陶瓷岩板烧成的关键技术
作者：曾令可 王慧
一、 陶瓷砖新领域→岩板
近几年来，岩板产品飞速发展。据统计,截至5月1日，国内已点火的岩板生产线超过138条，岩板的爆发打开了一个新的增量市场，也给众多陶瓷装备企业带来了新的发展商机。
陶瓷岩板，其实就是由陶瓷大板演化而来，但它并没有占用传统的瓷砖应用市场，而是在进行切割加工后，跨界应用到了家居领域。这是传统陶瓷砖尚未涉足到的新领域，是一片新增的市场，是一块生机盎然亟需开拓的新大陆，也是陶瓷行业产业升级、产品创新征程中的一个重要节点。
（广告，与图文无关）
二、共性问题“切割裂”
岩板作为一种新型材料，其物理性能明显优于传统瓷砖，尤其体现在岩板的可加工性上。但在岩板产品刚刚推向市场的时候，烧成窑炉设备不好操控，产品质量非常不稳定，不少岩板一经加工，就出现“切割裂”的问题，破损率非常高，有的高达40～70%，这是所有大/岩板生产企业都会遇到的共性问题。
⒉1 防止切割裂的关键
烧成温度要均匀、升降温要缓慢。①保证烧成窑内温度的均匀性。② 烧成过程中升温速度要慢。由于岩板规格大（有的甚至厚）故在烧成过程中，如果升温速度过快，容易引起温差增大，升温速度过快也会引起应力不均。③ 冷却速度要缓慢如玻璃退火。
岩板生产最关键的一环是控制应力，从窑炉烧成角度主要是控制岩板冷却速度，在急冷、缓冷、中冷等冷却环节，都需要有相应的技术支撑，一旦冷却太快则需要温度补偿系统来维持保温，以免因冷却速度太快而产生过大的应力而产生切割裂。
⒉2 控制好三个晶型转化点是关键
⑴ 高温烧成前与传统的陶瓷烧成类似：
① 从室温～300℃是低温排水阶段，排水应相对缓慢。
② 300~950 ℃是氧化分解阶段，其中在573 ℃、873 ℃度有石英晶型转换，一定要保证晶型转换过程不会引起膨胀开裂。
③ 950 ℃~最高烧成温度，发生盐类分解、形成液相、生成莫来石相等、坯体气孔减少、密度提高及吸水率降低，要保证烧结度达标、砖形正常。
⑵ 烧成后冷却控温更是关键：
① 高温~600 ℃，是急冷阶段，其中873 ℃有晶型转化点，要保证晶型转换过程不会引起膨胀开裂。
② 600~500 ℃是缓冷阶段，在573 ℃有晶型转化点，采用间接冷却以防止冷裂。
③ 在500~350 ℃，是抽吸慢冷阶段，需抽热、保温缓慢冷却过渡。
④ 350 ℃ ~出窑温度，是尾冷阶段，注意在273 ℃亦有晶型转化点，过了这一点便可以直接冷却出窑。
2.3 严格控制三带比例有效防止切割裂
为了保证烧成过程升温均匀和降温缓慢要求，烧成岩板辊道窑三带设计各企业有所不同，通过调整三带比例，采用不同窑炉结构及控温措施，解决截面水平温差及增加冷却时间能有效防止切割裂。
摩德娜窑炉公司在岩板窑炉设计中三带比例采取烧成带和预热带占57%(传统占62％)左右，冷却带占43%(传统占38％)左右，其中缓冷段占28%(传统占19％)。
2.4 掌控好各控温点觧决切割裂
①延长700~573℃时间，用热空气冷却;
②延长坯体在573℃石英晶型转换的区间和时间;
③急冷中、后段，热交换区等增加适量的补温烧嘴;
④ 尾冷低温热风冷却，使273℃石英晶型转化点缓慢均匀和完全;
⑤缓冷区用蓄热多、比热容大的保温材料保温; 缓冷区应采用间接冷却、分组控制、支管纵向均衡布局。
⑥对冷却风温度的自动化调节要求严格，可热风、冷风及不同季节不同的控制。
