曾令可 劉平安 陳皇忠 劉 娉 劉霄昱 黃智明

(1 華南理工大學(xué)材料學(xué)院 廣州 510640)(2 廣東熱金寶新材料科技有限公司 廣東 揭陽(yáng) 515500)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，窯具作為一種特殊的耐火材料,已成為陶瓷工業(yè)和耐火材料工業(yè)等行業(yè)必不可少的高溫輔助材料制品。窯具一般分為3大類：第一類是隧道窯、梭式窯等窯車臺(tái)面用輕質(zhì)邊圍磚，此類窯具使用環(huán)境溫度稍低，主要是能承受壓力的載荷且只要能達(dá)到低蓄熱的目的；第二類是立柱、棚板和橫梁等，該類窯具直接與火焰接觸，使用環(huán)境溫度高，棚板、橫梁等部位還需要承受高溫及承重壓力的雙重作用，所以要求其應(yīng)具備一定的高溫抗折強(qiáng)度及良好的抗熱震穩(wěn)定性；第三類是支承燒成中陶瓷坯體的專用窯具，如匣缽、墊板等，此類窯具不一定直接與火焰接觸，僅承受瓷件自身的重力，所以其應(yīng)用環(huán)境要好得多。在這些窯具中，棚板的面積大、厚度薄，是目前窯具用量最大的一部分，無(wú)論是生產(chǎn)還是應(yīng)用，它最具代表性。生產(chǎn)中常用的棚板材料有莫來(lái)石質(zhì)、堇青石質(zhì)、氧化物結(jié)合SiC質(zhì)、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(SiSiC)等。

窯具質(zhì)量與性能的好壞對(duì)燒成陶瓷制品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗、合格率、等級(jí)率、生產(chǎn)成本及整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有舉足輕重的作用，因此提高窯具的材料性能和質(zhì)量，減少窯具的重量、延長(zhǎng)棚板的使用壽命對(duì)燒成優(yōu)質(zhì)陶瓷產(chǎn)品起著重要的作用。

1 創(chuàng)新性框架式窯具結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)隧道窯窯車及窯具結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。為了防止陶瓷制品在燒成中不變形、不倒窯，采用粗大的支柱、厚厚的托板，窯車上的窯具笨重而且根據(jù)燒成制品的不同采用多層堆疊式，窯車在窯內(nèi)高溫?zé)芍羞\(yùn)行，非常容易引起窯車倒塌的嚴(yán)重事故(厚重的窯具材料是燒成制品的幾倍甚至十幾倍)，這也是隧道窯、梳式窯等窯車式窯爐能耗高、燒成窯爐熱效率極低的主要原因。窯具的模塊化及薄型化設(shè)計(jì)，大大地減少輔助材料燒成中的熱損耗，充分發(fā)揮堇青石-莫來(lái)石框架窯具部件與SiSiC柱梁結(jié)構(gòu)部件各自特點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)和精加工安裝制造，根據(jù)燒成瓷種的不同形狀和要求，制備出適用于燒制形狀、類型要求各異的隧道窯、梭式窯窯車專用的框架式窯具、多功能通用框架型窯具，最大特點(diǎn)是裝配式框架式窯具結(jié)構(gòu)緊湊、牢固可靠、節(jié)能降耗、節(jié)省原材料。創(chuàng)新性制備出框架板薄為4～10 mm，節(jié)約原材料一半以上，比傳統(tǒng)窯具節(jié)能率可以提高30%～40%。圖2為先進(jìn)的裝配式框架結(jié)構(gòu)窯具實(shí)物圖；圖3為組裝式窯具材料部分部件圖；圖4為燒成衛(wèi)生潔具碼坯燒成實(shí)物圖；圖5為燒成日用陶瓷碼裝坯實(shí)物圖。

圖1 傳統(tǒng)隧道窯車及窯具實(shí)物圖

圖2 先進(jìn)框架式隧道窯窯車、窯具結(jié)構(gòu)

