大規格陶瓷超薄板的燒成技術*

曾令可 王 慧 程小蘇 李 萍

(1 華南理工大學材料學院 廣州 510640)(2 中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

前言

近幾年來，陶瓷薄板作為一種新興裝飾建材，已逐漸被人們認識。陶瓷薄板是指磚寬度不小于900 mm，厚度不大于6 mm的陶瓷制品，因其外形是板狀，故被稱為陶瓷薄板。在建筑外墻應用方面，薄板由于其質量輕可以減輕建筑物的承重，而且抗滲、抗濕性好，耐熱性強，并且可以抵御惡劣天氣和環境所產生的溫度快速變化的影響，永不褪色，可保持完美的外觀，所以可以替代傳統的建筑裝飾材料，長期保持穩定的高性能。應用在車站，機場，地鐵等公共場所，且陶瓷薄板的鋪貼縫小，美觀大方，表面的硬度極高，壽命長，使用過程中維護成本低，便于清潔，又能節省空間，所以是公共場所的很好選擇。關于大規格陶瓷超薄板已經積累了全面的案例，大型市場工程方面，有景德鎮機場外墻、深圳與南京地鐵、佛山與南京的2條隧道；房地產領域，有萬科、保利、合生創展等知名房地產公司；專業應用市場，較為明顯的是陶瓷薄板醫院工程案例，現在已超過40余個；超高層建筑，有杭州生物科技大樓、包頭國際金融中心等高度超過130 m、應用面積超過12萬m2。如圖1所示為蒙娜麗莎PP板在佛山海八路金融隧道應用。陶瓷薄板化既能解決資源、能源短缺與環境污染難題，又可以發揮建筑陶瓷特性與裝飾優勢，符合當前社會對節能、減排和環保的要求。薄板的成形主要有2種：一種是干法成形，另一種是擠壓成形。在表面性狀上，有上釉的(亞光釉和亮光釉2種)，無釉拋光的和無釉不拋光的。廣東摩德娜科技股份有限公司自主研發的“擠出法一次燒大規格陶瓷薄板”樣品試生產獲得成功。該薄板厚度僅為3～5 mm，規格尺寸達到了1 200 mm×1 800 mm，通過多次壓延成形，經高溫燒成后密度達到2 550 kg/m3，比同樣厚度的干壓陶瓷板密度高，表面耐污性更強；厚度為5 mm時，破壞強度可達到800 N以上，比現有干壓成形薄板強度高[1]。

雖然薄板具有很多的優點，但是由于人們受傳統觀念的影響較大，比如厚的磚比薄板強度就會高，故在薄板的推廣過程中也受到不小的阻力。同時在薄板的生產過程中，工藝的控制，比如原料配方、成形方法和燒成工藝的控制還是個難點，其中燒成過程和窯爐結構是關鍵。筆者針對大規格陶瓷薄板的燒成技術進行探討。

1 窯爐結構要適合大規格超薄板的燒成

1.1 窄斷面窯結構

由于大規格超薄板規格大，寬度1 m左右、長度2～3 m、厚度小于6 mm。故其燒成過程質量控制的難度比一般墻地磚大得多。由于磚薄、傳熱快、燒成時間可縮短，磚面積大而薄更容易變形開裂，故對燒成速度和窯內溫度的均勻性要求更高，目前窯的內寬還是以窄寬為主。如蒙娜麗莎超薄板燒成窯內寬為1.6 m。華窯中信窯爐為內蒙古伊東集團力弘陶瓷有限公司建造薄板燒成窯內寬為1.8 m，由于斷面小，同水平斷面溫差容易解決，故斷面溫差小，燒成質量容易保證。圖2為大規格超薄板燒成后出窯圖，就目前國內的輥道窯設計技術、窯爐結構及燒成技術水平，寬一些的窯也能完全適應大規格超薄板的燒成。

1.2 窯內各帶合理分配

在大規格超薄板的輥道窯設計中，為了適合大規格超薄板的燒成，窯爐上各帶的比例與傳統輥道窯應有所不同，適當調整窯爐各帶(預熱帶、燒成帶、冷卻帶)和各結構段(排煙段、過渡段、下燒嘴段、全燒嘴段、急冷段、前緩冷段、后緩冷段、前終冷段、后終冷段)的長度比例。根據科達機電股份有限公司的專利數據，使預熱帶的長度為窯體總長度的28%～32%。預燒帶包括數個窯段，后部窯段的下部設置有燒嘴，所述燒嘴與預設溫度曲線的燒嘴控制組連接。燒成帶的長度為窯體總長度的13%～17%，燒成帶每個窯段設置8個燒嘴，此燒嘴與調節控制燒嘴發熱量的執行器連接。急冷帶為窯體總長度的5%，適當減少緩冷結構段的長度比例，增加尾冷結構段的長度比例，以便降低窯尾出磚溫度，緩冷抽熱風段和尾冷段的長度為窯爐總長度的35%，回收更多可用于干燥的熱風量。

