烧成蜂窝陶瓷各种窑炉的选型
徐培勋
摘 要：本文以蜂窝陶瓷蓄热体和催化剂载体两类产品的烧成工艺为主要考察对象，对窑炉选型进行了相应探索，综述了隧道窑、侧烧式梭式窑和底烧式梭式窑的烧成特点和优缺点，并重点介绍了隧道窑的技术参数、封闭气幕、燃烧系统等相关特性。研究发现，在烧制蜂窝陶瓷时，隧道窑产量大、质量稳定、能耗低；侧烧式梭式窑能实现自动控制，但存在低温还原操作困难、集中排放黑烟等缺点；底烧式燃气梭式窑低温还原操作容易、投资小、节能，但无法实现自动化控制、产量小。
关键词：蜂窝陶瓷；隧道窑；选型
1 前言
蜂窝陶瓷是一种结构似蜂窝的新型陶瓷产品。从早期的小型汽车尾气净化，到如今的石化、电力、冶金、电子电器、制药、汽车等，蜂窝陶瓷应用经历了不断的发展。蜂窝陶瓷按用途可以分为蓄热体、填料、催化剂载体和过滤材料四大类。其材质主要有：堇青石、莫来石、钛酸铝、活性炭、碳化硅、活性氧化铝、氧化锆、氮化硅及堇青石-莫来石、堇青石-钛酸铝等复合基质。
本文以蜂窝陶瓷蓄热体和催化剂载体两类产品的烧成工艺为主要考察对象，对窑炉选型进行了相应探索，以期对业内人士和有关生产厂家提供参考和帮助。
2 隧道窑
隧道窑是现代化的连续式烧成的热工设备，广泛用于陶瓷产品的焙烧生产。适用于生产产量大，质量要求高而稳定的制品。隧道窑与间歇式窑炉相比，除了生产连续化，产量大，质量稳定外，最大的优点是能耗低，余热利用好。
然而用于烧成蜂窝陶瓷的隧道窑，其节能效果不如烧制其它产品。分析其原因如下：蜂窝陶瓷生坯含有大量的有机可燃物，在间歇式窑炉中烧至500 ℃左右时，这部分可燃物可替代部分燃料。而在隧道窑中烧制蜂窝陶瓷时，这部分可燃物基本无助于节能。
用隧道窑烧制蜂窝陶瓷最大的优点是质量稳定。由于蜂窝陶瓷在600 ℃以前需要还原气氛，而在间歇式窑炉中还原气氛不易控制，气氛或多或少都会有所波动，难免影响烧成质量的稳定。而隧道窑能很好地解决这一问题。
另外，间歇式窑炉烧制蜂窝陶瓷时，在升温前期会出现集中排放黑烟的现象，考虑到环保要求，需对黑烟进行处理，这无疑增加了生产成本。但用隧道窑烧制蜂窝陶瓷不会出现此现象，排烟浓度大幅度降低，处理起来也比较容易，从而降低环保成本。
笔者为广州南海益环新材料有限公司设计安装的，用于烧制蜂窝陶瓷的隧道窑已投产多年，使用效果一直不错。下面以这条隧道窑为例进行介绍。
（1）主要技术参数
主要技术参数如表1所示。
另外，进出车方式是油压顶车机进车，窑头窑尾各1部电动渡车，每部渡车均能电动推拉单部窑车。风机的配置为所有风机均一开一备，所有高温风机均为非水冷却方式。控制方式则是温度自控、压力自控、进出车人工电动控制，集中显示。
（2） 窑体结构
该炉全长46 m，主要包括窑炉主体、窑头封闭气幕及排烟系统、搅拌气幕、燃烧系统、窑尾冷却风和抽热风系统、窑车、自动控制系统等，见图1。
窑炉采用金属型钢框架式结构，外表面为钢板包封。
窑体高温带主要耐火材料为轻质莫来石砖。其它热面材料依次为高铝聚轻砖、轻质粘土砖。其它隔热材料有无石棉硬硅钙板、多晶莫来石纤维、硅酸铝耐火纤维等。
窑顶结构为拱形结构，窑墙与窑车曲封为单曲封。传统高温隧道窑大多采用双曲封结构，理论上认为阻挡火焰下窜的效果好，其实能有效阻挡火焰下窜的只有依靠合理调节窑内压力制度。为避免产品碎块落入曲封造成堵车停窑事故的发生，曲封间隙大小和曲封形式采取了特殊设计。