圖3 組裝式窯具材料部分部件圖

圖4 燒成衛(wèi)生潔具碼坯燒成實(shí)物圖

圖5 燒成日用陶瓷碼裝坯實(shí)物圖

2 窯具對(duì)陶瓷窯爐能耗影響的分析

大多數(shù)陶瓷在燒成中離不開(kāi)窯具，目前國(guó)內(nèi)的建筑陶瓷(如瓷片、外墻磚)、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、工藝美術(shù)陶瓷、電瓷及大多數(shù)特種陶瓷生產(chǎn)多以輥道窯、隧道窯、梭式窯作為燒成設(shè)備，雖然采用柴油或燃?xì)鉃槿剂厦餮媛銦?，能耗相?duì)較低，但窯具相對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量比例仍較大，一般仍需要2倍以上，最多的可達(dá)10倍以上，這樣窯具在燒成過(guò)程的吸熱量遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的吸熱量及產(chǎn)品物化反應(yīng)熱耗之和。窯具在燒成過(guò)程中需消耗大量的熱量，合理選用窯具材料及窯具結(jié)構(gòu)是降低產(chǎn)品燒成能耗的重要途徑，也是陶瓷燒成中節(jié)能的關(guān)鍵之一。

由窯爐熱平衡熱效率測(cè)試及計(jì)算方法可知，通過(guò)對(duì)陶瓷窯爐的熱工測(cè)試及熱平衡、熱效率計(jì)算，可以分析出影響窯具能耗的因素。

2.1 測(cè)試方法

以衛(wèi)生陶瓷燃?xì)馑淼栏G為代表，計(jì)量周期為連續(xù)12 h(或24 h)，為縮小窯爐性能差異的影響，對(duì)同一組類型產(chǎn)品選擇同一窯爐公司安裝的窯爐，測(cè)量并計(jì)算產(chǎn)品總質(zhì)量；測(cè)量并統(tǒng)計(jì)窯具總質(zhì)量；計(jì)量燃?xì)庀目偭?，根?jù)所測(cè)出的產(chǎn)品質(zhì)量、窯具質(zhì)量、液化石油氣(或燃?xì)饬髁?總量，可以計(jì)算出產(chǎn)品燃耗及“產(chǎn)品+窯具”的燃耗：

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)窯具質(zhì)量與產(chǎn)品質(zhì)量之比由1.08/1.00增至5.41/1.00時(shí)，其單位產(chǎn)品能耗由0.112 2 kgLPG/kg瓷增至0.493 6 kgLPG/kg瓷，增加了4.4倍，即隨著窯具與產(chǎn)品質(zhì)量之比的增加而能耗成幾倍的增加，可見(jiàn)窯具質(zhì)量在窯車式窯爐中對(duì)能耗大小影響的重要性。

2.3 窯具及陶瓷產(chǎn)品燒成中的能耗分析

以陶瓷隧道窯為例，分析窯具對(duì)單位陶瓷產(chǎn)品能耗的影響。

2.3.1 隧道窯有效熱

由隧道窯有效熱計(jì)算可知，對(duì)于含窯具材料在內(nèi)的隧道窯有效熱為：

Qxy=Qq+Qh+Qg+Qx+Qjg

式中： Qxy——窯爐有效熱;

Qq——坯體水分蒸發(fā)并加熱至離窯的熱耗;

Qh——產(chǎn)品燒成中物化反應(yīng)熱耗;

Qg——產(chǎn)品加熱至燒成溫度的升溫?zé)岷?

Qx——產(chǎn)品燒結(jié)時(shí)玻璃相熱耗;

Qjg——窯具加熱至產(chǎn)品燒成溫度時(shí)的升溫?zé)岷摹?/p>

式中Qq、Qh、Qx相對(duì)于Qg和Qjg所占比例一般較小，由于窯具質(zhì)量要比產(chǎn)品質(zhì)量大得多，所以Qjg比Qg要大得多。對(duì)于衛(wèi)生(或日用)陶瓷而言，根據(jù)陶瓷隧道窯熱平衡測(cè)試可知，各項(xiàng)相對(duì)于Qxy的比例：Qq+ Qh+ Qx約占15%，Qg約占 25%，Qjg約占60%，窯具在產(chǎn)品燒成過(guò)程中消耗了大量的有效熱，這是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)使用的窯具質(zhì)量都為其產(chǎn)品質(zhì)量的2倍以上，有的甚至高達(dá)10倍，而窯具比熱與陶瓷產(chǎn)品相當(dāng)，由此可見(jiàn)，窯具在升溫過(guò)程中需要吸收大量的熱量，占用了大部分的有效熱，因此合理選用窯具、減少窯具質(zhì)量，對(duì)降低產(chǎn)品燒成能耗意義重大。