圖2 大規格超薄板燒成后出窯圖

1.3 燃燒系統及先進預混系統燒嘴的應用

窯爐燃燒系統設備的優化必須適應大規格超薄板，如對窯爐通道尺寸、燒嘴類型、燒嘴功率及燒嘴噴出口徑、風機選型、管徑大小及管路配置方式的優化，調整窯爐各段功能的能力大小，使所設計的窯爐熱工特性更符合不同特性坯體的燒成的需要。

預混系統燒嘴有4大優點：①燃燒器可根據不同燃氣成分改變噴氣板的孔徑，調整鼓風進氣量，可滿足液化石油氣、天然氣、人工煤氣、水煤氣及發生爐煤氣等多種燃氣的燃燒；②燃燒器可改善燃燒條件，利于燃氣的完全燃燒，提高火焰溫度，延長火焰在爐膛中的停留時間；③通過二次空氣補償，可使熱氣流的射程可調，使爐膛溫度均勻；④可有效控制空氣過剩系數，降低排煙溫度，減少熱量的散失，同時還可減少有害氣體(CO、SO2、NOx)的排放量，具有明顯的節能環保效果。如佛山某廠10年前建了一條窯寬3 m的窯爐，不管采用什么手段，均燒不出合格的產品。然而十多年后的今天，還是這條窯爐，采用二次預混燒嘴，完全可以燒制合格產品，不但成品率極高，而且可以節能10%左右。可見，預混式系統燒嘴，也完全可以適用于陶瓷薄板的燒成。

1.4 小輥棒的設置

小輥棒、小間距是對窯爐傳動系統的優化，采用優質小輥棒作為精準密排的傳動系統。比如針對磚坯規格大、薄的特點，窯爐輥棒設計采用直徑為30mm，且相應將輥棒之間的間距減小為15 mm，有效解決了大規格磚坯易變形、開裂的缺點。這也進一步說明寬斷面窯輥棒長、粗，高溫燒成中變形大，輥棒轉動中晃動大，不利于超薄燒成的原因之一。

1.5 窯墻保溫材料的選擇

散熱和蓄熱是窯爐熱損失的主要原因之一，采用性能優良的保溫材料，可以提高窯爐的保溫性能及密封性能，提高熱效率，降低能耗。目前用于窯體保溫材料主要有蛭石制品、膨脹珍珠巖制品、硅藻土制品、玻璃纖維、硅酸鈣纖維、礦渣棉、巖棉、硅酸鋁纖維、莫來石纖維等。這些保溫材料一部分是由于工作溫度低(一般在1 000 ℃以下)，如蛭石制品、珍珠巖制品、硅藻土制品、玻璃纖維；還有一部分是由于保溫性能差，散熱損失大，如礦渣棉、巖棉以及傳統的粘土和耐火磚等均不適合薄板的燒成過程。因此開發特殊超級納米保溫材料，對不同窯體材料進行組配優化，可以使窯爐保溫性能大幅度提高。如納米孔超級絕熱材料二氧化硅的使用，其氣孔率高達80%～99.8%，孔洞典型尺寸為1～100 nm，具有極低的導熱系數。我們利用超輕硬硅鈣石作為基體和納米孔SiO2氣凝膠復合后，常溫常壓下導熱系數為0.023 W/m·K，保溫效果明顯。生產實踐表明，使用該類保溫材料，不但可以大大減薄窯墻厚度，而且可以大大減少窯壁的散熱，節能降耗，取得非常好的性價比。但是目前其制備成本較高，機械強度較低，特別是高溫段使用的絕熱材料產品較稀少，也限制其在窯爐上的應用范圍。

1.6 控制系統的優化

控制系統的優化就是通過窯爐控制系統的優化，比如對窯爐溫度、壓力采集點的優化，對檢測、控制儀表的選型優化，提高窯爐自動控制性能的靈敏度、可靠性；目前輥道窯控制系統大多數還是采用單元數字儀或PLC單點，噴嘴的成組控制，有的還配有管理機，主要用于采集數據、模擬顯示及管理用，基于現場總線的嵌入式控制系統較少，所使用的總線形式主要有基于CAN總線，Profibusf和高速以太網現場總線等幾種。系統的上位機僅負責系統的統籌管理，下位節點完成現場的數據采集和控制嵌入式系統作為控制的下位機芯，具有運算處理能力強、可靠性高、運行穩定、系統可定制和人機界面友好等特征。下位節點的微處理器與總線通信控制器配合具有強大的通信能力，但是現有的總線型控制系統中節點之間仍處于相對信息孤立的狀態，其網絡通信能力沒有得到充分發揮。對于大規格陶瓷薄板來說，由于其本身的特點，其對窯爐內溫度和壓力精確要求程度更高，因此，很有必要對輥道窯控制系統進行進一步升級優化。除了測溫點的準確測量外，有條件時也可以進行壓力點測試、氣氛點測試和控制等。