（3） 窑头封闭气幕及排烟系统
为了保持窑内压力稳定，避免烧成温度波动，该窑的窑头窑尾均不设窑门，而是在窑头两侧墙及窑顶各设置一道气幕风罩，采用吹风和抽风形式作为封闭气幕，改变传统的窑门封闭形式，也有利于产品干净入窑烧成。
排烟系统采用窑内多点排烟、窑外风机集中排烟形式。在预热带的两侧窑墙上，设置多对排烟口，排烟口位于窑墙靠近窑车台面处，这样热烟气在排出前多次向下流动，有效改善预热带气流分层。同时通过调节排气口的开度，调整预热带的温度曲线。每个排烟口的外侧设有冷风稀释口。
（4） 搅拌气幕
传统隧道窑预热带因气流分层导致上下温差较大。该窑在预热带前段无烧嘴区域设置10组循环风搅拌气幕，从窑墙一侧底部抽出热烟气，再从顶部吹入窑内，搅拌气流，阻止气流分层和“偏流”，缩小预热带上下温差，也易于控制预热段的升温曲线。
（5） 燃烧系统
蜂窝陶瓷的高温恒温时间要求较长，因而本方案烧成带占窑体全长比例略大，布置的烧嘴数量也略多。全窑共设30只高速烧嘴，烧嘴布置于烧成带两侧墙下部，且正对窑车台面与料垛下部之间的燃烧通道，每个烧嘴均配有燃气阀门和助燃风阀门，通过改变点燃的烧嘴数量和部位来调节烧成带高温点的位置和高温恒温时间，可以适应不同配方的烧成工艺要求，具有更大的烧成工艺适应性和调节的灵活性。
该窑的燃烧方式与传统陶瓷隧道窑有很大的区别。传统陶瓷隧道窑助燃风全部是通过烧嘴进入窑内助燃的。助燃风的换热主要通过金属换热器来实现，助燃风的换热温度只有200～300 ℃。而该窑只有极少部分冷风通过烧嘴进入窑内，起冷却烧嘴和助吹作用，绝大部分助燃风来自冷却带鼓入的冷却风。冷却制品后的热风，除少部分排出窑外用于干燥外，大部分运动到烧成带助燃。这部分热风到达烧成带后，其温度接近或达到最高烧成温度，因而，节能效果显著，并且高温升温和高温恒温操作变得容易。
（6） 窑尾冷却风和抽热风系统
该窑在窑尾两侧墙及窑顶各设置一道冷风口，由风机向窑内鼓入大量冷风冷却制品。冷却制品后的热风除大部分运动到烧成带助燃外，剩余部分经冷却带窑墙排风口由抽热风机抽出送至干燥窑用。
（7） 窑车
窑车底盘采用型钢制作加工而成，两侧设有砂封板，砂封板镶有隔热层。
窑车耐火材料中车台面砖选用抗热震性好的大块平枚砖，干砌摆放；周边选用啮合砖砌筑；中间选用隔热砖砌筑。车台面砖干砌的优点在于可大大减少窑车检修次数，延长窑车使用寿命。窑车砂封板上隔热层使用效果也很好，起到了隔热、保护砂封板的作用。
（8） 自动控制系统
该窑自动控制系统包括温度控制、压力控制和安全报警。
全窑30只烧嘴共分4区控制温度。通过AI人工智能仪表、燃气管路上的电动执行器和阀门来控制窑内温度。
窑内压力控制，是通过变频排烟风机来实现的，助燃风压力通过变频高压风机来控制。窑尾冷却风机和热风抽出风机也均采用变频控制。
在安全控制方面，燃气总管道上设有电磁阀和高低压压力开关、烧嘴控制器（火焰检测、自动点火、熄火保护）、油压顶车机过载保护报警等。
该窑控制系统配备有触摸屏处理器。触摸屏处理器能实现对窑炉温度压力的自动控制，还能根据烧成要求模拟并储存多种烧成制度曲线和参数，同时烧成曲线参数可按需要随时修改。