2.3.2 窯具對(duì)隧道窯產(chǎn)量與單位產(chǎn)品燒成能耗的影響

從上述含窯具有效熱計(jì)算可以看出，窯具所消耗的有效熱可達(dá)60%左右，所以在升溫過(guò)程中窯具需吸收大量的熱量，吸熱量增加，在一定程度上降低了升溫速度，對(duì)于隧道窯而言必須降低推車速度，因而也降低了單位時(shí)間的產(chǎn)量。在窯具質(zhì)量增加的同時(shí)，隧道窯窯腔裝載的密度也增大，從而使預(yù)熱帶的氣流阻力也增大，為滿足排煙及分解物排出，需加大排煙力度，這樣，造成窯內(nèi)負(fù)壓增大，預(yù)熱帶漏風(fēng)量增加，由于下層冷風(fēng)的進(jìn)入，增加了預(yù)熱帶的溫度分層，為確保下層產(chǎn)品有充分的氧化分解時(shí)間，必須降低推車速度，因而窯爐的單位時(shí)間產(chǎn)量也隨之降低。

在冷卻帶中，由于窯具的質(zhì)量大，蓄熱量也增加，則帶進(jìn)冷卻帶的熱量增加，從而加大了冷卻帶負(fù)擔(dān)，為使熱量充分排出使已燒成的制品冷卻，需延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，以降低冷卻速度，即降低推車速度，迫使窯爐產(chǎn)量減少。從上述分析可知，窯具/產(chǎn)品質(zhì)量比的增加將大大降低產(chǎn)量，從而大大地增加單位產(chǎn)品的能耗。

3.2.3 窯具及燒成時(shí)間對(duì)熱分配比例的影響

由陶瓷燒成過(guò)程中的加熱、冷卻過(guò)程可以看出，窯具質(zhì)量增加，產(chǎn)量減少，而在此過(guò)程中窯體的表面散熱量并沒(méi)有減少，且排煙的煙氣帶出的顯熱卻會(huì)增加，具體表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，由于窯具的吸熱量增加，導(dǎo)致燃料的消耗量增加，故燃料燃燒的干煙氣量增加；另一方面，當(dāng)排煙阻力增加時(shí)，為滿足燒成帶的煙氣排出需加大排煙的引風(fēng)力度，即增加了窯內(nèi)負(fù)壓，從而增加了預(yù)熱帶的漏風(fēng)量，漏入的空氣受加熱后隨煙氣排出而增加煙氣帶出的顯熱。目前，在大多數(shù)陶瓷隧道窯中，煙氣顯熱、窯體表面散熱占燒成總熱支出的一大部分，而減小窯具質(zhì)量可縮短燒成時(shí)間，從而達(dá)到降低單位產(chǎn)品燒成能耗的目的。

綜上所述，選擇優(yōu)質(zhì)、輕型窯具是降低陶瓷單位產(chǎn)品燒成能耗的重要途徑，也是降低陶瓷產(chǎn)品綜合能耗的有效措施。

3 窯具輕質(zhì)化的關(guān)鍵

為了達(dá)到節(jié)能的目的，在窯爐性能和產(chǎn)品未改變的情況下，合理選用窯具材料至關(guān)重要。只有選用理想窯具材料并減輕窯具質(zhì)量，才能達(dá)到節(jié)能的目的。

3.1 莫來(lái)石-堇青石質(zhì)棚板

棚板作為支撐燒成中瓷件的專用窯具，是陶瓷工業(yè)中一種重要的輔助材料，傳統(tǒng)材質(zhì)多為抗熱震性好、高溫性能優(yōu)良的堇青石-莫來(lái)石復(fù)合材料，且國(guó)家在“八五”攻關(guān)科研科項(xiàng)目中提出了堇青石-莫來(lái)石棚板的研制。

