曹俊倡 杨显锋 栾婷

摘 要：本文介绍了高温梭式倒焰窑炉的结构组成，重点对窑具种类和使用方式及温控制度进行了分析总结，并结合石英制品的烧结对窑炉的烧结过程进行了分析。

关键词：梭式倒焰窑;窑具;温控制度;石英陶瓷

1 前 言

无机陶瓷材料近些年来发展较为迅速，在结构材料和功能材料领域应用越来越广泛。陶瓷产品的烧成是陶瓷材料制备过程中重要的一个环节，它是产品性能最终形成的关键工艺单元。陶瓷烧结设备主要有以电炉、梭式窑[1]、钟罩窑等为代表的间歇式烧成设备和隧道窑、推板窑的连续式窑炉[2]。梭式倒焰窑是间歇式窑炉的一种，它采用高速喷射式烧嘴和倒焰旋风式排烟结构，升降温控温精确，热循环过程窑炉内部温场均匀，并具有建造周期短、操作简便、投入相对较少，可采用小批次、易调节、周转快等特点，在小批次材料烧结方面具有其它窑炉不可比拟的优势。

本文对高温梭式倒焰窑的结构组成，窑具和温控制度进行了重点介绍，并结合石英制品的烧成特点对梭式窑的烧结过程进一步进行了说明。

2高温梭式倒焰窑的原理与结构

高温梭式倒焰是下排烟窑炉的一种，采用程序对窑炉温度等各项参数进行控制以实现烧结。

2.1高温梭式倒焰窑的原理

窑炉采用高速喷射脉冲式火嘴，根据程序设定温度、窑压等参数控制燃气和助燃风按照比例燃烧形成脉冲气流，各层烧嘴通过设置喷射周期和喷射时间，形成沿窑墙环向高温气流。气流沿窑墙环向流动通过对流传热方式增加烧结制品四周受热均匀性;窑炉底部设置排烟口，排烟风机通过抽负压控制高温气体流动，气流自窑炉窑墙四周经窑炉顶部至下部形成倒排烟环形气体，窑体内部上下空气产生对流，保证窑体内部上下温场分布的均匀。在1200℃左右的烧结过程中，传热方式以对流传热为主，热辐射传热为辅，环形气流的形成大大提高了窑体内部均匀性[3]。相较于其它侧排烟等其它模式窑炉，梭式倒焰窑炉在热循环方面设计更为合理，控制窑温均匀方面具有非常大的优势。

2.2窑炉结构组成

高温梭式倒焰窯主要包括窑体，燃烧系统，排烟系统，放散系统和调温风系统等。

窑体自内到外一般为耐火棉，耐火砖，保温板及最外侧的金属框架结构。耐火棉多为莫来石、氧化锆等耐火棉，除了具有保温之外，它能够很大程度提高窑炉整体的耐温度冲击性，最大程度的保护耐火砖，防止因热冲击开裂。耐火砖一般采用轻质莫来石耐火砖。在高温1600℃以上窑炉一般采用空心氧化铝球耐火砖作为内层耐火材料，提高耐火性。

燃烧系统包括燃气系统和助燃风系统。燃气系统包括燃气管道，过滤器，减压阀，流量计，比例阀，电磁阀等组成。工业气路管道压力一般为0.1MPa左右，通过过滤器除去气体中铁锈等杂质，并经减压阀减压至10kPa以下后进入窑炉使用。比例阀是燃烧系统中最关键的部分，它控制火嘴燃气和助燃风的比例，是窑炉燃烧升温和窑炉氧化还原气氛的关键。

助燃风系统由助燃风机，风管，电磁阀等构成。助燃风管与燃气管道共同连接烧嘴，比例阀控制二者比例，并与反馈管连接，调整二者开度，控制燃烧。在氧化物的烧结过程中，助燃风比例要偏多一些，以实现燃气的充分燃烧，保证氧化气氛。

窑炉控制系统控制过程根据窑温、窑压等系统采集参数，控制窑炉上下层窑炉烧嘴交替脉冲时间、周期及火嘴开度，在窑炉窑墙内侧、烧制产品外围形成旋转气流;通过抽风机使燃烧气流自窑炉上端至下端形成倒焰，增加对流传热，保证窑温均匀，提高制品烧结的一致性。

