烧结耐火砖是如何烧制的？

 

耐火砖出窑

烧制是指对耐火砖坯进行煅烧的热处理过程。砖坯经过烧成，可使其中的某些组分发生分解和化合等化学反应，使砖坯烧结形成玻璃质或晶体结合的制品，从而使制品获得较好的体积稳定性和强度，以及其他特性。 

耐火制品的性质不仅取决于原料的成分和性质、配料组成和生产方法，而且在很大程度上取决于烧成质量的好坏。烧成是耐火制品生产过程中的重要一道工序，无论是制品的质量或是企业的技术经济指标，如产品质量、劳动生产率、单位产品燃料消耗定额和产品成本等，都在很大程度上取决于烧成的好坏。所以，烧成是耐火材料生产过程中特别关键的工序。

一、烧成窑炉类型 

耐火材料烧成窑炉的种类很多，但目前耐火制品烧成时，常用的烧成设备有隧道窑、梭式窑、倒焰窑和热处理窑。此外还有用于特种要求的窑炉，如电加热式窑炉，根据需要控制窑炉内的气氛。通常采用气体燃料（如天然气、煤气）和液体燃料（如重油、轻柴油等），我国已基本取缔直接使用固体燃料。 

（一）隧道窑

隧道窑属于连续作业的窑炉，是目前耐火材料生产中比较先进和普遍使用的窑炉。它的主要优点是机械化、自动化程度高，生产能力较大，热效率也高。但隧道窑在烧制不同品种的砖时，其烧成制度的更换不如梭式窑和倒焰窑灵活。 

隧道窑沿窑长度方向有预热带、烧成带和冷却带。根据制品类型和工艺要求，有普通隧道窑和高温隧道窑两大类型。高温隧道窑烧成温度可达1800~1900℃，窑长50~130m，窑宽1.1~3.2m，年生产能力5000~32000吨，单位产品热耗6600~6900KJ/Kg。 

（二）倒焰窑

倒焰窑属于间歇式窑炉。间歇式窑炉具有烧成制度可根据生产需要灵活调整，适合多品种、小批量生产。倒焰窑形状有方形和圆形两种，目前生产上常用的有容积为100m3、150m3、200m3、250m3等倒焰窑，也有几立方米和10m3左右的高温倒焰窑。由于倒焰窑适合烧制大型、特异型制品和多种烧成制度、小批量的耐火制品，因此有它的特点和优势。倒焰窑的主要缺点是热效率低、生产能力低、劳动强度大、操作条件差和周转时间长等。该窑型将逐渐被淘汰。 

（三）梭式窑

梭式窑是一种配有窑车的倒焰窑，由于制品在窑车上烧制，可以提高窑车周转率，达到提高产能的目的，是替代倒焰窑的新型间歇式窑炉。梭式窑的容积在10~300m3范围内。烧成温度可达到1750℃。梭式窑特点：1）可实现快速烧成，系统调节灵活，窑温均匀。2）燃料消耗低。由于梭式窑采用轻质砖、薄壁，蓄热量小；烧成周期短；设置了烟气余热回收装置。同样是间歇式窑炉，燃料消耗为倒焰窑的30~40%。3）由于装卸砖在窑外进行，劳动条件改善，机械化和自动化程度达到隧道窑水平。

（四）热处理窑

热处理窑的热源有热烟气和电加热。生产方式有连续操作和间歇操作两种。

隧道式连续操作热处理窑，一般采用热烟气加热方式。热烟气从窑中间送入，前后两端排出，出窑废气一部分循环使用，其送风及排风系统设有调节阀，能灵活控制窑内各点的风量和温度。进车端排出的废气经双重管(套管)换热器返回燃烧室，对结合剂的挥发份及有害气体进行焚烧处理。

近年来，电加热炉窑的应用在逐步增多，大多用于镁碳砖、长水口和滑板等制品的热处理，也用于滑板、长水口的焙烧及氮化硅等特种耐火材料的烧制。电加热炉生产灵活，温度控制方便可靠，生产环境好。

电加热处理窑采用乳白石英远红外管加热器或电阻丝加热，窑内温度一般在200～350℃，装机功率150～300kW。其大特点是结构简单、成本低、烟尘及噪声危害轻，操作灵活、窑温均匀，便于控制热工制度。

电加热焙烧炉窑多为间歇作业，使用温度大多在400～700℃，装机功率随产品品种和升温速率要求差异较大，多为250～500kW。生产氮化硅结合碳化硅砖的电加热炉窑温度约1400℃，窑体密封，并控制在氮气氛进行烧成。

二、烧成工序

耐火制品烧成工序包括：装窑、焙烧和出窑。 

（一）装窑

过去在烧成工人中常流传着这样一句话：烧砖质量的好坏是“七分码，三分烧”，这种讲法虽然不够科学，但它却反映了码窑与烧成的密切关系。装窑时砖垛码得不好，绝不会烧出好的产品来。 

