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一次码烧工艺与设备选型的分析讨论(第一部分)
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添加日期:2019/9/17 16:49:18   浏览次数:227   文章来源:   作者:

 

 
一次码烧工艺与设备选型的分析讨论(第一部分)
                         闫开放¹  林永淳²
1.中建材咸阳陶瓷研究设计院        712099
2. 陕西宝深机械(得团)有限公司    722300
 
摘要:本文回顾了我国烧结砖一次码烧工艺的发展过程,对一次码烧和二次码烧工艺各自的特点从多方面进行分析,对制能原料要求从矿物成分、化学成分及制砖物理性能进行了阐述。真对一次码烧工艺对设备窑炉各工序的设计选择提出了看法,结合砖厂施工建设和生产线实际运转情况,对原料处理、干燥焙烧及风机计算中应注意的问题进行了讨论,并就窑车质量、码坯原则、干燥窑炉的密封、耐磨材料配件、远程智能控制、环保绿色发展等方面谈了一些粗浅的看法。有的观点是在拜读了《砖瓦》杂志社发行的书刋及有关专家文章后思考叙述,错误在所难免,期盼批评纠正。
关健词:回顾、一次码烧、设备窑炉、环保绿色
 
一次码烧工艺在新建砖厂中占主导位置,原因是多方面。但由于一次码烧工艺简单,投资省、占地少,受到行业的高度关注。本文回顾了一次码烧工艺的发展过程,并就原料的矿物成分等进行了阐述。真对一次码烧工艺对设备窑炉各工序的设计选择提出了看法,结合砖厂施工建设和生产线实际运转情况,对原料处理、干燥焙烧及风机计算中应注意的问题进行了讨论,并就窑车质量、码坯原则、干燥窑炉的密封、耐磨材料配件、远程智能控制、环保绿色发展等方面谈了一些粗浅的看法。如果对一次码烧工艺的推广应用、技术完善有帮助的话,也算起到了作用。
1、我国一次码烧工艺的回顾
1.1、        初始阶段(上世纪60年代)
一次码烧工艺在我国有近60年历史,1961年由原天津长征砖厂提出,设计建成第一条一次码烧工艺生产线,后经多方努力完善,于1967年正常生产。窑的规格尺寸为:长X宽X﹦106m X 2.6m X 1.799m。其中干燥段42m,预热段16m,焙烧段30m,保温冷却带18m。煤耗:每块砖耗煤3776KJ(899kcal),以内燃煤为主,为投煤为辅,其中内掺燃煤耗3297KJ/块(785kcal/块),外投煤耗478.8KJ/块(114kcal/块),占总煤耗的12.5﹪,万块砖标准煤耗1.284t。热效率:有效消耗热量1948.8KJ/块(464 kcal/块),热效率51.6﹪。
1.2、 推广阶段(上世纪70~80年代)
     70年代初,国家在山东召开了砖瓦工业一次码烧工艺专题座谈会,总结了在建投产的
一次码烧工艺的经验及教训,并对隧道窑一次码烧工艺的特点、工程造价及主要建筑材料
与二次码烧进行对比分析。肯定了一次码烧工艺是砖瓦行业未来发展主要窑型之一。这次
会议对一次码烧工艺的推广起到了重要作用。原北京市豆店砖厂、武汉八砖厂、无锡利农
等136个砖厂,建成了489条一次码烧隧道窑。1982年仅山西阳泉建材二厂等建成了10
条一次码烧生产线。70~80年代一次码烧窑规格尺寸、产量、能耗等情况如下:窑的规格
尺寸以小断面为主,窑长在108m~120m;窑宽1.75m~3.04m;窑高0.64m~2.399m。窑顶以
拱顶为主,平顶较少。产量:年产量500~2000万块,日产1.5~6.0万块。煤耗: 每块砖
耗煤899 kcal~1400kcal,其中内掺燃煤耗785 kcal/块~1168kcal/块,外投煤耗59
 kcal/块~232kcal/块(占总煤耗的5.3~25.3﹪),万块砖标准煤耗1.284t~2.0t,技
改后最高煤耗降至1.5t。热效率: 消耗热量408 kcal/块~541.3kcal/块,热效率
36.4%~53.0﹪。
上世纪80~90年代,广东省出现了20多条一次半码烧工艺,其形式有两种:一种是先码底层,占总层数一半以上,待窑车上砖坯在室内自然脱去3~4个百分点水,坯体承受压力强度有所增加后,窑车再运转到码坯位置码上部砖坯,这与一次码烧工艺基本相同,不需要从干燥车卸下再码窑车;另一种是自然干燥,待初干脱水后,坯体强度允许时直接码窑车。两种一次码烧工艺形式的共同点是节约煤碳,产品质量好,废品率低,经济效益好。前种形式很快推广到海南和湖南,并生产出孔洞率为46%的空心砖。该经验推广到成都某砖厂,先码6层,自然脱水后再往上码4层。某砖厂生产承重多孔砖,先码9层,停放两天脱水3.2个百分点,再码到13层。当时厂家普遍采用非真空挤出成型,加上南方雨水多,原料自然含水平率高,这种码坯形式也是砖瓦行业因地制宜,根据各自原料和气喉条件及装备实际情况创造出来的。我认为后一种形式不应称为一次或一次半码烧,虽然没有先码在窑车上,但却先码在坏场,再人工码到窑车,从工艺角度讲,应你为二次码烧更为确切。
1.3、引进创新阶段(1990年到2010年)
80年代未我国开始了砖瓦装备及关键技术的引进工作,先后从美国、法国、德国、意
大利等国家引进关键技术装备。法国西方公司关键设备挤出机、高速细碎对辊机及9.23m(内宽)大断面隧道窑落户双鸭山市煤矸石空心砖厂;西班牙机械化装出轮窑成套设备落户安徽肥西;美国斯蒂尔公司的高压力硬塑挤出机落户山西、安徽等多条生产线;意大利贝带斯蒂公司自动化码坯系统落户全国多条生产线。从产量讲,这一阶段由1970年日产6万块提高到15万块~20万块。特别是由西安墙体材料研究设计院设计的双鸭山一次码烧的全煤矸石、超内燃烧砖生产线,实现了“烧砖不用煤,制砖不用土”,节能节地,固废利用,绿色发展,成为原国家经贸委推广废渣综合利用的示范线,产品具有承重、装饰和改善墙体保温隔热三大效果,大量用于建筑外墙砌筑。从装备水平讲大幅提升。90年代前,我国一次码烧基本采用半硬塑挤出,泥缸直径基本上在550mm以下,而且500mm和450mm占主导位置。引进设备泥缸直径为700mm,变径到600mm,挤出压力从2Mpa提高到4MPa,挤泥量大幅提升。高速细碎对辊机由90年代前常用的ø700×500mm提高到ø1200×1200mm,在保证产量的前提下,对辊间隙可调整到1.5mm以下,两辊实现了差速运转,原料处理效果明显改善。辊皮硬度55HRC以上,耐磨性能和使用寿命大幅提升。一次码烧的切条、切坯、运坯、翻坯、码坯基本实现了机械化,劳动定员和工人劳动强度大幅降低,生产车间环境显著改善。从窑炉发展讲,双鸭山一次码烧隧道窑长×宽为152m×9.2m左右,码坯高度为90mm垂直窑面方向10层,码多孔砖(240mm×115mm×90mm)坯形式为四压七,每次翻坯后夹两层多孔砖,窑车沿长度方向码3排,宽度方向8垛,每窑车码24垛。
上世纪90年代后是我国一次码烧工艺创新发展的最好时期,在双鸭山成功引进全煤矸石一次码烧工艺、美国斯蒂尔公司硬挤出设备、欧州自动切码设备的基础上,消化、吸收、集成创新,首次开发了高压、高真空和大产量的成型设备,又在国内设计了较为理想的陈化工艺,并开发了室内用的多头取土机。在引进窑断面9.23m的同时,开发了4.6m和6.9m规格的一次码烧隧道窑,这是我国砖瓦窑炉集成创新发展的重要转折点,码坯高度由10层提高到13~15层。为了保证多孔砖条面砌筑施工的装饰效果,码坯采用翻坯系统,从而保证了多孔砖坯条面和顶面无压印,完全消除了条面压花,生产出了高档清水墙用的多孔砖。但后来仿制的一次码烧线,过度追求产量,品质不进而退。
1.4、快速发展(2010年后)
2010年后,一次码烧工艺进入快速发展时期,但原料处理变化不大,基本上是搅拌、对辊。由于一次码烧原料塑性指数往往低于二次码烧,其陈化增塑对一次码烧工艺原料处理更为需要。应当感谢淄博捷达机械有限公司,在发展完善侧式液压多斗挖掘机的基础上,开发了具有自主产权的侧式折臂和半桥式刮板取料机系列产品,成为新建和改造一次码烧工艺陈化库不可缺少的主要设备。特别是桥式多斗挖掘机,作者在1987年随双鸭山设计联络组去法国看到桥式陈化库这种形式,深信我国在未来也会有桥式取土这这种设备,现在得以实现。桥式取土机特点是容积大,占地小,分层布料,均匀取料,必将成为未来一次码烧工艺陈化库设计的主导形式。硬塑挤出成型和一次码烧隧道窑也有长足发展,挤出的坯体强度更高,产量更大,干燥烧成速度更快。挤出机小时产量从2000年的2万块左右提升到3万块,甚止5万块以上。
近几年,随着国家环境保护力度的加大,淘汰落后产能的加快,砖瓦行业大气污染物排放标准的出台,新上项目大多数采用了一次码烧工艺,单条线日产量在20万块~50万块,如果年工作日为300天,年产量在6000万块~15000万块之间,规模比上世纪九十年代成倍增长,企业效益也得到了提升。据山西晋中市烧结砖隧道窑企业调查分析,该市49条生产线全部采用一次码烧工艺,其中35条为干燥和烧成隧道连通一体,14条干燥和烧成分开独立设置(连通一体和单独设置那种好,有待进一步调查分析)。窑断面尺寸为:4.6m、4.8m、6.9m各2条;3m至4.5m为42条;3m以下仅一条。就全国而言,新建和改扩建以4m以上为主,这反映了隧道窑向宽矮化发展的趋势。
2、一次码烧与二次码烧工艺的特点
2.1、一次码烧工艺的特点,
2.1.1、易实现机械自动化操作:一次码烧工艺直接将坯体码在窑车上,完成干燥焙烧。
而二次码烧是将坯体先码在干燥车或干燥架上,完成干燥后的坯体重新卸下干燥车,再组垛、分坯、运送到码窑车位置完成码窑车。由于工艺设备多,管理程序多,实现机械自动化比一次码烧也要复杂一些。
2.1.2、投资省:一次码烧工艺装备没有干燥架、下架或干燥车及二次码坯系统,工艺
相对简化,设备少,土建厂房投入低。一个年产8000~9000万块单条生产线,设备厂房与一次码烧工艺比较,大约增加20%~50%。选择不同的二次码烧工艺设备,不同的码坯形式,不同的干燥窑炉,投资相差甚大。
2.1.3、劳动定员少:由于一次码烧工艺工序少,劳动定员与二次码烧工艺比较,减少
15%~30%。一个年产8000万块~9000万块单条生产线,一次码烧与二次码烧工艺比较减少劳动定员5人~15人,人均劳动生产率明显提高。随着机械自动化和管理水平的的不断发展,一次码烧工艺人均年生产量突破300万块己成为现实。
2.1.4、效益好:由于一次码烧工艺投资低,固定资产折旧和财务费用低,投资收益率
高于二次码烧工艺,投资回收期短。二次码烧动力一般高于一次码烧工艺,其电耗和设备及士建厂房等投资高30~50%,维修费用也高。只所以近几年新上项目和技术改造项目偏重于一次码烧工艺原因也在于此。
2.2、二次码烧工艺的特点
2.2.1、原料适应性强:正常生产的一次码烧原料均适应二次码烧工艺,但正常生产的
