劉平安 ，吳鴻豐 ，岑思謹(jǐn) ，曾令可 ，陳皇忠

（1華南理工大學(xué)材料學(xué)院 廣州 510640；2廣東熱金寶新材料科技有限公司 揭陽 515500）

1 前言

改革開放以來，我國(guó)陶瓷工業(yè)快速發(fā)展，目前已經(jīng)成為世界上最大的陶瓷生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。陶瓷工業(yè)總產(chǎn)值由20多億元發(fā)展到8000多億元，出口額由3億多美元發(fā)展到200多億美元，企業(yè)數(shù)量由1021家發(fā)展到3678家，陶瓷工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步是中國(guó)幾千年陶瓷發(fā)展史上的奇跡。

陶瓷行業(yè)仍是能耗大戶，在陶瓷燒成中能耗約占陶瓷總能耗的60－80%，陶瓷燒成中的節(jié)能是關(guān)鍵！

2018年規(guī)模以上建筑陶瓷企業(yè)1265家，生產(chǎn)線3千多條，產(chǎn)量達(dá)90多億平方米（生產(chǎn)能力可達(dá)140多億平方米）,企業(yè)營(yíng)收2993多億元，年消耗瓷土原料等2億多噸，年需燃料約1.5～2億tce。其中，節(jié)能型窯爐仍占少數(shù)，窯爐燒成中仍有30～40%余熱沒有合理利用。

2018年規(guī)模以上衛(wèi)生陶瓷379家，產(chǎn)量已達(dá)2.34億件，企業(yè)營(yíng)收778多億元，按綜合能耗14.4kgce，共需400～500萬tce。余熱占總熱耗53%，已被利用余熱36%，占可利用余熱的62%，仍有38%余熱沒有利用。由于大量裝燒窯具的使用，燒成中隧道窯熱效率最高可達(dá)60%左右，而一般的仍為30%左右。

日用陶瓷產(chǎn)量突破300億件，綜合能耗0.8～0.84kgce/kg瓷，需144～151萬tce。余熱占66.44%，已被利用余熱約35.22%，占可利用余熱的53%，仍有47%余熱沒有利用。由于大量裝燒窯具的使用，日用陶瓷隧道窯熱效率有的僅19%左右。

藝術(shù)陶瓷產(chǎn)量達(dá)50多億件，產(chǎn)值達(dá)300多億。余熱占總熱耗67%，已被利用余熱40%，占可利用余熱的59%，仍有41%余熱沒有利用。也由于大量裝燒窯具的使用，藝術(shù)瓷燒成中隧道窯熱效率僅26%左右。還有大量使用熱效率低的梭式窯?！笆濉惫?jié)能減排仍面臨諸多挑戰(zhàn)，任務(wù)仍非常嚴(yán)峻，陶瓷窯爐仍有很大的節(jié)能空間！

窯具作為一種特殊的耐火材料,是陶瓷和耐火材料等行業(yè)必不可少的高溫輔助材料制品。窯具一般分為三大類：第一類是隧道窯、梭式窯等窯車臺(tái)面用輕質(zhì)邊圍磚，此類窯具使用環(huán)境溫度稍低，主要是能承受壓力的載荷且只要能達(dá)到低蓄熱的目的即可；第二類是窯車面的立柱、棚板和橫梁等，該類窯具直接與火焰接觸，使用的環(huán)境溫度高，棚板、橫梁等還需要承受高溫及承重壓力的雙重作用，所以要求其應(yīng)具備一定的高溫抗折強(qiáng)度及良好的抗熱震穩(wěn)定性；第三類是支撐燒成中陶瓷坯體的專用窯具，如匣缽、墊板等，此類窯具要直接與火焰接觸，同時(shí)又需承受瓷件的重力，所以其使用環(huán)境較為惡劣。

窯具質(zhì)量與性能的好壞對(duì)燒成陶瓷制品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗、合格率、優(yōu)等級(jí)率、生產(chǎn)成本及整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有舉足輕重的作用，因此提高窯具的材料性能和質(zhì)量，減少窯具的重量、延長(zhǎng)窯具的使用壽命對(duì)燒成優(yōu)質(zhì)陶瓷產(chǎn)品起著非常重要的作用。

圖1 傳統(tǒng)窯車窯具結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)窯車窯具實(shí)物圖

