先进陶瓷制造热工设备之间歇式窑炉
来源：ceradir先进陶瓷在线
前言
生产陶瓷的一个重要过程是烧成，烧成是在热工设备中进行的，这里热工设备指的是先进陶瓷生产窑炉及其附属设备。焙烧陶瓷的窑炉类型很多，同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可焙烧不同的制品。先进陶瓷生产所用窑炉，其发展过程是由低级到高级，由产量、质量低，燃料消耗大，劳动强度大，烧成温度低，不能控制气氛，发展到产量、质量高，燃料消耗低，烧成温度高，能控制气氛，以及机械化和自动化。按窑炉的操作来分，可分为间歇式窑炉和连续式窑两大类。间歇式窑炉按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、梭式窑、钟罩窑和sps烧结炉。本文主要对间歇式窑炉进行简略介绍。
1.电炉
电炉是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热能，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉、电子束炉和离子炉等五类。
(1)电阻炉
当电源接在导体上时，导体就有电流通过，因导体的电阻而发热的一种电热设备。这类电炉按炉温的高低可以分为低温（工作温度低于700℃）、中温（工作温度为700~1250℃）和高温(工作温度大于1250℃）三类。
①箱式电阻炉：外形像箱子，炉腔呈长六面体，靠近炉腔内壁放置电热体。主要用于单个小批量的大、中、小型制品的烧成。
②井式电阻炉：炉腔高度大于长度和宽度（或直径）,炉门开在炉顶面，用炉盖密封。电热体通常布置在炉腔的侧壁上。多为圆形、正方形或长方形。适宜于烧制管状制品，深井电炉通常沿高度分成几个加热区，各区温度通过分别控制功率来调节，使电炉沿整个高度温度分布均匀。
(2)感应炉
由于电磁感应作用在导体内产生感应电流，而这种感应电流因为导体的电阻而产生热能的一种电炉。它又可分为感应熔炼炉和感应加热炉，常利用感应炉研制氮化硅等热量主要由电弧产生的电加热炉。用于人工合成云母、生产氧化铝空心球及硅酸铝耐火纤维优质保温材料等。
(4)电子束炉
利用高速运动的电子能量作为热源来加热的电炉，又称为电子轰击炉。电子轰击加热器已经用来加热高温x-光粉末照相机中的试样，用电子束加热浮区熔化法制备高熔点金属单晶如超纯钧单晶纯度99.9975%),用电子束加热硅单晶炉和用电子束熔炉。另外，电子束用于焊接、蒸发镀膜、热处理等方面。
(5)离子炉
利用电能所产生的等离子体的能量来进行加热的电炉。火焰窑炉能达到的温度有一定的限度，通常不超过2000℃。可是，等离子体利用一部分电离能，故很容易地达到10000℃以上的温度。
2.高温倒焰窑
倒焰窑主要是以煤和油为燃料，这些燃料燃烧而获得能量。它的结构包括3个主要部分窑体（有圆窑和矩形窑）、燃烧设备和通风设备，其内部示意图如图1所示。将煤加进燃烧室的炉栅上，一次空气由灰坑穿过炉栅，经过煤层与煤进行燃烧。燃烧产物自挡火墙和窑墙所围成的喷火口喷至窑顶，再自窑顶经过窑内制品倒流至窑底，由吸火孔、支烟道及主烟道向烟肉排出。在火焰流经制品时，其热量以对流和辐射的方式传给制品。因为火焰在窑内是自窑顶倒向窑底流动的，所以称为倒焰窑。
图1.倒焰窑整体示意图
3.梭式窑
梭式窑是一种窑车式的倒焰窑，其结构与传统的矩形倒焰窑基本相同。烧嘴安设在两窑墙上，并视窑的高矮设置一层或数层烧嘴。窑底用耐火材料砌筑在窑车钢架结构上，即窑底吸火孔、支烟道设于窑车上，并使窑墙下部的烟道和窑车上的支烟道相连接，利用卷扬机或他牵引机械设备，使装载制品的窑车在窑室底部轨道上移动，窑车之间以及窑车与窑墙之间设有曲封和砂封。梭式窑结构如图2所示。