3 侧烧式梭式窑
梭式窑（又称抽屉窑）属于间歇式窑炉，既可满足连续化大生产，又能用于小规模间断性生产，生产方式和时间安排非常灵活，是近年来许多陶瓷和耐火材料生产厂家普遍采用的热工设备。随着燃料结构和自控程度的发展，相继出现了一些结构新颖、装配先进的新型梭式窑，使产品质量上了一个新台阶。
侧烧式梭式窑的高速烧嘴安装于窑体两侧墙上，上下交错布置，对准窑内制品垛之间的火道，将火焰水平吹入窑内，见图2。高速调温烧嘴喷出火焰速度高，席卷窑内气体循环，加强窑炉的对流换热，使窑内温度均匀。在窑车台面每个制品垛中心部位留有排烟口，地面基础上与窑车排烟口相对应处也设置排烟口，与地下烟道相通。烧成过程中产生的热气流经过制品间的空隙，同时加热制品，由窑车台面排烟口进入车底地下支烟道，汇总后由总烟道引入排烟机排空。在地下总烟道内，装有助燃风不锈钢换热器，助燃风换热温度可达300 ℃以上。在排烟机和换热器入口前各装有热电偶，检测烟道温度，并设有冷风配入口，根据烟气温度调节配风量，使排烟机和换热器在安全工作温度下运行。排烟机采用电机变频控制，自动调节窑内压力。
侧烧式梭式窑的温度、压力、烧成气氛均可实现自动化控制。尤其适于高温烧成和中高温还原气氛烧成，自动化控制手段日臻成熟。然而对于烧制蜂窝陶瓷制品，侧烧式梭式窑的应用效果不太理想。由于蜂窝陶瓷的还原过程是在600 ℃以下的低温完成的，这期间的烧嘴配风量较小，火焰吹入窑内的力度不大，火焰发飘，因此窑内温差较大。并且低温还原自动控制较麻烦，大多还需人工操作。
如前所述，用侧烧式梭式窑炉烧制蜂窝陶瓷时，在升温前期会出现集中排放黑烟的现象，并且每窑次的烧成质量会有所波动。
4 底烧式梭式窑
底烧式燃气梭式窑目前在国内使用较为普遍，投资小、操作简便、无需动力设备。但底烧式燃气梭式窑无法实现自动控制，只能靠人工操作。
底烧式燃气梭式窑的燃料为液化石油气或天然气，采用结构简单的文丘里式烧嘴，烧嘴在窑炉两侧墙底部对称排列，喷口垂直向上对准窑体进火孔，整个喷燃装置都设置在窑体底部以下的空间，见图3。高温燃气流由进火孔喷入窑内后，沿窑体两侧墙与窑车制品垛之间的火道向上喷射扩散，至窑顶转向下，穿过窑车上的所有制品，经窑车台面盖板之间预留的条缝状或圆孔状吸火孔进入车台面水平烟道，经窑体后端墙排烟口进入垂直烟道引出窑体，由烟囱排空。端墙垂直烟道设有闸板调节窑内压力，控制升温速度。这种结构属于倒焰式，高温气流的走向提高了传热效率，加上文丘里式烧嘴燃烧空气过剩系数不大，因此节能效果较为理想。
用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷，低温还原烧成人工操作较容易控制，其能耗也明显低于侧烧式梭式窑。 同样，用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷时，也存在集中排放黑烟的现象，需要在烟道里焚烧黑烟，以达到环保要求。
另外，底烧式燃气梭式窑因其本身结构原因，容积不能过大，一般最大不超过5 m3为宜。而侧烧式梭式窑没有此限制，可以做到100 m3以上。
5 结语
