这些砖为何而爆裂?

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这些砖为何而爆裂?
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存在的问题笔者最近在某烧结砖厂看到卸完砖后的窑车上有很多爆裂的砖块，每辆窑车上多则有数百块爆裂砖，少则有一百多块爆裂砖（见图1）。                                这些砖爆裂的断面形状多为弧形，且绝大多数断面上可见黑心或还原色痕迹，有的掉了顶面，有的则在大面纵长方向上呈弧形断裂（见图2）。                                同时也看到一些已经断裂的砖块上或是有过烧现象的砖块上分布着很多裂纹，在没有卸下的烧成后砖垛上也能看到有裂纹的砖（见图3）。


图 1

图 2

图 3据该厂管理人员以及隧道窑焙烧操作人员讲，这些爆裂现象多发生在进车时，站在隧道窑顶上或是在进车端都能听到爆裂的响声，犹如放鞭炮一样。在此情况下，只好延长顶进窑车的时间，减少隧道窑的排烟闸的使用数量，以及压低排烟闸的高度。虽然如此，还是避免不了爆裂的发生，从而造成该隧道窑的产量非常低，有时一天仅能生产出成品砖3万块左右（3.3m宽断面的隧道窑）。
该厂是在2008年建成的一次码烧隧道窑。隧道窑总长度仅为90m，干燥室与隧道窑等长，而且是并列连体布置。
但是在建设中焙烧隧道窑以及隧道干燥室，均存在着很大的不合理结构形式，例如，焙烧隧道窑的排烟孔（俗称“哈风洞”）与窑车坯垛通风道不对位、隧道窑的长度（仅90m长）与所使用的原材料性能不匹配（主要是黄土高原地带的红黏土以及少量的黏土岩碎屑，不像某些页岩一样可适应于快速焙烧）、隧道干燥室的送风道截面尺寸过小以及送风位置的偏离等问题，建成后使用效果一直不好，有时干燥室还出现倒塌。
被逼无奈，只好采用过稀的码坯密度（每立方米约为215块），勉强维持生产，三年来一直是产量低下，热耗很高。于2012年初对上述的不合理结构进行了改造，虽然此次改造并不到位，但是与之前比较通风效果明显增强，产量也有所提高，如干燥效果大为好转，坯体再也没有出现倒塌现象，坯体干燥的程度也大为好转（残留含水量降低）。正在该砖厂老板高兴之时，爆裂的砖出现了。
由于当地烧结砖的售价很好（普通实心砖0.35元/块），而且供不应求，拉砖的运输车辆排队等候，已经售出的砖不能及时交付给用户，欠用户砖已经超过百万块，很多人拿着钱来也买不到砖（该厂不敢开票销售，唯恐不能按时交付给用户）。该砖厂的管理者非常着急，前后调整排烟闸高度，轮换开启或关闭远近位置上的排烟闸，想尽办法调整焙烧带火头与排烟闸之间的距离，调整排烟风机扇形闸阀的大小，改变码坯形式等。
但是这些措施无一凑效。因为该厂的管理者以及隧道窑的操作工都认为是在坯体进入预热带后引起的爆裂。实处无奈，只有一再降低进车速度，产量一直提不起来。
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爆裂出现的主要区域
从这些爆裂砖的断面颜色分析，应是在冷却阶段强制的过急冷却而造成的爆裂，因为绝大多数断裂面上呈现出黑心或是还原色彩痕迹，只有非常少的断裂面呈现出砖红色（应是在预热带爆裂的）。
据此现象，立即查看了出车端的冷却状态。正如所料，因为要砖的人太多，就抢先出窑车，竟然将窑内的窑车提前掏出了8辆；来到隧道窑顶查看，在距出车端约30m左右就高提抽余热闸，进行强制性急速冷却。须知：这一隧道窑全长仅为90m，掏出8辆窑车后，等于将窑体的长度缩短了24m（窑车长度为3m），焙烧过程中的实际长度仅剩了不足66m（因在进车端至少还有一个车位没有纳入真正意义上的预热带，其中还要包括坯体的预热、高温焙烧、保温、冷却各个阶段），这样的隧道窑对焙烧主要成分为黏土的坯体来说确实是太短了。
再说坯体进入隧道窑后，仅经过了60m左右（该厂窑车长度为3m，如果按1小时进一车计算，其预热、高温焙烧、保温过程仅在20个小时内就必须完成），就进行强制性急速冷却，这也与坯体的性能（粘土实心砖）不相适应。因此造成了在冷却过程中的爆裂。当问及为何这样操作时，他们回答：“因为爆裂的出现，排烟闸不敢提的太高，也不敢提的数量太多，焙烧中底火很弱，掏出8辆窑车后，底火好些。
”还有，为了保证底火，隧道窑的操作中使用了距火头较近的排烟闸。实际上，后面出车端掏窑车，前面使用近闸，这就等于将该隧道的有效工作长度缩短到了不足60m。这样的操作方式，无论如何也不会烧出好砖的。
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初步调整措施及效果
根据这种情况，笔者建议立即改变操作方式，远提排烟闸，延长预热带；不允许掏窑车，将冷却带向出车端延伸（即将抽取余热闸向后提）。经过约24小时后，这些措施的效果显现，每辆窑车上的爆裂砖大大减少，从数百块减少到只有七、八块。但是，成品砖上仍然有裂纹，特别是稍微有点过烧的砖上，表现尤为明显，正如图3中所示。
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爆裂产生原因分析
笔者从原材料开始对其生产工艺过程进行了查看。该厂使用的原材料主要是黄土高原地带的红黏土以及少量的黏土岩碎屑。其红黏土的颗粒非常细腻，用手指捻搓几乎感觉不到砂粒的存在。使用的内燃料为低热值煤（发热量约在12540~14630kJ/kg之间），加入量约为原材料体积的8%。

