当前位置:首页 > 经典文献 > 《砖 家》2020年9月 总第45期 > 正文
被边缘化的气氛与压力制度
文献:《砖 家》2020年9月 总第45期 返回索引
添加日期:2020-10-23 15:28:43   浏览次数:229   文章来源:   作者:

 

制砖窑炉若要烧出好的制品,不光需要好的原料,好的成型,好的窑炉与制砖设备。有了这些先决条件,还需要一个好的热工制度才能最终完成好制品的焙烧。而烧制过程中窑炉内的压力与气氛制度,是完成烧制砖瓦最重要的两项热工制度。

很多老板都会这样认为:我们根本就不懂这些,在生产过程中也从来没有强调过这些,照样也烧出了产品并且供不应求。我们还因为没有使用压力与气氛控制系统而节约了大量的投资,节省了大量的电能和维修成本。我们不觉得有什么不好的!那我只能说:你用一台普通的甚至是濒临报废的车床,也能勉强加工出螺丝钉来。但是用普通车床加工出来的螺丝钉,其外在品相与内在质量,都是无法与精密数控车床加工出来的螺丝钉相提并论的。把它们同时拿到市场上售卖,其价值有着成倍甚至十几倍的差距;同样地,把它们用于实际生产的设备上面,其体现出来的使用寿命与工作效率也是有非常大的区别的。并且普通车床加工出来的螺丝钉只能是低端产品。同样的材料不同精度的车床加工出来的螺丝钉,却卖不出同样的价钱,而且那个普通车床加工出来的螺丝钉永远是那个最便宜的螺丝钉!所以,不要以为凡是窑炉都能烧制出砖瓦,更不要以为同样的原材料就一定能烧制出同等质量与产量的制品!

那么,什么是焙烧中的气氛与压力呢?

     所谓的气氛(或者说气体介质的性质),是指围绕或者通过被焙烧制品周围的炉气的成分及其它物理参数(压力、温度等)。不同的气氛性质,会直接影响制品最终烧成后的强度、密度、吸水率、抗冻融性甚至制品的颜色。烧制青砖瓦时,若想使制品呈现出青灰色,就必须让制品在达到最高烧结温度以后,在保温与冷却到接近常温这段时间内不能有氧气介入,就是说必须让制品置于绝对的全还原气氛状态之下,只有这样才能保证砖瓦形成永久性的青灰色。

      为了保证所有矿物成分在整个焙烧过程中都得到充分合理的理化反应,就必须给组成砖瓦坯体的各矿物组分以不同的、适合其不同性质的燃烧气氛,以确保制品的物理化学反应正常进行。所以,在砖瓦烧制的整个干燥与焙烧过程中,不同阶段就需要有不同的气氛性质。

        窑炉内的气氛 

    窑炉内的气氛性质分为三种:即氧化气氛、中性气氛、还原气氛。这些气氛性质的形成,主要取决于参与燃烧的空气量的充足与否。燃烧时参与的空气量适当时,则形成中性气氛;空气量充足(有过剩的空气量)时,则形成氧化气氛;空气量不足时,就是还原气氛。还原气氛就是窑内燃烧处于缺氧状态,这种缺氧状态下的燃烧会出现升温迟缓、火行速度慢、燃烧强度低。内燃烧砖时,还原气氛下还会出现燃烧不充分的还原性黑心,而且颜色发乌失去红色外表,严重情况下还会在砖表皮出现氧化亚铁米粒状气泡颗粒。

      1  窑炉内的还原气氛

    不同的燃烧气氛,会导致粘土中的铁氧化物变价,使制品最终烧成后会产生各种颜色的制品。使烧成后砖瓦呈现红色外观的内在因素是三氧化二铁;能决定外观颜色的还有另外一个因素,就是焙烧阶段的燃烧气氛在起作用。低温下的三氧化二铁呈稳定的棕红色。而在焙烧温度(比如1000℃)不变、三氧化二铁含量不变的情况下,高温下的三氧化二铁就会失去低温状态下的稳定性而增强活性。这个时候如果窑内的焙烧气氛是还原性气氛,三氧化二铁就会被还原生成四氧化三铁或氧化亚铁,从而导致制品外表变为青黑色或者青蓝色。砖的表皮就会出现前文所说的气泡状米粒析出物。如下图:

