節能框架式窯具在陶瓷燒成中的應用

林佳 郭喜斌

摘 要：現代陶瓷燒成過程中主要采用隧道窯、輥道窯、梭式窯、電窯等，此類窯具性能和質量的好壞，會直接影響到其能耗與產品合格率。當前，正值陶瓷行業高質量發展之際，生產企業應結合高質量建設與高水準生產目標持續提高對節能框架式窯具的研發設計及推廣應用。本次研究中概述了節能框架式窯具的結構和特點，剖析了其在陶瓷燒成中的應用優勢，并對其在日用陶瓷、衛生陶瓷、其他陶瓷燒成中的具體應用進行了探討。

關鍵詞：節能框架式窯具；陶瓷燒成；應用

1 前言

改革開放四十多年來，我國陶瓷行業獲得了高速發展，企業數量超過了3600家，工業總產值已達8000多億元。近幾年隨著統一大市場的建成，此類企業在國際市場－國內市場雙循環和雙流通新發展格局下，根據行業“定價權”“供應鏈”競爭等實際情況，普遍擴大了生產規模，也增加了能耗。因而，在新時期中國式現代化改革過程中，此類企業應結合高質量發展主題持續加強環保安全管理，并將工作落實到對節能窯具的創新及應用方面。下面先對節能框架式窯具的結構做出簡要概述。

2節能框架式窯具結構概述

傳統窯車以耐火泥做車面，使用橫梁、立柱、棚板等設置窯具后，進行一層一層壘燒時產品高度不同，缺點集中表現在以下方面：（1）支柱粗大笨重；（2）托板厚重缺乏空腔；（3）窯具多層堆疊；（4）窯車推進不平穩，易發生震動、倒車等風險事件及安全事故。

從日用陶瓷、衛生陶瓷、工藝美術陶瓷、建筑陶瓷中使用的燒成設備看，雖然類型較多，但是使用傳統窯具時的重量比大于陶瓷產品，吸熱量大，燒成后高溫窯急冷、緩冷處理中需消耗較多能量，而且對陶瓷燒成時間、質量存在影響。與之相比，節能框架式窯具應用了具有節能降耗、輕質化特性的材料，結構設計時通過對柱－梁－板規格、尺寸的調整與組合應用，能滿足不同陶瓷產品燒成中節能框架式窯具優化設計需求，形成裝配框架結構，進而從整體上有效解決傳統窯具中的缺點。

3節能框架式窯具在陶瓷燒成中的應用優勢

3.1節能降耗優勢

目前，節能框架式窯具設計過程中，主要按項目立項→窯具調查→節能框架式窯具投資決策→窯具材料選擇→裝配式結構設計→窯具制安→竣工環保驗收→試運行→測試→能耗分析→綜合評價→正式運行等環節實施。其中，每個環節都可以通過對優化設計思想的運用，實現節能降耗目標。

具體而言，在項目立項后，生產企業可以按環境影響評價方法，對傳統窯具進行全面調查，對窯具構成要素、使用指標分析，確定其中的缺點、能耗成因。然后，采用“具體缺點、具體成因、系統性解決”的編制項目建設方案，并按陶瓷產品類型設計適配性較高的裝配式窯具結構。最后，在設計施工一體化實踐模式下完成對節能框架式窯具的應用。進一步看，材料占到了總投資額的60%左右，此類企業可以選擇莫來石－堇青石作為棚板，在46～60MPa成型壓力下將莫來石、堇青石及SiSiC等結合劑進行混合壓制所需棚板。例如，在藝術陶瓷生產過程中以隧道窯為主，熱效率約在26%左右，其中余熱占到74%，除部分被利用的余熱外，41%的余熱尚可利用，但是受到窯具的影響利用中面臨較大挑戰。此時，可以根據上述流程應用節能框架式窯具，實現對其余熱的利用，進而降低其能耗。

3.2輕質化優勢

此類窯具除了在設計施工一體化實踐中的諸環節具有節能降耗優勢外，還具有十分突出的輕質化優勢。具體而言，窯具的重量主要受材料、結構因素影響，其中棚板重量被稱為“硬傷”，改用其他材料制成的棚板后可降低窯具重量，進而使支柱、托板等重量減小。以常用的