早在20世紀(jì)90年代初，華南理工大學(xué)與佛山羅村某窯具企業(yè)合作，進(jìn)行堇青石質(zhì)窯具的系統(tǒng)性研究與產(chǎn)業(yè)化，配方優(yōu)化和摻雜改性，研究了堇青石骨料與莫來(lái)石結(jié)合劑的比例、堇青石骨料的粒度分布、結(jié)合劑中摻入紅柱石、骨料中摻入SiC、鈦酸鋁、 根據(jù)總量按比例摻入莫來(lái)石纖維、及成形壓力大小對(duì)堇青石質(zhì)窯具材料內(nèi)部顆粒結(jié)合情況、晶相相變情況、微裂紋網(wǎng)絡(luò)形成程度等微觀結(jié)構(gòu)，及窯具強(qiáng)度、抗熱震性等宏觀性能的影響。最終得出了一個(gè)較佳的窯具配方，并確定了其主要生產(chǎn)工藝參數(shù)：

1)堇青石作為骨料可以有效地降低窯具的熱膨脹系數(shù)，減少因溫差引起的熱應(yīng)力。通過(guò)調(diào)節(jié)堇青石骨料中顆粒級(jí)配可以明顯提高窯具的強(qiáng)度。

2)在窯具中摻入紅柱石細(xì)粉，有利于其莫來(lái)石化，生成針狀或柱狀莫來(lái)石纖維， 起到纖維增韌作用，既提高了堇青石質(zhì)窯具材料的斷裂表面能，又改善窯具的強(qiáng)度和抗熱震性，其生產(chǎn)實(shí)用性比直接摻入莫來(lái)石纖維好。

3)在窯具中摻入SiC用于提高其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)控制其粒度和摻入量以防止被氧化后生成過(guò)量的石英玻璃相，破壞材料的微觀結(jié)構(gòu)。在窯具中摻入鈦酸鋁以降低其熱膨脹系數(shù)時(shí)，堇青石中的Mg2+和莫來(lái)石的存在可以有效地阻止鈦酸鋁的分解， 促進(jìn)金紅石和剛玉轉(zhuǎn)變成鈦酸鋁，達(dá)到提高窯具抗熱震性的目的。但同時(shí)堇青石中Mg2+易與鈦酸鋁形成固熔體，破壞了堇青石骨料的強(qiáng)度，且易引起燒成過(guò)程中試樣變形。

4)當(dāng)窯具的配方和燒成溫度確定后，成形壓力是決定窯具微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵因素，從綜合效果來(lái)看，堇青石質(zhì)窯具成形壓力以46～60 MPa為佳。

目前，國(guó)產(chǎn)堇青石-莫來(lái)石窯具制品的生產(chǎn)較為成熟，方斌祥等從理論上對(duì)堇青石-莫來(lái)石的配比及條件進(jìn)行了分析，按m(堇青石)∶m(莫來(lái)石)=45∶30配料，且在1 350 ℃/3 h條件下合成的棚板材料主要晶相為堇青石和莫來(lái)石，其顯微結(jié)構(gòu)均勻，晶間生成大量的原位堇青石和莫來(lái)石晶粒，骨料之間的“聯(lián)接橋”發(fā)育良好，其各項(xiàng)性能指標(biāo)最優(yōu)，具有較高的抗折強(qiáng)度。陳冀渝在此過(guò)程中進(jìn)行了一些改進(jìn)，得到了耐用壽命更高的堇青石棚板。從化學(xué)組成來(lái)看，田惠英等討論并研制了材料的成分對(duì)堇青石-莫來(lái)石棚板物理力學(xué)性能的影響，制品的氣孔率與孔結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度、抗熱震穩(wěn)定性的影響，結(jié)合我國(guó)原料的實(shí)際情況提出了根據(jù)原料的純度(即低熔性雜質(zhì)成分Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O的含量)來(lái)確定棚板的化學(xué)組成范圍：Al2O3:40%～41%;SiO2:50%～51%;MgO:6%～7%;Fe2O3,TiO2,K2O,Na2O含量:<2.7%。俞秋玉等為了解決外購(gòu)堇青石-莫來(lái)石棚板價(jià)格高的問(wèn)題，利用鎂質(zhì)粘土和高嶺土原料人工合成堇青石，再與其它原料配合制成的堇青石棚板，取代了高價(jià)外購(gòu)的堇青石棚板，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此在配方系統(tǒng)、燒成技術(shù)、工藝路線及工業(yè)應(yīng)用效果及性價(jià)比等莫來(lái)石-莫青石棚板方面對(duì)于陶瓷行業(yè)來(lái)說(shuō)都是比較成熟且普遍應(yīng)用的一種耐火材料。

