日用陶瓷节能窑具的研究
郭俊平
摘 要：窑具是日用陶瓷生产技术装备中重要的组成部分，它对陶瓷产品烧成能耗的大小影响较大。本文采用高强度的反应烧结碳化硅材料、优化窑具托烧结构、减少窑具重量等一系列措施，实现降低产品烧成能耗。
关键词：日用瓷；窑具；节能
1 前言
我国日用瓷历史朽久，享誉海内外，产量在世界上占有很大比例。然而，由于陶瓷是高耗能产业，大规模的陶瓷生产，对节能减排带来很大压力，研究陶瓷生产节能减排，对实现十二五节能18%目标意义重大。
在整个陶瓷生产过程中，烧成能耗占综合能耗的65%以上。对日用瓷而言，由于器型原因，烧成中托烧窑具的重量远高于产品的重量，加热时窑具同样需要吸热，浪费了大量的热能。所以，研究、使用轻型窑具，是陶瓷工业节能减排关键环节之一。
2 日用瓷托烧窑具的现状
在日用瓷的生产中，由于各种不同条件，窑具种类繁多，较为常见的有两种：一种是盒缽；一种是栅板。由于逐渐使用清洁能源，燃气窑炉数量增多，符合明焰裸烧，所以，主要采用栅板托烧。栅板基本上采用普通烧结碳化硅材料，规格比较集中在370 mm×500 mm×12 mm，支柱材料多为莫来石结合堇青石，规格为40 mm×50 mm×60 mm。日用瓷托烧侧视图如图1所示，日用瓷托烧正视图如图2所示。
因一片碳化硅栅板需3个支柱支撑，通常一片栅板的重量为6 kg，一个支柱重量为0.3 kg，则一片栅板及支柱（一单元）的重量为：
一单元=6kg+（0.3kg×3）=6.9kg
在托烧产品时，由于器形多变，但栅板尺寸固定。所以，栅平面的装容率都较低。以装容率较好的其中一种（见图2）为例，可装5件6"盘，以常用器形尺寸，盘口直径为φ153 mm，盘脚直径为φ75 mm，每件重量约230 g，若空隙位置再放5件小件，每件以100 g计，一片栅板可装产品重量为：
一单元产品=230g×5+100g×5=1650g=1.65 kg
在装载过程中，窑具与产品的重量比如下：
窑具重量∶产品重量=6.9kg∶1.65kg=4.18∶1
以上窑具与产品重量比与2008年DB44/591-2009标准数据采集时基本吻合，当时在某一区域采集的数据中，窑具与产品的重量比在3.03～7.22之间，平均为5.41。某公司委托检测单位对该公司隧道窑进行热平衡测试数据显示，24 h出窑窑具重量为39942 kg，出窑产品重量为6624 kg，其窑具与产品的重量比为39942kg∶6624kg=6.03。从各种数据可以看出，当前日用瓷烧成装载中，窑具的重量远远高于产品的重量，对于高温时碳化硅窑具的比热容为0.962+1.46×10-4t kJ/kg℃，与陶瓷产品的比热容0.836+2.6×10-4t kJ/kg℃相近，所以，在加热到产品的烧成温度时，单位重量的窑具吸热量与产品也相近。
3 节能窑具的研究
为了达到节能的目的，在窑炉性能和产品没有改变的情况下，只要减轻窑具重量，就能达到节能的目的。本文重点分析了日用瓷产品的特点及窑具性能指标。
3.1 日用陶瓷产品
日用陶瓷产品主要有盘、碗、杯、壶，总体都厚度不大，厚的可以达到5～6 mm；薄的只有3～4 mm；盘的高度只有20～40 mm；壶的高度较大可以达到150～200 mm，但不论何种器形，装载时单一层单位面积的重量都不大，如果以常规的碳化硅栅板托烧，按同等面积计算，其栅板的重量都远远高于产品的重量。所以，只要窑具及支撑方法合理，就能满足产品的托烧要求。
3.2 窑具
当前绝大多数使用的窑具是烧结碳化硅栅板，厚度为12 mm，用耐火支柱支撑于栅板平面的边缘（见图2），支点跨度大，烧结碳化硅的高温抗折强度为56 MPa。理论上，如果选用的材料抗折强度提高至4倍，则栅板厚度可减至倍，因抗折强度与材料厚度的平方成正比；如支点跨度减至倍，则栅板的承重能力提高4倍，因梁的承载能力与支点距离的平方成反比。所以，对新型窑具材料的选用及支撑方法要不断进行优化设计。
3.3节能窑具的设计
3.3.1窑具材料的选用
窑具材料采用反应烧结碳化硅，其具有显气孔率低、密度大、抗氧化性强、强度大（抗弯强度高达280 MPa），相对于普通烧结碳化硅抗折强度（56 MPa）的5倍等优点。由于强度的提高，有利于减少栅板的厚度，常用的烧结碳化硅厚度为12 mm。在本实验设计中，为了使其可靠性更高，一般选用5 mm的反应烧结碳化硅。