SiSiC反應燒結碳化硅材料為例，性能優勢包括：（1）抗熱震；（2）抗氧化；（3）高硬度；（4）高耐磨；（5）耐腐蝕；（6）抗彎強度大等方面。目前，采用等靜壓成型工藝對其進行壓制后，其密度可以超過3.08g/cm3。實驗室測試與實際壓制板材應用后的測定結果表明，在1200℃以下時其抗彎強度可以達到280MPa，氣孔率小于0.1%，在窯具的梁、板、柱中應用該材料作為板材，既輕又薄，適用性較好。當前階段生產企業已在“校企合作”模式下利用各大院校的材料研究成果，擴大了對剛玉－莫來石的利用。

例如，華南理工大學和佛山羅村某窯具企業合作過程中，對莫來石－堇青石材棚板的利用已成為行業經典案例。近幾年，莫來石－堇青石棚板的推廣應用過程中，發展局限性有所增加，此類企業與高校結合行業發展現狀在功能陶瓷方面，一方面增強了此類材料與SiSiC的聯合應用，另一方面配套研發了適配性更高的剛玉－莫來石板，不僅繼承了原有材料耐高溫、抗熱震、化學性能穩定、承載量大優勢，還利用大噸位的液壓成形工藝與超高溫燒成技術實現了對不同形狀棚板的制作，創新了“預制+裝配”方案，既可以實現輕質化棚板材料的高效生產，又能為其多元化的推廣應用提供了技術支持。尤其在高溫板式窯爐中用輕質化棚板代替了同類進口產品，為自主型窯具生產制作奠定了堅實基礎。

4節能框架式窯具在陶瓷燒成中的應用分析

節能框架式窯具通過對不同耐火材料進行了融合，可以在材料性能基礎上結合優化設計理念，將凈尺寸燒結技術與精加工能力相結合，根據陶瓷產品燒成需求、窯具設備類型等，選擇形狀結構多變的通用形橫梁、立柱、棚板進行組合，可以滿足不同陶瓷產品形狀、尺寸、燒成溫度、氣氛等要素下的高效燒成，減少對燒結過程與冷卻過程的能量耗費。下面分別對其在日用陶瓷、衛生陶瓷及其他陶瓷中的應用做出分析。

4.1以日用陶瓷燒成中的應用為例

日用陶瓷厚度小、壁較薄，采用傳統窯具裝載時單位面積重量不大。以碳化硅棚板托燒為例，在同等面積下棚板重量大于壺、杯、碗、盤等產品重量。應用節能框架式窯具能夠應用更為合理的支撐方法，在滿足托燒需求基礎上達到節能目標。具體而言，生產企業常用12mm厚的燒結碳化硅棚板，耐火支柱支撐棚板時支點跨度較大，其高溫抗折強度為56MPa。通過調查與抗折強度和材料厚度平方成正比的基本原理分析，按4倍要求提高其抗折強度后，厚度可以降低0.5倍。此時，可以在優化設計理念下選擇新型棚板聯合支撐方法設計適配性較高的節能框架式裝配結構。

例如，某日用陶瓷生產企業規模較小，投資額度有限。可以根據實際的日用陶瓷燒成特點，在設計施工一體化實踐模式下選擇莫來石－堇青石棚板材料和大規格SiSiC超薄板作為窯具材料。然后，選擇精加工工藝，將兩種材料混合壓制，預制生產與企業需求相一致的形狀結構變型通用柱、梁、板結構，并根據窯爐設備進行窯具制安。操作步驟如下：

（1）在窯車上垂直固定壁厚5mm、外寬為30mm*50mm的立柱，并在兩側錯開布置中心距為25mm的兩排Φ15mm的孔。同時，根據產品裝載高度選擇支承管并設置合適的中心高。將支承管橫穿到立柱后，可以進行螺栓緊固。通常而言，此類企業會選擇壁厚3.5mm、外徑Φ13mm、長度范圍在550mm～770mm的支承管。

（2）在支承管上設置托板架，具體可根據窯車實際情況進行托板長度、大小、形狀方面的設計。一般情況下，長度范圍在450mm～550mm、寬度不小于50mm（以托板大于坯體底部寬度為準取舍）、厚度為5mm。實際應用中設計人員應將支承管的中心距離設置為托板長度的55%～60%以內，從而有減少其支點跨度，縮短受力距離，有效改善其支撐效果等（如圖1）。