2 傳統(tǒng)窯具的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)窯車窯具結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳統(tǒng)窯車窯具實(shí)物圖如圖2所示。

傳統(tǒng)窯車車襯等均用耐火泥做車面，窯具是在窯車面用立柱、棚板和橫梁等按燒成產(chǎn)品高度不同，一層一層壘燒的，缺點(diǎn)：支柱粗大笨重、托板厚重沒空腔，窯具笨重，多層堆疊，窯車在窯內(nèi)推進(jìn)中稍有不平穩(wěn)或震動(dòng)便容易倒車，傳統(tǒng)陶瓷隧道窯在高溫窯帶倒車事故時(shí)有發(fā)生，這也是為什么早期隧道窯底部都設(shè)有事故處理坑道的原因。

很多陶瓷在燒成中離不開窯具。目前國(guó)內(nèi)的建筑陶瓷（如瓷片、外墻磚）、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、工藝美術(shù)陶瓷、電瓷及大多數(shù)特種陶瓷的生產(chǎn)多以輥道窯、隧道窯、梭式窯作為燒成設(shè)備，雖然采用柴油或天燃?xì)庾鳛槿剂厦餮媛銦?，減少匣缽裝載，能耗相對(duì)降低，但窯具相對(duì)于產(chǎn)品的重量比例仍較大，一般仍需要2倍以上，最多的可達(dá)十倍以上，這樣笨重的窯具在燒成過程中的吸熱量遠(yuǎn)大于陶瓷坯體燒成過程的吸熱量及坯體物化反應(yīng)熱耗之和，故窯具在陶瓷燒成過程中需消耗大量的熱量，另外陶瓷燒成后需鼓風(fēng)急冷、緩冷，笨重而吸收了大量熱能的高溫窯具也需要經(jīng)過急冷、緩冷處理，這樣無形中增加了急、緩冷風(fēng)機(jī)的能耗，而且減緩了陶瓷的冷卻過程，延長(zhǎng)了陶瓷的燒成時(shí)間，影響陶瓷燒成過程的生產(chǎn)質(zhì)量。合理選用窯具材料及窯具結(jié)構(gòu)，最大限度地減少窯具的重量，是降低陶瓷產(chǎn)品燒成能耗的重要途徑，也是陶瓷燒成中節(jié)能的關(guān)鍵之一。

3 創(chuàng)新性框架窯具的輕質(zhì)化

為了達(dá)到節(jié)能的目的，在窯爐性能和燒成產(chǎn)品沒有改變的情況下，合理選用窯具材料至關(guān)重要，只有選用理想窯具材料及結(jié)構(gòu)以減輕窯具重量，就能達(dá)到節(jié)能的目的。

3.1 莫來石－堇青石質(zhì)棚板

棚板作為支撐燒成瓷件的專用窯具，一直是陶瓷工業(yè)中一種重要的輔助材料，傳統(tǒng)材質(zhì)多為抗熱震性好、高溫性能優(yōu)良的堇青石－莫來石復(fù)合材料，且國(guó)家專門在“八五”攻關(guān)科研項(xiàng)目中提出了堇青石－莫來石棚板的研制。

本單位與佛山羅村某窯具企業(yè)合作，進(jìn)行堇青石質(zhì)窯具的研究與產(chǎn)業(yè)化、配方優(yōu)化和摻雜改性，研究了堇青石骨料與莫來石結(jié)合劑的比例、堇青石骨料的粒度分布、結(jié)合劑中摻入紅柱石、骨料中摻入SiC和鈦酸鋁、根據(jù)總量按比例摻入莫來石纖維及成形壓力大小對(duì)堇青石質(zhì)窯具材料內(nèi)部顆粒結(jié)合情況、晶相相變情況、微裂紋網(wǎng)絡(luò)形成程度等微觀結(jié)構(gòu)以及窯具強(qiáng)度、抗熱震性等宏觀性能的影響。最終得出了窯具配方，并確定了其主要生產(chǎn)工藝參數(shù)。①堇青石作為骨料可以有效地降低窯具的熱膨脹系數(shù)，減少因溫差引起的熱應(yīng)力。通過調(diào)節(jié)堇青石骨料中顆粒級(jí)配可以明顯提高窯具的強(qiáng)度。②在窯具中摻入紅柱石細(xì)粉，有利于其莫來石化，生成針狀或柱狀莫來石纖維，起到纖維增韌作用，提高了堇青石質(zhì)窯具材料的斷裂表面能，改善了窯具的強(qiáng)度和抗熱震性。其生產(chǎn)實(shí)用性比直接摻入莫來石纖維好。③在窯具中摻入SiC以提高其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)控制其粒度和摻入量以防止其氧化后生成過量的石英玻璃相，破壞材料的微觀結(jié)構(gòu)。在窯具中摻入鈦酸鋁以降低其熱膨脹系數(shù)時(shí)，堇青石的Mg2＋和莫來石的存在可以有效地阻止鈦酸鋁的分解，促進(jìn)金紅石和剛玉轉(zhuǎn)變成鈦酸鋁，達(dá)到提高窯具抗熱震性的目的。但同時(shí)堇青石中Mg2＋易與鈦酸鋁形成固熔體，破壞了堇青石骨料的強(qiáng)度，且易引起燒成過程中試樣變形。④當(dāng)窯具的配方和燒成溫度確定后，成型壓力是決定窯具微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵因素，從綜合效果來看，堇青石質(zhì)窯具成型壓力在 46～60M P a 為佳［1～8］。合作方固特耐公司生產(chǎn)的超簿堇青石-莫來石棚板窯具材料如圖3所示。

