烧结砖焙烧缺陷浅析
贵州某烧结砖企业，原料为硬质页岩、软质页岩及粘土和原煤,生产空心砖和普通砖，设计年生产能力为6000万块（折标砖）空心砖。工艺中，采用一次码烧、机械码坯的方式。干燥和烧成隧道窑各2条，截面均为3.7米。干燥隧道窑长度为84.3米，烧成隧道窑长度为115米。窑车规格为3.7×3.7米。
生产中，三组分原料，按照比例预先混合后，共同通过锤式破碎机破碎、回转筛筛分，合格混合料进入生产线，双级真空挤砖机成型，成型水分约14%，泥条经自动切条切坯，每泥条切坯32块，机械码坯每次抓取12个泥条共384块，普通砖码高15层，窑车台面上码放9垛砖坯，每辆窑车码坯量达到5760块。根据烧成工艺要求，混合料内燃掺配量按照350千卡/公斤的比例控制。烧结普通砖日产量达到18～20万块。烧成隧道窑进车时间约为1小时20分，烧成周期达到40～44小时。
2014年8月，随着原料矿山开采条件的变化，软质页岩及粘土的成分出现波动，当按照固定的350千卡/公斤的比例内燃值进行掺配时，焙烧过程中，窑车中部部分产品出现膨胀变形和裂纹，断砖中部厚度达到68mm，砖顶面厚度达到55mm，成为“面包砖”，外观尺寸超出国家标准指标。一段生产时间后，此类膨胀和裂纹缺陷的普通砖数量，达到30万块，对产品的质量评价造成不利影响。当降低内燃掺配后，砖垛中膨胀变形和裂纹产品数量基本消失。但是，在加强看火投煤情况下，在砖垛外侧下部，仍然出现欠火砖。详见照片1～3。对此，就该企业烧结普通砖焙烧变形分析如下，供参考。
1、焙烧缺陷的产生
根据陶瓷烧结的定义，粉末或非致密性物料，经加热到低于其熔点的一定范围内，发生颗粒粘结，结构致密程度增加，晶粒长大，强度和化学稳定性提高等物理变化、成为坚实集合体的过程 [ 1 ]。
烧结砖坯体被加热后，由于混合料中氧化硅、氧化铝、氧化钙及氧化镁等金属氧化物的不同组成，对混合料的最高烧结温度存在直接影响，使得低于其熔点的一定温度范围加大，工艺控制难度增加。如果不能及时调整，焙烧过程中，烧结砖产品极易出现收缩、膨胀、欠火、裂纹、断裂等现象，同时会跟随工艺调整，交替产生，废品率增加。
1.1原料成分的影响
该企业原料矿山采用挖掘机开采，由于开采条件限制，硬质页岩与软质页岩及粘土开采后，没有堆存风化等预处理措施，原料形态见图片4、5。
表中数据，符合烧结砖对原料化学成分的基本要求，SiO2和Al2O3含量适中，但硬质页岩性能比软质页岩及粘土性能要好。生产中，根据2:1配比,2份软质页岩及粘土与1份硬质页岩，内燃掺配量按照350千卡/公斤的比例掺配。混合料成分中，熔剂成分Fe2O3、MgO、CaO略微偏高。隧道窑烧成过程中，焙烧带温度曲线显示，最高温度达到1000℃，砖垛中部出现软化变形、膨胀和变形，如图片1、2所示。
针对膨胀变形砖断面的分析，可见由砖坯表面到砖坯中心部位，断面颜色由浅红逐渐转变为浅灰，再由浅灰转为蓝黑。这是砖坯表面燃料煤处于氧化气氛下燃烧时，砖坯成分中Fe2O3没有分解，使得砖坯表面呈浅红色。随着氧化气氛减弱，Fe2O3逐渐分解，颜色逐渐转变为浅灰，到达砖坯中心时，由于空气中氧气无法进入，砖坯中内燃煤，处于还原气氛下燃烧，Fe2O3分解为4FeO和2CO2，正是因为FeO呈色为蓝灰到蓝黑，使得砖坯断面中心部位呈色与FeO呈色一致。
此外，当隧道窑窑温曲线显示为1000℃时，窑车中部砖垛内温度将达到或超过1000℃，砖坯内液相产生、气孔减少，并逐渐软化，砖坯内部的还原气氛使得Fe2O3分解，促使CO2气体排放，砖坯出现膨胀、裂纹和变形等缺陷。