3窑具的分类及排列方式

窑具是耐火材料的一种，是陶瓷产品烧结过程中的承载介质，根据烧结温度和烧结材质等，窑具主要分为碳化硅类和莫来石类窑具。碳化硅类窑具机械强度高，抗热性能优异，但是化学性能稳定性略差。莫来石质窑具化学组分比较稳定，强度尤其是高温荷重较大时易蠕变变形[4]。

3.1碳化硅窑具

碳化硅类窑具是目前窑具中应用最广，最普遍的一种窑具。国内高档窑具的大规模发展是从上世纪90年代中旬，从德国FCT引进整套生产线和设备开始[5，6]，其中反应烧结和重结晶碳化硅产品已经非常成熟。现有窑具基本上分为普通氧化结合碳化硅材质、反应烧结碳化硅材质[7]、氮化硅结合碳化硅[8]和重结晶碳化硅材质[9]和α碳化硅结合碳化硅等类型[10]。

普通氧化物结合碳化硅应用环境温度一般在1400℃以下，这主要是普通碳化硅产品中含有加入大量的碱土金属类和二氧化硅等助烧剂，碳化硅含量在85%左右，在1200-1400℃进行烧结而成，烧结过程中材料会产生一定液相，抗热震性能偏差，材质之间差异比较大，耐温比较有限，使用过程中存在不稳定、易开裂现象。

反应烧结碳化硅（RS-SiC）是由α-碳化硅与碳源材料（炭黑、石墨等）混合并在高温下渗硅反应产生部分β-碳化硅，β-碳化硅在2100℃以下非常稳定。同时，渗入的游离单质硅填充气孔，形成高密度材质[11，12]。因材料含有近10-15%单质硅，材料在温度高于1380℃下会产生游离硅，材质耐温一般不超过1380℃。在高温使用过程中，游离硅析出与氧气反应在窑具表面形成一层致密的二氧化硅保护膜，起到隔绝氧气的作用，在一定程度上可以阻止窑具被氧化，延长窑具使用寿命。

重结晶碳化硅（R-SiC）材料通过2000℃以上高温氩气保护下使碳化硅颗粒重结晶形成共价键结合，弯曲强度在100MPa左右，耐高温性能较好。

氮化硅结合碳化硅（N-SiC）材质最高使用温度在1650℃至1750℃，采用碳化硅骨料与硅粉在氮气气氛下烧结而成，碳氮化硅硅含量25%-30%，通过Si3N4和SiC形成共价键结合而成。硬度非常高，抗折强度达到50MPa左右，可作为烧结承重棚板。

常压烧结碳化硅（S-SiC）是近几年快速发展的一种新窑具，通过加入亚微米α-碳化硅颗粒无压高温烧结而成，产品基本没有气孔等微观缺陷，强度和耐温性非常好。

各种碳化硅窑具体性能见表1。

碳化硅材质窑具种类不同，性能不同，价格差异非常大，目前RS-SiC和S-SiC市场价格差距将近10倍，在选择窑具时应该在满足工况条下尽量选择性价比高一些的窑具。

3.2莫来石窑具

莫来石窑具主要是指以莫来石为基本材质制备，材料化学组分非常稳定，热性能较好，材料强度偏差，常温抗折强度在20MPa左右[13]。通过结合堇青石[14]、刚玉[15]等其它材料在热性能和耐高温强度[16]上进行一定的改进。可以作为匣体材料、承烧棚板或者坩埚式窑具使用，在烧成锂电池用匣体材料[17]、石英陶瓷烧结、电瓷产品烧结等领域有着较为广泛的应用，高档的莫来石窑具近些年已经作为高档电子陶瓷元件烧结承烧板使用。

3.3窑具的搭建方式

现有窑具根据窑具的码放方式分为两种，框架式和块状码放堆叠式。

框架式采用立柱在窑车上固定、与横梁互相穿插连接，形成较为稳定的框架结构。承烧棚板根据需要铺设在横梁上，为待烧陶瓷件载体。

框架式窑具立柱采用深埋窑车或者在窑车表面利用套件进行固定，横梁穿插在碳化硅立柱预留孔中，使用非常简便。窑具一次性安装完成后，除了更换损坏部件之外基本上不需要进行其它拆装。此类窑具相较于码放堆叠式窑具，装填空间要更大，可以增加窑炉烧结制品的填充量;省去了拆装窑具时间，出装窑效率更高。框架式窑具因立柱之间跨距较大，所以对窑具立柱和横梁材质多选择、耐温较好、强度高的反应烧结碳化硅、重结晶碳化硅或常压烧结碳化硅等碳化硅类作为首选材质。在设计窑具过程中，窑具前期承重受力计算、窑具尺寸和厚度都有较高要求，一般设计余量都在50%以上。在码放烧结制品过程中一定要根据允许载重、分散进行码放，避免受力载荷集中造成窑具局部受力过大，窑具断裂折断。