二次码烧工艺并不一定适应一次码烧工艺,应通过原料试验来确定,特别是干燥敏感系数和干燥收缩。较高的干燥敏感系数和干燥收缩原则上采用二次码烧工艺,自然含水率较高、城市水厂污泥和江河湖泊淤泥等原料制砖不宜采用一次码烧工艺。所以说二次码烧对原料适应性更强。
2.2.2、产品质量好:二次码烧工艺先将刚成型的高含水率坯体码在干燥车或干燥架上,
干燥后的坯体在重新夹坯、编组、码窑车。而一次码烧是成型后的湿坯,上下条面沾在一起,没有二次码坯,干燥后直接进入焙烧窑,往往因上、下砖坯条面严重沾连,出现缺氧燃烧,形成条面压花。特别是内燃或超内燃烧砖,条面压花和黑心更为严重。因此,要生产外观颜色基本一致,而且有装饰作用的清水墙砖,采用二次码烧工艺更为适宜,并尽可能选择外燃或内燃与外燃相结合的烧成方式。当然,内燃煤矸石烧砖采用一次码烧也取得了烧制清水墙砖的成功经验,通过机械翻坯,将条面压花转移到大面,保证了条面无压痕及色彩一致性。
2.2.3、烧成成品率高:二次码烧可将干燥后的废品坯体剔除掉,增加烧成成品合格率。
另外,二次码坯工艺坯体干燥,特别是单层干燥,四周均衡受热,收缩应力减少,坯体脱水速度快,干燥周期短,很少有压裂变形等缺陷,外观质量易保证,烧成成品率也会有所提升。
2.2.4、窑炉单项造价低,产量高:二次码烧先干燥后,坯体强度大幅提高,只要烧成范围允许,可以适当提高码坯高度。由于二次码烧隧道窑码坯高度可提高30%~50%,断面面积相应增加,码坯量和产量也基本上同比例提高。就同等产量来说,二次码烧单体隧道窑造价低于一次码烧,主要是码高后窑长度可以适当缩短,窑车数量减少。为了隧道窑断面温差减小,不断提升产品质量,即就是二次码烧,也应当限制码坯高度。
3、一次码烧工艺对原料的基本要求
3.1、矿物成分
    矿物按原料物理化学性能可分为粘土和非粘土矿物。一次码烧与二次码烧工艺对矿物成分要求基本一致,只是在取值上有差异。但影响塑性和干燥性能的矿物应引起注意,如蒙脱石、石英等。
3.1.1、粘土矿物:粘土是很复杂的的一类矿物原料,它的化学组成、矿物成分、技术特性以及生成条件都是复杂而不完全固定的。粘土是由许多不同矿物以各种不同比例形成的结体,其中一部分构成粘土的基本物质,其余部分是杂质。粘土物质的分散度很高,其颗粒直径在0.01~0.005毫米以下。粘土的形成是由含长石类的岩石经长期风化而成。风化分为物理和化学及有机物风化,前者主要温度变化、冰冻等的作用;化学风化主要是空气中的二氧化碳和水的作用;后者主要是动植物遗骸腐蚀。制造墙地砖的粘土习惯分类为高岭土、粘性土、瘠性粘土和页岩。粘土矿根据结构与组成不同,主要分为高明石类、微晶石类、水云母类和水铝英石类,而微晶石类是生产釉面砖坯料的良好原料。
3.1.1.1、高岭石:高岭石属三钭晶系,化学成分为AI4﹝Si4O10﹞(OH)8晶体呈极微细的鳞片或弯曲柱状,其颗粒直径较大,约为1~2微米,莫氏硬度为2,密度为2.60g/cm³~2.68g∕cm³,可塑性良好,阳离子交换量较低,100g约为5mg~15mg当量,其硅铝率(SiO2/AI2O3)为2。它是一种风化程度较高的矿物,由铝硅酸盐矿物长石、云母等风化或低热变化而成。珍珠陶土、地开石、多水高岭石是高岭石类的粘土矿物。
高岭石铝硅酸盐可降低干燥敏感性,提高耐火度,扩展烧成温度范围;耐火土类高岭石颗粒尺寸小,干燥收缩略大于前者,通常可提高原料的塑性,同样可扩展烧成温度范围;多水高岭石,颗粒大多数小于1微米,干燥干敏系数有所提高,坯体抗折强度有所增长。前两种高岭石类矿物含量高时,选择一次码烧可适当提高码坯高度,窑炉烧成温度范围容易控制。烧结砖瓦原料高岭石矿物一般控制在0~30%之间,含量高时会提高砖瓦制品的烧成温度。
3.1.1.2蒙脱石:蒙脱石属单钭晶系,纯矿呈片状或土块状,其化学成分大致为AI2﹝Si4O10﹞(OH)2·nH2O莫氏硬度为1.5,密度为2.2g/cm³~2.7g∕cm³。粘土物料中的蒙脱石矿物颗粒非常细,通常为0.1~1微米;比表面积大,可达100㎡∕g以上;阳离子交换量很高,100g为100mg当量以上,是高岭土矿物的10倍左右; (SiO2/R2O3)比率为4。蒙脱石矿物由于粒度极小,比表面积极大,阳离子交换量极高,遇水后具有很大的膨胀性,并有很强的吸附力。因此,蒙脱石干燥收缩率可高达15%,干燥敏感性大为提高。蒙脱石类粘土矿物还有拜来石等,以蒙脱石为主体的矿物原料酸性白土、漂白土、膨润土等。
以蒙脱石为主要矿物的粘土称为膨润土,制砖原料中蒙脱石含量高时,会出现三高,即成型含水率高,塑性指数高,干燥敏感系数高,不适应一次码烧工艺,其成型和干燥性能不能无法满足要求。但它却是一种很好的增塑剂,如果原料塑性指数低,结合能力差,可掺入部分蒙脱石,提高塑性指数,改善成型性能。对砖瓦产品性能来说,蒙脱石含量高时,吸水率大幅降低,抗折强度增加,但含量超过20%时,砖瓦产品抗压强度和抗冻性能有可能降低。制烧结砖瓦原料一般应控制其含量在0~20%之间。
3.1.1.3、水云母(伊利石):伊利石是一种常见的水云母,它也是一种风化程度较低的粘土矿物,钭方晶系。莫氏硬度为1~2,密度为2.6g/cm³~2.9g∕cm³。化学组成为K2AI2﹝Si2AI﹞4(OH)2·nH2O其颗粒小于2微米,膨胀系数较小。阳离子交换量略高,100g土为20mg~40mg当量,含钾在4%~7%之间,在烧结制品砖瓦焙烧过程中起到助溶剂作用。由于伊利石晶格结合牢固,含量高时会降低塑性指数,干燥收缩小,干后坯体强度偏低。但由于助溶剂的作用,对烧成的砖瓦产品性能来讲,抗折和抗压强度及抗冻性能大幅提升。制烧结砖瓦原料伊利石一般控制在0~20%之间。
3.1.2、非粘土矿物
3.1.2.1、石英:石英属三方晶系,晶体呈六方柱状,颜色不一,玻璃光泽。莫氏硬度为7,密度为2.65g/cm³~2.66g∕cm³。石英砂是粘土物矿中重要组成部分,颗粒细度同它的工艺性能有关。石英有十种变体,其中最重要的晶型转变是ɑ—石英(低温型)573℃ß—石英(高温型)。随着ɑ→ß晶型转变,石英晶体也由膨胀性变为收缩性。
对于一次码烧窑炉设计来说,控制好石英晶型转变过程非常重要,特别是原料中石英含量超过70%时,更应注意晶型变化引起体积收缩膨胀,在应力的作用下发生裂痕,影响产品强度。制砖原料中石英含量较高时,塑性指数、干燥敏感系数和坯体干抗折强度有所降低。由于石英起瘠化骨科作用,虽然对干燥有利,但由于与其它矿物结合力差,在选择一次码烧工艺时应适当限制码坯高度,以防坯体开裂。石英含量高时会直接影响产品抗压和抗折强度,所以,烧结砖瓦原料石英一般控制在30~70%之间。
3.1.2.2、长石:长石也是粘土矿物料中常有的矿物成分,按化学成分和结晶化学的特点,长石主要可分为三斜晶系的斜长石、单斜和三斜晶系的钾钠长石、单斜晶系的钾长石。其共同特点是呈白色、肉红色、或灰色,玻璃光泽,莫氏硬度为6~6.5。钾长石也叫正长石,化学式为K(AISi3O8),风化后成为高岭石等粘土矿物;斜长石系钠长石Na(AISi3O8)和钙长石Ca(AISi2O8)之间的同类质系列矿物,密度为2.61g/cm³~2.76g∕cm³。
长石起到瘠化料作用,含量高时会降低和减小干燥敏感性及坯体抗折强度,也会降低产品的抗折、抗压强度,抗冻性能有所降低,但会在高温时形成玻璃相,有助溶剂作用。制烧结砖瓦原料长石一般控制在0~18%之间。
3.1.2.3、碳酸盐:碳酸盐矿物主要指方解石和白云石等。方解石化学成分为CaC O3矿物,三方晶系,晶体常呈偏三角面体及菱面体,通常天色或为乳白色,当含杂质可呈现多颜色,玻璃光泽, 莫氏硬度为3,密度为2.6g/cm³~2.8g∕cm³。方解石分布十分广泛,在制砖的许多原料中存在。白云石化学成分为CaMg(CO3)2矿物,三方晶系,常见晶体为菱面体,通常为灰白色,玻璃光泽,莫氏硬度为3.5~4.0,密度为2.8g/cm³~2.9g∕cm³,分布也比较广泛。
碳酸盐类矿物主接影响产品质量,由其是方解石,在砖瓦高温燃烧时放出二氧化碳,生成氧化钙,含量高而颗较大时直接产生“石灰爆裂”,颗粒小而含量高时,也会是产品吸水而膨胀、松解、粉化。方解石含量高会造成产品吸水率增高,抗压强度下降。碳酸盐矿物无论在黄土、页岩、煤矸石原料中普遍会存在,生产线设计时应充分注意这一点。制烧结砖瓦原料长石应严格控制在10%以下。
3.1.2.4、铁的氧化物:铁的氧化物赤铁矿,化学成分为Fe2O3,三方晶系,晶体呈片状或菱面体状,结晶质的赤铁矿呈铁黑或钢灰色,半金属光泽。胶态赤铁矿为赤红色,光泽暗淡,莫氏硬度为5.5~6.0,密度为5,0g/cm³~5.3g∕cm³;磁铁矿化学成分为Fe3O4,属等轴晶系,晶体呈八面体和菱形十二面体,黑色金属光泽至半金属光泽,莫氏硬度与赤铁矿基本相同,密度为4.9g/cm³~5.2g∕cm³,磁性较强;针铁矿和纤铁矿化学成分为Fe2O3••••H2O,分别表示为ɑ—Fe2O3•••H2O及r—Fe2O3•••H2O,正交晶系,暗褐色,半金属光泽,莫氏硬度为5~5.5,密度为4,0g/cm³~4.4g∕cm³,主要是由含铁矿物经过氧化物分解而形成的表生矿物。
铁的氧化物在焙烧砖瓦还原气氛下是强助溶剂,在氧化气氛下烧成不同程度的红色,在还原气氛下呈暗灰色或黑一色,粗颗粒时会造成严重色差并出现爆裂。制烧结砖瓦原料长石应严格控制在0~6%之间。
3.1.2.5、铁的硫化物:铁的硫化物黄铁矿,又称硫铁矿,其化学分子式为FeS2,等轴晶系,晶体多呈八面体、立方体、或五角十二面体,淡黄铜色,金属光泽,莫氏硬度为6~6.5,密度为4.9g/cm³~5.1g∕cm³;铁的硫化物白铁矿是黄铁矿的同质多象变体,正交晶系,晶体呈板状,淡黄铜色,新鲜断口呈浅绿色,金属光泽,莫氏硬度为5~6,密度为4.6g/cm³~4.9g∕cm³。
铁的硫化物矿,有时颗粒较大,在砖瓦焙烧还原性气氛中可能会遗留下褐色斑痕,导致产品爆裂,后期还可能有泛霜发生。制烧结砖瓦原料应严格控制在0~4%之间。
3.2、化学成分
3.2.1、主要化学成分
3.2.1.1、二氧化硅(SiO2):SiO2是原料的主要化学成分,对砖瓦烧结性能及产品质量影响较大。当含量小于45%时,砖瓦产品的耐久性,特别是抗冻性影响较大;当含量大于75%时,烧成后的产品不但不收缩,又可能发生膨胀,抗折强度大大降低。SiO2起到骨架瘠化剂的作用,从颗粒大小来分析:大颗粒含量高时,将影响一次码烧的码坯高度,增加制品的耐火度,提高制品烧成温度,能源消耗有所提高。但也会减少干燥收缩,降低干燥敏感性。如果原料中大颗粒SiO2含量较多时,在提高一次码烧烧成温度的同时,应注意晶格转化和体积的变化,产品的力学强度会有所下降。小颗粒的SiO2易于熔融,使砖瓦制品结构密实、均匀,对正常烧成温度影响不明显,但含量过高时另当别论。无论是一次码烧还是二次码烧,原料中的SiO2含量一般应控制在45%~75%范围内。如果不在范围内,应对原料进行综合分析,在进行半工业性试验的基础上再下结论。