原材料处理系统为“两辊两搅”工艺，在第一道对棍机前加有滚动筛，筛出较大的黏土团块。成型采用的是西北地区某砖瓦机械厂生产的紧凑型50/45真空挤出机组。成型过程中的真空度约在60~70%之间，挤出机主轴转速为28转/分钟。检查挤出的坯体时发现，坯体中螺旋纹（不规则弧形裂纹以及大S—形裂纹）非常严重。
查看正在修复的螺旋绞刀时发现，该挤出机螺旋绞刀头的副叶过小，而且主叶与副叶的焊接位置差别太大，在轮毂处相互错位竟达10mm以上；主叶片宽度与副叶宽度也相差14mm，主叶宽度大而副叶宽度小；螺旋叶片表面耐磨焊层的焊接方向也搞错了，加大了挤出过程中的阻力。这种不合理的螺旋绞刀头结构是坯体中出现大量螺旋纹的主要原因。该螺旋绞刀头见图4所示。


图 4
其次，该厂坯体原材料中的骨料性颗粒太少（即细颗粒成分的物料太多，原材料太细），也在一定程度上促使了螺旋纹的形成。
由于坯体成型过程中形成了严重的螺旋纹（不规则弧形雷纹或是S—形裂纹），在干燥之后还不能明显地表现出来，而在焙烧过程中，坯体内部总是在早已形成的螺旋纹的位置上连接强度最弱，由于温度应力的作用，或因预热升温过急，或因冷却过急，就会在沿着强度最弱的、螺旋纹的位置上（或沿螺旋纹的方向上）爆裂。如上所述，爆裂的断面绝大多数呈弧形，无论是断掉顶面的形状，还是沿大面纵长方向上的断裂，都是如此（参见图2）。
这就说明，坯体中最薄弱的强度分布区域，均处于早已形成的螺旋纹上（有螺旋纹，就有滑移面）。在有螺旋纹存在的区域上，其强度不能够抵御预热升温或是冷却降温的热冲击力，从而导致了爆裂。这种分析已经实践证明是正确的。如上所述，将预热带、冷却带分别延长之后，爆裂砖出现的几率大大减少。但是还没有完全消除在预热带偶尔出现的爆裂。
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预热带产生爆裂的原因分析
在预热带出现的爆裂虽说不多，细分析起来也有三个方面的原因：一方面是由于码坯密度过稀（215块/M3），隧道窑内预热带热空气流动速度过快，易于造成坯体升温过急，引发爆裂；另一方面是在该隧道窑设计建设时，选用了过大的排烟风机（16号锅炉离心引风机，配备动力为55kW；该风机同时也兼作干燥室的送热风机），抽力过大，也易于造成预热带内空气流动过快，而引发爆裂；最后，也就是根本的原因——坯体中存在严重的螺旋纹（或称为分层滑移），造成了坯体中许许多多的强度薄弱接合点，在预热过程中由于温度应力的作用或是由于坯体内部气体逸出形成的应力作用，而导致爆裂。
对于在预热带产生爆裂的原因分析中，没有提及干燥后坯体中残留含水量的高低。这是因为该厂的干燥室经改造后，其干燥效果很好，坯体基本上干透了，因此预热带产生爆裂的原因与坯体的残留含水量关系不大。
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总体改进建议及取得的效果
鉴于上述分析，建议：
1．应首先改造该挤出机的螺旋绞刀头、机头（过于短，仅210mm长，且四角角度相差很大）；其次在原材料中添加适当的粗颗粒成分，将坯体中出现螺旋纹的程度减少到最小化，从根本上消除产生爆裂的诱因；
2．应适当地增大码坯密度，限制预热带空气流动过快。
在仅仅更换了螺旋绞刀头之后，虽说螺旋纹还没有从根本上完全消除，但是已大为好转。仅此措施的实施，就基本上消除了预热带出现爆裂的现象。如果新的机头更换后，加之在原材料中添入一些粗颗粒组分，其效果还会更好些。