（3）當反應燒結碳化硅密度確定后，可以按合計窯具=立柱+支承管+托板計算出其中每層窯具的重量。假定其密度為3.05g/cm3，取立柱、支承管、托板最小值計算出其中的合計窯具重量約為2385g，此時每片托板的托燒產品重量為2070g/層，那么窯具重量與產品重量的比值約等于1.15：1，能夠改變其重量比。在節能方面，常用窯具重量與產品重比約為4.18：1，此時可以計算出節能窯具重量減輕了3.6倍，而且總體上降低了58.5%的重量。根據高溫時碳化硅比熱容和陶瓷產品比熱容相近的實際情況，在同等重量下實際上可以將原來的總熱耗60%的被浪費熱量與節省重量相乘，得到節省熱耗值35%（60%*58.5%）。進一步，企業可以根據燃料對其節省的天然氣或其他燃料能耗進行計算。

4.2以衛生陶瓷燒成中的應用為例

以衛生陶瓷生產企業為例，原來生產中以隧道窯為準，產品為洗手盆。改造前相關參數如下：（1）隧道窯規格：90m×2.2m×1.1m（內高）；（2）洗手盆產品規格：800mm×500mm；（3）產能：49車/d；（4）裝載量：35件/車；（5）產量：1725件/d；（6）天然氣消耗量：3000m3/d。按照標準流程進行設計生產一體化實踐模式，開展了項目立項→調查→決策→選材→設計→制安→驗收→試運行→測試→能耗分析→綜合評價等。結果顯示，采用“石－堇青石+SiSiC”方案設計節能框架式窯具并進行應用后，可以將其能耗大幅度降低，并提高其產量。

具體而言，在材料確定后，材料生產企業可以根據該衛生陶瓷生產企業的實際需求在1350℃/3h、46～60MPa條件下，按 m（堇青石）∶m（莫來石）=45：30進行合成不同規格的部件板材，同時在等靜壓成型工藝下壓制SiSi部件，然后通過組合方式制安適用于該窯爐設備的窯具。具體操作時，根據節能框架式窯具優化設計理念進行組合式窯具制安、運行后，其中的窯車數量增加到了68臺、產能提高到了42件/車，消耗天然氣量不變的情況下，每件產品的能耗從原來的1.75m3/d降低到了1.12 m3/d，節約天然氣總量為0.63 m3。經比較，改造后一天的產能為2856件，增加了1131件。按照百分比進行計算，改造后的能耗、產量、裝載量、燒成臺數，分別提高了36%、66%、20%、39%，有利于企業產出綜合效益。

4.3以其他陶瓷燒成中的應用為例

除在日用陶瓷、衛生陶瓷中應用新材料、新結構的窯具外，在建筑陶瓷、電瓷、藝術陶瓷中均可以應用節能框架式窯具，實現降低能耗、提高產量、減少窯具重量、改變產品/窯具重量比等目標。例如，在一些電子絕緣陶瓷燒成過程中，部分企業結合實際需求選擇了剛玉-莫來石質棚板，將硅灰、三氧化二鋁微粉、電熔莫來石、電熔白剛玉、板狀剛玉等作為原材料，利用大噸位液壓成型與超高溫燒成工藝壓制好適用的柱、板、梁后，可以根據節能框架式窯具設計方案對其半成品材料進行裝配及應用。

需要注意的是，應用節能框架式窯具時，主要原料相對固定，棚板生產工藝比較成熟，實際應用時的重點集中在對原有窯具的調查分析與節能窯具的研發設計方面。尤其應突出其功能性、通用性、裝配性，進而在材料節能有保障的條件下，通過結構優化實現提高對其材料的應用。建議在實踐過程中，盡可能利用模塊化設計對節能框架式窯具的制安進行簡化，有效發揮其“預制+裝配”工藝方面的優勢。

5結論

總之，陶瓷行業具有高能耗、高污染的基本特點，生產企業在新時期高質量發展階段應結合技術賦能路徑進一步增強節能降耗工作。結合上述分析可以看出，節能框架式窯具結構簡單、特點鮮明，與傳統窯具相比具有節能降耗與輕質化優勢，應用后可以產生較好的節能效果與降耗作用。建議生產企業通過配置先進技術要素創新適配性較高的節能框架式窯具，并將其推廣應用到各類陶瓷燒成之中，全面提高此類企業的全要素生產率，為我國陶瓷行業高質量發展提供技術支持。

參考文獻

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