2.5 岩板的厚度决定烧成周期
大/岩板厚度的不同，烧成周期长短也不同，当厚度≤13.5mm时，厚度与烧成周期基本呈线性关系：
2.6 窑压和烧成气氛的控制很重要
窑压在岩板烧成中很重要，是保证烧成温度制度及窑内同平面温差的关键。
① 通过排烟与燃料燃烧系统的平衡,一般在窑预热区窑压为微负压（-10~-15)Pa,在最高温区窑压控制微正压（低于+5帕左右）。
② 通过慢冷及尾冷抽吸,与急冷与尾冷鼓风系统的平衡,一般急冷后控制窑压(+5~+8)Pa左右。
③ 窑内气氛控制为氧化气氛，高温区含氧量≥3%。
2.7 烧成窑炉结构可多样化
① 单层辊道窑 ：岩板烧成初期基本上是单层和窄窑，现在3.3米宽亦不少见。中鹏窑炉在行业中率先投产的应用于大/岩板烧成的高铁时代型单层辊道窑，以蓝白双色搭配，借用“蓝天白云”的概念，表达保护自然环境的理念，窑炉外形利用平板过渡到弧板，创新性地采用“全包覆”的设计手法，巧妙的解决了外观感受和功能效果的双优化问题，具有减碳增效、精细管控、智能管理和人文关怀的特性。下图为中鹏热能高铁时代辊道窑外观图：
② 双层辊道窑
岩板双层辊道窑适用于高端岩板，订单小、规格多的生产。窑炉通道、控制系统完全独立。其优点是节约场地、减少操作人员、降低能耗、占用窑炉指标少等。其缺点是辊棒、传动维护不便利，造价稍高。下图为摩德娜为某陶企所建造的4机4线，两条双层窑炉，两条六层干燥，同时生产4个品种产品的生产线示意图。另一图为摩德娜在肇庆将军陶瓷有限公司建造岩板双层辊道窑现场。
岩板双层辊道窑生产线示意图
摩德娜在肇庆将军陶瓷有限公司建造的岩板双层辊道窑现场
③全球最长产量最大岩板生产双层窑
新明珠三水基地引进的德力泰双层窑是目前全球最长、产量最大的岩板生产双层窑。包括一条工业“4.0能效标杆数智时代”系列岩板双层窑（W2350/L415.8M）、两条DHD-EM系列高效节能自循环五层干燥器等。
该窑可兼顾上下层同时生产不同厚度、不同规格的高品质岩板产品，设计上下层同时生产厚度12mm岩板产品，日产量可达2万m²/天。按设计产品及产量来计算，CO2排放量预计可减少14.64吨/天。综合节能可达15％以上。
三、节能技术和节能设备的应用
⒊1 节能燃烧噐喷枪发挥很关键作用
烧成温度均匀性的控制完全依靠高精度烧嘴的运用、合理的烧嘴功率、燃烧室的选型及空燃比控制技术在岩板烧成节能中发挥很大作用。
⑴ 摩德娜采用ADC空燃比和ADC空燃比工控系统。采用节能高速烧嘴和回流烧嘴，在高温段实测氧含量为3.18％，在预热带39＃节实测氧含量为5.16％，下图所示为回流烧嘴工作原理图。
高速长焰节能烧嘴等在岩板烧成中起着节能减排的关键作用。
⑵ 先进预混系统烧嘴优点→节能降耗
① 燃烧器可根据不同燃气成份，改变喷气板的孔径，调整鼓风进气量。
② 燃烧器可改善燃烧条件，利于燃气的完全燃烧，提高火焰温度，延长火焰在炉膛中停留时间。
③ 通过二次空气补偿，可使热气流的射程可调，使炉膛温度均匀。
④ 有效控制空气过剩系数，降低排烟温度，减少热量散失及有害气体（CO、SO2 、NOx）的排放。
预混式燃烧器及其长火焰的燃烧特性
预混燃烧技术，在窑外烧嘴前通过燃气和助燃风预混，进入烧嘴后再次混合，使燃气与空气混合均匀、充分，燃烧更加完全，无过剩的可燃气体，能够节省燃料。