圖3 創(chuàng)新性棚板材料

3.2 高溫莫來石棚板

隨著高溫功能陶瓷如軟磁（鐵氧體）材料和電子絕緣陶瓷的發(fā)展，傳統(tǒng)堇青石-莫來石棚板的應(yīng)用已經(jīng)受到一定的局限，而剛玉-莫來石棚板得到廣泛使用，該棚板具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗熱震性和較高的使用溫度（1700℃），且化學(xué)穩(wěn)定性良好，不易與所承燒的產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)，但是由于高溫棚板在高溫（一般＞1600℃）下承載量較大，同時(shí)承受較大的剪切應(yīng)力，棚板易發(fā)生高溫彎曲蠕變。采用板狀剛玉、電熔白剛玉、電熔莫來石、Al2O3微粉和硅灰為主要原料［9］，大噸位液壓成形，超高溫?zé)?，可生產(chǎn)出具有優(yōu)良高溫強(qiáng)度、抗熱震性和極低高溫蠕變變形的剛玉-莫來石高溫棚板。該棚板可應(yīng)用在1650℃以上的高溫窯爐上，能夠滿足長(zhǎng)期高溫高荷重的使用要求，進(jìn)而得到用戶普遍認(rèn)可，并可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品。

3.3 SiSiC反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料

圖4 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（SiSiC）與NBSiC、ReSiC性能比較

SiSiC反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕及良好的抗氧化、抗熱震等性能，是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷和窯具材料之一。廣東固特耐科技新材料有限公司生產(chǎn)的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的長(zhǎng)期性能與重結(jié)晶碳化硅和氮化硅結(jié)合碳化硅相比更加出色，其抗彎強(qiáng)度是重結(jié)晶碳化硅的兩倍多，比氮化硅結(jié)合碳化硅高約50%，如圖4所示，其中NBSiC與ReSiC分別為氮化硅結(jié)合碳化硅與重結(jié)晶碳化硅。

等靜壓成型的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（SiSiC）的密度為≥3.08g/cm3，氣孔率＜0.1%，高溫（1200℃下）抗彎強(qiáng)度達(dá)280M P a，故即便板做得很薄，梁、柱做得很細(xì)，高溫強(qiáng)度也很優(yōu)越。圖5所示為反應(yīng)燒結(jié)碳化硅柱、粱等窯具結(jié)構(gòu)材料。

3.4 創(chuàng)新性框架結(jié)構(gòu)

圖5 創(chuàng)新性窯具框架結(jié)構(gòu)材料

圖6 創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)

突破窯具材料制備工藝過程的關(guān)鍵技術(shù)，揉合SiC陶瓷窯具和堇青石-莫來石窯具兩種耐火材料的特點(diǎn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，聯(lián)合凈尺寸燒結(jié)技術(shù)與精加工能力生產(chǎn)形狀復(fù)雜和公差要求嚴(yán)格的超大規(guī)格SiSiC超薄板及形狀結(jié)構(gòu)多變的通用柱、梁、板結(jié)構(gòu)，按照燒成不同形狀、尺寸、燒成溫度與氣氛的陶瓷產(chǎn)品需要將兩者組合架構(gòu)成為適用性強(qiáng)、高效、便利的節(jié)能型窯具框架，實(shí)現(xiàn)節(jié)能框架窯具的標(biāo)準(zhǔn)化及多功能化制備。圖6所示為創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)圖，將傳統(tǒng)窯具由實(shí)心面板改進(jìn)為中空框架式結(jié)構(gòu)，不僅減少窯具原材料，而且框架式結(jié)構(gòu)架構(gòu)牢固，傳熱效率好，空間利用率高，節(jié)能的同時(shí)生產(chǎn)效率也得到大大提高。

