燒結(jié)耐火磚是如何燒制的？

 

耐火磚出窯

燒制是指對耐火磚坯進行煅燒的熱處理過程。磚坯經(jīng)過燒成，可使其中的某些組分發(fā)生分解和化合等化學(xué)反應(yīng)，使磚坯燒結(jié)形成玻璃質(zhì)或晶體結(jié)合的制品，從而使制品獲得較好的體積穩(wěn)定性和強度，以及其他特性。 

耐火制品的性質(zhì)不僅取決于原料的成分和性質(zhì)、配料組成和生產(chǎn)方法，而且在很大程度上取決于燒成質(zhì)量的好壞。燒成是耐火制品生產(chǎn)過程中的重要一道工序，無論是制品的質(zhì)量或是企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟指標，如產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、單位產(chǎn)品燃料消耗定額和產(chǎn)品成本等，都在很大程度上取決于燒成的好壞。所以，燒成是耐火材料生產(chǎn)過程中特別關(guān)鍵的工序。

一、燒成窯爐類型 

耐火材料燒成窯爐的種類很多，但目前耐火制品燒成時，常用的燒成設(shè)備有隧道窯、梭式窯、倒焰窯和熱處理窯。此外還有用于特種要求的窯爐，如電加熱式窯爐，根據(jù)需要控制窯爐內(nèi)的氣氛。通常采用氣體燃料（如天然氣、煤氣）和液體燃料（如重油、輕柴油等），我國已基本取締直接使用固體燃料。 

（一）隧道窯

隧道窯屬于連續(xù)作業(yè)的窯爐，是目前耐火材料生產(chǎn)中比較先進和普遍使用的窯爐。它的主要優(yōu)點是機械化、自動化程度高，生產(chǎn)能力較大，熱效率也高。但隧道窯在燒制不同品種的磚時，其燒成制度的更換不如梭式窯和倒焰窯靈活。 

隧道窯沿窯長度方向有預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶。根據(jù)制品類型和工藝要求，有普通隧道窯和高溫隧道窯兩大類型。高溫隧道窯燒成溫度可達1800~1900℃，窯長50~130m，窯寬1.1~3.2m，年生產(chǎn)能力5000~32000噸，單位產(chǎn)品熱耗6600~6900KJ/Kg。 

（二）倒焰窯

倒焰窯屬于間歇式窯爐。間歇式窯爐具有燒成制度可根據(jù)生產(chǎn)需要靈活調(diào)整，適合多品種、小批量生產(chǎn)。倒焰窯形狀有方形和圓形兩種，目前生產(chǎn)上常用的有容積為100m3、150m3、200m3、250m3等倒焰窯，也有幾立方米和10m3左右的高溫倒焰窯。由于倒焰窯適合燒制大型、特異型制品和多種燒成制度、小批量的耐火制品，因此有它的特點和優(yōu)勢。倒焰窯的主要缺點是熱效率低、生產(chǎn)能力低、勞動強度大、操作條件差和周轉(zhuǎn)時間長等。該窯型將逐漸被淘汰。 

（三）梭式窯

梭式窯是一種配有窯車的倒焰窯，由于制品在窯車上燒制，可以提高窯車周轉(zhuǎn)率，達到提高產(chǎn)能的目的，是替代倒焰窯的新型間歇式窯爐。梭式窯的容積在10~300m3范圍內(nèi)。燒成溫度可達到1750℃。梭式窯特點：1）可實現(xiàn)快速燒成，系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活，窯溫均勻。2）燃料消耗低。由于梭式窯采用輕質(zhì)磚、薄壁，蓄熱量�。粺�成周期短；設(shè)置了煙氣余熱回收裝置。同樣是間歇式窯爐，燃料消耗為倒焰窯的30~40%。3）由于裝卸磚在窯外進行，勞動條件改善，機械化和自動化程度達到隧道窯水平。

（四）熱處理窯

熱處理窯的熱源有熱煙氣和電加熱。生產(chǎn)方式有連續(xù)操作和間歇操作兩種。

隧道式連續(xù)操作熱處理窯，一般采用熱煙氣加熱方式。熱煙氣從窯中間送入，前后兩端排出，出窯廢氣一部分循環(huán)使用，其送風(fēng)及排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有調(diào)節(jié)閥，能靈活控制窯內(nèi)各點的風(fēng)量和溫度。進車端排出的廢氣經(jīng)雙重管(套管)換熱器返回燃燒室，對結(jié)合劑的揮發(fā)份及有害氣體進行焚燒處理。