3,2.1.2、三氧化二铝(AI2O3):AI2O3在 制砖瓦原料含量一般控制在12%~25%,含量低于10%时,烧成制品力学强度较低;,含量大于20%时,虽然力学强度较高,但烧成温度也会提高,燃料消耗也有所提高。一般情况下,粘土、页岩原料,三氧化二铝基本在控制范围内,而许多以全煤矸石和以粉煤灰为主要原料生产烧结制品,二氧化二铝含量在25%以上,甚止更高,在设计一次码烧窑炉时应特别注意这一点,烧成温度可能相差200℃~250℃,烧成曲线和烧成段材料选择应充分考虑温度这一因素。
3.2.2、其它化学成分
3.2.2.1、氧化铁(Fe2O3):氧化铁一般控制在2%~8%之间,是一种着色剂和助熔剂。在制砖原料中,氧化铁常以赤铁矿或褐铁矿等形式存在,含量较高时,烧成温度偏低,并影响制品颜色。制砖原料中氧化铁的作用主要有二点:其一、在氧化气氛烧成时,铁以高价形式存在,砖瓦制品呈红色,含量不一样,制品颜色深重不一样;其二,在还原气氛烧成时,铁以低价形式存在,砖瓦制品呈黑色和青篮色;其三,还原气氛中会降低制品耐火度,成为一种强有力的助溶剂。对于外观要求严格的砖瓦产品,应防止大颗粒的铁氧化物的影响,防止出现褐色或黑色斑点。
3.2.2.2、氧化钙(CaO):制砖原料中的的氧化钙常以碳酸钙(CaCO3)、硫酸钙(CaSO4)、硅酸钙(CaSiO2)的状态存在,只有在高温时才能分解出来。CaO是一种助溶剂,也能降低原料的耐火度,其含量不宜超过10%。制品中硫酸钙遇水生成可溶性硫酸盐,可溶盐析出后水分蒸发,留在砖瓦制品表面的结晶为白霜。在结晶时体积膨胀,可使制品结构破坏。大颗粒的氧化钙吸收空气湿气体后体积会膨胀,造成砖局部爆裂或粉化,对产品质量影响很大。为此,氧化钙颗粒粉磨到1mm以下,发生石灰爆裂现象明显降低。应为特别注意,原料中氧化钙能否引起烧结砖产品爆裂必须通过试验来确定,烧制的试样,应在潮湿的环境中放置几天,看是否有爆裂、粉化现象,如果不这样做很可能产生误判。如果试验发生石灰爆裂现象后,除原料处理工艺控制粒度外,适当提高烧成温度,延长保温时间,这样可是氧化钙和二氧化硅反应较为充分,生成稳定的硅酸三钙(3CaO.SiO2),也会收到良好的效果。试验还表明,“当原料中氧化钙含量大于15%时,烧成温度范围会缩小25℃。”这就要求我们再设计一次码烧隧道窑时应考虑到这一点,断面尺寸、码坯高度、烧成保温时间等。上述措施如果再无法消除石灰爆裂,就应当改变原料或对烧成产品出窑后尽快进行“水浇法”消除石灰爆裂,这一方法有大量的报导,不在详述。
3.2.2.3、氧化镁(MgO):原料中的氧化镁一般控制在3%以下。氧化镁在烧成制品中起助溶剂作用,也会降低制品似耐火度,但没有氧化钙那样明显。氧化镁在制砖原料中,主要存在于菱镁矿(MgCO3)、硫酸镁(MgSO4)、白云石﹝MgCa﹝CO32﹞中,其中硫酸镁为有害成分,它会形成白霜,体积膨胀,使砖瓦制品受到破坏。其它镁化合物危害不大,在加热焙烧时或产品本身不致产生破坏,反而产生各种液相使制品更加致密。
3.2.2.4、氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O):钾、钠化合物在烧结制品中主要起助溶剂作用,并能赋予制品强度。另外一个特点,钾、钠化合物,能降低成型时坯体含水平,这对于采用低含水率的硬塑成型,一次码烧工艺更为有利。砖瓦原料钾、钠化合物含量比较低,如果生产挂陶板,墙地砖等高强度陶瓷制品,钾、钠化合物显得尤为重要。
3.2.2.5、三氧化硫(SO3):三氧化硫一般控制在1%以下。硫酐在焙烧过程中会逸出是烧结制品发生膨胀,并可能产生气泡。其他含硫化合物也对烧结砖瓦制品有害,如硫酸钙、硫酸镁等也会引起烧结砖瓦制品泛白、起霜、膨胀等。因此,硫化合物越少越好。应当特别注意,为了滿足一次码烧工艺,往往要改变原料性能,加大量的煤矸石做内燃料,而我国许多地区的煤矸石硫含量偏高,除会引起制品缺陷外,还会加大脱硫的投入。因此,在确定内燃料时应尽可能选择抵含硫量的煤矸石。
3.2.2.6、烧失量:烧失量是原料中存在有机物所致。粘土、页岩中有机物含量一般在2.5%~14%之间,煤矸石如果发热量高时,烧失量一般会更高一些。引起烧失量差异主要是焙烧制品时有机可燃物多少而定,如动植物腐烂,含碳量高低等。有机物含量高时,制品干燥烧成收缩较大,可能会产生制品开裂,制品孔隙率较高,强度略有下降,但制品的导热系数有所降低。一次码烧工艺应控制好有机物含量,最好小于10%。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.3、原料的物理性能
3.3.1、自然含水率:一次码烧工艺自然含水率一般应低于17%,这是因为硬塑挤出成型(成型含水率12%~17%、挤出压力1.8MPa以上)和湿坯体强度所决定的。一次码烧工艺对坯体强度要求较高,根据资料介绍,高度1.4m的坯垛,施加在底层坯体压力为0.45kg/cm²~0.5 kg/cm²;高度为1.8m的坯垛,底层坯体压力为0.6kg/cm²。有效的控制自然含水率,也是为了满足一次码烧硬挤出成型的前提。如果自然含水率己超过硬塑成型含水率,挤出机生产时压力和真空度就会受到影响,给后序码坯等工艺环节带来不利因素,除脱水外,能耗也会增加。含水率过高,码坯时重压会使坯体上下连接更紧密,气流很难进入受压部位,也不利于干燥焙烧,加重产品条面压痕及降低底层成品合格率。自然含水率是原料中水的质量占原料质量的百分比,由于我国制砖原料地域、季节和气喉条件的差异,含水率波动范围也比较大。如果制砖原料含水率过高时,无法满足一次码烧要求。另外,含水率不同,对工艺设备和干燥技术参数也要做相应的调整,甚止将一次码烧改为二次码烧工艺。
3.3.2、可塑性:对于一次码烧工艺来说,可塑性性能非常重要。原料与适量水分拌和捏练制成的泥团,在外力作用下泥团可以塑造成任何形状,当外力移除后,能永远保持其形状。一次码烧隧道窑在设计建设时,原料这种性能称为可塑性。根据瑞典农学家阿托伯格(Atferbeig)定义,判别塑性好坏的指标是塑性指数,而塑性指数为液限与塑限之差,塑限是粘土由固态进入塑性状态时的含水率,而液限是粘土由流动状态进入塑性状态时的含水率。塑限表示原料被水湿润后形成水化膜,使原料粒子能相对滑动而产生可塑性的含水率,所谓塑限高,说明原料粒子的水化膜厚,需要工作水分高,可塑性好。液限反映粘土粒子与水分子亲和力的大小、液体介质的表面张力和粘度等,液限高说明粒子很细,在水中的分散度大。塑限低而液限高的原料,如果没有瘠性料塑化,不宜采用一次码烧工艺。
可塑性指数实际上就是原料形成可塑泥团的水分变化范围。指数大则成型水分范围大,其结合力也愈大,成型时不易受环境湿度及模具的影响,即挤出成型性能好。一般情况下,塑性指数高的制砖原料,干燥收缩大,敏感糸数高,不适宜一次码烧工艺而应当选择二次码烧工艺。低塑性原料一般情况下,则干燥收缩值较小,敏感系数也低,即适合二次码烧工艺,同样也适合一次码烧工艺。如果从工程造价和生产成本讲,可优先考虑一次码烧工艺。
制砖原料中矿物高岭石、蒙脱石、多水高岭石、水云母等对塑性影响不同,前者大,后者次之。原料颗粒越细,比表面积越大,毛细管半径越小,可塑性就越高,表一数据也说明了这一点。颗粒形状对塑性也有影响,板状和短柱状颗粒的比表面积比等轴状的要大得多,移动阻力增大,其可塑性也好。除此之外,前面所叙述的液体介质表面张力和粘度愈大,可塑性也越高。一次码烧制砖原料可塑性指数控制在5.5~12之间为宜。
3.3.3、颗粒组成:原料的颗粒组成,直接影响到制砖原料的可塑性、干燥收缩、气孔率和烧成收缩率。我国目前采用国际上许多国家常用颗粒分级,大于0.02mm为砂粒,没有粘性,在干燥和焙烧过程中起骨架作用,影响坯体成型,含量高时会降低可塑性指数,不利成型但却有利于干燥,焙烧温度也有所提高;0.02mm~0.002mm为尘粒,有一定的粘结性,在坯体成型和焙烧过程中,一方面起骨架作用,另一方面起填充作用;小于0.002mm为粘粒,粘结性能好,干燥后结合力强,在坯体成型和焙烧过程中起填充作用,与水作用产生可塑性。原料中小于0.001mm颗粒愈多,则可塑性指数愈高,干燥收缩愈大,干后强度愈高。但含量不宜过高,否则会影响干燥性能。表一列出墙地砖粘土颗粒大小对物理性能的影响试验,从中可看出:平均颗料在1.1µ以上是无法正常成型,小于0.14µ对成型非常有例,但对干燥性能另当别论。
粘土颗粒大小对物理性能影响      表一
颗粒平均直径    100g颗粒的表面积  干燥收缩  干燥强度     相对可塑性
(µ)           (cm²)          (%)      (Mp)
8.50            130×10³          0         0.46          无
2.20            3920×10³         0         1.4           无
1.10            7940×10³         0.6       4.7           4.40
0.55            17500×10³        7.8       6.4           6.30
0.45            27100×10³        10.0      13.0          7.6
0.28            38800×10³        23.0      29.6          8.2
0.14            71000×10³        30.5      45.8          10.2
 
对于一次码烧工艺来说,砂粒、尘粒和粘粒三组粒度要有合适的的比例,它是制砖原料工艺性能最主要的指标之一。德国教授温克勒尔于1954年就研究制成了适用于制造各种砖瓦产品的原料组成,砖瓦杂志也曾发表过1973年原西德砖瓦研究所的施密特统计公布的146种砖瓦原料粒度组成及绘制成的三角形,供大家查阅和做出颗粒级配是否合适的粗步判断。一次码烧工艺与二次码烧工艺比,通常采用高真空、高压力硬塑挤出成型,含砂粒可在粒度范围内取高值,粘粒可取低值,即实心砖砂粒含量不大于70%,尘粒和粘粒不小于30%;多孔砖砂粒含量不大于60%,尘粒和粘粒不小于40%;空心砖和空心砌块砂粒含量在8%~48%之间,尘粒在10%~47%之间,粘粒不小于23%;薄壁空心砌块砂粒含量在6%~45%之间,尘粒在30%~47%之间,粘粒不小于25%。有关颗粒组成详细论述请查阅资料,这里不在详述。