4 創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用［10～12］

4.1 在日用陶瓷燒成中應(yīng)用

圖7 傳統(tǒng)窯具裝燒日用瓷

圖8 創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)燒日用瓷

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

當(dāng)前使用的絕大多數(shù)窯具是燒結(jié)碳化硅柵板，厚度為12mm，用耐火支柱支撐于柵板平面的邊緣，支點(diǎn)跨度大，燒結(jié)碳化硅的高溫抗折強(qiáng)度為56MPa。理論上，如果選用的材料抗折強(qiáng)度提高至4倍，則柵板厚度可減至0.5倍，因抗折強(qiáng)度與材料厚度的平方成正比；如支點(diǎn)跨度減至0.5倍，則柵板的承重能力提高4倍，因梁的承載能力與支點(diǎn)距離的平方成反比。所以，對(duì)創(chuàng)新型框架式窯具材料的選用及支撐方法要不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終揉合SiSiC陶瓷窯具和堇青石－莫來石窯具兩種材料的特點(diǎn)，根據(jù)日用瓷的燒成特點(diǎn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，精加工生產(chǎn)出形狀復(fù)雜和公差要求嚴(yán)格的超大規(guī)格SiSiC超薄板及形狀結(jié)構(gòu)多變的通用柱、梁、板結(jié)構(gòu)，按照燒成不同日用瓷形狀、尺寸、燒成溫度與氣氛的產(chǎn)品需要將兩者組合架構(gòu)成為適用性強(qiáng)、高效、便利的節(jié)能型窯具框架，實(shí)現(xiàn)節(jié)能框架窯具的標(biāo)準(zhǔn)化及多功能化，圖7為傳統(tǒng)窯具裝燒日用瓷，圖8為創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)裝燒日用瓷。

圖9 傳統(tǒng)窯具裝燒衛(wèi)生潔具

圖10 創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)裝燒衛(wèi)生陶瓷

4.2 在衛(wèi)生陶瓷燒成中應(yīng)用

某廠有一座長(zhǎng)90m、寬2.2m、內(nèi)高1.1m的隧道窯，燒成800×500mm的洗手盆，改造前的產(chǎn)能是每天燒49車，每車裝載35件洗手盆，每天共燒成1725件產(chǎn)品，消耗天然氣約3000m3，即在改造前每一件洗手盆的能源消耗約1.75m3天然氣。改造后產(chǎn)能每天約68車，每車裝載42件洗手盆，每天共燒成2856件產(chǎn)品，共消耗天然氣約3200m3，即在改造后每一件洗手盆的能源消耗約1.12m3天然氣，改造后每一件洗手盆節(jié)約天然氣為0.63m3天然氣，每天提高產(chǎn)量1131件，可見創(chuàng)新性節(jié)能框架窯具的應(yīng)用效果非常明顯。圖9所示為傳統(tǒng)窯具裝燒衛(wèi)生潔具，圖10所示為創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)裝燒衛(wèi)生陶瓷。

4.3 在其他陶瓷燒成中應(yīng)用

創(chuàng)新性節(jié)能框架式窯具除了應(yīng)用于日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷外，還可以廣泛地應(yīng)用于粗陶制品燒成（如圖11所示）、建筑陶瓷類如劈開磚類制品燒成（如圖12所示）、粘土屋面瓦制品燒成（如圖13所示）、外墻內(nèi)墻磚燒成，電瓷類如立柱式高壓電瓷制品燒成（如圖14所示）、懸掛式高壓電瓷制品燒成（如圖15所示），以及工藝美術(shù)陶瓷、宮廷圣誕瓷等等的燒成。