码放堆叠式窑具主要有两种，一种是最简单的坩埚堆叠式窑具，窑具外型相同、尺寸和大小一致的坩埚式窑具。使用过程中将产品放置在坩埚中，然后将坩埚在窑车上堆叠码放。另外一种相对复杂，采用垫脚、棚板进行分层码放。這种码放方式码放较为自由，可变性较大，但是装填过程非常复杂，层与层之间受垫脚高度稳定型的影响高度非常有限，窑具装填量相对较大，制品装填量偏少，一般每次装窑、出窑都要重新码放，劳动量相对较大。

在窑具码放过程中，为保证对流传热，保证窑内温场的均匀分布，一般要预留烟道，烟道尺寸要根据烧嘴的分布，制品的形状尺寸等进行预留，烟道尺寸一般要大于60mm。

4窑炉的烧结运行

4.1温控制度

产品烧结过程中，需要控制的主要参数有，升降温曲线制度、窑压、助燃、排风等等。

升降温曲线，一般根据产品的成型方式及产品性能要求制定，产品成型过程中会有一定的水份、有机物含量的差异，所以低温阶段一般要根据产品生坯含水量、有机含量的多少进行烧结，制定出干燥和排胶合适的温度工况制度。在高温阶段不同产品在不同温度情况下会发生一定的化学固液相反应，晶体变化等，对材料的性能的获得有非常重要影响[18]，不同的产品应该制定不同的高温制度。

产品尺寸较厚、生坯含水量较多的制品，在低温下（小于200℃）应该适当的延长升温时间，增加保温时间，减小高温下坯体内部水汽形成较高的蒸汽压，避免产品开裂。在200℃至800℃是有机物氧化排出温度[19]，在低温阶段主要是一些含氢较多的小分子挥发份的排出;中高温下是含碳较多的大分子有机物燃烧排出阶段。在实际应用过程中，在中低温阶段对排出有机物的烧结制度要求较高，整个排胶过程必须保持氧化气氛，以保证有机物的氧化排出。在一些多孔材料，譬如陶瓷膜多孔材料，为了在中高温下使材料获得较高的强度，一般会加入一定量的烧结助剂，利用烧结过程中形成一定量的液相，增加材料致密度。在窑炉烧结过程中，如果窑炉内部温差过大，部分地区在没有完全排胶的情况下就已形成大量液相，材料有机物被液相包裹而不能够完全氧化排出，最终造成烧成后产品“黑心”。

高温阶段是使材料获得相关性能的关键，温度高低一般是根据材料的配方设计而定。一般而言，粘土助烧类陶瓷材料、石英材料烧成温度为1200-1400℃左右，在这个温度下产品既可以获得足够使用的性能，窑炉建设材料、控制系统和窑具也能够具有较低的控制成本。而某些氧化铝制品采用二氧化硅类助烧剂或者通过形成晶相结合，烧结温度更高，保温时间也要相应的延长。

在陶瓷材料烧结的降温阶段，大部分产品都有较为严格的降温制度，温度降低过快，材料收缩不均匀，会容易产生内应力，产品易产生裂纹等;材料降温过慢，不仅会产生较多的成本，对易析晶产品容易造成析晶，产品形成一定的尺寸变化较大，形成晶体类裂纹。

4.2石英制品的烧结

石英制品一般是指熔融石英的烧结，烧结属于固相烧结，在烧结过程中通过颗粒之间的固相反应，形成颗粒连接。

石英制品烧结采用低温缓，900℃以上快升快降的升降温方法，烧成温度一般不超过1250℃，主要是为了避免α方石英的析晶。

石英陶瓷制品一般作为耐火材料或者介电材料使用，在烧结过程中一定要避免析晶，否则强度会明显降低，严重影响产品的品质。石英制品的成型过程中会有一定量的有机物作为料浆分散剂或者坯体成型添加剂，虽然加入量相对较少，但是在烧结过程中仍旧需要进行排碳，否则会影响产品强度和性能，尤其是介电性能。