3.2 剛玉-莫來(lái)石棚板

隨著功能陶瓷如軟磁(鐵氧體)材料和電子絕緣陶瓷的發(fā)展，傳統(tǒng)堇青石-莫來(lái)石棚板的發(fā)展受到一定的局限，而剛玉-莫來(lái)石棚板得到廣泛應(yīng)用，該棚板具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗熱震性和較高的使用溫度(1 700 ℃)，且化學(xué)穩(wěn)定性良好，不易與所承燒的產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)，但是由于高溫棚板在高溫(一般>1 600 ℃)下承載量較大，同時(shí)承受較大的剪切應(yīng)力，棚板易發(fā)生高溫彎曲蠕變。周會(huì)俊等采用板狀剛玉、電熔白剛玉、電熔莫來(lái)石、Al2O3微粉和硅灰為主要原料，采用大噸位液壓成形、超高溫?zé)?，研制出具有?yōu)良高溫強(qiáng)度、抗熱震性和極低高溫蠕變變形的剛玉-莫來(lái)石高溫棚板。將該棚板應(yīng)用在1 650 ℃以上的高溫梭式窯爐上，能夠滿足長(zhǎng)期高溫高荷重的使用要求，可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品。

3.3 SiSiC材料

SiSiC材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕及良好的抗氧化、抗熱震等性能，是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷和窯具產(chǎn)品之一。廣東固特耐科技新材料有限公司生產(chǎn)的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的長(zhǎng)期性能與重結(jié)晶碳化硅和氮化硅結(jié)合碳化硅相比更加突出，其抗彎強(qiáng)度是重結(jié)晶碳化硅的兩倍多，比氮化硅結(jié)合碳化硅高約50%，其中NBSiC與ReSiC分別為氮化硅結(jié)合碳化硅與重結(jié)晶碳化硅(見(jiàn)圖6)。

等靜壓成形的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(SiSiC)的密度為≥3.08 g/cm3,氣孔率<0.1%，高溫(1 200 ℃下)抗彎強(qiáng)度達(dá)280 MPa，板做得很薄，梁、柱做得很細(xì)，高溫中強(qiáng)度也很高，這就是框架式窯具輕型化的關(guān)鍵。

當(dāng)前絕大多數(shù)使用的窯具是燒結(jié)碳化硅柵板，其厚度為12 mm，用耐火支柱支撐于柵板平面的邊緣，支點(diǎn)跨度大，燒結(jié)碳化硅的高溫抗折強(qiáng)度為56 MPa。理論上，如果選用的材料抗折強(qiáng)度提高至4倍，則柵板厚度可降低至0.5倍，因抗折強(qiáng)度與材料厚度的平方成正比；如支點(diǎn)跨度降低至0.5倍，則柵板的承重能力可提高4倍，因梁的承載能力與支點(diǎn)距離的平方成反比。所以，對(duì)新型窯具材料的選用及支撐方法要不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(a)四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度值比較 (b)抗氧化性

圖6反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(SiSiC)與NBSiC、ReSiC性能比較

4 節(jié)能窯具的設(shè)計(jì)

4.1 窯具材料的選用

綜合考慮各方面因素，窯具材料采用工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、性價(jià)比良好的莫來(lái)石-堇青石材料及反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料，特別是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅，它具有顯氣孔率低、密度大、抗氧化性強(qiáng)、強(qiáng)度大，抗彎強(qiáng)度大(其高達(dá)280 MPa，是普通燒結(jié)碳化硅抗折強(qiáng)度的5倍)等優(yōu)點(diǎn)。由于強(qiáng)度的提高有利于減少柵板的厚度，常用的燒結(jié)碳化硅厚度為12 mm。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中一般選用5 mm的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅即可。