3.3.4、干燥焙烧性能:当原料符合制砖要求时,烧结砖产品的一次码烧工艺生产线,其干燥性能比烧成性能更为重要。一次码烧工艺的干燥性能主要包括干燥收缩、干燥敏感性、临界含水率和理想干燥制度。干燥收缩指坯体在干燥脱水过程中发生的收缩现象,未干燥的坯体,可以看成由连续的水膜包围原料颗粒所组成。随着水分的排出,颗粒开始靠拢,使坯体发生收缩。水分不断排出,坯体不断收缩。当坯体各颗粒之间相互连接后,坯体基本上不在收缩,再继续排出水分,仅增加坯体的气孔率。收缩值的大小,依原料的性质及成型水分而定,一般来说,成型水分高可塑性高的原料干燥收缩大一些;同种原料及同种工艺参数,成型水分增加,干燥收缩也会增加。对于一次码烧工艺,原料的干燥线收缩最好小于4%。
干燥敏感性反映了坯体在干燥过程中产生开裂的倾向。对于一次码烧工艺来说,干燥敏感性比干燥收缩性能更重要。能否实现一次码烧和快速干燥就在于干燥敏感系数的高低。干燥感性系数的高低,与原料本身的矿物组成、颗粒级配及收缩值大小有关。就主要原料看,粘土干燥敏感系数较高,页岩和煤矸石干燥敏感系数较低。特别是南方一些粘土必须掺入低塑性原料来降低干燥敏感系数,才可实现一次码烧工艺。陈化后的原料可以降低干燥的感系数。虽然陈化后原料塑性指数提高,干燥收缩值也有所增长,但其抵抗收缩应力的能力也随之增加,反而干燥过程中产生开裂的倾向降低。
临界含水率是坯体表面自由水分已基本蒸发,只存在大气吸附水,坯体收缩已基本停止的状态,它是干燥技术中重要工艺参数,也是进行一次码烧干燥设计和实际生产中调整干燥制度的重要依据。众所周知,当坯体内水分小于临界含水率以后,可采取加快干燥速度的措施,坯体也不会产生裂纹,但在临界含水率以前,干燥过程要特别小心,以防出现裂纹。由于临界含水率是坯体表面停止收缩时的平均含水率,影响其值最根本的原因是原料本身的性质。另外,采用硬挤出成型设备,成型水分低,坯体密实性提高,干燥时很快达到临界含水率,这样送风温度可提高,干燥周期显著缩短。除此之外,空气湿度、温度、流速及坯体的厚度,都会影响临界含水率指标。根据试验所得,空气温度在35℃,流速在2.14m/s不变的情况下,空气相对湿度由18.7%提高到75.8%,临界含水率由20.1%下降到11%,说明过高的湿度对临界含水率影响很大; 空气相对湿度在37.3℃,流速在2.1m/s不变的情况下,空气温度由15℃提高到45℃,临界含水率由15.2%提高到18.6%,说明相对较高的温度对干燥有利; 空气相对温度在40℃,相对湿度在30%不变的情况下,空气流速由0.5m/s提高到2.15m/s,临界含水率由9.8%提高到14.7%,说明相对较高的流速会提高临界含水率,虽加快干燥速度,但坯体产生裂纹的可能性增加; 空气温度在80℃,相对湿度在30%,流速2.1m/s不变的情况下,试件厚度由6mm降到0.5mm,临界含水率由17.75%下降到8.8%。这一结论对砖瓦来说,特别是不同规格产品有待进一步讨论。国家“七五”攻关项目,建设在哈尔滨第一制砖厂,同孔洞率多孔砖,90mm厚干燥效果和质量不如60mm。说明相对较厚的产品对干燥不利。福建多条一次码烧页岩砖生产线,送风温度在150℃以上,采用一条干燥,两条隧道窑烧成也非常成功,产量比同类窑型还要高一些。应该说通过实验和生产实践证明后,适合当地原料的干燥空气温度、湿度、流速的干燥制度才是最佳干燥制度。
干燥制度的确定是砖瓦工艺设计的难点,也是生产线成败的关键。烧不好产品,合格率太低,产品开裂倒垛等事故,表面上是焙烧问题,实际上是干燥问题。干燥才是焙烧成功的所在。我们知道,成型后的坯体含有化学结合水、物理自由水和大气吸附水,前者是指结合在原料矿物组成中的水分,排除时需要400℃以上,其在干燥阶段不能排除。化学结合水最大特点是在排除时不产生收缩,只减少重量,不产生应力,原料排除水分后会失去塑性。对于一次码烧工先来讲,可以把失去化学结合水的原料作为瘦化料,从而起到降低塑性指数、降低干燥敏感系数和降低收缩的目的。后两种水分重点在自由水。大气吸附水存在于物料的的毛细管及坯体颗粒表面,排除时坯体不发生收缩,也不会产生应力裂纹,而自由水相当于收缩水,排除时其收缩体积大小约等于失去自由水的体积,是确定干燥制度的关键,也是研究干燥制度的重点。解决不好自由水,必然会引起坯体开裂。
从坯体干燥水分的移动看,主要是外扩散和内扩散。首先是坯体表面遇热后水分蒸发,流动的热气体将蒸发的水带走。再就是坯体内部水分移向表面,再由表面蒸发一直至干燥结束。前一过程为外扩散,而后一过程为内扩散,二者相互联系。干燥速度也在于坯体表面水分蒸发速度及坯体内部水分向表面的移动速度,最后确定理想的干燥曲线。对于一次码烧工艺,应尽可能避免高敏感原料,因为高敏感原料,只能用较低的温度和较高的湿度来干燥砖坯,内扩散只能缓慢进行,否则干燥缺陷在所难免。
3.3.5、焙烧性能:我国砖瓦产品外燃焙烧所需要的热量大部分用煤,而内燃所需热量用煤矸石、粉煤灰、炉渣和燃煤等。
过剩空气系数:燃料燃烧要正常进行必须具备三个条件:一是要有可燃物;二是要有足够的空气量;三是燃烧温度要在燃料的着火温度以上,三者缺一燃烧无法进行。焙烧是燃料中的碳、氢、硫等成分在高温下与空气中的氧所发生的强烈氧化反应,为了保证燃料的完全燃烧,所需要的空气量要比理论空气量大的多,我们通常把实际供给的空气量与理论计算空气量的比值称为过剩空气系数。对于一次码工艺的烧隧道窑来说,过剩空气系数在4~6之间。过剩空气系数一定时,煤的燃烧所需空气量和烟气量通过计算确定,常用的可从表二中查得。从表二可看出,煤的热值愈高,所需要的空气量及烟气量也越高。过剩空气系数愈高,空气量和烟气量的折算就越高。例如过剩空气系数为5时,煤的发热量从3000kcal∕kg提高到标煤的7000kcal∕kg,所需空气量由17.65标 m³∕kg提高到37.85标 m³∕kg,烟气量也从18.44标 m³∕kg提高到38.16标 m³∕kg。过剩空气系数过高过低,都对窑炉焙烧不利。在焙烧过程中,空气进入焙烧带固然能加速燃料燃烧,提高烧成温度。但同时离开焙烧带时也要带走热量,如果隧道窑内过剩空气量过大,单位时间内被带走的热量过多时,就可能出现欠火砖。但也不宜空气量太少,把过剩空气系数控制在合理范围内也显得十分重要。当过剩空气系数确定后,可按煤燃烧时的热值计算空气量和烟气生成量。
煤燃烧时所需的理论空气量及烟气生成量    表二                        
煤的热值   名     称   单     位          过 剩 空 气 系 数
(kcal∕kg)                            1      2      3      4      5      6
3000        空气量      标 m³∕kg   3.53   7.06   10.59 14.12 17.65 21.18
            烟气量                  4.32   7.85   11.38 14.91 18.44 21.97
4000        空气量      标 m³∕kg   4.54   9.08   13.62 18.16 22.70 27.24
            烟气量                  5.21   9.75   14.29 18.83 23.37 27.91
5000        空气量      标 m³∕kg   5.55   11.10 16.65 22.20 27.75 33.30
            烟气量                  6.10   11.65 17.20 22.75 28.30 33.85
5500        空气量      标 m³∕kg   6.06   12.12 18.18 22.24 30.30 36.36
            烟气量                  6.55   12.61 18.67 24.73 30.99 36.85
6000        空气量      标 m³∕kg   6.56   13.12 19.58 26.24 32.80 39.36
            烟气量                  6.99   13.55 20.11 26.57 33.23 39.79
6500        空气量      标 m³∕kg   7.07   14.14 21.21 28.28 35.35 42.42
            烟气量                  7.44   14.51 21.58 28.65 35.72 42.79
7000        空气量      标 m³∕kg   7.57   15.14 22.71 30.28 37.85 45.42
            烟气量                  7.88   15.45 23.02 30.59 38.16 45.73
注:表格数据来源于1987年中国建筑出版社《怎样烧砖瓦》一书
                    
我国一次码烧隧道窑大多数不但采用内燃焙烧,而且以煤矸石、炉渣等为主要原料的生产线采用超内燃一次码烧。现有内燃烧砖大多数存在黑心和条面压花,一方面是砖局部缺氧造成还原气氛,另一方面也是不完全燃烧所造成。要燃料完全燃烧,一是要有足够高的温度:温度提高到燃点以上时,燃烧才会放出大量热量,反过来加热砖坯和气体,窑内温度愈高则燃料加热升温愈快,着火后燃烧时间就愈短;二是要有足够的空气:高温条件下,燃料燃烧速度的快慢,主要由空气中氧分子对燃料中可燃物的氧化反应的速度和反应生成气体向外扩散的速度来决定,空气充足时氧化反应速度自然快,所以说超内燃一次码烧隧道窑比外燃隧道窑需要较大的空气过剩系数,也就是一定要有足够的空气量;三是要有足够的燃烧时间:燃料完全燃烧要有足够的时间来保证,特别是内燃烧砖,从表面看燃烧逐步向坯垛和坯体内部进行,需要的时间就要长一些。为什么超内燃一次码烧隧道窑烧成周期要长一些,道理也在于此,否则,无法完全燃烧。
一次码烧内燃烧砖要重视内燃料在坯体内通过坯体气孔与渗入的氧接触才能进行燃烧。焙烧时如果升温过急,坯体表面过早的烧结,氧气进入坯体内就很困难,内掺量的烧结就很缓慢,甚止中止氧气进入而无法燃烧。所以,在焙烧超内燃砖时,焙烧带前段要控制好烧成升温速度,避免坯体表面烧结,甚止被化,保证氧气畅通进入坯内成为关键。特别是煤矸石超内燃烧砖,升温周期要适当加长,让热量充分燃烧释放利用,否则,严重黑心再所难免。
