材料，從而使整個窯體輕型化和節(jié)能化。

1.3燃燒系統(tǒng)

燃料為天然氣，其熱值為8500 kcal/Nm3，每爐（10立方米窯爐）天然氣流量為62 m3，天然氣共同預(yù)熱到350 ℃，進入噴槍。采用外混式噴嘴設(shè)計，整個窯噴嘴數(shù)量50支，窯車底部兩側(cè)各25支，每側(cè)的噴槍平行排列，左右兩側(cè)火焰在窯車兩側(cè)向上噴入爐內(nèi)。采用這種噴嘴布置調(diào)整后，燃料的分散性更好，窯爐內(nèi)部溫度更均勻，燃燒充分，抑制CO的生成。

1.4排煙系統(tǒng)

根據(jù)梭式窯的燃燒特點，設(shè)計新的煙道及余熱回收裝置。采用窯尾排煙方式，在側(cè)墻支煙道均設(shè)有閘板，窯內(nèi)橫向壓力和縱向壓力均可調(diào)節(jié)。采用耐高溫、耐腐蝕的高效陶瓷熱交換器，降低煙氣溫度，將煙氣中的熱量轉(zhuǎn)化成清潔的熱風(fēng)供天然氣助燃、坯體干燥、窯具預(yù)熱等，實現(xiàn)天然氣梭式窯余熱回收利用。

圖1　新型節(jié)能型天然氣梭式外觀及窯內(nèi)照片F(xiàn)ig.1 Photos of outside and inside of new energy-saving natural gas shuttle kiln

1.5減排效果分析

集成天然氣梭式窯的窯體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等設(shè)計，設(shè)計制造出新型節(jié)能型天然氣梭式窯，裝置的外觀和窯內(nèi)如圖1所示。與普通梭式窯進行相比，天然氣梭式窯的煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO和CO總濃度降低10%以上，取得了預(yù)期節(jié)能減排效果。

2　青瓷制品燒成試驗

2.1試驗內(nèi)容

采用浙江天豐陶瓷有限公司生產(chǎn)用胎體坯料制漿，采用石膏模型和傳統(tǒng)手工工藝成型為20×20×100 mm的樣條以及5×100×100 mm的青瓷片，干燥和800℃素?zé)笫┣嘤裕缓笤谔烊粴馑笫礁G中進行燒成。燒成溫度為1260-1280 ℃，燒制時間10-12 h，制備出供測試的青瓷樣條（如圖2所示）。采用排水法測試青瓷制品的密度。采用電子萬能實驗機（CMT520）測試青瓷制品的彎曲強度和壓縮強度。采用維氏硬度計測試青瓷制品的維氏硬度。采用國標(biāo)GB/T 3810.7-2006測試青瓷制品的耐磨性能。采用掃描電子顯微鏡（ZEISS ULTRO 55）觀察青瓷制品的微觀形貌。采用能譜儀（Bruker Nano XFlash Detector 5010）進行表面和斷面能譜分析。采用理學(xué)Rigaku.D/Max-RA型X射線衍射儀對青瓷制品進行分析，測試條件為：Cu-Kα射線，工作電壓40 kV，工作電流80 mA，2θ范圍為10-80° ，掃描速度為4° /min，步寬為0.02° 。

圖2　青瓷樣條和片狀的實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of celadon samples

2.2力學(xué)性能

表1是青瓷制品的力學(xué)性能，青瓷制品的體積密度為2.36 g/cm3，并有著較高的彎曲強度與壓縮強度。其中彎曲強度為41.9 MPa，壓縮強度為126 MPa，這是由于莫來石增強導(dǎo)致的。青瓷在高溫?zé)蓵r，瓷坯內(nèi)形成大量的針狀莫來石晶體，針狀莫來石相互形成網(wǎng)狀增加坯體強度。維氏硬度為4.0 GPa，耐磨性能根據(jù)GB/T3810.14耐磨性分級為3級1500轉(zhuǎn)，在裝飾陶瓷中處于耐磨性能優(yōu)良級別。

表1　青瓷制品的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of celadon sample

表2 青瓷制品坯體與釉層元素含量Tab.2 Element amounts of Celadon blank and glaze

2.3顯微結(jié)構(gòu)

圖3和圖4顯示了青瓷胎層和釉層的成分組成。從圖3中看出，青瓷產(chǎn)品的胎體顯微結(jié)構(gòu)為晶態(tài)，燒結(jié)較為致密，孔隙較少，從而在燒結(jié)過程中有較高的彎曲強度與壓縮強度。其中O、Si含量較高，Al含量次之，Ca、K、Na、Fe元素含量較低。從圖4中可以看出，釉料相對于坯體顯得更為致密，并且存在大量的氣泡，這些氣泡的存在使得青瓷釉面看上去更為生動。釉層為非晶態(tài)，元素中Si、O含量較高，其次是Ca，Al、K含量較少。