近年來，電加熱爐窯的應(yīng)用在逐步增多，大多用于鎂碳磚、長水口和滑板等制品的熱處理，也用于滑板、長水口的焙燒及氮化硅等特種耐火材料的燒制。電加熱爐生產(chǎn)靈活，溫度控制方便可靠，生產(chǎn)環(huán)境好。

電加熱處理窯采用乳白石英遠紅外管加熱器或電阻絲加熱，窯內(nèi)溫度一般在200～350℃，裝機功率150～300kW。其大特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、煙塵及噪聲危害輕，操作靈活、窯溫均勻，便于控制熱工制度。

電加熱焙燒爐窯多為間歇作業(yè)，使用溫度大多在400～700℃，裝機功率隨產(chǎn)品品種和升溫速率要求差異較大，多為250～500kW。生產(chǎn)氮化硅結(jié)合碳化硅磚的電加熱爐窯溫度約1400℃，窯體密封，并控制在氮氣氛進行燒成。

二、燒成工序

耐火制品燒成工序包括：裝窯、焙燒和出窯。 

（一）裝窯

過去在燒成工人中常流傳著這樣一句話：燒磚質(zhì)量的好壞是“七分碼，三分燒”，這種講法雖然不夠科學(xué)，但它卻反映了碼窯與燒成的密切關(guān)系。裝窯時磚垛碼得不好，絕不會燒出好的產(chǎn)品來。 

所謂裝窯就是指按窯爐結(jié)構(gòu)特點和制品燒成時熱工制度的要求，在窯內(nèi)將符合半成品技術(shù)條件的磚坯合理排列碼放的操作過程。對于隧道窯也稱裝(窯)車。 

為了達到上述目的，就需要制定裝窯圖和裝窯技術(shù)操作規(guī)程，以便統(tǒng)一裝窯操作。隧道窯和倒焰窯裝窯圖的制定雖然有著它們各自的特點，如隧道窯是將磚坯裝在窯車上，而倒焰窯則將磚還直接裝入窯內(nèi)，但在制訂它們的裝窯圖時應(yīng)該掌握的基本原則還是一致的。如傳熱，不同品種磚坯的裝窯部位等。下面以隧道窯裝窯為例，說明制訂裝窯圖的一些基本原則。 

在制訂隧道窯裝窯方案時，通�？紤]以下幾方面的問題： 

1)根據(jù)不同磚種，確定裝窯高度和裝窯方法。通常鎂磚和一等高鋁磚的裝窯高度為1～1.1m；硅磚為1～1.7m；粘土磚介于兩者之間。裝磚方法多數(shù)采取平裝，硅磚采用立裝和粘土磚采用側(cè)裝的方法。 

2)根據(jù)不同磚型，確定普型磚和異型磚的裝窯比例，一般異型磚與普型磚在同一窯車上的比例為4∶6左右。同時，還要根據(jù)不同磚型，確定不同品種的裝窯部位。一般將標、普型磚裝在下部，異型磚裝在上部，而對某些特異型磚或燒成時容易開裂的磚坯進行包裝(以磚包磚)。 

3)在保證燒成質(zhì)量的前提下，提高裝磚密度(即單位窯車裝磚量)以達到提高產(chǎn)量和降低燃耗。 

4)保證磚坯在焙燒時氣體正常流通和具有良好的傳熱條件。為此，在制定裝窯圖時，還應(yīng)控制以下兩個因素，即K值和m值。

K值是指隧道窯外通道截面積與內(nèi)通道截面積之比。若外通道截面積為了f外，內(nèi)通道截面積為f內(nèi)，則K值可表示為：

K＝f外/f內(nèi) 

這個比值，反映了隧道窯中氣流在外、內(nèi)通道的分布情況。選擇適當?shù)腒值有利于磚垛溫度的均勻。在耐火材料生產(chǎn)中，由于各廠生產(chǎn)的品種不同，以及窯爐結(jié)構(gòu)和散熱等條件不一樣，所以各廠在燒成耐火制品時規(guī)定的K值也不一致，但對某一個廠來說，應(yīng)保持相對穩(wěn)定。一般規(guī)定燒成粘土磚、硅磚時的K值為1.3～1.6；而高鋁磚、鎂質(zhì)制品為1.3～1.4。 