根据传导、对流和辐射三种传热方式,对于一次码烧隧道窑来说,一是要注意预热带热能从砖坯表面传导至中心,使砖坯内部温度随表面温度升高而升高。而在冷却带热能从砖坯内部传至表面,使砖坯内部温度随表面温度降低而降低。如果坯体的导热性能愈好,传热就愈快。如果坯体愈厚,传热就愈慢。二是要注意对流传热中气体的流速,流速愈快,对传热越有利。内燃烧砖“稀码快烧”的成功经验,就是减少坯垛阻力,使窑内气体流速加快,强化对流传热过程。三是要注意气体与坯体之间辐射热传热方式。对于一次码烧隧道窑内燃烧砖来说,辐射传导热在坯垛密码时,坯体向气体的辐射传热增多反之减少。隧道窑预热带热气体以对流方式为主将热量传给砖坯,砖坯表面以传导方式将热量传至内部;冷却带内以对流方式为主与砖坯传热,砖坯内部又以传导方式将热量传到坯体表面;焙烧带分二种性况,一是外燃烧砖时热气体以辐射热将热量传给砖坯,砖坯又以传导方式使热量由表面传至内部,直到砖坯温度升高到烧成温度为,这一传热过程比较缓慢,为什么外燃烧砖火行速度低于内燃烧砖的原因也在于此;二是内燃烧砖热量不但通过砖坯以辐射形式传给坯体,更为重要的是砖坯之间同样以辐射热的形式,可迅速提高焙烧温度,加快焙烧,产量较外燃一次码烧要快一些。从以上隧道窑三种传热方式可以看出,焙烧过程中并不是以单一传热方式进行,而往往以二种或三种综合传热的方式存在。
从焙烧原理讲,一次码烧首先要注意坯体在焙烧中的变化,特别是石英在不同温度下晶体的转化和体积收缩膨胀的变化,否则体积的突然变化所产生的应力将导致制品开裂。再就是物理化学变化。制砖原料在600℃~1000℃物理化学变化进行得很剧烈:450℃~550℃时,CaO和Fe2O3发生反应生成铁酸钙,温度继续升高时铁酸钙又转变为铁酸二钙;在600℃时MgO和Fe2O3发生固相反应生成镁铁矿;在700℃左右氧化铁与氧化硅形成铁橄榄石(2FeO·SiO2);在800℃时AI2O3同Fe2O3发生反应生成Fe2O3·AI2O3混晶;在900℃左右生成K2O· FeO·3 SiO2的共熔化合物;在930℃~970℃之间碳酸钙分解为氧化钙,并放出大量CO2气体;在800℃~1100℃高温下,固相内形成铁铝酸钙(Ca2 AI FeO3)。这些硅酸盐熔融物与未熔化的其它矿物相互牢固的粘结在一起,在冷却时重新结晶而变成坚硬的砖产品。再就是砖制品的烧成温度,一般来说二氧化硅和三氧化二铝含量高,颗粒粗的原料,助溶剂氧化钙、三氧化二铁、氧化钾和氧化钠含量少,烧成温度高。反之,则烧成温度低。在判断烧成温度是否合适,可以用产品饱和系数值来初判。0.8饱和系数一般认为是极限值,饱和系数愈小,说明砖制品愈致密,耐久性愈好;饱和系数愈大,说明砖制品疏松不致密,耐久性也差一些。新建砖厂在无产品质量检验设备的前提下,可用饱和系数初判砖质量是否合格。实验充分证明,品质优良的砖其饱和系数均小。但控制极限下最高烧成温度,取得较高的饱和系数,一定要防止过烧,否则,会因砖制品在0.5Kg/㎝²荷重下,产生0.5%变形软化,成为过烧变形的废品砖。这就要求掌握好最佳烧成温度范围。
同种原料,烧成温度愈高,烧结砖的密度和强度愈高,但可能烧成范围会更窄。陶瓷砖就是如此来保证其密实性和强度。其次要注意窑内气氛对砖制品的影响,在三氧化二铁和其它化学成分不变的情况下,当过剩空气系数大于1的氧化气氛,制品呈红色;当过剩空气系数等于1的中性条件下,制品呈黄色;当过剩空气系数小于1的还原气氛下,制品呈青蓝色。产品只所以出现花砖,主要是气氛不同而引起。
从焙烧制度讲,一次码烧的预热、焙烧、保温、冷却四个阶段,都有其各自独特的作用和物理化学变过程。其一、预热阶段首先要解决干燥残余水分3~6%,若升温过快,水分会激烈气化而产生应力使坯体开裂。此外要排除坯体中的化学结合水及有机物燃烧,可能使坯体变得疏松而产生较大的内应力导致坯体开裂。同时注意SiO2晶体进行可逆的快速转化,也会造成制品开裂。隧道窑设计预热阶段一般应大于40m。其二,焙烧阶段对焙烧过程具有决定的意义,为充分的的反应,并适当控制升温速度。隧道窑设计焙烧阶段应大于15m。其三,保温阶段是给经高温焙烧后的砖制品更为多的时间反应,把砖的形状固定下来,从而保证产品质量。这一阶段应大于20m。其四,冷却阶段主要避免SiO2多晶转化而产生的内应力过大,导致烧结砖制品降温过快而开裂。隧道窑冷却带应大于20m。綜上所述,升温速度可参照表三进行。根据实际生产和试验数据,页岩砖升温速度可适当加快,煤矸石砖可适当延长。建议一次码烧隧道窑在设计建设时,认真阅读以下赵镇魁院长等三位发表的“如何用好隧道窑”和孙文奇发表的“气流与坯垛的关系”两篇文章,对于我们选择烧成制度、静态和动态密封、减少风的阻力、防止码坯缺陷等方面会有帮助。
     一次烧隧道窑焙烧升温速度    表三
     温度范围(℃)      升温速度(℃∕h)       所需时间(h)       累计时间(h)
      120以下              33                    3                 3
      120~600              64                    8                11
      600~1000             66                    6                17
      1000                                        2                19
      1000~600             114                   3.5              22.5
      600~300              60                    5                27.5
       300以下              51                   5.5               33
       注:来源于1987年中国建筑出版社《怎样烧砖瓦》一书。
综上所述,一次码烧工艺,原料的化学成分和矿物分析参数基本与二次码烧工艺相同,但对影响干燥敏感系数、干燥收缩率、干燥临界含水平的矿物质应准确把握。一次码烧工艺应选择低干敏、低收缩原料,高敏感系数和高收缩原料应放弃二次码烧而选择一次码烧工艺,对于产品质量更为有利。
 
 
 
烧结砖一次码烧工艺对设备的基本要求
闫开放¹  林永淳²
1.中建材咸阳陶瓷研究设计院        712099
2. 陕西宝深机械(得团)有限公司    722300
摘要:本文就原料矿山开釆风化的物理化学作用,混合料的蒸汽处理,抽真空增密度处理,混合料多种处理形式进行了讨论,并对陈化处理的效果及作用给予充分肯定。从原料处理设备、破碎设备、绲合碾练设备、陈化与挤出成型工艺设备的优化选择提出了看法,供讨论参考。
关键词:设备、要求、一次码烧
 
对设备的基本要求
4.1、原料处理与设备
4.1.1、原料风化:风化是将原料土采掘后在露天较长时间堆积,并经受阳光、雨、雪、霜、风等大气作用,借以改善其工艺性能的过程叫风化。原料土的风化对坯体和最终产品质量有较大的影响,许多有生产经验的厂强调使用“隔年风化土”,道理也在于此。
风化的机械作用是随着温度和空气湿度的变化,结冻时体积膨胀,促使块料破裂。这种破碎作用较破碎设备破碎更有效。大部分原料经过严冬冰冻均可达到破碎的目的。过冬风化对页岩、煤矸石和高塑性粘土特别有用。具有气孔的原料土最容易风化碎裂,这是由于水较易于渗入气孔中缘故。风化的物理变化是风化吸收水分,粘土等胶结料颗粒周围形成水膜,浸水后发生膨胀,膨胀有助于粘土的疏解和消解,这是胶结原料的一个重要特性(消解指块状原料在水中逐渐软化瓦解)。松散多孔的瘠性原料消解快,原料易于混合均化,而硬质页岩需要经过一个冬天或几个冬天的风化才能很好的消解。风化的化学变化是对原料土的风化起化学作用,日光有时对化学反应起催化作用。主要化学变化为:一是碳质、硫化物和某些亚铁化合物的氧化。亚铁化合物被氧化成高价化合物,主要形成褐铁矿(2Fe2O3·2H2O),硫化铁部分转变为硫酸盐等;二是水解和水化。在水的长期作用下,胶结料粘土等中铁化合物有时水解成一种强有力的含铁粘结剂;三是在氧化和水解后,某些物质溶解和置换。例如水在原料中渗透,当粘土中含有可溶物质时,水将其溶解,从而改变了原料的化学性能。
大多数原料开采后堆放在露天,受太阳、风雨、冰雪冷冻的作用,块状料松解崩裂,使原料颗粒细度提高,可溶盐被洗去一部分,可塑性提高,成型等工艺性能更稳定。此外,机械破碎原料更容易,这一点对硬质页岩和煤矸石意义更大。
4.1.2、蒸汽处理位置:一是在陈化前加入蒸汽、陈化的效果会更好;二是在挤出机上机或在挤出机前一工序的搅拌机中加入蒸汽,实现热挤出成型(蒸汽加热一般以0.8大气压为宜)。蒸汽热处理的好处主要体现在六个方面:①在不增加动力消耗的前提下,拌合水量减少,原料均化程度提高;②蒸汽热处理是原料颗粒被水润湿的更充分,可塑性指数有所提高,挤出泥条时抗变形能力增加;③降低挤出机动力消耗(最高可达50%),提高螺旋挤出机的生产能力;④由于蒸汽处理后水膜起到润滑剂的作用,减少了原料的内摩擦力和原料同机械的外摩擦力,相应的减小挤出机的磨损;⑤通过蒸汽处理,坯体进入干燥室温度提高,表面张力和粘度明显降低,水在坯体中的毛细管扩散速度加快,缩短干燥时间20%~25%;⑥蒸汽的毛细管浸渗能力极强,促进了原料的充分疏解。
蒸汽来源:一是利用隧道窑冷却带余热或高温烟热,利用余热锅炉换热;二是利用发电厂和化工企业生产排出的废汽,利用电厂粉煤灰或化工厂汽化渣,将生产线尽可能靠近排渣企业建设,利用好废渣废汽。如果利用隧道窑余热可能增加少量热耗,但动力消耗和干燥时间的缩短所产生的效果会更好,生产成本会明显降低。有条件砖瓦生产企业应创造条件对原料进行蒸汽处理。对于冬季生产和严寒地区显得更为重要。
4.1.3、真空处理目的排除原料中空汽,增加成型前原料密度。对于高掺量粉煤灰、炉渣、化工废渣和加入造孔剂等混合料来说,真空处理效果十分显著。例如高掺量粉煤灰砖,其粉煤灰是由0.02~100μm的球状颗粒等成,具有多孔结构,其颗粒内部和颗粒之间存在着大量的空气,孔隙率高达65%~75%。在制砖混合料中,如果不能有效排除这些空气,增加单位体积密度,成型就比较困难。在一次对辽宁鞍山某厂进行高掺量粉煤灰砖生产工艺半工业性试验时,尽管人为地将粘土与粉煤灰混合得十分均匀,但经过搅拌、对辊后挤出成型的坯体并不理想,后来经抽真空试验,使我们认识到,未排出的混合料中的空气,会使混合料挤出成型过程中,坯体产生强烈的回弹作用,颗粒之间也难以紧密聚合。而经过一次抽真空挤压过程后,单位体积密度增大,从面改善了混合料的成型性能。真空处理原料的主要优点体现在以三个方面:①真空处理排除了混料中的空气,特别是吸附在原料颗粒表面的小气泡,原料颗粒的联结能力也随之提高,塑性指数增加;②真空处理可以减小坯体的干燥收缩,并使其临界含水率提高,从而减小了干燥敏感性。应该特别强调,对于塑性较高,干敏系数较大的原料,真空处理的效果尤为明显;③提高了湿坯、干坯及产品强度,降低了产品吸水率及烧成收缩。真空处理设备可以采用真空练泥机、真空挤出搅拌机等。
4.1.4、破碎设备:砖瓦制品的主要原料是粘土、页岩、煤矸石、炉渣等,前者原料处
