节能框架式窑具在陶瓷烧成中的应用

林佳 郭喜斌

摘 要：现代陶瓷烧成过程中主要采用隧道窑、辊道窑、梭式窑、电窑等，此类窑具性能和质量的好坏，会直接影响到其能耗与产品合格率。当前，正值陶瓷行业高质量发展之际，生产企业应结合高质量建设与高水准生产目标持续提高对节能框架式窑具的研发设计及推广应用。本次研究中概述了节能框架式窯具的结构和特点，剖析了其在陶瓷烧成中的应用优势，并对其在日用陶瓷、卫生陶瓷、其他陶瓷烧成中的具体应用进行了探讨。

关键词：节能框架式窑具；
陶瓷烧成；
应用

1 前言

改革开放四十多年来，我国陶瓷行业获得了高速发展，企业数量超过了3600家，工业总产值已达8000多亿元。近几年随着统一大市场的建成，此类企业在国际市场－国内市场双循环和双流通新发展格局下，根据行业“定价权”“供应链”竞争等实际情况，普遍扩大了生产规模，也增加了能耗。因而，在新时期中国式现代化改革过程中，此类企业应结合高质量发展主题持续加强环保安全管理，并将工作落实到对节能窑具的创新及应用方面。下面先对节能框架式窑具的结构做出简要概述。

2节能框架式窑具结构概述

传统窑车以耐火泥做车面，使用横梁、立柱、棚板等设置窑具后，进行一层一层垒烧时产品高度不同，缺点集中表现在以下方面：（1）支柱粗大笨重；
（2）托板厚重缺乏空腔；
（3）窑具多层堆叠；
（4）窑车推进不平稳，易发生震动、倒车等风险事件及安全事故。

从日用陶瓷、卫生陶瓷、工艺美术陶瓷、建筑陶瓷中使用的烧成设备看，虽然类型较多，但是使用传统窑具时的重量比大于陶瓷产品，吸热量大，烧成后高温窑急冷、缓冷处理中需消耗较多能量，而且对陶瓷烧成时间、质量存在影响。与之相比，节能框架式窑具应用了具有节能降耗、轻质化特性的材料，结构设计时通过对柱－梁－板规格、尺寸的调整与组合应用，能满足不同陶瓷产品烧成中节能框架式窑具优化设计需求，形成装配框架结构，进而从整体上有效解决传统窑具中的缺点。

3节能框架式窑具在陶瓷烧成中的应用优势

3.1节能降耗优势

目前，节能框架式窑具设计过程中，主要按项目立项→窑具调查→节能框架式窑具投资决策→窑具材料选择→装配式结构设计→窑具制安→竣工环保验收→试运行→测试→能耗分析→综合评价→正式运行等环节实施。其中，每个环节都可以通过对优化设计思想的运用，实现节能降耗目标。

具体而言，在项目立项后，生产企业可以按环境影响评价方法，对传统窑具进行全面调查，对窑具构成要素、使用指标分析，确定其中的缺点、能耗成因。然后，采用“具体缺点、具体成因、系统性解决”的编制项目建设方案，并按陶瓷产品类型设计适配性较高的装配式窑具结构。最后，在设计施工一体化实践模式下完成对节能框架式窑具的应用。进一步看，材料占到了总投资额的60%左右，此类企业可以选择莫来石－堇青石作为棚板，在46～60MPa成型压力下将莫来石、堇青石及SiSiC等结合剂进行混合压制所需棚板。例如，在艺术陶瓷生产过程中以隧道窑为主，热效率约在26%左右，其中余热占到74%，除部分被利用的余热外，41%的余热尚可利用，但是受到窑具的影响利用中面临较大挑战。此时，可以根据上述流程应用节能框架式窑具，实现对其余热的利用，进而降低其能耗。

3.2轻质化优势

此类窑具除了在设计施工一体化实践中的诸环节具有节能降耗优势外，还具有十分突出的轻质化优势。具体而言，窑具的重量主要受材料、结构因素影响，其中棚板重量被称为“硬伤”，改用其他材料制成的棚板后可降低窑具重量，进而使支柱、托板等重量减小。以常用的

