辊道窑烧结氧化铝泡沫陶瓷过滤板的热工工艺研究
摘 要：本文采用日用陶瓷、建筑陶瓷广泛使用的节能环保辊道窑对氧化铝泡沫陶瓷过滤板进行烧结，结合泡沫陶瓷过滤板的烧结特性，制定了辊道窑的具体参数，如：辊道窑的预热带、烧成带和冷却带的长度比例、选定烧结气氛、制定烧成曲线等。同时，研究了陶瓷过滤板的两种不同配方及烧结方式，对比了两者的烧结温度特性、烧结产品外观质量和理化性能。实验结果表明，辊道窑对陶瓷过滤板有广泛的适用性，辊道窑烧结泡沫陶瓷过滤板不仅产品质量稳定、单位能耗小、产量大，而且在废气回收、余热利用等方面有很大的实用价值。
关键词：辊道窑；泡沫陶瓷；烧成；节能
1 前言
辊道窑（Roller Hearth Furnace）又名辊底窑，其作为新型绿色环保窑炉，在建筑陶瓷和日用陶瓷等行业得到了广泛的应用[1]。因辊道窑具有烧成速度快、单位能耗少、产量高、烧成温差小等特点，已成为国内建筑卫生陶瓷广泛使用的烧成设备，渐渐开始取缔梭式窑或隧道窑[2～3]。据了解，国内每年打造的辊道窑约有上百条，基本都用作陶瓷制品烧结。
但在特种陶瓷生产过程中，国内大多厂家还是以梭式窑或隧道窑为主。比如国内泡沫陶瓷过滤板的烧结均为隧道窑或梭式窑，但隧道窑或梭式窑烧结泡沫陶瓷过滤板都存在较多的缺陷，其中，隧道窑的缺陷包括：
（1） 隧道窑采用隔焰烧成，其窑内温度均匀性差，产品质量不稳定。
（2） 人工进窑，劳动强度大，产量低。
（3） 需要用推板作为窑具，无形中浪费了大量能源。
（4） 推板使用寿命短，需要不停更换。
（5） 过滤板堆放繁琐，并且易导致倒窑。
梭式窑的缺陷包括：
（1） 窑体较高，窑内温度差大，产品质量不均一。
（2） 人工进窑，劳动强度大，产量低。
（3） 随炉冷却，烧成周期长，能源浪费明显。
（4） 间歇性生产，并且需要用硼板作为窑具，无形中浪费了大量能源。
（5） 由于气氛、烧成人员等因素，每一窑的产品质量很难达到一致。
因此，研发一种适用于泡沫陶瓷过滤板烧结的辊道窑，用以克服以上烧成方式导致的缺陷，提供一种快速烧成、产量大、能耗少、产品质量稳定的泡沫陶瓷过滤板，成为国内泡沫陶瓷过滤板厂家研究的重要课题。
2 实验内容
本实验内容采用氧化铝材质的过滤板浆料，以多孔聚氨酯海绵为前驱体，通过浸渍上浆工艺进行上浆；再经干燥、喷浆工艺；最后采用一条长为60m，使用温度为1250℃的辊道窑为过滤板烧成设备。该辊道窑为笔者公司与窑炉公司合作研发建造，是针对泡沫陶瓷过滤板烧成而用，该技术拥有国内发明专利，其专利号为：ZL201110342739.7。
2.1 原料的准备
本实验以α-氧化铝、磨细成品废料、高岭土、长石、白刚玉、硅微粉、滑石和磷酸二氢铝等粉料为主要原料，按重量比例称量后，倒入球磨机，再加入上述干粉料重量的15%～25%的水，一起球磨3～6h，混合成均匀浆料[4]。
由于原料配方具有一定的范围，对于不同的生产工艺，原料配方会存在一定的波动。原料配方的范围以及所采用的配方组成如表1所示。本文中的1#配方和2#配方采用相同的上浆、干燥工艺，但采用不同的烧成工艺，然后对其结果进行比较。
2.2 过滤板坯体的制备
采用上述1#和2#配方制备陶瓷浆料，用尺寸为17英寸（432mm）的常规聚氨酯多孔海绵进行上浆、干燥、喷浆工艺，测得坯体的性能如表2所示。
2.3 烧成工艺
将喷浆干燥好的坯体，进行烧结。烧结采用60m长的液化气明焰辊道窑，该窑具备节能显著、操作方便、自动化程度高、安全稳定以及温差小等特点。
2.3.1辊道窑参数