理比较简单,但对于采用一次码烧工艺的后三种原料,破碎成为生产线成败的关键。原料的破碎一般为二级破碎或一级破碎。页岩和煤矸石块粒经大于100mm以上可采用二级破碎,先用颚式破碎机破碎到40~60mm,再用锤式破碎机等进行细碎。根据产品的不同,过筛后实心砖最大颗粒小于2.5mm,多孔砖小于2mm,空心砖1.5mm,孔洞率大于60%的保温砌块小于1.2mm。无论是那一种原料,颗粒级配很重要特别是0.5mm以下的颗粒。李一超和董振二位作者曾在2012年发表了“煤矸石烧结空心砖的原料处理分析”一文指出,破碎的难点在于筛上料,如回二级继续破碎,增加了负担而且很难达到粉碎后的颗粒级配要求,提出了粉碎处理的优化工艺,即对粉碎后过筛的筛上料用“专用回料锤式破碎机”再破碎一起输送筛分,比较容易得到生产高孔洞率产品的合理级配。如果细颗料不足,还可以采用雷蒙磨或小球磨机粉磨筛上料来保证颗料               颗粒级配试验数据       表四
级配。表四给出了某厂两      筛孔尺寸               筛失量小于1%
种颗粒级配,括号内数据       (mm)    分计筛余量%     累计筛余%      通过率%
生产的50%空心砖,成型        2.5           3                3           97
时坯体密实、光滑,产品        2.0         (0)            (0)      (100)
有金属声,而括号外颗粒        1.25      8.9(10.4)      11.9(10.4)    85.1(89.6)
级配成型困难,产品质量         0.6      36.4(16.4)   48.3(26.5)   36.8(73.5)
也不如前者,主要是细颗        0.08     31.4(41.8)   94.5(68.3)   5.4(31.7)      
相差较大,级配不合理。                    筛底     5.3(31.7)    99(100)
页岩和煤矸石原料差异很大,直接影响粉碎设备的产量。带蓖子板因孔小和含水量高产量低,孔大无法满足颗粒级配要求 。巩义正大机械推出了高含水率的双级无筛底粉碎机,采用双转子两级粉碎,双轴双飞轮,锤头和衬板双向调节等独特的设计思路,基本解决了高湿料堵塞问题。当含水率在于20%以下时,出料粒度可控制在3mm以下,2mm以下占85%。北京建华推出了超精细可调式破碎机,含水率在15%以下可正常生产,筛分后2.5mm以下颗粒达到70%~80% ,并真对20%~30% 回料设计制造了专用破碎机。                     
4.1.5、混料处理设备:如果是单一原料生产烧结砖,混料设备往往采用较为简单的工
艺路线,也就是常用的对辊加搅拌。但对于多种原料的均匀混合,用对辊加搅拌的处理显然无法达到均匀混料的作用。例如高掺量粉煤灰原料处理,如何把不同容重的胶结料和粉煤灰混合碾练处理,成为能否生产高质量粉煤灰烧结砖的重要环节。
混合处理:要使粉煤灰与胶结材料均匀混合,靠单纯搅拌是实现不了的。我们知道,粉煤灰与胶结材料堆积密度相差甚大,当粉煤灰直接加入搅拌机内时,粉煤灰颗粒基本上不能与粘土颗粒混合在一起,只能沾附在粘土颗粒表面,有时甚至一部分粉煤灰因堆积密度轻而漂浮在搅拌槽上部。针对这一个现象,在一次工业性试验时,试验人员采用取掉蓖子板的改型锤式破碎机或改型后的笼式粉碎机和筛式捏和机,基本解决了混合处理这一难题。
碾练处理:国内外许多国家的实践证明,利用轮碾机、圆盘筛式给料机、捏和机、真空练泥机等机械进行粉煤灰与胶结材料的混合、碾练、均化、揉练、压实,排除了混合料中的部分空气。据资料介绍,加水碾练后的混合料堆积密度能提高30%~60%,砖坯的表观密度提高10%~25%。曾在原哈尔滨第一制砖厂进行高掺量粉煤灰砖生产时,将第一次挤出的泥条在回到挤出机成型,坯体密实性和强度明显提高。实践证明,经过碾练的混合料,还可以将颗粒内部的部分水挤出来,使其分布在颗粒表面,不但较大幅度地提高了塑性指数,而且大幅地降低了成型水分,这对于提高坯体干燥质量,降低干燥能耗,缩短干燥周期都极为有利。只可惜没有普遍制造采用。
4.1.3、陈化与设备:陈化对产品质量无许质疑。淄博捷达推出的陈化库系列无人值守
专用设备有液压多斗、侧式折臂、半桥式刮板取料机和桥式多斗挖掘机,为行业陈化设备发展做出了贡献。1987年作者曾到法国考察,主要陈化设备是侧式多斗挖掘机,在参观某砖厂看到了桥式多斗挖掘机,只因投资等条件限制,在双鸭山煤矸石砖生产线采用了前者。桥式陈化设备纵向来料,横向分层布料,沿断面竖向取料,不但取料均匀,而且有很好的混料功能。更为重要的是桥式陈化库存料量大,生产缓冲余地大,是陈化设备发展的方向。
陈化有以下五种功能:一是供应和均衡生产功能,保证陈化库后原料的供应,在调节各工段生产班次时,不影响正常生产;二是通过加水,使混合料在堆积过程中借助毛细管和蒸气压的作用,使水分更加均匀分布;三是利于粘土颗粒充分水化和进行离子交换,一些硅酸盐矿物长期与水接触发生水解转变为粘土物质,从而提高可塑性;四是增加腐植酸类物质的含量(腐植酸的组成为:C—58%、O—28%、H—5%、N—5%),改善泥料成型性能;五是发生一些氧化与还原反应,使FeS2分解为H2S,CaSO4还原为CaS,并与水及CO2作用形成CaCO3,放出H2S,并可能使泥料微生物繁殖,松软而均匀。
根据试验结果,大部分原料陈化效果在最初24h比较显著。应当指出,我国目前许多砖厂没有对原料进行陈化,甚至存在对陈化这一关键工艺的误解,认为陈化只是为了增加塑性,这是很片面的。正确的理解应该是,陈化不仅可以提高塑性,而且可以提高原料的流动性和粘结性,降低成型电流,成型的坯体表面光滑平整。虽然陈化处理后颗粒分散度提高,干燥收缩也有所增加,但干燥时抵抗变形的能力却在加强,水分在蒸发时引起收缩不均的内应力被减轻或消除,对于避免干燥收缩应力裂纹非常有利。通过陈化试验还得出一个重要结论:越是塑性指数高,干燥收缩和干燥敏感性大的原料,越要考虑原料的陈化。陈化后的混合料,有助于粘土等原料的疏解和塑化分散,颗粒周围水膜加厚,大多数含有生物残余物的原料形成有机胶体物质,原料颗粒细化塑性和结合能力大为增强,湿坯抗拉强度、干抗折强度、抗剪强度等方面明显提高。陈化对于消除和减少干燥应力裂纹起到了非常重要的作用,不可轻视原料陈化与设备的正确选择。
4.2、成型设备
挤出成型设备一般采用双级直空挤出机,对于一次码烧工艺来说,通常采用硬塑或半硬塑真空挤出成型,成型含水率在18%以下。煤矸石和页岩由于塑性较低,大部分采用硬塑成型,成型水分在16%以下,挤出机工作压力在2.5MPa以上;以粘土为主,加入少量的煤矸石、炉渣、粉煤灰等,可采用半硬塑挤出成型,成型含水率在17%~19%范围内,挤出机工作压力在1.5~2.2MPa之间;软塑挤出机成型成型水分可高于19%,挤出机工作压力小于2MPa,往往用于二次码烧工艺。以粘土为主要原料生产时不宜压力过高,过高的挤出压力,会增加设备动力,同规格和同等产量的硬塑挤出与半硬塑挤出相比较,配制电机功率增加20%以上。另外,粘土自然成型水分较高时挤出压力过高,坯体密实度增加,可能会影响干燥质量。
设备型号的选择应注意与产量、生产班次和每班生产时间相配套。一般情况下,一次码烧工艺一班或二班生产,而二次码烧工艺采用二班或三班生产较多。对于一个日产30万块砖生产线来说,如果一班生产8h,则小时实心标准砖产量应大于4万块,每块湿砖坯按3.2kg计算,挤出机小时挤泥量应大于128t,应选择泥缸直经在700mm以上的挤出机;如果两班生产16h,小时产量应大于2万块,挤出机挤泥量64t左右,应选择泥缸直接在550~650mm之间的挤出机;如果三班生产24h,小时产量应不大于1.5万块,挤出机挤泥量小于45t,应选择泥缸直接在550mm以下的挤出机。过度追求挤出机大产量,其他配套设备跟不上,会造成动力消耗增加,设备未发挥应有的最佳效能。关于泥缸直径与产量的关系,相对而言,在同等转速情况下,泥缸直径越大挤泥量就越大,但在泥缸直径不变,适度提高转速产量会有提升空间。对于挤出机挤单泥条,可选择较小泥缸直径;对于挤双泥条或多泥条,高产量挤出机可选择相对应较大的泥缸直径。
在原料处理满足要求的前提下,挤出成型设备是整条生产线的核心。要出好产品,重点调节挤出机挤出泥条时断面速度一致性,避免速度差造成坯体裂纹。同时也要防止对产品强度和耐久性,特别是抗冻性能等质量影响较大的严重螺旋裂纹(见图1),在空心砖表面虽看不出螺旋纹,但对内在质量影响不可怱视。
 
 
4.3、切码设备(第3部分)
4.3.1、切条和切坯:从工艺角度讲,切条和切坯机设计制造应满足四个方面。一是具有可调节性,长度方向按泥条长、短可调节,以适应多种码坯形式的传送、整坯、编组、夹坯和码坯垛。二是要适应多种产品,满足市场对产品规格尺寸的不同要求。高度方向和切坯机切割要考虑坯体最大尺寸,并满足单泥条、上下和左右双泥条或多泥条切割。三是方便换钢丝,尽可能省力、省时,钢丝张力可调。四是切割垂直度和误差。上世纪圆弧形切条机已进入历史,現已被同步垂直切条机代替,但许多厂家在生产调试过程中不重视泥条长度方向的调节,往往在切坯时会形成两块或三块多砖坯被切掉成为废品(见图2),如果按7%计算,年产1亿块标砖会浪费掉700万块坯体。实现无废泥头切割应成为行业共识。
4.3.2、码坯:切坯机完成切坯后,经过升降托辊、横向台、翻坯机、编组输送、拉缝分坯等工序,组成所需要的坯垛方阵,再经码坯机或机器人码坯机将组合好的坯垛方阵按照设定好的码坯方式码放在窑车上。码坯机形式多样,从实心砖坯码垛讲,有一块坯体长度方向压3块坯体(厚度方向,以下相同)或2块坯体压5或压6块坯体。也就是常说的一压三、二压五或二压六码垛法(见图3-1、3-2);三压八或三压九码垛法(见图4);四压十到四压十二码垛法等(见图5)。对240×115×90mm多孔砖坯码垛讲,有二压三或二压四码垛法三压四或三压五码垛法;四压七码垛法(见图6)。采取那种码垛形式,一定要和隧道窑设计及内燃掺料多少相适应。但从坯垛稳定性来讲,尽可能优先选择三压几的码垛形式,而一压几和二压几坯垛稳定性差一些,如果坯车在运行当中晃动,倒垛发生的可能性会大一些(见图7)。从图7可看出,成品车砖垛倒向窑车中部,上部两侧砖坯在焙烧时与窑墙两侧尺寸在200mm以上,气流会从窑上部两侧快速流过,底部气流受到影响,可能会出现上部两侧砖质量好,而中间或底部因热气流阻力出现过烧砖或欠火砖。四压几虽然坯垛稳定性好,但会减少纵向拉缝,对烧成可能不利。常用码坯机为夹头单元旋转或整体旋转,如果产品规格仅限于240×115×90mm多孔砖和标砖,选择整体旋转码坯机或机器人码坯机故障相对少一些。如果窑车表面平整,窑车运转过程中基本无晃动,可釆取顺两层或钭两层码坯形式,对隧道窑最佳烧成曲线、断面温差的控制、稳定产品质量及提高烧成合格率会起到较好的效果。行业常说的“七分码、三分烧”道理也在于此。一句话,码好砖坯是保证烧成质量的先决条件。