所谓装窑就是指按窑炉结构特点和制品烧成时热工制度的要求，在窑内将符合半成品技术条件的砖坯合理排列码放的操作过程。对于隧道窑也称装(窑)车。 

为了达到上述目的，就需要制定装窑图和装窑技术操作规程，以便统一装窑操作。隧道窑和倒焰窑装窑图的制定虽然有着它们各自的特点，如隧道窑是将砖坯装在窑车上，而倒焰窑则将砖还直接装入窑内，但在制订它们的装窑图时应该掌握的基本原则还是一致的。如传热，不同品种砖坯的装窑部位等。下面以隧道窑装窑为例，说明制订装窑图的一些基本原则。 

在制订隧道窑装窑方案时，通常考虑以下几方面的问题： 

1)根据不同砖种，确定装窑高度和装窑方法。通常镁砖和一等高铝砖的装窑高度为1～1.1m；硅砖为1～1.7m；粘土砖介于两者之间。装砖方法多数采取平装，硅砖采用立装和粘土砖采用侧装的方法。 

2)根据不同砖型，确定普型砖和异型砖的装窑比例，一般异型砖与普型砖在同一窑车上的比例为4∶6左右。同时，还要根据不同砖型，确定不同品种的装窑部位。一般将标、普型砖装在下部，异型砖装在上部，而对某些特异型砖或烧成时容易开裂的砖坯进行包装(以砖包砖)。 

3)在保证烧成质量的前提下，提高装砖密度(即单位窑车装砖量)以达到提高产量和降低燃耗。 

4)保证砖坯在焙烧时气体正常流通和具有良好的传热条件。为此，在制定装窑图时，还应控制以下两个因素，即K值和m值。

K值是指隧道窑外通道截面积与内通道截面积之比。若外通道截面积为了f外，内通道截面积为f内，则K值可表示为：

K＝f外/f内 

这个比值，反映了隧道窑中气流在外、内通道的分布情况。选择适当的K值有利于砖垛温度的均匀。在耐火材料生产中，由于各厂生产的品种不同，以及窑炉结构和散热等条件不一样，所以各厂在烧成耐火制品时规定的K值也不一致，但对某一个厂来说，应保持相对稳定。一般规定烧成粘土砖、硅砖时的K值为1.3～1.6；而高铝砖、镁质制品为1.3～1.4。 

K值大于1，说明外通道面积大于内通道面积，其目的在于使砖垛外表面有足够的火焰流过，但外通道面积也不能太大，过大则使砖垛中心部位火焰流量减少，而造成砖垛中心部位制品欠烧。 

m值又称隧道窑的有效断面系数。它是指装砖时纵向通道(包括外通道和内通道)横截面积总和与窑的横截面积之比，用百分率来表示。若以f总代表隧道窑的横截面积，则m值可表示为：

m＝（f外+f内）/f总×100%

m值越大，说明气流通道相对面积越大，气体流通时的阻力就越小，但窑车装砖量将随之减少。通常烧成粘土砖、硅砖时，m值为25～35%，烧成高铝砖和镁砖时为35～50%。 

近年来，在制定装窑图时，有时隧道窑在砖垛内采取留均匀小通道的办法，其原理基本相同。 

制定合理的装窑图是保证装窑质量的前提，但如果装窑操作不当也会使烧成后的制品外形合格率降低。因此，在耐火材料生产中，对装窑质量的基本要求是保证砖垛得平、稳、直和避免砖坯间因高温烧成时粘结在一起，以及减少烧成制品的扭曲变形。为了达到上述要求，装窑时通常在每层砖之间均匀地撒一层粒度为0.5～3mm的填砂。不同性质的制品，对装窑填砂的要求也不同，通常粘土砖、高铝砖使用硅砂、矾土屑、稻壳或稻壳灰；硅砖使用废硅砖砂或硅砂；镁砖质使用镁砂或铬矿砂。 

（二）烧成

砖坯在烧成过程中进行一系列的物理－化学反应，使砖坯变得致密，强度增加，体积稳定，并保证有准确的外形尺寸。 

1.烧成过程三个阶段

耐火材料在烧成时，根据制品发生变化的特征，整个烧成过程可分为三个阶段：

（1）加热阶段，即从制品进窑或点火时起至达到制品烧成的高温度时为止。在这个阶段中进行着砖坯加热，残余水分和化学结晶水分的排出，某些物质的分解和新的化合物的形成，多晶转变以及液相生成等，包括有机和无机结合剂、添加剂的分解、氧化燃烧等，放出CO2和水及其它小分子。在这个阶段，由于上述原因，坯体的重量减轻，气孔率增大，强度降低。

随温度增加，达到液相形成温度和物相合成温度，由于液相的扩散、流动、溶解沉析传质过程的进行，颗粒在液相表面张力作用下，进一步靠拢而促使坯体致密化，使其强度增加，体积缩小，气孔率降低，坯体进行烧结。 