⑶ XXL385辊道窑蓄热式烧嘴
3.2 新型窑墙保温材料保温节能
散热和蓄热是窑炉热损失的主要原因之一，采用性能优良的新型保温材料，可以提高窑墙的保温性能及密封性能，提高热效率，降低能耗。
采用优质微孔纳米板作为窑墙保温隔热材料、采用微孔绝热砖作为窑底保温隔热材料、采用复合纤维节能密封料和纳米硅酸铝密封料作为窑顶保温隔热材料。通过增强窑炉墙体保温、最高温区的窑炉顶部和底部的保温，大大地减少窑炉顶底、窑体的散热损失，达到节能降耗的效果。
3.3 坯体干燥及多层干燥的配合应用
岩板坯体干燥方式可采用热风干燥、微波干燥、红外线干燥或智能燃气红外干燥等方式。
⑴岩板陶瓷的釉线干燥中可用微波、远红外线干燥。
⑵ 用智能燃气红外干燥窑干燥，在辊棒上部安装多组燃烧器，燃烧前燃气与空气完全预混，使得燃气充分燃烧，降低NOx、CO的产生，燃烧时辐射的红外线具有较强穿透力，能将热量均匀传导到被加热坯体内部，保证加热均匀，有效提高热利用率，在辊下设计了抽湿系统，加强干燥器内热风对流及循环，有效避免干燥器内顶部出现滴水现象。
⑶ 多层自循环干燥器发挥优势
多层自循环干燥器的应用保证了大/岩板坯体良好的干燥效果，其特点是：①高精传动、2节1电机、4.2m通轴；②加热方式采用余热+换热器+燃烧机；③合理的余热风管设计，增加余热风管的保温，减少热量损失；④ 优化的管路设计，让热风使用更加合理，减少热风使用量。
德力泰五层干燥模拟图
3.4 高精度传动系统是关键
⑴ 辊棒的优选保驾护航
为了适应岩板'多规格’、'多厚度’的 产品要求，陶瓷岩板窑炉的棍棒不同于普通棍棒，尤其是高温段和冷却段。故在选用辊棒时必须考虑到岩板的规格大而且重量重，同一件岩板产品的分布棍棒多，从而棍棒需具备高的承载力而不弯曲、抗高温而不扭曲变形、断裂。
金刚企业研制高温区GF98棍棒和急冷段抗弯曲、抗蠕变的SK95棍棒就是适用于宽体窑烧成岩板辊棒的最佳选择。
⑵ 辊棒的加工维护很重要
各企业在辊棒加工维护技术、钢棒调直、外圆打磨加工等方面都有严格制度和规范。
① 中鹏窑炉采用辊棒检测分级机，对所用辊棒进行严格检测分选和使用。
② 中窑对陶瓷辊棒外圆打磨加工要求辊棒大小头: ≤ 0.5mm，辊棒直线度：5点打表0.7‰（距棒端65mm,处打表≤0.5mm；600mm处≤1.5mm,中心处≤2.3mm，纵向传动水平误差: ≤ 1mm），纵向传动直线度误差: ≤ 0.5mm。
⑶ 高精度传动系统是关键
德力泰的DDS是一个集成的传动设计系统，包括：①更加坚固的传动部件；②高性能新材料制成的耐磨齿轮；③用于窑炉急冷带以前模段齿轮速度配比；④根据不同规格砖采用特殊形状的辊棒以调节瓷砖的运动轨迹；⑤密封的防尘设计可以有效保证砖在窑炉内运动的平稳性，改善砖的运动轨迹，提高砖的平整度，极大延长窑炉传动齿轮的寿命至原有齿轮的2倍以上。⑥独特设计的传动防滴油油装置，能充分保证环境的干净整洁。⑦窑炉GBX齿轮波箱连接传动方式，充分保证了传动运行平稳，无公差间隙。
四、 工业云大数据智能管控技术保证
①窑炉总控柜配置有工业电脑，所有设备数据都接入电脑，实现便捷、高效的十大操作：①窑炉实时工况显示；②窑炉走砖动态显示；③温度、频率批量修改；④配方功能；⑤空窑自动控制功能；⑥传动、风机故障预警；⑦故障显示；⑧能耗实时显示；⑨空窑记录；⑩统计报表。