辊道窑有效尺寸为60000mm×1600mm×1350mm，其中，坯体装载高度为180mm。辊道窑内设计最高温度为1250℃，采用氧化焰，控制温差为±5℃。电气控制系统采用PID智能仪表控制；硼板规格为450mm×450mm；辊棒规格为φ55mm×3000（2800）mm；窑体共24节，2.5m/节。辊道窑窑体分为预热带、烧成带和冷却带，针对泡沫陶瓷过滤板的烧成特性，按比例划分了预热带、烧成带和冷却带的长度。窑炉主体结构如图1所示。
2.3.2烧成周期和烧成曲线
烧成周期通过辊棒转动速度可以调节，其设定范围为12～18h，现设定T=16h为实验烧成周期，最高烧成温度为1180℃。烧成曲线如图2所示。
2.3.3辊道窑烧结方案
1#配方采用1150℃的最高烧结温度，2#配方采用1180℃的最高烧结温度，保温时间均为1.5h，两者烧成曲线近似。其中，1#配方采用双层烧结，2#配方采用单层烧结。
3 结果与分析
3.1 配方1#和配方2#烧成过滤板工艺及性能对比
配方1#由于助熔剂（长石、滑石）含量较多，其烧结温度相对较低[5]。结合辊道窑自身特性，配方1#和配方2#的温度在辊道窑内控制的实际温度见表3。其热电偶显示的温度控制点如图1所示。当设定最高温度为1180℃时，通过FERRO测温环（1130～1400℃）测得实际值为：传动边1183℃、被动边1180℃、窑内横向温差为3℃。
通过表3可知，升温前600℃由于过滤板内多孔海绵排胶，为防止出现裂纹或者哑声等缺陷，需要控制其缓慢升温及适合辊道窑内的温度场[6-7]。表4为配方1#和配方2#通过辊道窑烧结的过滤板产品的外观和性能。
比较1#配方采用的双层烧结的过滤板，得出双层烧结的过滤板上、下两片过滤板外观质量和理化性能都基本一致，并且与单层烧结的过滤板也具有基本相同的外观和性能。说明辊道窑适合过滤板的两层或者多层烧结。
3.2 辊道窑烧成过滤板产量和能耗分析
采用双层烧结，烧成周期T=16h、窑长60m、窑宽1350mm、硼板规格为450mm×450mm、过滤板规格为432mm×432mm×50mm。根据过滤板车间的统计，技术人员每隔5.5h换一次煤气，每次换4瓶，每瓶煤气50kg。
由上述数据可换算出一天及每月的产量为V：
换算单位产量的液化气能耗为M：
根据当地液化气市场单价为6.5元/kg计算，得出单位过滤板烧成成本为W：
W=78.2×6.5=508.3元
相比公司以前1.2m3产量的梭式窑单位能耗的成本为W=140×6.5=910元，因此，可降低烧成成本65%，并且辊道窑的冷却风还用以过滤板坯体的干燥，也减少了不少液化气的使用量。另外，通过利用预热带排胶区的热风烟气，作为高温区助燃风，既焚烧了烟气，也降低了煤气用量，取到了较好的节能减排作用[8]。
笔者得出，如果过滤板增加到3层，以17英寸过滤板为例，每月产量可增加至500m3，且其单位能耗会进一步降低，生产成本也会随之减少。
4 结论
（1） 辊道窑烧结温差小、窑内气氛稳定、产量大、烧结单位能耗小，可以得到质量稳定、成本低的泡沫陶瓷过滤板产品。
（2） 辊道窑烧成范围广、PID控制简单，适合于不同烧结温度的氧化铝泡沫陶瓷配方。
（3） 严格控制辊道窑内前600℃的升温速率，其控制速度要小于1.8℃/min。
（4） 保证坯体较低含水率（≤1.0%），辊道窑适应于两层或多层过滤板烧结，不会影响下层过滤板产品性能。
（5） 辊道窑相比梭式窑产量可增加几倍，烧结同规格的过滤板单位能耗可降低65%。
参考文献
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[2] 陈丹.日用陶瓷节能减排的思考及辊道窑炉应用前景的分析[J].佛山陶瓷，2009，10：16～18.
[3] 丁志坚，余春生，孙绪明.浅淡辊道窑炉结构的改进及节能[J].中国陶瓷工业，2007，6（14）.
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