窑室内容车数视窑的容积而定，小容积梭式窑容车一、二辆，大容积梭式窑在宽度方向上可并排放两辆窑车，在长度方向上可排四辆或更多的窑车。
图2. 梭式窑结构如图
梭式窑可在窑室长度方向上的两端都设置窑门，在窑外码装好制品的窑车由一端窑门推入窑内，制品烧好并冷却至一定温度后的窑车从窑室的另一端推出，接着把另外已装好制品的窑车推入窑室内；也可是在同一侧的同一窑门推入，烧结冷却后推出，像书桌里抽屉一样在窑内来回移动，所以又称为抽屉窑。
因为制品是在窑外装车、卸窑车，且易实现机械化操作。所以与传统的倒焰窑窑内装、卸制品相比较，大大地改善了劳动条件和减轻了劳动强度。
4.钟罩窑
钟罩窑是一种窑墙，窑顶构成整体像一个钟罩，并可移动的间歇窑，故称为钟罩窑。其结构基本上与传统的圆形倒焰窑相同。烧嘴沿窑墙圆周安设一层或数层，每个烧嘴的安装位置都是火焰喷出方向与窑横截面的圆周成切线方向。钟罩窑常备有两个或数个窑底，在每个窑底上都设有吸火孔以及与主烟道相连接的支烟道。窑底的结构分窑车式和固定式两种。窑车式钟罩窑在使用时，先通过液压设备将窑罩提升到一定的高度，然后将装载制品的窑车推入窑罩下，降下窑罩，严密砂封窑罩和窑车之间的结合处，即可开始烧窑。固定底式钟罩窑在使用时，利用起吊设备将窑罩吊起，移至装载好制品的一个固定窑底上，密封窑罩与窑底，即可烧窑。制品将烧成并冷却至一定温度之后，便将窑罩提升，推出窑车，再推入另一装好制品的窑车；或将窑罩吊起，移至另一固定窑底上，继续烧另一窑制品。
图3.钟罩窑示例
钟罩窑是在窑外装卸制品的，与传统的倒焰窑比较，大大地改善劳动条件和减轻劳动强度。同时，与梭式窑一样，使用高速调温烧嘴以提高传热速率，缩短烧成时间，提高产品质量，节省燃料消耗量，尤其是使用轻质耐高温的隔热材料为窑衬，不但减少窑体向外散热和蓄热量，而且大大地减轻窑罩的金属钢架结构和起吊设备的负担，并且可以像梭式窑一样采用程序控制系统，实现窑炉升温各阶段的自动控制。
还有一种可以变更窑室高度的钟罩式窑，窑墙、窑顶可以利用起吊设备单独吊起，并且窑墙是分圈砌筑的，可根据焙烧制品的高度需要而灵活地装拆，以变更窑室的高度。因为窑墙的结构就像一个个蒸笼一样，故又称这种窑为蒸笼窑。
5.sps烧结炉
sps烧结炉是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是电离气体，由大量正负带电粒子和中性粒子组成，并表现出集体行为的一种准中性气体。等离子体是解离的高温导电气体，可提供反应活性高的状态。等离子体温度4000~10999℃，其气态分子和原子处在高度活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。sps烧结炉主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统（真空、氨气）;直流脉冲电源及冷却水、位移测量、温度测量和安全等控制单元。sps烧结炉的基本结构如图4所示。
图4. sps烧结炉的基本结构
sps烧结炉与热压（hp)有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。sps烧结炉是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热法，热效率极高，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。sps烧结炉烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质（如去除表层氧化物等）和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。
本文整理自由武汉理工大学出版社出版的《先进陶瓷工艺学》p131-135主编刘维良