K值大于1，說明外通道面積大于內(nèi)通道面積，其目的在于使磚垛外表面有足夠的火焰流過，但外通道面積也不能太大，過大則使磚垛中心部位火焰流量減少，而造成磚垛中心部位制品欠燒。 

m值又稱隧道窯的有效斷面系數(shù)。它是指裝磚時縱向通道(包括外通道和內(nèi)通道)橫截面積總和與窯的橫截面積之比，用百分率來表示。若以f總代表隧道窯的橫截面積，則m值可表示為：

m＝（f外+f內(nèi)）/f總×100%

m值越大，說明氣流通道相對面積越大，氣體流通時的阻力就越小，但窯車裝磚量將隨之減少。通常燒成粘土磚、硅磚時，m值為25～35%，燒成高鋁磚和鎂磚時為35～50%。 

近年來，在制定裝窯圖時，有時隧道窯在磚垛內(nèi)采取留均勻小通道的辦法，其原理基本相同。 

制定合理的裝窯圖是保證裝窯質(zhì)量的前提，但如果裝窯操作不當也會使燒成后的制品外形合格率降低。因此，在耐火材料生產(chǎn)中，對裝窯質(zhì)量的基本要求是保證磚垛得平、穩(wěn)、直和避免磚坯間因高溫?zé)�成時粘結(jié)在一起，以及減少燒成制品的扭曲變形。為了達到上述要求，裝窯時通常在每層磚之間均勻地撒一層粒度為0.5～3mm的填砂。不同性質(zhì)的制品，對裝窯填砂的要求也不同，通常粘土磚、高鋁磚使用硅砂、礬土屑、稻殼或稻殼灰；硅磚使用廢硅磚砂或硅砂；鎂磚質(zhì)使用鎂砂或鉻礦砂。 

（二）燒成

磚坯在燒成過程中進行一系列的物理－化學(xué)反應(yīng)，使磚坯變得致密，強度增加，體積穩(wěn)定，并保證有準確的外形尺寸。 

1.燒成過程三個階段

耐火材料在燒成時，根據(jù)制品發(fā)生變化的特征，整個燒成過程可分為三個階段：

（1）加熱階段，即從制品進窯或點火時起至達到制品燒成的高溫度時為止。在這個階段中進行著磚坯加熱，殘余水分和化學(xué)結(jié)晶水分的排出，某些物質(zhì)的分解和新的化合物的形成，多晶轉(zhuǎn)變以及液相生成等，包括有機和無機結(jié)合劑、添加劑的分解、氧化燃燒等，放出CO2和水及其它小分子。在這個階段，由于上述原因，坯體的重量減輕，氣孔率增大，強度降低。

隨溫度增加，達到液相形成溫度和物相合成溫度，由于液相的擴散、流動、溶解沉析傳質(zhì)過程的進行，顆粒在液相表面張力作用下，進一步靠攏而促使坯體致密化，使其強度增加，體積縮小，氣孔率降低，坯體進行燒結(jié)。 

（2）高燒成溫度時的保溫階段。坯體中各種反應(yīng)趨于完全、充分、液相數(shù)量增加，結(jié)晶相進一步成長，磚坯達到致密化。

制品在燒成過程中，不僅要使表面達到燒成溫度，而且要使制品內(nèi)部也達到燒成溫度。這個溫度均勻化的過程是靠傳熱來實現(xiàn)的，為此需要一定的時間。由此可見，制品越大，裝窯密度越高，則此時間就越長。此外，由于窯爐內(nèi)各部位溫度的不均勻性，也需要一定的保溫時間。 

（3）冷卻階段是指從燒成高溫度至出窯溫度。在此階段中，制品在高溫時進行的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化基本上得到了固定。在此階段的初期，制品中還進行著一些物理－化學(xué)變化，發(fā)生物相的析晶、某些晶體的晶型轉(zhuǎn)變、玻璃相固化、微裂紋產(chǎn)生等過程。冷卻制度會影響制品的強度、抗熱震性等物理性能。 

2.燒成制度

為了合理地進行各種耐火制品的燒成，應(yīng)預(yù)先確定每種制品的燒成制度，其內(nèi)容包括：燒成的高溫度；在各階段的升溫速度；在高溫度下的保溫時間；制品冷卻下的降溫速度；在上述各階段中窯內(nèi)的氣氛性質(zhì)。 