上述几种窑型用于烧制蜂窝陶瓷各有优缺点：隧道窑产量大、质量稳定、能耗低；侧烧式梭式窑能实现自动控制，但存在低温还原操作困难、集中排放黑烟等缺点；底烧式燃气梭式窑低温还原操作容易、投资小、节能，但无法实现自动化控制、产量小、也需采取措施集中处理排放黑烟问题，以达到环保要求。
因此，有关厂家在新建窑炉时，应根据自身经济能力、生产实际情况和产品工艺要求，有针对性地合理选择窑型，以免造成经济损失。这也是有关窑炉设计制造单位应充分考虑的。
（7） 窑车
窑车底盘采用型钢制作加工而成，两侧设有砂封板，砂封板镶有隔热层。
窑车耐火材料中车台面砖选用抗热震性好的大块平枚砖，干砌摆放；周边选用啮合砖砌筑；中间选用隔热砖砌筑。车台面砖干砌的优点在于可大大减少窑车检修次数，延长窑车使用寿命。窑车砂封板上隔热层使用效果也很好，起到了隔热、保护砂封板的作用。
（8） 自动控制系统
该窑自动控制系统包括温度控制、压力控制和安全报警。
全窑30只烧嘴共分4区控制温度。通过AI人工智能仪表、燃气管路上的电动执行器和阀门来控制窑内温度。
窑内压力控制，是通过变频排烟风机来实现的，助燃风压力通过变频高压风机来控制。窑尾冷却风机和热风抽出风机也均采用变频控制。
在安全控制方面，燃气总管道上设有电磁阀和高低压压力开关、烧嘴控制器（火焰检测、自动点火、熄火保护）、油压顶车机过载保护报警等。
该窑控制系统配备有触摸屏处理器。触摸屏处理器能实现对窑炉温度压力的自动控制，还能根据烧成要求模拟并储存多种烧成制度曲线和参数，同时烧成曲线参数可按需要随时修改。
3 侧烧式梭式窑
梭式窑（又称抽屉窑）属于间歇式窑炉，既可满足连续化大生产，又能用于小规模间断性生产，生产方式和时间安排非常灵活，是近年来许多陶瓷和耐火材料生产厂家普遍采用的热工设备。随着燃料结构和自控程度的发展，相继出现了一些结构新颖、装配先进的新型梭式窑，使产品质量上了一个新台阶。
侧烧式梭式窑的高速烧嘴安装于窑体两侧墙上，上下交错布置，对准窑内制品垛之间的火道，将火焰水平吹入窑内，见图2。高速调温烧嘴喷出火焰速度高，席卷窑内气体循环，加强窑炉的对流换热，使窑内温度均匀。在窑车台面每个制品垛中心部位留有排烟口，地面基础上与窑车排烟口相对应处也设置排烟口，与地下烟道相通。烧成过程中产生的热气流经过制品间的空隙，同时加热制品，由窑车台面排烟口进入车底地下支烟道，汇总后由总烟道引入排烟机排空。在地下总烟道内，装有助燃风不锈钢换热器，助燃风换热温度可达300 ℃以上。在排烟机和换热器入口前各装有热电偶，检测烟道温度，并设有冷风配入口，根据烟气温度调节配风量，使排烟机和换热器在安全工作温度下运行。排烟机采用电机变频控制，自动调节窑内压力。
侧烧式梭式窑的温度、压力、烧成气氛均可实现自动化控制。尤其适于高温烧成和中高温还原气氛烧成，自动化控制手段日臻成熟。然而对于烧制蜂窝陶瓷制品，侧烧式梭式窑的应用效果不太理想。由于蜂窝陶瓷的还原过程是在600 ℃以下的低温完成的，这期间的烧嘴配风量较小，火焰吹入窑内的力度不大，火焰发飘，因此窑内温差较大。并且低温还原自动控制较麻烦，大多还需人工操作。
如前所述，用侧烧式梭式窑炉烧制蜂窝陶瓷时，在升温前期会出现集中排放黑烟的现象，并且每窑次的烧成质量会有所波动。
4 底烧式梭式窑