 

 

这里由于空气流通通道过于狭窄,不利于空气的穿流,在整个焙烧过程中长期处于严重缺氧状态,就会表现出这样的颜色并出现这种米粒状析出物。

      制砖粘土中要求必须含有适量的铁元素,铁元素不光是熔融粘结剂,有利于砖在不太高的温度下起烧结反应从而生成致密的新晶相,也是砖表泛红必不可少的着色剂。粘土中的铁在还原气氛下,向易熔的亚铁硅酸盐过度,同时还释放出气态化合物。粘土在焙烧过程中的软化温度,也取决于介质的气氛性质。在还原介质中,砖体的荷重变形温度就会降低;在氧化气氛中就会提高。也就是说,还原气氛易使砖体提前软化。加热粘土,使其达到某一粘度值,在还原气氛中所需的加热温度比在氧化气氛中所需温度要低50~100℃。气氛对粘土粘度的影响可解释为:在还原气氛中铁元素的氧化物转化为更加容易熔化的低氧化物,增加了高温液相后粘土物质表面的张力。因为粘度小了,制品在还原气氛中表面收缩就会加大,又因为还原气氛使高价铁变为低价铁,从而降低了粘土制品的软化温度,必然结果就是:还原气氛下的制品更容易在未达到烧成温度以前就会变形断裂甚至报废。如下图:

 

上图这些制品往往会被误认为是高温过烧导致的,其实造成这种废品出现的主要原因,是缺氧燃烧引起的,还原状态下的缺氧燃烧使制品提前进入软化阶段所致,是还原气氛造成的提前软化变形。

    还原气氛使得低活性的三氧化二铁还原成反应能力极强的低氧化铁。二价铁离子在粘土矿物脱水后的基体内迅速扩散,导致其破坏,形成无定型状态,从而创造更早地进行固态反应和生成新晶相的条件。

    所谓的还原气氛,系指过剩氧气量低于1%的气体介质。

    2 窑炉内的氧化气氛

    所谓的氧化气氛,系指含有2%~5%过剩量的氧气。如果是在空气过剩量不超过燃烧的理论需要量1.5%~2%范围内进行,则认为气体介质是中性的。强氧化气氛中过剩氧气量超过理论需要量的10%

    氧化气氛下焙烧出来的制品,窑车上的砖垛上下色泽均匀一致,声音清越,质地致密,节省内燃,黑心量小。所以内燃烧砖,多提倡正压烧成——微正压或者正负压即可。

      窑内的压力

    窑内气流在风机吹或抽的作用力下,被送进窑内或抽出窑外回归大气,这个都好理解。风机的一送一抽,就形成了压力。那么大自然中没有风机的作用力却能刮起各个方向的风。能刮微风,也能刮台风甚至飓风,并且这种自然界的风随着季节的不同很有规律性——冬天北风多,夏天南风多。那么是什么力量使风兴起的呢?

    风就是流动的空气,空气有受热膨胀上升的特性。以夏天为例:到了夏天,太阳越过赤道来到我们北半球的上空,北半球得到太阳直射的机会多了起来,北半球就进入了炎热的夏季。由于天气炎热温度高,空气就会受热膨胀而上升,地面空气上升以后,原来的地方就空了起来,别处的空气就会自动流过来补充这个空间。什么地方的空气会流过来补充这个因空气受热膨胀上升后留下的空挡呢?是环境温度低的低温地区的地面空气!因为那里温度低,空气重而密,重而密就会压力大。空气感觉到哪里比较松散压力小,就会自动流过去轻松一下自己。——这就形成了大气环流。大气环流的道理就是哪里空气密度低,高密度区域的高压空气就流向低密度低压区域去补充那里空气上升后的空挡。空气受热膨胀上升后流向哪里呢?流向高空温度低的地方。大气环流就是受压力的驱使,哪里压力低,就流向哪里。这就是自然界里的风形成的原理。