SiSiC反应烧结碳化硅材料为例，性能优势包括：（1）抗热震；
（2）抗氧化；
（3）高硬度；
（4）高耐磨；
（5）耐腐蚀；
（6）抗弯强度大等方面。目前，采用等静压成型工艺对其进行压制后，其密度可以超过3.08g/cm3。实验室测试与实际压制板材应用后的测定结果表明，在1200℃以下时其抗弯强度可以达到280MPa，气孔率小于0.1%，在窑具的梁、板、柱中应用该材料作为板材，既轻又薄，适用性较好。当前阶段生产企业已在“校企合作”模式下利用各大院校的材料研究成果，扩大了对刚玉－莫来石的利用。

例如，华南理工大学和佛山罗村某窑具企业合作过程中，对莫来石－堇青石材棚板的利用已成为行业经典案例。近几年，莫来石－堇青石棚板的推广应用过程中，发展局限性有所增加，此类企业与高校结合行业发展现状在功能陶瓷方面，一方面增强了此类材料与SiSiC的联合应用，另一方面配套研发了适配性更高的刚玉－莫来石板，不仅继承了原有材料耐高温、抗热震、化学性能稳定、承载量大优势，还利用大吨位的液压成形工艺与超高温烧成技术实现了对不同形状棚板的制作，创新了“预制+装配”方案，既可以实现轻质化棚板材料的高效生产，又能为其多元化的推广应用提供了技术支持。尤其在高温板式窑炉中用轻质化棚板代替了同类进口产品，为自主型窑具生产制作奠定了坚实基础。

4节能框架式窑具在陶瓷烧成中的应用分析

节能框架式窑具通过对不同耐火材料进行了融合，可以在材料性能基础上结合优化设计理念，将净尺寸烧结技术与精加工能力相结合，根据陶瓷产品烧成需求、窑具设备类型等，选择形状结构多变的通用形横梁、立柱、棚板进行组合，可以满足不同陶瓷产品形状、尺寸、烧成温度、气氛等要素下的高效烧成，减少对烧结过程与冷却过程的能量耗费。下面分别对其在日用陶瓷、卫生陶瓷及其他陶瓷中的应用做出分析。

4.1以日用陶瓷烧成中的应用为例

日用陶瓷厚度小、壁较薄，采用传统窑具装载时单位面积重量不大。以碳化硅棚板托烧为例，在同等面积下棚板重量大于壶、杯、碗、盘等产品重量。应用节能框架式窑具能够应用更为合理的支撑方法，在满足托烧需求基础上达到节能目标。具体而言，生产企业常用12mm厚的烧结碳化硅棚板，耐火支柱支撑棚板时支点跨度较大，其高温抗折强度为56MPa。通过调查与抗折强度和材料厚度平方成正比的基本原理分析，按4倍要求提高其抗折强度后，厚度可以降低0.5倍。此时，可以在优化设计理念下选择新型棚板联合支撑方法设计适配性较高的节能框架式装配结构。

例如，某日用陶瓷生产企业规模较小，投资额度有限。可以根据实际的日用陶瓷烧成特点，在设计施工一体化实践模式下选择莫来石－堇青石棚板材料和大规格SiSiC超薄板作为窑具材料。然后，选择精加工工艺，将两种材料混合压制，预制生产与企业需求相一致的形状结构变型通用柱、梁、板结构，并根据窑炉设备进行窑具制安。操作步骤如下：

（1）在窑车上垂直固定壁厚5mm、外宽为30mm*50mm的立柱，并在两侧错开布置中心距为25mm的两排Φ15mm的孔。同时，根据产品装载高度选择支承管并设置合适的中心高。将支承管横穿到立柱后，可以进行螺栓紧固。通常而言，此类企业会选择壁厚3.5mm、外径Φ13mm、长度范围在550mm～770mm的支承管。

（2）在支承管上设置托板架，具体可根据窑车实际情况进行托板长度、大小、形状方面的设计。一般情况下，长度范围在450mm～550mm、宽度不小于50mm（以托板大于坯体底部宽度为准取舍）、厚度为5mm。实际应用中设计人员应将支承管的中心距离设置为托板长度的55%～60%以内，从而有减少其支点跨度，缩短受力距离，有效改善其支撑效果等（如图1）。