4.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

窯具支撐結(jié)構(gòu)采用柵架式進(jìn)行設(shè)計(jì)，窯具支撐柵架式結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 窯具支撐柵架式結(jié)構(gòu)圖

立柱垂直固定在窯車上，立柱為外寬50 mm×30 mm，壁厚為5 mm，有的還在寬度為50 mm左右的兩個(gè)側(cè)面各開(kāi)有兩排直徑為15 mm孔(見(jiàn)圖3及圖8)，孔中心距為25 mm，兩排錯(cuò)開(kāi)，即前后排孔中心距為12.5 mm，支承管按產(chǎn)品裝載的高度確定管的中心高，并橫穿在立柱上，有的還可以用陶瓷螺栓緊固，使整個(gè)框架形成整體結(jié)構(gòu)，大大地增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的牢靠性。支承管長(zhǎng)度為550～700 mm，外徑為13 mm，壁厚為3.5 mm，托板架在支承管上，供擺放產(chǎn)品用，托板的長(zhǎng)度為450～550 mm，視窯車設(shè)計(jì)而定，托板的寬視陶瓷坯體的大小和形狀而定，要略大于坯體底部寬度，讓整個(gè)坯體底部能全部放在同一片托板上，但寬度不小于50 mm，托板厚度為5 mm，托板在支承管上的中心距離等于或略大于產(chǎn)品坯體的最大直徑(寬度)。為了讓托板處于最佳的受力狀態(tài)，一方面設(shè)計(jì)了支承管的中心距離在托板長(zhǎng)度的55%～60%(見(jiàn)圖8)，以縮短支撐距離，對(duì)比目前燒結(jié)碳化硅柵板支承在板的端點(diǎn)上，受力距離大為縮短。另一方面，由于托板是架在兩條支承管上，以兩條線支承托板，實(shí)現(xiàn)了均勻受力，對(duì)比目前燒結(jié)碳化硅柵板用點(diǎn)的支撐，是集中受力，條件有著明顯的改善。

圖8 立柱兩個(gè)側(cè)面各開(kāi)有兩排孔示意圖

4.3 窯具質(zhì)量及產(chǎn)品/窯具質(zhì)量比

在框架式節(jié)能窯具設(shè)計(jì)中，一方面改善了托板的受力條件；另一方面選用高強(qiáng)度的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料，不僅能夠減薄減輕了窯具的質(zhì)量，在同等產(chǎn)品裝載的情況下，托板的面積大大縮小，而托板的承重能力反而增強(qiáng)。據(jù)各種材料結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)、寬、厚度等尺寸核算，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅密度為3.05 g/cm3，則每層窯具的質(zhì)量為：合計(jì)窯具=立柱+支承管+托板=2 385 g。

每片托板能托燒的產(chǎn)品質(zhì)量為2 070 g/層產(chǎn)品，節(jié)能窯具與產(chǎn)品的質(zhì)量比為：窯具質(zhì)量∶產(chǎn)品質(zhì)量=1.15∶1.00，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)窯具中窯具與產(chǎn)品的質(zhì)量比。

4.4 窯具節(jié)能對(duì)比分析

前面所述的傳統(tǒng)窯車托燒方法的窯具質(zhì)量∶產(chǎn)品質(zhì)量=4.18∶1.00，而框架式節(jié)能窯具的窯具質(zhì)量∶產(chǎn)品質(zhì)量=1.15∶1.00。同樣1個(gè)單位質(zhì)量的產(chǎn)品，常規(guī)的托燒窯具質(zhì)量是節(jié)能窯具質(zhì)量的3.6倍，節(jié)能窯具與產(chǎn)品的質(zhì)量和是常規(guī)窯具與產(chǎn)品的質(zhì)量和的41.5%，減少了58.5%的質(zhì)量。由于高溫時(shí)碳化硅的比熱容為0.962+1.46×10-4t kJ/(kg·℃)，與陶瓷產(chǎn)品的比熱容為0.836+2.6×10-4t kJ/(kg·℃)相近。所以，當(dāng)加熱到產(chǎn)品燒成溫度時(shí)，在同等質(zhì)量下，窯具吸收的熱量與產(chǎn)品吸收的熱量相近。以隧道窯為例，按常規(guī)托燒方法計(jì)算，窯具及產(chǎn)品加熱到燒成溫度時(shí)，兩項(xiàng)熱耗相加約占總熱耗的60%，若裝載產(chǎn)品相同，采用節(jié)能窯具后，窯具及產(chǎn)品相加的質(zhì)量減少了58.5%，則節(jié)省的熱耗=60%×58.5%=35%。所以，采用節(jié)能窯具后，可實(shí)現(xiàn)窯具節(jié)能達(dá)35%。