    通过上面的解释,就很好理解窑车底部风的环流现象了。很多人包括窑炉公司都理解不了烧窑车是什么原因造成的,他们都会认为:一台风机只抽窑内窑车上部的风,窑车上部是大负压,车下是小负压(通过沙封与窑车对接处漏进窑内冷风),这种情况下高温气体根本不会蹿入车底,只会将车底冷风抽到窑车上面砖垛间,高温气体根本不可能下蹿到窑车底部给轮子和道轨造成损害。但是实际情况却是烧毁窑车与道轨已经变成一个极其普遍的现象,很多砖厂因此而造成停火停产损失惨重。如下图:

 

这是报废的窑车和烧毁后来不及补充仍旧还再带病使用的窑车。这种窑车既不会有高的产量也不会有好的产品质量,还会给道轨等窑内设施造成更进一步的损害。

    以上这些图片,就是窑内上下压力失衡、车底负压过大导致炉膛内高温气体窜入车底所致。很多人又认为:哈风口在窑车台面以上,风机抽力对窑车台面以上的作用力肯定大于窑车台面以下部分;即便是窑车裙板和沙封密封不严切,窑车与窑车对接部位漏风,也只会将车底冷风抽到窑车台面以上,窑车台面以上是风机通过哈风口抽力最强劲部位,窑道内的高温气体根本不会从大负压的窑车上部再向下挤入小负压的窑车下部去烧毁窑车与道轨的。

     这种认为表面看是对的。但是却忽略了以下几个因素:窑车上部的坯垛阻力;人为破坏的窑车密封以及不规范制作的窑车的漏风;窑内焙烧段高温区因高温而形成的区域性微正压或者微负压小环境;车底因风机抽力而出现的小区段流动互补。

       1  窑车上部的坯垛阻力。

现实中不规范码坯的现象非常突出,甚至有些码坯机生产厂家都未必弄懂码坯方式;再加上有的业主一味追求高产的心理作用,一些不负责任的码坯机厂家为了卖设备不得不迎合砖厂老板这种畸形心理,这就出现了大多数砖厂都普遍存在的坯垛密码现象。密码的必然结果就是造成了坯垛内部的通风阻力非常大。处于焙烧窑预热带的哈风口,对预热带的抽力是最大的,这个作用力不光对窑车台面以上的坯垛,也通过不严密的砂封与窑车对接部位不严密的缝隙作用于车底。台面上部坯垛越密阻力越大,就会越导致风机抽车底风越多。

      2  人为破坏的窑车密封以及不规范的窑车制作导致的漏风。

这个现象的存在也是极其普遍的。很多老板根本没有意识到窑车的重要性,总认为窑车就是起到个码坯并将坯垛运送到窑里面去烧的作用,车轮会转圈就行,根本没有把窑车放在也是窑炉的一个极其重要的组成部分来考虑。如果窑炉是四面墙组成,那么窑车就是另外一堵墙,而且是最重要的那堵墙。因为这堵墙是始终处于周而复始的移动中,比起其他三面墙的恒温(隧道窑预热、焙烧、保温和冷却四带都是恒定不变的,各带窑墙温度起伏自然也不会太大),窑车由于频繁的出窑进窑的装卸作业,冷热交替频繁,这就带来不停的热胀冷缩。而每次的热胀冷缩,都会给窑车构件带去不同程度的伤害。所以窑车制作不规范,不光其使用寿命短,尤其会给运转中的制品质量带去很大的不利,并且由于它的制作不规范而导致的窑车上下蹿风,其危害性就更大,轻则烧毁窑车本身、重则烧毁道轨造成停产。

 

这张图片暴露的就完全是窑炉设计问题了。窑炉公司根本就没有设计砂封槽。窑炉公司不设计砂封槽的理由是:干燥室温度低,根本不需要砂封。干燥室虽然温度低,但是干燥室尾部有送热风机,进车端顶部有排潮风机。送热风机向干燥室内送风是大正压,没有砂封槽就会导致大量热风顺窑车裙板与窑墙之间的间隙进入车底;干燥室头部顶端的排潮风机又是大抽力将干燥室内潮湿气体抽出排走的,在这种强抽力作用下,没有砂封槽,势必会连带将车底冷风也抽走。这样的结果,不光造成干燥室预热带温度上下分层,从而导致窑车上面的砖垛在干燥过程中顶底上下干燥不均匀,更坏的一面是大量抽入车底冷风,会导致排出去的废气体氧含量增加,从而影响环保达标。