（3）当反应烧结碳化硅密度确定后，可以按合计窑具=立柱+支承管+托板计算出其中每层窑具的重量。假定其密度为3.05g/cm3，取立柱、支承管、托板最小值计算出其中的合计窑具重量约为2385g，此时每片托板的托烧产品重量为2070g/层，那么窑具重量与产品重量的比值约等于1.15：1，能够改变其重量比。在节能方面，常用窑具重量与产品重比约为4.18：1，此时可以计算出节能窑具重量减轻了3.6倍，而且总体上降低了58.5%的重量。根据高温时碳化硅比热容和陶瓷产品比热容相近的实际情况，在同等重量下实际上可以将原来的总热耗60%的被浪费热量与节省重量相乘，得到节省热耗值35%（60%*58.5%）。进一步，企业可以根据燃料对其节省的天然气或其他燃料能耗进行计算。

4.2以卫生陶瓷烧成中的应用为例

以卫生陶瓷生产企业为例，原来生产中以隧道窑为准，产品为洗手盆。改造前相关参数如下：（1）隧道窑规格：90m×2.2m×1.1m（内高）；
（2）洗手盆产品规格：800mm×500mm；
（3）产能：49车/d；
（4）装载量：35件/车；
（5）产量：1725件/d；
（6）天然气消耗量：3000m3/d。按照标准流程进行设计生产一体化实践模式，开展了项目立项→调查→决策→选材→设计→制安→验收→试运行→测试→能耗分析→综合评价等。结果显示，采用“石－堇青石+SiSiC”方案设计节能框架式窑具并进行应用后，可以将其能耗大幅度降低，并提高其产量。

具体而言，在材料确定后，材料生产企业可以根据该卫生陶瓷生产企业的实际需求在1350℃/3h、46～60MPa条件下，按 m（堇青石）∶m（莫来石）=45：30进行合成不同规格的部件板材，同时在等静压成型工艺下压制SiSi部件，然后通过组合方式制安适用于该窑炉设备的窑具。具体操作时，根据节能框架式窑具优化设计理念进行组合式窑具制安、运行后，其中的窑车数量增加到了68台、产能提高到了42件/车，消耗天然气量不变的情况下，每件产品的能耗从原来的1.75m3/d降低到了1.12 m3/d，节约天然气总量为0.63 m3。经比较，改造后一天的产能为2856件，增加了1131件。按照百分比进行计算，改造后的能耗、产量、装载量、烧成台数，分别提高了36%、66%、20%、39%，有利于企业产出综合效益。

4.3以其他陶瓷烧成中的应用为例

除在日用陶瓷、卫生陶瓷中应用新材料、新结构的窑具外，在建筑陶瓷、电瓷、艺术陶瓷中均可以应用节能框架式窑具，实现降低能耗、提高产量、减少窑具重量、改变产品/窑具重量比等目标。例如，在一些电子绝缘陶瓷烧成过程中，部分企业结合实际需求选择了刚玉-莫来石质棚板，将硅灰、三氧化二铝微粉、电熔莫来石、电熔白刚玉、板状刚玉等作为原材料，利用大吨位液压成型与超高温烧成工艺压制好适用的柱、板、梁后，可以根据节能框架式窑具设计方案对其半成品材料进行装配及应用。

需要注意的是，应用节能框架式窑具时，主要原料相对固定，棚板生产工艺比较成熟，实际应用时的重点集中在对原有窑具的调查分析与节能窑具的研发设计方面。尤其应突出其功能性、通用性、装配性，进而在材料节能有保障的条件下，通过结构优化实现提高对其材料的应用。建议在实践过程中，尽可能利用模块化设计对节能框架式窑具的制安进行简化，有效发挥其“预制+装配”工艺方面的优势。

5结论

总之，陶瓷行业具有高能耗、高污染的基本特点，生产企业在新时期高质量发展阶段应结合技术赋能路径进一步增强节能降耗工作。结合上述分析可以看出，节能框架式窑具结构简单、特点鲜明，与传统窑具相比具有节能降耗与轻质化优势，应用后可以产生较好的节能效果与降耗作用。建议生產企业通过配置先进技术要素创新适配性较高的节能框架式窑具，并将其推广应用到各类陶瓷烧成之中，全面提高此类企业的全要素生产率，为我国陶瓷行业高质量发展提供技术支持。

参考文献

[1]邱伟志.框架窑具节能效果测试与分析[J].陶瓷，2021，9（2）：27-28. [2]林智，徐平，张强.微波技术在发泡陶瓷辊道窑烧成中的应用[J].佛山陶瓷，2020，30（7）：37-40.

[3]郭喜斌.陶瓷隧道窑的尺寸设计研究[J].中国设备工程，2022，13（23）：93-95.

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