正是由于砖坯内Fe2O3、MgO、CaO等熔剂成分的作用，使得砖坯在低于其熔点以下的烧结温度，控制难度较大，同时由于码垛方式的限制，隧道窑全截面的温度差异较大。当按照固定的内燃掺配比例安排生产时，砖垛边部烧结温度适中时，中部烧结温度出现偏高，产生焙烧膨胀、裂纹等变形缺陷。
1.2配料及内燃掺配的影响
该企业生产中，由于砖垛中部砖坯膨胀变形，决定调整原料配比，采用1份软质页岩及粘土与1份硬质页岩，提高硬质页岩掺配。同时内燃掺配量按照320千卡/公斤的比例掺配。同时要求烧成隧道窑岗位工加强对边火温度的观察，加强投煤。调整原料配比和内燃后，隧道窑窑温曲线控制为1030℃。
调整后，根据生产状况，窑车中部砖垛砖坯膨胀变形现象基本消失，然而，窑车砖垛外侧下部出现欠火砖，如图片3所示。膨胀变形消失的因素分析如下。
原料配比调整后，硬质页岩掺配量提高，高温难熔氧化物SiO2含量的增加，对提高砖坯烧结温度、减少高温变形有利。
硬质页岩破碎后，坯体内颗粒较粗，有利氧气对坯体的渗透，减少还原气氛对Fe2O3分解。同时，坯体内粗颗粒之间的间隙，有利氧化和还原反应时产生的气体的排出，能够有效地避免坯体的膨胀变形。
软质原料减少后，混合料中粘土微小颗粒减少，能够提高砖坯内产生液相的温度，避免坯体软化变形。
采用原煤内燃掺配的焙烧工艺，坯体内部必然形成还原气氛焙烧，无法避免。减少内燃掺配的控制措施，能够避免砖垛中部阻力高、烟气流速慢带来的砖垛内温度过高现象，减少隧道窑高温带截面温度差异过大，同时，随着砖坯内碳含量降低，还原气氛减弱，减少Fe2O3分解和CO2气体排放，避免砖坯软化和砖坯膨胀、裂纹、断砖等焙烧缺陷的产生。
生产中，由于硬质页岩量提高，砖坯相应的烧成温度需要提高，在减少内燃掺配的条件下，企业强调烧窑工加强对边火温度的观察和投煤，要求控制窑温为1030℃，满足焙烧工艺要求。但由于边部投煤孔位置、砖垛与窑墙间隙基本固定，调整难度较大，两侧边火火行速度较快，火不易下底，造成窑车砖垛外侧下部出现欠火砖。加大边部投煤后，煤的不完全燃烧现象增加，燃料消耗提高。
1.3机械码坯的限制
该企业生产工艺中，采用机械码坯，3.7×3.7米窑车，每次码放1层，分成9垛，共码放15层。
生产中，机械码坯夹具位置的确定，需要根据原料性能、湿坯规格、投煤孔分布、码窑方式等参数，按照焙烧工艺要求。砖垛形式一般满足“边密中稀、上密下稀”的码放方式。夹具位置确定后，除非产品规格发生变化，夹具位置较少变动。
然而，生产过程中，原料性能和内燃掺配的波动和调整经常出现，此时，需要调整砖垛的码坯形式，以适应焙烧的需要。但机械码坯夹具位置的调整，需要经验丰富的技术工人和一定时间来操作，而生产班员工，往往不等夹具位置的调整，仍然按照工艺条件变化前的方式，进行码坯，使得焙烧过程中，产品出现较多焙烧缺陷。此种情况下，如仍然按照生产计划安排进车时间，对烧成周期不加控制，焙烧缺陷将越来越严重，废品率大幅度升高。这也是采用降低内燃掺配后，砖垛下部出现局部欠火缺陷的原因。
1.4成型水分的影响
企业采用55型双级真空挤砖机成型，下级电动机功率为160kw，天气条件较好时，能够保持成型水分14%，泥条外观质量较好，满足机械码坯的需要。目前矿山还未拓展开来，因而软质原料受雨天的影响，自然含水率有波动，使得配料准确性发生变化，当成型水分升高，达到16%时，湿坯在干燥隧道窑内，往往产生干燥裂纹，焙烧过程中，裂纹扩展，形成焙烧缺陷。
2、避免焙烧缺陷的措施
焙烧缺陷的产生，主要原因在于原料性能、掺配比例，应采取如下措施避免。
2.1调整原料配比