3.3.2支撑结构设计
窑具支撑结构采用栅架式进行设计。窑具支撑栅架式结构侧视图如图3所示，窑具支撑栅架式结构正视图如图4所示。
立柱垂直固定在窑车上，立柱为外宽50 mm×30 mm，壁厚为5 mm，且在宽度为50 mm左右的两个侧面各开有两排φ15mm孔（见图5）。孔中心距为25 mm，两排错开，即前后排孔中心距为12.5 mm，支承管按产品装载的高度确定管的中心高，并横穿在立柱上，支承管长度在550～700 mm之间，外径为φ13 mm，壁厚为3.5 mm，托板架在支承管上（见图6），供摆放产品用，托板的长度在450～550 mm之间，视窑车设计而定，托板的宽视陶瓷坯体而定，要略大于坯体底部宽度，让整个坯体底部能全部放在同一片托板上，但宽度不小于50 mm，托板厚度为5 mm，托板在支承管上的中心距离等于或略大于产品坯体的最大直径（宽度）。为了让托板处于最佳的受力状态，一方面设计了支承管的中心距离在托板长度的55%～60%之间（见图4），以缩短支撑距离，对比目前烧结碳化硅栅板支承在板的端点上（见图2），受力距离大为缩短。另一方面，由于托板是架在两条支承管上，以两条线支承托板，实现了均匀受力，对比目前烧结碳化硅栅板用点的支撑（见图2），是集中受力，条件有着明显的改善。
3.4 窑具重量及产品/窑具重量比
节能窑具设计中，一方面改善了托板的受力条件；另一方面选用了高强度的材料，不仅能够减薄减轻了窑具的重量，在同等产品装载的情况下，托板的面积大大缩小，而托板的承重能力反而增强。
在设计中，参照前面常规托烧方法选用的陶瓷产品6"盘（见图2），确定节能窑具的数据（见图4），层高为60 mm，立柱规格为50 mm×30 mm×5 mm、支承管为φ13 mm×3.5 mm×590 mm、托板430 mm×85 mm×5 mm。在计算中，由于中间两立柱为左右共用，所以各分担一半，且每条立柱在60 mm高度中左右两侧各挖去3个φ15 mm的孔，供穿φ13 mm支承管用，反应烧结碳化硅密度为3.05 g/cm3，每层窑具的重量为：
立柱：[﹙50-5﹚+﹙30-5﹚] ×2×5×60-[﹙15÷2﹚2π×5×﹙3+3﹚] =3670/mm3=36.7cm3/条
36.7×[2+﹙2÷2﹚] ×3.05=336g/层立柱
支承管：﹙13-3.5﹚π×3.5×590=61599mm3=61.6cm3/条
61.6×2×3.05=376g/层支承管
托板：430×85×5=182750mm3=182.8cm3/片
182.8×3×3.05=1673g/层托板
合计窑具=立柱+支承管+托板
=336+376+1673=2385g
每片托板能托烧的产品3件6"盘各230 g，则每层产品重量为：
产品：230g×3件×3片=2070g/层产品
节能窑具的窑具与产品的重量比为：
窑具重量∶产品重量=2385g∶2070g=1.15∶1
4 窑具节能对比分析
从上述计算得知，目前在用的托烧方法窑具重量∶产品重量=4.18∶1，而节能窑具的窑具重量∶产品重量=1.15∶1。由此对比所知，同样1单位重量的产品，常规的托烧窑具重量是节能窑具重量的3.6倍，节能窑具与产品的重量和是常规窑具与产品的重量和的41.5%，节省了58.5%的重量。由于高温时碳化硅的比热容为0.962+1.46×10-4t kJ/kg℃，与陶瓷产品的比热容为0.836+2.6×10-4t kJ/kg℃相近。所以，当加热到产品烧成温度时，在同等重量下，窑具吸收的热量与产品吸收的热量相近。以隧道窑为例，按常规托烧方法计算，窑具及产品加热到烧成温度时，两项热耗相加约占总热耗的60%，若装载产品相同，采用节能窑具后，窑具及产品相加的重量节省了58.5%，则节省的热耗=60%×58.5%=35%。所以，采用节能窑具后，可实现窑具节能达35%。
5 结论
由于日用陶瓷产品高度小，装载层数多。目前采用的碳化硅栅板托烧，窑具重量与产品重量比多数在4倍以上，窑具在烧成中由于吸热浪费了大量的能源。采用反应烧结碳化硅的节能窑具，在同等装载情况下，窑具与产品的重量和可减少58.5%，使产品烧成中吸热量大大减少。按此比例计算，单位产品的烧成能耗可节省35%。所以，该技术在陶瓷行业中推广应用，对日用陶瓷生产节能降耗意义重大。