由于该厂隧道窑产量一直低，虽说通过上述操作措施的改进，挤出机螺旋绞刀头的改造，基本上消除了爆裂之后，产量现在可达到每天6万块左右，但是该隧道窑的产量仍然有进一步提高的空间，例如，适当增加码坯密度，从现在每车码坯3040块增加到每车码坯3350块，在同样的进车速度下，每天就可增加产量7000多块，同时也限制了预热带空气流动过快的问题；再是，如果能够保证每小时进一车的进车速度时，每天的产量就可达到8万多块。此时的焙烧周期约为30个小时左右，这对于以黄土高原地区的黏土为原材料的坯体焙烧过程来说，也是较快的。
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老板的反思
据该厂老板讲，在建设这一隧道窑之初，也犹豫了很长时间。在烧结砖厂劳动力越来越难雇用的压力下，于2008年还是下了决心来建设一次码烧的隧道窑。但是因对隧道窑的基本结构和操作原理不懂；对哪里能够设计和建造出好的隧道窑的信息根本不了解。听信了社会上某些“游猎”人士的“花言巧语”，就将如此重要的事情交给了某一个人（根本不懂隧道窑）来设计。
此人将一个3.6m的隧道窑图纸和一个3.3m的隧道窑图纸在施工现场进行拼接，结果是错误百出，窑车尺寸与隧道窑焙烧道尺寸、排烟孔尺寸、预热抽取孔尺寸、干燥室内的送热风孔尺寸、烟道和热风道尺寸等等都不对位，有的尺寸过小，而有的尺寸过大。最要命的是隧道窑长度太短，很难操作掌控，造成了投产后3年中产量低，煤耗高，没有效益。当初认为，正规设计院来做这样的隧道窑设计，要多花钱。但是现在看来，3年中没有产量，生产成本又高，反而花了更多的钱，耽误的效益根本无法计算了。
况且在这3年中，除没有赚到钱外，自己的精神压力真是无法用语言来表达。
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结束语
实际上，从一个烧结砖厂工艺路线的选择、原材料处理以及成型机械设备的选择、隧道干燥室和隧道窑的设计上来讲，除了老板所讲的外，该厂还存在着许多原则性的大问题。
行业内一位资深人士讲到：“除去管理因素之外，一个有好隧道窑的砖厂，不能说是一个好砖厂；一个有好隧道窑和好设备的砖厂，也不能说是一个好砖厂；只有从原材料开始一直到成品各个工艺环节都好的砖厂，才能算是好砖厂。”这就说明，烧结砖厂是一个系统工程，必须以系统工程的概念和眼光去设计、建造砖厂。
该厂一次码烧隧道窑建起都3年时间过去了，对自己所有的原材料性能还没有进行过任何检验，就连自己所用原材料的可塑性指数都不知道，更谈不上合理的焙烧制度（曲线）了。对于某种特定的原材料和产品来说，是否适合于一次码烧工艺，是有条件的，如该厂所处当地非承重空心砖（砌块）的销售价格非常高，老板想生产这类产品，但是该一次码烧工艺就不能满足这种要求（坯体码高的限制以及挤出成型设备的限制等）；特定原材料和产品的焙烧性能所要求的焙烧周期是一定的，也就是说在确定产量的前提下，隧道窑都应该有一个最低的长度要求，如该焙烧隧道窑设计过短，现在要想进一步提高产量就非常困难。在这样的工厂中，管理者整天忙于应付处理各种问题，如何能够有效地组织生产？又如何能够保证产品的质量和产量呢？
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