底烧式燃气梭式窑目前在国内使用较为普遍，投资小、操作简便、无需动力设备。但底烧式燃气梭式窑无法实现自动控制，只能靠人工操作。
底烧式燃气梭式窑的燃料为液化石油气或天然气，采用结构简单的文丘里式烧嘴，烧嘴在窑炉两侧墙底部对称排列，喷口垂直向上对准窑体进火孔，整个喷燃装置都设置在窑体底部以下的空间，见图3。高温燃气流由进火孔喷入窑内后，沿窑体两侧墙与窑车制品垛之间的火道向上喷射扩散，至窑顶转向下，穿过窑车上的所有制品，经窑车台面盖板之间预留的条缝状或圆孔状吸火孔进入车台面水平烟道，经窑体后端墙排烟口进入垂直烟道引出窑体，由烟囱排空。端墙垂直烟道设有闸板调节窑内压力，控制升温速度。这种结构属于倒焰式，高温气流的走向提高了传热效率，加上文丘里式烧嘴燃烧空气过剩系数不大，因此节能效果较为理想。
用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷，低温还原烧成人工操作较容易控制，其能耗也明显低于侧烧式梭式窑。 同样，用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷时，也存在集中排放黑烟的现象，需要在烟道里焚烧黑烟，以达到环保要求。
另外，底烧式燃气梭式窑因其本身结构原因，容积不能过大，一般最大不超过5 m3为宜。而侧烧式梭式窑没有此限制，可以做到100 m3以上。
5 结语
上述几种窑型用于烧制蜂窝陶瓷各有优缺点：隧道窑产量大、质量稳定、能耗低；侧烧式梭式窑能实现自动控制，但存在低温还原操作困难、集中排放黑烟等缺点；底烧式燃气梭式窑低温还原操作容易、投资小、节能，但无法实现自动化控制、产量小、也需采取措施集中处理排放黑烟问题，以达到环保要求。
因此，有关厂家在新建窑炉时，应根据自身经济能力、生产实际情况和产品工艺要求，有针对性地合理选择窑型，以免造成经济损失。这也是有关窑炉设计制造单位应充分考虑的。
（7） 窑车
窑车底盘采用型钢制作加工而成，两侧设有砂封板，砂封板镶有隔热层。
窑车耐火材料中车台面砖选用抗热震性好的大块平枚砖，干砌摆放；周边选用啮合砖砌筑；中间选用隔热砖砌筑。车台面砖干砌的优点在于可大大减少窑车检修次数，延长窑车使用寿命。窑车砂封板上隔热层使用效果也很好，起到了隔热、保护砂封板的作用。
（8） 自动控制系统
该窑自动控制系统包括温度控制、压力控制和安全报警。
全窑30只烧嘴共分4区控制温度。通过AI人工智能仪表、燃气管路上的电动执行器和阀门来控制窑内温度。
窑内压力控制，是通过变频排烟风机来实现的，助燃风压力通过变频高压风机来控制。窑尾冷却风机和热风抽出风机也均采用变频控制。
在安全控制方面，燃气总管道上设有电磁阀和高低压压力开关、烧嘴控制器（火焰检测、自动点火、熄火保护）、油压顶车机过载保护报警等。
该窑控制系统配备有触摸屏处理器。触摸屏处理器能实现对窑炉温度压力的自动控制，还能根据烧成要求模拟并储存多种烧成制度曲线和参数，同时烧成曲线参数可按需要随时修改。
3 侧烧式梭式窑
梭式窑（又称抽屉窑）属于间歇式窑炉，既可满足连续化大生产，又能用于小规模间断性生产，生产方式和时间安排非常灵活，是近年来许多陶瓷和耐火材料生产厂家普遍采用的热工设备。随着燃料结构和自控程度的发展，相继出现了一些结构新颖、装配先进的新型梭式窑，使产品质量上了一个新台阶。