     3   窑内高温段形成的小范围微的正压。

高温段由于远离预热带的风机,又由于坯垛的阻力降低了风机的压力,再加上这里的高温环境导致受热气体在窑内的膨胀上升,就会形成一个小范围的微正压或者微负压环境。这种情况在有利于焙烧的同时,微正压或者微负压气体环境还会因为受到车底大负压的影响,致使窑车上面的热气体蹿入车底。

      4  车底风的小区域流通互补。

由于坯垛阻力、砂封裙板漏风、窑车接头部位的漏风等等因素,就会导致抽烟风机在抽窑车上面风的同时,也会连带抽取车下风。车下风被抽取后,就会形成一个负压区,这个负压区就会吸引其他高压区的风过来补充被抽走后的空间。这部分来补充的风,有从窑头车底过来的,也有从窑中部焙烧区车底过来的,因为焙烧区车底漏下来的是高温风,密度低温度高,在窑头抽力的作用下,补充过来的风量要多于从窑头车底过来的冷风。所以,烧毁窑车和道轨的窑炉都有一个共同的特点:窑头窑尾的窑车下面,都会有呼呼的风被吸进窑的中部。

       以上这些图片说的是负压状态下给窑炉以及其他设备造成的损害。我们看到这种危害是非常惊人的。不加限制的盲目的正压状态照样也会给窑炉带去致命的损毁。如下图:

上面是两张烧塌窑顶的照片。无论是耐火水泥吊顶板,还是耐火纤维棉吊顶模块,它们不光有个工作允许最高温度(工作温度非标牌温度。标牌温度往往高于实际工作温度,所以在实际使用时,工作温度都要采取低于标牌温度的操作),还有个热冲击问题。尤其是正压环境下,高温热冲击对窑顶的损害最强烈。所以操作窑炉,大负压不行,正压过头也不行。最好是微正压,或者正负压。所谓的正负压,就是负压达到焙烧带靠近后部的位置,留一小段距离,两到三排火眼,有微微的正压,在微正压气氛下完成最后的焙烧,在比较大的正压下完成制品的保温,这样的气氛下焙烧出来的制品声音清越颜色均匀;再用大的正压气氛完成制品的冷却降温。

       在压力制度中,预热带最大负压面的位置,最大负压值及零压面的位置对烧成制度有很大的影响。坯垛形式确定之后,预热带的最大负压值就成为窑内通风量大小的表征。当负压小抽力不够时,往往出现上火快,底火慢,后火熄的慢等现象。这时要及时调整排烟总阀门的开度或排烟支闸的开度,改变上述的不良生产状况。

       当负压过大时,则烧成带过剩空气系数增大,则会出现上火弱,上部制品欠火,煤耗增大等弊病。

       窑内的压力制度决定窑内气体流动的情况,它影响窑内热交换、燃烧所需要的空气量及烟气排放量、压力温度分布的均匀性。合理的压力制度是保证窑内温度、火焰性质的重要条件。

       压力制度的形成是由各种气体综合作用的结果:在冷却带有大量的冷空气鼓入窑内,但又有热空气被抽出送往干燥室去干燥砖坯;在烧成带有时还会有外燃的加入以使制品达到最高烧成温度,这个时段就会形成一段正压气氛;在预热带大量废气经排烟风机或者烟囱排出后,使窑内压力低于大气压力而形成负压。在预热带负压区,窑内废气及砖坯蒸发的水分及时被排出窑外,这有利于残余水分的蒸发,但当设备的某些环节密封不够严密时,极易吸入冷空气,造成冷热气体分层现象。

      与窑内压力制度相适应的车下压力制度对窑内热工制度有很大的影响。设计窑炉时千万不可听信窑炉公司的忽悠省却车底风机的设置与焙烧窑窑尾风机的设置。他们打着节省电能与减少投资的幌子做这种简化版的窑炉,会给窑炉、窑车、车底道轨带来无穷的后患!