②电脑数据通过无线网关实时上传到智能管理云服务平台，可通过智能手机或者PC端访问，平台提供窑炉在线实时监控、故障预警、保养提醒、数据分析、统计报表等功能，方便实时掌握设备运行情况，数据云端存储，永久保存，可随时调取，使窑炉更安全、更经济、更专业 、更便捷。
⒋1 新明珠禄步智能陶瓷厂
2018年1月23日中国建筑卫生陶瓷授予新明珠集团首个“中国建筑陶瓷绿色智能制造示范基地”，特色：①12个工序通过按钮完成整个生产过程的控制；②车间内只要2-3人巡视设备；③智能机械手自动完成其任务；④一砖一码可实现从原料到生产工艺流程的追溯；⑤无人仓库已充分发挥作用。
效果：车间员工减少80％，产能提高10％，立体仓库同等量产品只需要过去占地面积的30％。窑炉余热转化为能量，供应整个智能工厂的中央空调运转，节能环保。
4.2 以数字传感器替代众多执行器
⑴ 为了觧决现场控制中的众多执行器因频繁动作产生磨损，导致反馈数据错乱及控制精度差、气氛难于控制等问题，以数字传感器替代众多执行器，每一组喷枪的燃气阀、空气阀都是实时控制改变，空气阀会按照系统设定好的配比，实时跟随着燃气阀的变化而变化。网络和执行器都是冗余设计控制喷枪，实现了烧成系统信息化，其核心指标包括：
①窑炉的均匀性指标——反映窑炉水平方向的温度波动情况，对产品烧成质量作出评估。
②窑炉压力指标——全面反映各区带的炉内压力，对燃烧和温控策略提供数据支撑。
③窑炉排放指标——全面反映窑炉的排放，对环保、能耗作出评估。
④各路喷枪的空燃比指标——对燃烧、气氛作出评估。
⑤各路温度点曲线指标——对产品烧成质量的监测和回溯提供支撑。
⑥燃气、助燃风的流量指标——全面反映每路或总体的管道燃气和助燃风的流量比例情况。
⑵烧成系统数据分析、统计，包括以下内容：
①窑炉的建模——针对窑炉的结构、材料对窑炉建立热力学模型。
②燃料的建模——针对窑炉的燃料气体成分、助燃风成分建立热值模型。
③排放分析——对排放气体的成分进行分析，判断燃烧的效果。
④均匀性分析——对窑炉的均匀性进行分析，判断烧成质量。
⑤节能分析——综合燃烧、排放、压力、运行速度等数据，计算节能效果。下图所示为陶瓷大/岩板烧成控制应用图。
岩板烧成控制应用图
互联网+在陶瓷岩板烧成的应用
五、充分利用旧窑改造烧成岩板
佛山佳窑已为多家陶瓷企业改造岩板用窑炉，助力陶瓷企业节能降耗，在海鸥冠军建材萨克米窑炉的全面升级改造，呈现三大明显的特点：
① 该窑炉具备生产多规格多品类的大/岩板的生产能力；② 可生产规格1600x3200mm、3mm至20mm任意厚度的岩板，还可个性定制800×2600mm、1200×2400mm等不同规格产品，实现多样化的尺寸输出。兼顾生产传统600mm×600mm，800mm×800mm，600mm×1200mm瓷砖，产能较技改之前提升28%以上；③ 该窑炉生产常规产品天然气单位能耗与技改之前相比降低20%以上。同时满足600×600mm，800×800mm常规畅销产品的提产30%以上的生产需求。
六、展望
2021年，岩板发展迎重要转折，是成就品牌的绝佳之机，岩板在陶瓷行业不仅仅是做大了，而且对整个行业有一个很大的颠覆，预测未来岩板发展有四大趋势：生产智造化、功能健康化、应用多元化、立体化产业生态圈。