陕西宝深研发制造的智能坐标码坯机,是陕西省重大科技创新项目,己取得多项专利。该码坯机采用伺服电机带动蜗轮减速机运动,通过链条带动Y运动架沿Z立柱上的线性直线导轨上下运动;通过伺服电机、精密行星减速机、齿轮、齿条带动X运动架上的夹头组件沿Y运动架上的直线单元滑块前后运动;夹头组件通过气缸沿X运动架的直线单元滑块左右运动,完成从固定位置自动抓坯,运动至窑车上的固定位置,结构简单实用,负载重量大、工作效率高。该机与国内现有同类产品相比,具有运动准确,使用可靠、寿命长、自动化程度高、体积小、重量轻、投资少等优点,在多条生产线运行良好,受到了业界的关法。
5、一次码烧工艺设计应注意的几个问题
5.1、原料处理:粘土原料要注意疆石,如果是层状存在于矿山,开采设计最好先剔除
掉。但散乱存在于矿山中,工艺设计应考虑除石设备,否则产品可能会发生石灰爆裂。当粘土原料中疆石含量超过15%时,最好放弃重找粘土矿。页岩和煤矸石原料要注意硬度、块体大小、自然含水率、塑性指数的高低来设计破碎工艺和确定颗粒级配技术参数。塑性指数较高的原料颗粒可适当放大,塑性指数较低的原料颗粒适度放小,特别是0.5mm以下的颗粒含量应高于55%,确保成型对原料处理的粒度要求。
     5.2、干燥焙烧:从建成的一次码烧隧道干燥室来看,有100m以上的,也有60m左右的;有的建二条干燥室而建一条隧道窑;有的则建一条干燥室而建2条或3条隧道窑。虽然产量和质量还过得去,但不等于更合理,往往因为优质的原料掩盖了干燥焙烧的缺陷。干燥周期过长会造成建设资金提高,过剩空气量需求增加,对降低窑炉氧含量不利。特别是多条干燥室建单条焙烧窑的设计思路不可取,这样不但增加了隧道干燥室及风道散热面积,能耗损失大,而且会增加风量,风机动力上升,过剩空气系数加大,不利于降低氧含量和大气污染物排达标。即然是一次码烧工艺,原料干敏系数必须得到有效控制,为什么要采取多条低温过长干燥室,而是干燥周期人为加长呢。作者非常赞偿在南方或北方建阳光棚进行自然干燥,即加快干燥脱水速度,又节约能源,应当推广应用。另外,干燥窑进车端温度确定后,最好挤出的砖坯温度高于进口处介质温度5℃以上,如果坯体温度过低,不但不脱水,还有可能产生回潮,影响坯体干燥质量。干燥周期,应该在试验的基础上确定干燥周期和干燥室长度,防止盲目而不经计算设计就随心所于建设,造成不必要的损失。
如何实现一次码烧快速干燥,降低干燥能耗,是研究干燥制度的重要方面。快速干燥首先要具备三条:一是原料收缩较小,干燥敏感系数较低,这是关键;二是要有较高的干燥介质,实现快速脱水;三是产品最好是高孔洞率,而且孔洞平行于窑车面,以利热对流和减少气流阻力。原料不具备低于敏,就不可能实现12h以下快速 干燥。90年代原沈阳部队一砖厂,将原料塑化后生产高孔率的大孔空心砖,实现了快速干燥和快速烧成。行业提出一次码烧能否以内燃为主 (占80~90%),外燃用清洁燃料补充热量(占10~20%), 这种焙烧制度是可行的,有利于提高产品外观质量。          
     5.3、 风机选择:理论计算与实际生产证明,每蒸发砖坯中1kg水需要热耗4598KJ~5434KJ(1100~1300kcal),消耗空气量为35~40m³。如果不考虑脱硫除尘,送风风机全压为1200~1500Pa,排潮风机全压为700~1000Pa。影响风机风量的主要因素是坯体含水量和热风温度,让我们通过计算加以说明。例如日产20万块标砖生产线,成型含水率分别为20%和16%,坯体重量按3.2kg∕块计算,干燥后坯体残余水为6%,蒸发每公斤水需热量5016KJ(1200kcal),分别计算不同成型含水率时干燥砖坯需要的热量:
 成型含水率20%时:
每小时蒸发水Q1﹦日产量/24×坯体重×(成型水分-残余水分)/(100-残余水分)
               ﹦200000∕24×3.2×(20-6)∕(100-6)﹦3971(kg/h)
  每小时需热量Q2﹦Q1×蒸发每公斤水所需热量﹦3971×1200﹦4765200(kcal∕h)
  成型含水率16%时:
每小时蒸发水Q1﹦2837kg∕h         每小时需热量Q2﹦3404300(kcal∕h)
  从计算结果看,成型水分从20%降到16%时,每小时蒸发水减少了1134kg,需热量每小时降低了1360900kcal,折算标煤194kg,日减少标煤用量4656kg。也就是说,成型含水率每降低一个百分点,干燥坯体每小时蒸发水和所需热量分别降低283kg和340000kcal。由此可见,一次码烧工艺降低成型含水率会大幅降低水蒸发量和热耗量。但成型水分降低会增加动力消耗,同样颗粒级配下坯体密实度可能会提高,干燥坯体蒸发水速度会有所下降,应综合考虑这一因素,在满足干燥和正常生产的同时确定合理挤出压力和成型水分。
    在以上列来计算干燥坯体所需风量:设排潮温度为40℃,热风温度分别为60℃、120℃、160℃时,计算不同温度下的热风量。
① 标准风量Qb:
60℃时Qb﹦Q2÷(空气比热×热风温度)﹦3404300÷(0.311×60)﹦182438(Nm³∕h);
 120℃时Qb﹦91219 (Nm³∕h);
 160℃时Qb﹦68414 (Nm³∕h)。
②实际风量Qs
 60℃时Qs﹦Qb×(273+60)/273﹦182438×1.20﹦218926(m³∕h);
 120℃时Qs﹦Qb×(273+120)/273﹦91219×1.44﹦131355(m³∕h);
 160℃时Qs﹦Qb×(273+160)/273﹦68414×1.59﹦108778(m³∕h)。
③排潮废气风量Qp
 60℃时Qp﹦Qb×(273+40)/273﹦182438×1.15﹦209804(m³∕h);
  120℃时Qs﹦Qb×(273+40)/273﹦91219×1.15﹦104902(m³∕h);
  160℃时Qs﹦Qb×(273+40)/273﹦68414×1.15﹦78676(m³∕h)。
从以上计算可以看出,一次码烧风机风量的选择与送风温度有直接的关系,同等条件下,温度越高,热空气重量越轻,需要的风量也就越小。当送风温度由120℃下降到60℃时实际风量提高了66.7%,排潮废气风量提高了近一倍;当送风温度由120℃上升到160℃时实际风量却减少了17.2%,排潮废气风量降低了25%。如果送风温度由160℃下降到60℃时,则实际风量提高一倍以上,排潮废气风量提高了1.66倍。由此可见,提高送风温度,会大大降低送风量,减少动力消耗。但要注意的是,提高送风温度一定要在原料低干敏系数和低收缩的前提下才能适应,这也是确定一次码烧工艺的前提。对于页岩和煤矸石等原料,提高送风温度是完全可行的,而降低送风温度的各种作法值得商确。
     5.4、其它问题
     5.4.1、重视窑车质量:窑车是隧道窑生产的重要辅助设备,因生产规模大,需要的数量多,耗钢耗材量大。窑车往往成为企业压价或制造商偷工减料,质量难以保证的重要方面。有的窑车造价低于设计材料市场价,只好用劣质材料来代替,重要承重钢构件也降低规格尺寸,减重量来满足用户压价要求。甘肃某生产线,供应商用煤矿生产运煤小车轮代替铸钢轮,让承受2~3吨的4个压轮承受13多吨的重量,点窑后出现车轮炸裂报废,只好停窑换轴、换车轮。陕西某厂窑车严重变形,群板弯曲,两车之间无密封高温棉,车下温度高,烧成能耗大(见图8)。国内因窑车质量问题影响正常生产的厂家为数不少,建议选择武汉大通公司等有三十多年专业积累的厂商制做,确保每台窑车工桩、定型、定位及几何尺寸误差符合相关加工标准要求。近几年新推出的耐热铸铁组合窑车平整牢固,在广东、浙江等生产线运行良好,受到行业普遍认同。无类是新建还是改造老线,生产厂家一定要重视窑车制造加工质量,正确的设计、使用、保养和维修窑车。虽然是配套设备,但对生产线产品达标,产量达设计规模,能耗指标高低,企业效益好坏产生直接影响,应引起企业的重视。
     5.4.2、重视窑炉密封:密封是砖瓦窑炉设计建造的最基本要求,也是衡量窑炉建设质量的首要指标。国家发展和改革委员会在2005年7月1日就首次发布了建材行业强制性标准JC982《砖瓦焙烧窑炉》,标准从多方面规定了窑密封的具体做法。一是窑墙体砌筑的泥浆厚度和饱满度、砂封槽及曲封砖、膨胀缝及缝大小;二是平吊顶耐热材料保温性能、顶板与预留孔之间的孔隙密封处理、保温材料的错缝铺设;三是窑门、窑车及附属设备保温、密封及设置膨胀封的相关规定。赵镇魁专家等三位曾在2016年发表了“如何用好隧道窑”的文章,对静态和动态密封、砂封和曲封等进行了较为详细的阐述,只可惜国内建窑未引起足够重视,窑炉密封还存在许多问题呈待解决。图9为陕西某厂隧道窑的曲封做法,可以明显的看出,窑的曲封砖与窑车面上下尺寸,窑墙与窑车及坯体码放尺寸,均不符合常规设计要求,也不符合标准规定的技术参数。一般情况下,曲封设计窑墙挑出砖应大于150mm,与窑表面封隙为30mm,窑两边与砖坯空隙50~70mm为宜,最好釆用双曲密封。
5.4.3、重视码坯原则:码坯机近几年发展势头强劲,基本能满足各种规格窑型的需求。就隧道窑而言,码坯存在的主要问题:其一,层数、高度缺乏依据。有些厂为了追求产量,认为层数越多越好,窑的高度自然也提高。这里忽视了一个原则,窑高会引起热气流上浮,断面温差加大,如烧成温度范温过小,会引起过烧或欠烧,产品形成严重色差,无法满足烧清水墙装饰砖的需要。还要注意底层坯体承受重量的能力及窑车的负荷,并保证轨道平整及坯车与摆渡车等运转设备稳定运行。拉接固定坯垛,仅防收缩、晃动倒垛。隧道窑发展方向是宽矮型,以标准砖宽度方向为例,原则上建议为11~15层。图10是河南某厂的码坯形式,由于码坯层数偏高,造成窑内上、下断面温差较大,产品不但色差大,而且烧成质量也相差甚大。张文法教授曾在砖瓦杂志,2015年第4期详细阐述了一次码烧层高问题,不赞成高层码标的原因是砖坯挤出压力、坯体强度、窑断面压力风速不均衡、断面温度差及内燃掺量过大易发生过烧等。具有百年历史的美国SD国际窑炉技术公司最早发明了低码层节能隧道室,码层仅为2~4层,不但燃料大为降低,而干燥和烧成周期仅为传统隧道窑的1/4。其二,码坯垛要考虑原料收缩率的大小。以标砖为例,如果是三压几,考虑干燥烧成线收缩在3%~6%之间,每垛在750~770mm之间。这种垛型比一压二或一压三、二压五或二压六稳定牢固,发生倾钭倒垛会大为降低。轮窑和旋转窑在砖坯不动的情况下采用一压三或二压六码垛型式更有利于通风,前提是砖坯强度高,底层平实,拉接固定的砖坯码放合理,也值得提倡。其三,下顺上横、下稀上密、内稀边密码坯原则。下顺码砖坯有利于底火和减少底层通风阻力,上横码砖坯有利于阻止热风在窑顶部过快流动。下稀上密和内稀边密码坯原则是对内燃烧砖而言,而外燃烧砖则不适应。另外,许多生产线码坯机码满窑车时,重窑车未及时拉走,而空窑车又未到码车位,造成挤出机后序设备反复停机、起动。实际上只需要码坯机与窑车定位机联结信号,及时精准的送走重载窑车和拉进空窑车,就实现了连续挤出码坯。