根据原料性能，增加硬质页岩的掺配比例，使得混合料中高温难熔氧化物SiO2和Al2O3 含量提高，从而提高烧结温度范围。随着硬质原料的加入，破碎筛分后混合料颗粒级配更为合理。但塑性指数将有所降低，此时需要低成型水分挤出成型，提高双级真空挤砖机挤出压力，获得质量较好的泥条，保证湿坯强度及外观尺寸要求，在后续工艺环节中，减少干燥缺陷，提高焙烧质量。
在生产中调整原料配比的措施，是减少和避免焙烧缺陷的主要手段，需要在矿山开采、硬质原料破碎等环节做好准备。
2.2准确与稳定的内燃掺配
干燥焙烧工艺中，由于砖垛在窑内的码放方式限制，砖垛内外阻力不同，烟气流速存在差异，引起砖垛内外温度差异。
干燥过程中，砖垛内部烟气流速慢，使得砖垛内外干燥程度不同，砖垛外部砖坯残余水分低，而内部砖坯残余水分较高。进入烧成时，内部砖坯容易产生裂纹。
焙烧过程中，砖垛内部阻力大、烟气流速慢，使得砖垛内外温度存在差异，砖垛内部温度偏高，坯体容易出现粘结和变形。
鉴于以上因素，一次码烧工艺，内燃掺配量的准确与稳定，是干燥和焙烧的基本保证。对烧成制度、烧成稳定性、烟气温度和烟气量、产品产量等方面均有较大的影响。
首先，需要根据内燃料的发热量、含水率和粒度等性能参数，通过生产实践，制定适宜的内燃掺配比例，为准确掺配内燃料，创造条件。
其次，采用性能可靠的计量设备，保证内燃料的准确稳定。
第三，结合内燃程度，制定烧成隧道窑自动窑温控制曲线，同时以此为依据，规定烧窑岗位工操作原则。在自动监测窑温辅助条件下，加强烧窑工对窑温的调整和控制。
2.3机械码坯夹具位置调整
正是因为砖垛在窑内的码放方式限制，使得干燥和焙烧存在残余水分和温度方面的差异，带来产品缺陷。即便通过原料配比和内燃掺配调整控制，效果仍未满足要求时，则需要调整机械码坯夹具位置，按照“边密中稀、上密下稀”的方式，砖垛距隧道窑直墙间距要小，砖垛中部通风顺畅，选择更加适合的码坯方式。
按照现有窑车台面上码放9垛砖坯的方式，隧道窑正截面上，每砖垛长宽规格为1000×1000mm，3垛三列，窑车纵横向上分别有4条风道，正截面平均风道宽度为175mm，窑车上砖垛中部无风道。
如将机械码坯夹具位置进行调整，窑车台面上码放16垛砖坯，每砖垛长宽规格为750×750mm，4垛四列，码坯容量不变。横向上风道为5条，窑车正截面上有5条风道，正截面平均风道宽度为140mm，窑车上砖垛中部有风道。
调整后，隧道窑正截面风道数量增加，平均宽度减小，窑车上砖垛中部风道，对窑截面温度的均匀性有利。同时，砖垛规格变小，干燥过程中，砖垛内外砖坯热交换较为均匀，干燥程度一致，残余水分差异降低，进入烧成隧道窑后，砖垛内外坯体温差缩小,砖垛中部不会形成高温变形，全窑范围内，温度和焙烧程度容易控制，能够有效地减少中部砖坯高温变形的产生。
2.4严格控制成型水分
严格控制成型水分，确保干燥质量，减少焙烧缺陷。
一次码烧工艺中，成型水分较高时，当湿坯码坯高度为15层，下部湿坯易出现变形，且砖垛中部水分不易排出。进入烧成隧道窑后，变形和缺陷扩大。此外，成型水分较高，在干燥脱水过程中，烟气中水蒸气含量提高，如不能及时提高排潮速度，同样会因为水蒸气冷凝结露，冷凝水吸附或滴落在砖坯上，造成砖坯变形和开裂。
一次码烧工艺在雨天等不利条件生产时，只能采用延长窑车进车时间，及时调整烧成周期的方式，避免焙烧缺陷。
3、结束语
机械码坯的一次码烧工艺，焙烧缺陷的产生，与原料性能相关性较高。工艺中内燃掺配、成型水分、混合料陈化、码坯方式、隧道窑结构和保温等，均对焙烧质量影响较大，当明确影响因素后，提出调整措施。生产中，由于企业工艺及隧道窑结构条件均已确定，分别对焙烧变形现象以及配比调整后出现局部欠火、煤耗增加现象进行分析，对比其效果后，决定采用提高硬质页岩掺配比例，维持原有内燃掺配量不变的调整措施，能够完成日产18～20万块普通砖生产计划。