2.4XRD分析

圖5中（a）和（b）分別是青瓷在1260-1280 ℃下燒成的釉層和胎層的物相組成。從圖5中看出，青瓷產(chǎn)品胎體組成主要為莫來石相和石英相，其中莫來石相主要由胎體中氧化鋁與二氧化硅在高溫反應(yīng)燒結(jié)而成，莫來石相可以增強青瓷的力學(xué)性能。而釉層基本為無定形的玻璃相。

2.5制品質(zhì)量

燒制產(chǎn)品經(jīng)北京國家建筑材料測試中心檢測，檢測結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，按GB/T3532-2009，GB/T3534-2002，GB/T3298-2008，GB/T3299-2011，GB/T14506.28-2011，GB/T1503-2011測定，天然氣梭式窯燒成青瓷制品的外觀質(zhì)量、鉛溶出量、熱穩(wěn)定性、吸水率等結(jié)果證明符合GB12651-2003、GB/T13522-2008、GB/ T3522-2009《日用瓷器》一等品規(guī)定。

圖3　坯體SEM圖譜及能譜Fig.3 SEM micrograph and EDS of blank

圖4　釉層SEM圖譜及能譜Fig.4 SEM micrograph and EDS of glaze

表3　青瓷制品的檢測結(jié)果Tab.3 Test results of celadon products

圖5　青瓷釉層與胎層XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of celadon glaze and blank

3　結(jié)　論

采用天然氣替代液化氣的梭式窯，并對窯體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)進行了新的設(shè)計，該窯的燒成溫度和氣氛均能滿足工藝要求并提高了燃燒效率，煙氣的排出量降低10%以上，煙氣中NO 和CO總濃度降低10%以上。采用該梭式窯燒制青瓷制品，燒成的青瓷坯體較為致密，有較好的綜合力學(xué)性能，其中抗折強度41.9 MPa，壓縮強度126 MPa，維氏硬度4.0 GPa，質(zhì)量指標(biāo)達到部頒標(biāo)準(zhǔn)。

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Design and Application of Natural Gas Shuttle Kiln for Firing Longquan Celadon

YIN Pengan1， ZHANG He1， RUAN Wanxing1， YANG Hui1， GUO Xingzhong1， ZHOU Fangwu2，MEI Liling2， MEI Hongling2
（1. School of Materials Science and Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， Zhejiang， China； 2. Zhejiang Tianfeng Ceramics Limited Company， Longquan 327000， Zhejiang， China）

Natural gas shuttle kiln which is used for sintering celadon has been designed by replacing liquefed petroleum gas with natural gas， and the kiln body structure， combustion system， smoke exhaust system of the shuttle kiln are designed. The sintering experiment of Longquan celadon using the shuttle kiln is also conducted， and the mechanical properties and microstructure are analyzed by using Archimedes method， SEM， XRD and other technologies. The results show that the designed natural gas shuttle kiln has a great effect on reducing emissions. The discharge amount of fue gas was reduced by more than 10%， and the total concentration of NO and CO in fue gas decreased by more than 10%. And the celadon has great mechanical properties， with the bending strength of 41.9 MPa， the compressive strength of 126 MPa and Vickers hardness of 4.0 GPa. Celadon has great jade texture and green color. Its quality and index reach the ministerial standard.

Longquan celadon； shuttle kiln； natural gas； mechanical properties； microstructure

0　引　言

龍泉青瓷是我國歷史最早的瓷器品種，是中國陶瓷史上重要的名瓷之一。其以釉色青如玉、工藝精湛獨特、燒制年代久遠、窯址分布廣和外銷范圍大而著稱，具有極高的藝術(shù)水準(zhǔn)和文化研究價值，被譽為我國珍貴的歷史文化瑰寶。目前，龍泉青瓷產(chǎn)品主要采用間歇式的梭式窯生產(chǎn)。梭式窯是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代間歇式窯爐之一，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、勞動條件好，投資小，適合多品種、小批量生產(chǎn)，已成為龍泉青瓷理想的燒成設(shè)備。但由于梭式窯是采取間歇燒成，大部分使用價格較高的高級燃料——石油液化氣為燃料。能源成本占很大比例，而且梭式窯爐的燃燒效率低，窯爐的蓄熱損失和散熱損失大，煙氣溫度高，有的達到800-900 ℃。煙氣帶走的熱量較高，煙氣余熱利用沒有得到足夠的重視，熱損失高達40%以上。這不僅是巨大的能源浪費，而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還增加了制造成本，已極大制約著龍泉青瓷產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及整體青瓷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，提高梭式窯能源綜合利用已成為龍泉青瓷產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排和健康發(fā)展的必經(jīng)之路。

date：2016-06-05.Revised date： 2016-06-08.

TQ174.6+5

A

1006-2874（2016）04-0001-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.001

2016-06-05。

2016-06-08。

浙江省重大科技專項重點工業(yè)項目 （2014NM006）。

通信聯(lián)系人：郭興忠，男，副教授。

Correspondent author：GUO Xingzhong， male， Associate Professor.

E-mail：gxzh_zju@163.com