侧烧式梭式窑的高速烧嘴安装于窑体两侧墙上，上下交错布置，对准窑内制品垛之间的火道，将火焰水平吹入窑内，见图2。高速调温烧嘴喷出火焰速度高，席卷窑内气体循环，加强窑炉的对流换热，使窑内温度均匀。在窑车台面每个制品垛中心部位留有排烟口，地面基础上与窑车排烟口相对应处也设置排烟口，与地下烟道相通。烧成过程中产生的热气流经过制品间的空隙，同时加热制品，由窑车台面排烟口进入车底地下支烟道，汇总后由总烟道引入排烟机排空。在地下总烟道内，装有助燃风不锈钢换热器，助燃风换热温度可达300 ℃以上。在排烟机和换热器入口前各装有热电偶，检测烟道温度，并设有冷风配入口，根据烟气温度调节配风量，使排烟机和换热器在安全工作温度下运行。排烟机采用电机变频控制，自动调节窑内压力。
侧烧式梭式窑的温度、压力、烧成气氛均可实现自动化控制。尤其适于高温烧成和中高温还原气氛烧成，自动化控制手段日臻成熟。然而对于烧制蜂窝陶瓷制品，侧烧式梭式窑的应用效果不太理想。由于蜂窝陶瓷的还原过程是在600 ℃以下的低温完成的，这期间的烧嘴配风量较小，火焰吹入窑内的力度不大，火焰发飘，因此窑内温差较大。并且低温还原自动控制较麻烦，大多还需人工操作。
如前所述，用侧烧式梭式窑炉烧制蜂窝陶瓷时，在升温前期会出现集中排放黑烟的现象，并且每窑次的烧成质量会有所波动。
4 底烧式梭式窑
底烧式燃气梭式窑目前在国内使用较为普遍，投资小、操作简便、无需动力设备。但底烧式燃气梭式窑无法实现自动控制，只能靠人工操作。
底烧式燃气梭式窑的燃料为液化石油气或天然气，采用结构简单的文丘里式烧嘴，烧嘴在窑炉两侧墙底部对称排列，喷口垂直向上对准窑体进火孔，整个喷燃装置都设置在窑体底部以下的空间，见图3。高温燃气流由进火孔喷入窑内后，沿窑体两侧墙与窑车制品垛之间的火道向上喷射扩散，至窑顶转向下，穿过窑车上的所有制品，经窑车台面盖板之间预留的条缝状或圆孔状吸火孔进入车台面水平烟道，经窑体后端墙排烟口进入垂直烟道引出窑体，由烟囱排空。端墙垂直烟道设有闸板调节窑内压力，控制升温速度。这种结构属于倒焰式，高温气流的走向提高了传热效率，加上文丘里式烧嘴燃烧空气过剩系数不大，因此节能效果较为理想。
用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷，低温还原烧成人工操作较容易控制，其能耗也明显低于侧烧式梭式窑。 同样，用底烧式燃气梭式窑烧制蜂窝陶瓷时，也存在集中排放黑烟的现象，需要在烟道里焚烧黑烟，以达到环保要求。
另外，底烧式燃气梭式窑因其本身结构原因，容积不能过大，一般最大不超过5 m3为宜。而侧烧式梭式窑没有此限制，可以做到100 m3以上。
5 结语
上述几种窑型用于烧制蜂窝陶瓷各有优缺点：隧道窑产量大、质量稳定、能耗低；侧烧式梭式窑能实现自动控制，但存在低温还原操作困难、集中排放黑烟等缺点；底烧式燃气梭式窑低温还原操作容易、投资小、节能，但无法实现自动化控制、产量小、也需采取措施集中处理排放黑烟问题，以达到环保要求。
因此，有关厂家在新建窑炉时，应根据自身经济能力、生产实际情况和产品工艺要求，有针对性地合理选择窑型，以免造成经济损失。这也是有关窑炉设计制造单位应充分考虑的。