产品的烧制过程采用800℃前低温适当延长保温时间，900℃-1250℃高温烧结过程中视产品尺寸、产品应用要求等进行快速烧结，一般石英制品的总烧制温度不超过48小时，高温保温不超过6小时。

石英制品对高温烧结温度比较敏感，烧成范围较窄，宜按照烧成温控范围下限温度烧成;窑炉内部温差较大，容易造成产品，尤其是大尺寸产品不同位置收缩不一致，内部产生应力，影响整体强度和应用效果。所以石英烧结对窑炉内部温度均一性分布要求较高，一般通过微正压，低脉冲进行烧结，减少窑内温场局部波动。

5小结

梭式倒焰窑炉通过程序控制烧成火嘴周期性开闭，形成脉冲气体并在陶瓷制品四周形成环向高温气流;采用倒焰排烟的结构，强制高温气体在制品上下流动。两种高温气体对流传热的方式使内部温场均匀，烧成制品受热较为一致。

窑炉窑具选择对窑炉温场分布、使用效率有较大影响，在设计选型方面既要考虑成本，也要重点考虑应用可行性，尤其是耐温性能。反应烧结碳化硅窑具既有良好耐温性能，又有非常高的强度，在1300℃以下烧制环境中应用优势明显，性价比非常较高。本文结合石英制品的烧结对倒焰窑的应用进一步进行了说明。

总的来说，梭式倒焰窑结构设计和控制特点使窯炉内部温度分布均匀性、一致性较好，在小批次、高品质陶瓷烧制领域应用优势突出。

参考文献

[1] 姜洪舟.无机非金属材料热工设备[M].武汉：武汉理工大学出版社，2015.2：363-369

[2] 张锐，王海龙，许洪亮.陶瓷工艺学[M].北京：化学工业出版社，2013.7：174-178

[3] 高增丽.烟道与烧嘴的相对位置影响梭式窑内温度场的数值研究[J].冶金能源，2008，27（4）：27-28

[4] 鲁兵，方昌荣，王周福等.窑具材料的研究现状及发展趋势[J].耐火材料，2007，41（2）：132-136

[5] 芮家钧.一种新型氮化硅结合碳化硅耐火材料[J].中国建材科技，1997，（4）：15

[6] 郝岩，孙洪鸣，李亚杰.高性能碳化硅窑具的特点及在电瓷领域的应用[J].辽宁建材，2009.

[7] 寅霄，赵文兴.反应烧结碳化硅陶瓷的制备及烧结机理[J].耐火材料，2000，34（6）：313-315

[8] 王立军，高积强，王永兰等.氮化硅结合碳化硅窑具材料的研制[J].硅酸盐通报，1994，13（3）：4-7

[9] 马晓红.重结晶碳化硅质窑具的开发与应用[J].中国陶瓷工业，1999，6（2）：28-30

[10] 张勇，彭达岩，文洪杰.碳化硅质窑具材料的研究现状[J].耐火材料，2002，36（6）：363-365

[11] 黄清伟，高积强.反应烧结碳化硅陶瓷的高温氧化行为研究[J].稀有金属材料与工程，2000，29（1）：32-34

[12] 江东亮，潘振等.反应烧结碳化硅材料的研究[J].无机材料学报，1988（2）：36-44

[13] 田惠英，郭海株.气孔率及孔结构对堇青石--莫来石棚板性能的影响[R].中国硅酸盐学会第六届耐火材料青年学术报告会，山东淄博，1997

[14] 夏霞云，王杰曾，刘锡俊. 堇青石-莫来石棚板化学组成及显微结构与高温强度的关系[J]. 耐火材料，1999，33（2）：79-81

[15] 郑建平，杨辉，程本军.烧成制度和结合剂对刚玉-莫来石窑具性能的影响[J]. 耐火材料，2005，39（2）：112-115

[16] 寿科迪. 添加物对莫来石-刚玉窑具结构和性能的影响[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2010

[17] 段雪珂，王新福，刘国齐.锂电池正极材料合成用堇青石—莫来石质匣体材料研究进展[J].耐火材料，2020，54（2）：172-176

[18] 张慧，夏侯宏光.燃气梭式窑温控制度的确定[J].中国陶瓷，2002，38（4）：21-23

[19]  郑路. 氧化铝陶瓷凝胶注模成型工艺的研究[D].郑州：郑州大学，2006