燒成制度可以制成橫坐標為時間(小時)，縱坐標為溫度(℃)的曲線，也可以由溫度范圍、升溫速度和時間為內(nèi)容的列表形式表示。

耐火制品燒成溫度主要取決于：1）使用的原料的性質(zhì)。原料的主要礦物相的熔點、礦物相之間的低共熔點溫度和數(shù)量與燒成溫度直接相關(guān)。耐火制品參考燒成溫度約為主要礦物相熔點溫度的0.8倍。因此，高純鎂磚燒成溫度高于鎂尖晶石磚；剛玉磚燒成溫度高于莫來石磚；堿性耐火制品的燒成溫度高于高鋁耐火制品；2）對于相同材質(zhì)，原料純度越高，燒成溫度越高。純度高的直接結(jié)合堿性制品燒成溫度高于硅酸鹽結(jié)合的堿性制品。3）原料細粉的粒度。分散度高則比表面積越大，表面自由能越大，燒結(jié)動力越大。因此微粉可促進燒結(jié)，降低燒成溫度。 

耐火制品燒成時，在加熱和冷卻過程中許可的升(降)溫速度以及需要的保溫時間，取決于：1）加熱和冷卻時制品內(nèi)進行的物理化學(xué)變化過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大小；2）完成這一物理化學(xué)變化所需的溫度和時間；3）燒成過程中耐火制品的溫度梯度、熱膨脹和冷收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。 

耐火制品的燒成過程可以用兩種加熱方式來完成，即制品在較低溫度下用較長時間燒成，或在較高的溫度下用較短的時間燒成。但實際上由于窯爐內(nèi)傳熱緩慢，以及制品在窯爐內(nèi)受熱的不均勻性，所以用快速燒成耐火制品是有限度的。 

燒成時的窯內(nèi)氣氛有氧化氣氛、中性氣氛、還原氣氛、惰性氣氛等，應(yīng)按燒結(jié)要求進行控制。燒成時的窯內(nèi)氣氛，會影響制品在燒成過程中的化學(xué)變化。例如在氧化氣氛下燒成粘土磚，可使制品內(nèi)FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3，有利于提高粘土制品的耐火度，以及使磚坯內(nèi)有機物燃燒揮發(fā)；而燒成硅磚時，通常采用還原性氣氛，可使加入的鐵質(zhì)礦化劑增強礦化作用；含碳制品由于避免碳的氧化，要求在隔絕空氣的還原氣氛中燒成，或控制的氮氣中燒成。因此，不同制品燒成時要求的氣氛也不同。 

耐火制品的燒成制度不僅與耐火制品的品種、形狀尺寸有關(guān)，還與燒成設(shè)備的類型密切相關(guān)。比如大型倒焰窯，需要較緩慢的升溫速度，較長的保溫時間，以保障磚坯溫度的均勻性。不適宜的燒成制度，會增大廢品率，降低制品質(zhì)量。合適燒成制度建立在理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗之上。 

（三）出窯

出窯是將燒好的制品經(jīng)冷卻后從窯內(nèi)取出來，或從窯車上卸下來的操作過程。出窯操作的好壞，對成品外形質(zhì)量有著直接影響。在出窯過程中，如果操作不注意或不熟練，往往會造成制品缺邊掉角，從而降低成品合格率。 

在耐火材料生產(chǎn)中，出窯操作一般應(yīng)注意如下幾點： 

（1）取磚和放磚時，應(yīng)做到輕拿輕放，避免由于出窯操作不慎而造成的制品外形缺陷。

（2）不同磚號的制品應(yīng)嚴格分開堆放，也就是說，不同磚號的制品出窯時不能放在同一塊磚板上，否則，在成品檢選時易造成混亂。因為有些不同磚號制品的外形可以完全相同，只是在某一尺寸有不大的差別(幾個mm或十幾個mm)，如果將它們混放在一塊磚板上，檢選時就容易把其中一個磚號的制品誤認為廢品，這樣不但會造成浪費，還會影響使用。

不同型號磚的堆放后，注明標識。

（3）應(yīng)將工具磚(架磚、拉坯磚等)整理堆放好，以供裝窯時繼續(xù)使用。

（4）出窯、運磚時應(yīng)注意安全操作和勞動防護。 

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