（2）高烧成温度时的保温阶段。坯体中各种反应趋于完全、充分、液相数量增加，结晶相进一步成长，砖坯达到致密化。

制品在烧成过程中，不仅要使表面达到烧成温度，而且要使制品内部也达到烧成温度。这个温度均匀化的过程是靠传热来实现的，为此需要一定的时间。由此可见，制品越大，装窑密度越高，则此时间就越长。此外，由于窑炉内各部位温度的不均匀性，也需要一定的保温时间。 

（3）冷却阶段是指从烧成高温度至出窑温度。在此阶段中，制品在高温时进行的结构和化学变化基本上得到了固定。在此阶段的初期，制品中还进行着一些物理－化学变化，发生物相的析晶、某些晶体的晶型转变、玻璃相固化、微裂纹产生等过程。冷却制度会影响制品的强度、抗热震性等物理性能。 

2.烧成制度

为了合理地进行各种耐火制品的烧成，应预先确定每种制品的烧成制度，其内容包括：烧成的高温度；在各阶段的升温速度；在高温度下的保温时间；制品冷却下的降温速度；在上述各阶段中窑内的气氛性质。 

烧成制度可以制成横坐标为时间(小时)，纵坐标为温度(℃)的曲线，也可以由温度范围、升温速度和时间为内容的列表形式表示。

耐火制品烧成温度主要取决于：1）使用的原料的性质。原料的主要矿物相的熔点、矿物相之间的低共熔点温度和数量与烧成温度直接相关。耐火制品参考烧成温度约为主要矿物相熔点温度的0.8倍。因此，高纯镁砖烧成温度高于镁尖晶石砖；刚玉砖烧成温度高于莫来石砖；碱性耐火制品的烧成温度高于高铝耐火制品；2）对于相同材质，原料纯度越高，烧成温度越高。纯度高的直接结合碱性制品烧成温度高于硅酸盐结合的碱性制品。3）原料细粉的粒度。分散度高则比表面积越大，表面自由能越大，烧结动力越大。因此微粉可促进烧结，降低烧成温度。 

耐火制品烧成时，在加热和冷却过程中许可的升(降)温速度以及需要的保温时间，取决于：1）加热和冷却时制品内进行的物理化学变化过程中所产生的内应力大小；2）完成这一物理化学变化所需的温度和时间；3）烧成过程中耐火制品的温度梯度、热膨胀和冷收缩产生的应力。 

耐火制品的烧成过程可以用两种加热方式来完成，即制品在较低温度下用较长时间烧成，或在较高的温度下用较短的时间烧成。但实际上由于窑炉内传热缓慢，以及制品在窑炉内受热的不均匀性，所以用快速烧成耐火制品是有限度的。 

烧成时的窑内气氛有氧化气氛、中性气氛、还原气氛、惰性气氛等，应按烧结要求进行控制。烧成时的窑内气氛，会影响制品在烧成过程中的化学变化。例如在氧化气氛下烧成粘土砖，可使制品内FeO转变为Fe2O3，有利于提高粘土制品的耐火度，以及使砖坯内有机物燃烧挥发；而烧成硅砖时，通常采用还原性气氛，可使加入的铁质矿化剂增强矿化作用；含碳制品由于避免碳的氧化，要求在隔绝空气的还原气氛中烧成，或控制的氮气中烧成。因此，不同制品烧成时要求的气氛也不同。 

耐火制品的烧成制度不仅与耐火制品的品种、形状尺寸有关，还与烧成设备的类型密切相关。比如大型倒焰窑，需要较缓慢的升温速度，较长的保温时间，以保障砖坯温度的均匀性。不适宜的烧成制度，会增大废品率，降低制品质量。合适烧成制度建立在理论指导和实践经验之上。 

（三）出窑

出窑是将烧好的制品经冷却后从窑内取出来，或从窑车上卸下来的操作过程。出窑操作的好坏，对成品外形质量有着直接影响。在出窑过程中，如果操作不注意或不熟练，往往会造成制品缺边掉角，从而降低成品合格率。 

在耐火材料生产中，出窑操作一般应注意如下几点： 

（1）取砖和放砖时，应做到轻拿轻放，避免由于出窑操作不慎而造成的制品外形缺陷。

（2）不同砖号的制品应严格分开堆放，也就是说，不同砖号的制品出窑时不能放在同一块砖板上，否则，在成品检选时易造成混乱。因为有些不同砖号制品的外形可以完全相同，只是在某一尺寸有不大的差别(几个mm或十几个mm)，如果将它们混放在一块砖板上，检选时就容易把其中一个砖号的制品误认为废品，这样不但会造成浪费，还会影响使用。

不同型号砖的堆放后，注明标识。

（3）应将工具砖(架砖、拉坯砖等)整理堆放好，以供装窑时继续使用。

（4）出窑、运砖时应注意安全操作和劳动防护。 

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