2 燒成制度應適合大規格超薄板的燒成

大規格薄板采用低溫快燒技術，在素燒時應適當減少冷卻時間及燒嘴的數量，在釉燒時因其體薄而幅面大，平整度的控制是釉燒的關鍵，出窯平整度的標準需考慮入庫后的二次變形。同時考慮不同配方的薄板的燒成，如利用拋光廢渣制造輕質陶瓷薄板，其燒成制度的確定主要依據坯體的發泡過程，在1 000 ℃隨著溫度的升高，坯體發生膨脹，溫度高于1 000 ℃坯體隨著溫度升高而收縮。在1 150～1 200 ℃，坯體又因發泡而膨脹。圖3是厚度為15 mm，容重為1.4 g/cm3的QQ大規格陶瓷薄板的燒成曲線。從圖3可以看出，坯體在980 ℃時有一個氧化保溫階段，為的是保證坯體在比較厚的情況下能開始氧化，避免黑心；當溫度超過1 150 ℃坯體開始膨脹，發泡溫度范圍以及發泡持續時間取決于厚度及容重，厚度越大，容重越小 所需的發泡溫度范圍越寬，發泡持續時間越長。圖4是PP板爐的燒成制度。從圖4可以看出，對于燒成大規格制品，正確的燒成制度和控制好各階段輥棒上限溫度是保證產品不變形的關鍵。

圖3 QQ大規格陶瓷薄板的燒成曲線

圖4 PP板爐的燒成制度

3 燒成窯和干燥窯的協調調節

大規格陶瓷薄板的燒成大多數是與干燥窯配套，而干燥窯的熱源多數來自于燒成窯爐冷卻帶的抽熱風(如圖5所示)。由于板體薄，干燥速度快，故抽熱風量基本上能滿足干燥窯的需要，故干燥窯不用設熱風爐。有些企業為了防止干燥窯前端干燥過快，產生氣泡、開裂等缺陷，還從燒成窯的排煙中把熱濕煙氣鼓入干燥窯頭，以抑制過快的干燥速度及煙氣中的余熱利用，故燒成窯與干燥窯必須協同配合，一定要配置必要的調節手段，保持燒成窯和干燥窯生產技術狀態的相對穩定。①燒成窯爐所有引往干燥窯的管路均配有較小的管徑的放散管，用于再生產過程發生某些波動時將多余的煙氣和熱風直接排除室外，穩定窯壓；②對于地處北方的用戶，仍配備一定熱功率的熱風爐，在冬天作為干燥窯補充熱源，避免為了滿足干燥需要而過多抽取燒成窯熱量，影響燒成窯正常運行；③提高燒成窯的溫度，窯壓自控功能，避免溫度、窯壓波動過大導致燒成、干燥相互影響。

圖5 蒙娜麗莎大規格陶瓷薄板的燒成車間

濕法擠壓成形，坯體含水率高達17%～18%，可進入網帶式干燥器，采用上下加熱、溫濕度自動控制系統，以確保干燥效率和干燥質量。閻蛇民等利用實驗室設備研究了微波干燥超薄磚的工藝過程，得出了有益的啟迪。

圖6為燒成后出窯的薄板。圖7為蒙娜麗莎品牌的國際化戰略：從“我為意大利貼牌”到“意大利為我貼牌”。

圖6 燒成后出窯的薄板 圖7 蒙娜麗莎品牌的國際化戰略

4 展望

大規格陶瓷薄板作為一種新型的裝飾建材，正逐步進入人們的視野。由于其本身的強度高、環保、低碳的特性，將會越來越受到廣大消費者的認可，陶瓷磚薄型化之路，勢在必行！可以確定，通過對窯爐結構的優化及燒成新工藝的改進和推廣，大規格陶瓷薄板的燒成技術越來越完善，燒成質量將會越來越高，陶瓷行業將會為建筑裝飾行業提供更多質優價廉、綠色環保的建材產品。

1 劉西民,魯雅文,等.淺析陶瓷薄板生產工藝.全國性科技核心期刊——陶瓷.2009(6):13～14

2 閻蛇民,苑克興,等.超薄陶瓷磚微波干燥工藝研究.全國性科技核心期刊——陶瓷，2009(8):11～13

3 李萍,曾令可,程小蘇,等.預混式二次燃燒系統的節能減排效果.中國陶瓷工業,2010(4):42～45

4 劉一軍.大規格高強度陶瓷薄板的制備.性能研究及工程應用，2011(8)：15～20