5.4.4、重视控制设计:一是智能设计。兴林机械经多年的研究开发,实现了挤出机的传动软连接,上下级轴承的油润滑、挤出压力、真空室料位显示器等,使得挤出机多年无大修变成可能。自主研发的智能开关,避免了离合器快速连接运转,瞬间使减速机、绞笼轴及搅拌轴等产生超负荷冲击,杜绝因应力过度集中而可能发生断齿、断轴及断绞龙等事故,为设备正常运转提供了保障。二是自控设计。潍坊科达推出了砖瓦企业DCS中央集散控制系统,从原料处理配料、自动加水阵化、自动补充成型水分、自动编组码坯、干燥焙烧自动监控及窑车和窑门运转系统等生产工艺过程,实现集中自动检测和有效控制,使复杂的人工操作变为简单、方便、高效的自动化。不仅减少人力,降低维修,实用安全,而且有利于企业管理,实现对生产现场运行的远程网络监控,并可查询历史数据变化,及时调整生产工艺技术参数,确保产品质量。三是节电设计。变频器的设计使用在行业已得到普遍使用,但有些节电技术还需要进一步推广应用,为砖瓦绿色发展做贡献。北京速利达推出的动力节电器,己获得两项国家专利,平均节电20%,增容30~60%。据制造企业介绍,湖北一砖厂132Kw单机测试节电24~32%,海南和广西两个砖厂使用后电流分别下降了30~50%和40~50%,这些测试数据相当可观,对砖瓦企业降低成本起到很大作用。如果企业介绍数据可靠,无疑有很高的推广价值。在许多砖厂干燥室和隧道窑双道窑门控制流于形式,往往进车端二道门一直大开,当进车打开第一道门时冷风大量进入,造成烧成曲线不稳定。因此,控制系统一定要按程序提升二道门,顶车机工作,将等待室窑车推过二道门后,窑门落下再提升第一道门,最后将摆渡车上窑车拉进隧道窑等待室,落下第一道门。进车端二道窑门和出车端窑门要联动操作,并在关键给序设置锁住功能,防止顶车时安全事故。
5.4.5、重视辅助设备:辅助设备与挤出机、窑炉等关键装备比较,虽然简单易做,但要做好也不容易。辅助设备在制造加工和采购中往往受不到重视,影响了整条线的正常运转。除窑车外,摆渡车、拉引机、顶车机、牵引机、窑门等,那一台出了问题也要影响生产线的连惯衔接。如果要实现机械自动化控制,更需要辅助设备运行距离和运行速度准确,开停稳定可靠。保证自控无误,才能做到无人操作,自动控制。辅助设备影响正常生产的例子太多,如窑车太长,摆渡车结构强度不足而无法承受大荷载,影正常使用;顶车机运行距离不合理,干燥焙烧窑车顶不到位,影响送风、抽风和产量;牵引机拉坯车或成品车距离计算或安装有误而影响正常运转等。可喜的是近几年,辅助设备引起了许多厂家的重视,制造精度在不断提升,为实现运转系统自动化控制,提升砖厂管理水平,企业减员增效打下了基础。
5.4.6、重视耐磨配件:随着砖瓦企业规模化和集约化生产方式的发展,砖瓦产品价格的的涨价及季节性生产的不稳定性,耐磨材料和耐磨设备及耐磨配件显得更加重要。上世纪90年代,原西安霸桥机砖厂引进德国筛式捏和机、机出机等设备,易损配件每年从德国购买后换一次就能满足年产4000万块标砖生产要求,而当时国内的配件一般寿命基本在600万块左右,甚止更低。近几年现瓦机械耐磨配件得到长足发展,耐磨性能和配件寿命取得了较大突破。临沂飞吴铸钢开发研制的超高铬耐磨螺旋绞刀含铬、钒、钼、镍等合金元素,其耐磨性能是普通铸钢的十多倍,其绞刀采用真空实型铸造技术一次加工而成,硬度高,耐磨性好。河北南宫加工的高强度碳化钨硬质合金代替传统白铁皮、钢带锯片或不锈钢片制做机口,一次可满足生产8000万块标砖的要求。陶瓷或陶瓷复合搅拌刀,其使用寿命更长。利用陶瓷氧化锆生产多孔砖芯头,不但具有较高的硬度,而且韧性是普通陶瓷的三倍,其材料价格仅为合金的1∕4。
众所周知,更换砖瓦易损配件是一件费工费时的事,如果配件不耐磨而频繁更换,不仅影响正常生产,而且直接影响产量和产品质量。有些易损件如不能及时供应,会给企业造成直接经济损失。一个日产30万块标砖的生产线,每块砖售价0.35元,成本按0.2元计算,每天就损失了4.5万元,一周就是31.5万元,足以说明易损配件耐磨使用寿命的重要性。
5.4.7、重视维修保养:设备正常操作与定时的维修保养都十分重要,但不少厂家往往忽视了这一方面。一般情况下,设备供应商会提供维修保养资料,调试时会培训建设方操作人员,这里要强调三点:一是所有设备润滑系统始终要保持油润滑的工作状态,如减速机及各种轴承等,不要出现无油干磨、卡轴现象。二是停电、停水或设备故障等原因无法生产时,要注意设备清理保养,如果2小时内短期停产,注意挤出机上机和成型前搅拌机内原料表面的干化,最好用简单方法铺盖保湿,开机后会顺利挤出。如果长时间停产,最好把暴露在设备内的原理清理掉,机口应用塑料包扎严实,开机后也会很快正常生产。三是要备用充足的备品备件,特别是寿命短的易损件,定时更换,以免耽误维修保养和正常生产。除此之外,在设备维修保养方面应加强人员培训和管理职责及奖励政策的落实。双鸭山煤矸石空心砖生产线推行操作人员就是维修保养人员,设备运转正常率很高,个人操作,下班停产保养,不把故障留到下一班,这种保养维修管理模式也值得借鉴。
5.4.8、重视防腐环节:砖厂一次码烧生产线建设,怱视了设备和金属管道及外露金属件防腐问题。甘肃某厂混合料中SO2含量在1%~4%之间,由于水蒸气和硫气体发生反应,造成2台风机和金属管道一年内腐蚀报废。还有某厂混合料中SO2含量在2.15%~3.96%之间,也是由于水蒸气和硫气体发生反应,造成余热锅炉和金属管道使用一年多腐蚀渗漏而报废,企业付出了惨重代价。所以,我们的企业不能因为选择防腐设备、构件和管道或防腐处理造价高就放弃这一环节,特别是接融和输送高湿的有害硫气体,更应该重视防腐问题。常规做法是:首先是运行中设备和管道金属表面应根据生产过程中产生有害气体的品种和温度,对应的喷涂不同性能的防腐涂料。再就是尽可能选用防腐的其它形式,例如防腐金属材料、防腐非金属材料。由于防腐金属管道制品造价较高,就干燥和隧道窑讲,可将总风管道用砖砌筑,降低金属管道使用量,这样做不但避免或减轻了金属腐蚀,造价也会降低。
5.4.9、重视绿色环保:根据国家标准GB∕T33761—2017《绿色产品评价通则》规定的定义:在全生命周期过程中,符合环境保护要求,对生态环境和人体健康无害或危害小、资源能源消耗少、品质高的产品定义为绿色产品。根据绿色产品指标,应遵循生命周期、代表性、适应性、兼容性、绿色高端引领选择原则,砖瓦装备和产品及生产线建没就应向绿色环保方向努力。无论是原料破碎处理设备,还是成型设备及干燥烧成设备,按标准评价指标要求,就应在资源属性、能源属性、环境属性和品质属性等四方面进行真正的绿色环保评价。还有一点,绿色产品必然环保指标达标,不达标必然不是绿色产品。环保达标不一定是绿色产品,而绿色产品应符合四项属性评价要求,也就是说绿色产品要求的更多更广泛。目前行业应加强环保设备的研究开发,特别是除尘、消烟和干燥窑炉的研究设计,为企业环保达标,发展绿色产品提供技术支撑。
环保达标是我们砖瓦行业绿色发展必须迈过的一个坎。党的十八大以来,“生态环境保护发生了历史性、转折性、全局性变化”。我们在提供更多优质砖瓦产品的同时,也需要我们为实现优美生态环境而攻坚克难,咬紧牙关,爬过这个坡,迈过这道坎,才能赢得砖瓦行业创新发展的未来。一句话,要生产,需达标,不达标,必淘汰。近几年,砖瓦行业同仁为环保达标呼吁奔走,实侧分析,激情辩论,敏感问题发声讨论,并积极向有关部门反映,共同的目地为行业好。砖瓦杂志等刊物也结合标准,及时引导跟踪,发表了不少好文章:赵镇魁院长等几位发表了“解读砖瓦工业大气污染物排放标准、”“试论烟气双碱法脱硫”和“污染物排放标准修改单学习心得”等文章,对砖瓦企业精准脱硫净化给出了合理的技术参数,并提出了一些具体做法;姬广庆等三位发表了“砖瓦工业大气污染物检测及对《GB29620—2013》修订建议”,真对不同厂家的14条窑检测结果及环保设备运行情况,分析了造成过氧含量高的原因和实现达标排放的措施;张宏林做为环保设备供应商,发表了“砖瓦企业烟气净化中的问了要求;邵三虎做为环保设备研发制造者,发表了“砖瓦隧道窑烟气内循环促进稳定达标排放的烟气综合治理方案”,在现有烟热分离隧道窑应用情况调查的基础上,实施了烟气内循环设计方案,经运行测试,烟尘颗粒物的工况含量降到3mg∕m³~5mg∕m³,氧含量稳定在18%,折算后颗粒物含量保持在15 mg∕m³~23mg∕m³之间,SO2和氮氧化合物稳定达标,采用了烟气内循环方案后,其环保设备投入降低了约30%。
5.9.10、重视产品质量:除个别企业外,我国砖瓦产品质量不尽人意,与国外先进国家差距在拉大,而不是在缩小。虽然标砖、多孔砖、空心砖和空心砌块有国家标准,甚止强制性国家标准,但执行标准和按标准组织生产的意识不到位。由于投资和用工等问题,我国一次码烧工艺发展的较快,层次也相差甚大,就尺寸偏差,外观质量而言,与我国上世纪80年代都有差距。在市场供应紧张的时,企业质量意识淡泊,追求数量,效益优先,降低煤耗电耗,而忽视了原料处理,不恰当或随意的改变干燥烧成制度,造成质量下降。从产品讲,多孔砖和空心砖及各种烧结砌块又比粘土实心砖取代,墙材革新流于形式,缺乏有力的政策引导和法制及经济扛杆的支持。当然,我们还是呼吁行业,以对事业、对未来负责的精神,做好产品,服务建设,我相信砖瓦质量一定会上台阶,缩小或赶上发达国家的水平。
发展一次码烧工艺,做好原料试验分析,优化工艺流程,择优选择设备,提供最佳设计,坚持绿色发展,严格执行标准,为社会提供先进产品。只要坚持创新,不断探索新技术,新时代的砖瓦工业就一定能迎来健康稳定发展明天。
 
参攷资料
1、 陶瓷墙地砖生产(第一、三章),吴艺苑等编著,中国建筑工业出版社,1983年
2、 怎样烧砖瓦,苏国准等编,中国建筑工业出版社出版,1987年
3、 轮窑隧道窑技术经验集锦第二、三部分,砖瓦杂志社,1992年
4、 烧结砖瓦生产技术,赵镇魁,中国建材工业出版社,2010年
5、 烧结砖瓦生产技术,肖慧,砖瓦杂志社,2011年
6、 国内外烧结墙体材料的现状及技术改造方案,闫开放,砖瓦杂志,1998年
7、 粉煤灰烧结砖生产技术难点分析,闫开放,全国墙材科技信息网网刊,
8、 1999年煤矸石烧结空心砖的原料处理分析,李一超、董振,世界砖瓦,2012年
9、 一次码烧层高问题,张文法,砖瓦杂志,2015年
10、如何用好隧道窑,赵镇魁、周大林、严彦,砖瓦世界杂志,2016年
11、晋中市烧结砖隧道窑企业调研及节能发展分析,李江华,砖瓦杂志,2016年
12、国家标准GB∕T33761—2017《绿色产品评价通则》,2017年5月12日发布
13、砖瓦隧道窑烟气窑内循环促进稳定达标排放的烟气综合治理方案,邵三虎,砖瓦杂志,2017年