圖11 在粗陶制品燒成中應(yīng)用

圖12 在劈開磚類制品燒成中應(yīng)用

圖13 在粘土屋面瓦制品燒成中應(yīng)用

圖14 在立柱式高壓電瓷制品燒成中應(yīng)用

圖15 在懸掛式高壓電瓷制品燒成中應(yīng)用

據(jù)眾多工程實(shí)踐數(shù)據(jù)可知，目前在使用中的傳統(tǒng)窯具重量∶所燒成產(chǎn)品重量＝4.18∶1，而創(chuàng)新性框架式節(jié)能窯具的窯具重量∶所燒成產(chǎn)品重量＝1.15∶1。由此對(duì)比可知，同樣單位重量的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的托燒窯具重量是框架式節(jié)能窯具重量的3.6倍，框架式節(jié)能窯具與產(chǎn)品的重量之和是傳統(tǒng)窯具與產(chǎn)品的重量和的41.5%，節(jié)省了58.5%的重量。由于高溫時(shí)碳化硅的比熱容為0.962＋1.46×10-4t kJ/（kg·℃），與陶瓷產(chǎn)品的比熱容為 0.836＋2.6×10-4t kJ/（kg·℃）相近。所以，當(dāng)加熱到產(chǎn)品燒成溫度時(shí)，在同等重量下，窯具吸收的熱量與產(chǎn)品吸收的熱量相近。以隧道窯為例，按傳統(tǒng)托燒方法計(jì)算，窯具及產(chǎn)品加熱到燒成溫度時(shí)，兩項(xiàng)熱耗相加約占總熱耗的60%左右，若裝載產(chǎn)品相同，采用創(chuàng)新型框架式節(jié)能窯具后，窯具及產(chǎn)品相加的重量節(jié)省了58.5%，則節(jié)省的熱耗＝60%×58.5%＝35%。所以，采用框架式節(jié)能窯具后，可實(shí)現(xiàn)窯具節(jié)能達(dá)35%左右。

5 展望

創(chuàng)新型框架式節(jié)能陶瓷窯具用途廣泛，可廣泛地應(yīng)用于日用瓷、衛(wèi)生瓷、建筑陶瓷、電瓷、藝術(shù)瓷及各種特種陶瓷燒成，在幾十家相應(yīng)陶瓷企業(yè)窯具改造的實(shí)踐中，創(chuàng)新型框架式節(jié)能窯具優(yōu)點(diǎn)歸納如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化的框架式結(jié)構(gòu)使窯具空間大，靈活性高，極大地利于窯爐中熱氣體的流動(dòng)，加速了熱氣體和燒成坯體間的熱交換及坯體間溫度的均勻，有利于快速燒成，降低了制品的燒成能耗。

（2）在保證了其高溫強(qiáng)度的基礎(chǔ)上比傳統(tǒng)窯具立柱更細(xì)，板更薄，不僅有效節(jié)省了窯具用料，減少吸熱量，窯具輕便使窯內(nèi)熱傳遞效果更好，推車速度可提高30～40%，環(huán)保節(jié)能。

（3）充分發(fā)揮兩種材料的特性。主梁和立柱均為新研發(fā)的SiSiC材質(zhì)，相較于傳統(tǒng)窯具材料具有高溫耐熱承重性能好的優(yōu)點(diǎn)，能有效地避免窯具在高溫?zé)芍惺軣崽⒅破肥軣彳浕冃渭爱a(chǎn)生倒窯的危險(xiǎn)，提高陶瓷制品燒制質(zhì)量。

（4）組合靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。塊托板為堇青石-莫來石材質(zhì)，其形成一個(gè)支撐平面，可以根據(jù)不同制品混合燒制，結(jié)構(gòu)組合靈活多樣，裝載密度可以提高10～20%，適應(yīng)于各種形狀的陶瓷制品的燒成。

（5）節(jié)能降耗、節(jié)省原材料。將堇青石-莫來石框架窯具部件與SiSiC柱梁結(jié)構(gòu)窯具部件通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、組裝、制備架構(gòu)得到的組合框架窯具，由于材料重量的減少，窯具本身在制備過程中也可以大大地節(jié)能?？蚣馨寮s4～10mm，是傳統(tǒng)窯具板厚度的三分之一，比傳統(tǒng)窯具節(jié)能率提高30%以上。

隨著材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，創(chuàng)新型框架式節(jié)能陶瓷窯具的重量會(huì)越來越小，結(jié)構(gòu)會(huì)愈來愈精巧，對(duì)陶瓷燒成節(jié)能的作用一定會(huì)越來越大。