潮州市某衛(wèi)生陶瓷廠的一座長(zhǎng)90 m、寬2.2 m、高1.1 m的隧道窯，燒成產(chǎn)品為800 mm×500 mm的洗手盆，改造前產(chǎn)能為49臺(tái)車/d×35件/臺(tái)=1 725件，消耗天然氣3 000 m3，則每件洗手盆消耗天然氣1.75 m3，利用框架式組合窯具改造后產(chǎn)能為68臺(tái)車/d×42件/臺(tái)車=2 856件，天然氣消耗量為3 200 m3，則每件洗手盆天然氣消耗量為1.12 m3，改造后每1件產(chǎn)品節(jié)約天然氣量為1.75-1.12=0.63 m3，而產(chǎn)量則提高了2 856-1 725=1 131件/d?？梢?jiàn)改造后節(jié)約能耗為36%，增加產(chǎn)量達(dá)66%，每臺(tái)車裝載量增加20%，每天裝車燒成的臺(tái)車數(shù)增加39%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均非常顯著。

珠海市斗門區(qū)旭日陶瓷有限公司燒制外墻磚所使用的是莫來(lái)石-堇青石墊板，墊板的厚度原來(lái)為10～12 mm，該企業(yè)創(chuàng)新性地從墊板的結(jié)構(gòu)及厚度等方面進(jìn)行攺造，把承燒瓷片的莫來(lái)石-董青石墊板的厚度由10.5～13.0 mm降至7.3 mm(基至6.7 mm)每塊質(zhì)量由4.8 kg多降至2.3 kg以下，節(jié)能達(dá)到18.7%以上。

5 特色和創(chuàng)新

1)多功能通用性框架型窯具。將堇青石-莫來(lái)石框架窯具部件與SiSiC柱梁結(jié)構(gòu)窯具部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)和加工制造，并根據(jù)燒成瓷種的不同形狀和要求，制造出適用于燒制形狀、類型要求各異的窯車用的框架式窯具。

2)節(jié)能降耗、節(jié)省原材料。將堇青石-莫來(lái)石框架窯具部件與SiSiC柱梁結(jié)構(gòu)窯具部件通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、組裝、制備架構(gòu)得到的組合框架窯具框架板厚度為4～10 m，比傳統(tǒng)窯具節(jié)能率可以提高30%以上。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用節(jié)能型框架式窯具材料結(jié)構(gòu)牢固、使用安全、節(jié)能效果明顯，是改造窯車式裝載結(jié)構(gòu)，減少陶瓷燒成熱耗，提高燒成設(shè)備熱效率的有效途徑。

1 曾令可,任雪譚,賀海洋,等.堇青石質(zhì)窯具的配方優(yōu)化.陶瓷學(xué)報(bào),2000,21(4):195～201

2 曾令可,任雪譚,賀海洋,等.摻入紅柱石對(duì)堇青石窯具性能的影響.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(6):60～63

3 賀海洋,曾令可.莫來(lái)石-堇青石窯具的現(xiàn)狀與發(fā)展前景.耐火材料,1999,33(2):107～109

4 賀海洋,曾令可.莫來(lái)石-堇青石窯具的工藝特性及應(yīng)用前景.中國(guó)陶瓷工業(yè),1999,6(1):12～15

5 郭俊平.日用陶瓷節(jié)能窯具的研究.佛山陶瓷,2015,25(1)：29～31