隧道窑还原气氛烧制工艺

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1.前言

世在烧结砖瓦制品中，还原气氛是指燃料在缺氧条件下燃烧，生成含有CH4、CO、H₂等还原性气体而含氧量很低的气体氛围。一般来说，砖瓦原料中的铁元素在窑内氧气充足的情况下被氧化成红色的赤铁矿(Fe₂O₃)，这是砖瓦通常显红色的原因。如果窑内制品在氧气不足的情况下烧制，生成的CH4、CO、H2等还原性气体和Fe₂O₃;

反应生成磁铁矿(Fe₃O4)，其颜色暗，通常呈青灰色。有时候还会生成氧化亚铁(FeO)，这是铁的氧化物中氧含量最低的化合物，颜色也很暗。根据窑内发生反应时的温度和还原时间，铁的几种氧化物会以不同的比例存在。

在还原气氛下，烧结黏土制品可以产生各种各样的颜色甚至单一一制品呈现多种颜色的相互作用。可以生产在现代建筑中各种受欢迎的颜色。通过还原气氛的控制，烧结砖瓦制造商不仅可以通过制品外形性能来区别，更可以通过变幻各种颜色来突出其产品的吸引力。颜色的改变是坯体本身具备的属性，不需要使用釉料或原料添加剂来实现。这种坯体本身烧制后呈现的颜色有如下特点:

a．颜色的变化是连续的，通过合理操作，控制还原气氛来控制还原程度，理论上可以产生由浅到深的无数种色彩变化(如图2所示)。

b. 这种颜色是由内至外的，色彩鲜艳，不会随着时间的推移或者产品的磨损而改变。还原气氛烧制制品，得到的颜色穿透度高，但是其烧结工艺较普通氧化气氛工艺更加复杂，控制精度要求更高，必须考虑一些特殊的方面。接下来阐述如何在普通隧道窑的基础上实施还原气氛烧结所需的措施。

2  隧道窑还原气氛烧制工艺需要什么

隧道窑的烧成带在燃料过量的情况下，会导致氧气不足，生成CO等还原性气体。这就是还原气氛。现在习惯把燃烧气体中CO含量在4%以下称弱还原气氛，把CO含量在4%以上称重还原气氛。在这种情况下，还原性气体会和氧化铁发生反应，CO夺走氧化铁中的氧，转化为CO2，铁则被还原。当然，在窑内的燃烧气体中的碳粒子也有还原作用，但碳粒子的还原作用比CO的还原作用要弱得多，因为碳粒子与氧化铁之间的作用是属于固相反应，而CO与氧化铁的作用属于气相与固相的反应，在相同的条件下，后者的反应必然比前者的反应强烈。因此，一般窑内还原气氛的控制，都以改变窑内的CO含量来实现。

在传统的隧道窑中，在窑的末端，通过空气强制对流系统(逆风扇风机)将冷却空气吹人窑中。部分空气再次进入窑底和顶部的烟气排放系统中和热空气起排出。另一部分空气则留在窑内，并沿着窑内通道流人烧成带然后与来自燃烧带的烟气混合。正是这种富含氧气的空气会抵消在燃烧区持续形成的  还原气体，大大降低还原效果，还原气氛“随风而去”。

因此有必要在很大程度上防止这种空气流动。为了实现这一点，需要额外设置一个支路管道。在冷却带抽热风机和还原区域之间抽出空气并送入预热带重新进行调整，这部分空气的温度大约在450℃。这个温度的空气可以用在预热区中预热砖坯。关于这个支路管道的结构设计，为了能承受温要求，必须考虑几个特殊的技术特性。例如使用带内村耐高温的抽烟风机，充分考虑线性膨胀的管道以及强制送风的合适风机，这些部件需满足最高送风温度为800C的高温。

3  还原气氛隧道窑控制系统

隧道窑还原气氛烧制工艺中，以下几点关键过程的控制是最重要，这些参数决定了过程的成功与否:

a.窑内压力调节

b.烟气通风调节

c.燃烧器系统的温度调节

d.冷却带调节以及烟气排放系统调节

为了获得还原气氛，隧道窑内压力调节非常重要必须通过控制系统严格监测起来。为什么这样做?例如，一旦压力控制系统开始调节以达到设定的压力值，它通常会略微超过设置默认指标。这导致压力值轻微波动，这些轻微的波动在氧化气氛燃烧中根本不会造成任何问题，但在还原气氛烧制工艺中会导致严重的问题，零压面会偏移。因此，在还原气氛烧制工艺中，通常的控制系统不适用。需要根据窑车推进速度，实时在电脑控制端窗口指定命令调整窑炉压力参数。隧道窑的前后带零压面，对窑炉还原气氛烧成制度影响较大，它直接影响全窑烧成曲线的位移情况，因此应对预热带送热系统，烧成带排烟系统以及冷却带抽热系统进行精确控制，从而稳定了压力，控制窑内产生适合还原气氛的最佳压力平衡。

对于燃烧器系统，为了保证在还原带具有一定的CO气体含量，因此不但要控制窑内压力，而且还要控制CO含量。众所周知，还原带的温度并不是和燃料成正比的，在不完全燃烧的情况下，燃料增减并不会引起温度的灵敏变化，有时还会出现燃料的增减与温度呈反比的现象，这样就会引起监测系统仪表的误判断，而且会出现恶性循环，最后导致整个控制回路失灵，针对这个情况我们采取对两个参数的控制来解决这个问题。一方面用检测该点温度来控制喷嘴的燃料进人量，另一方面用检测该点气氛(即CO含量)来控制喷枪的进风量。这样两个点同时进行检测控制，可以达到对还原带温度、气氛控制的目的。

为了获得还原气氛，所使用的高速燃烧器设定为缺氧燃烧模式。这里重要的是，燃烧器的整个设置参数要根据不同情况进行调整，做到实时监测控制，确保在整个输出范围内保持还原气氛正常，并且不会发生富氧燃烧的情况。由于这通常不能通过标准燃烧技术来实现保证，霍尼韦尔公司研发了全新的适合还原气氛烧成的燃烧器及相关部件，即带伺服电机的空气阀，带控制管路的平衡压力调节器，以及配套的阀门和BCU。

以便在整个输出范围内实现恒定A值的要求目标。为此，霍尼韦尔公司做了大量的测试，在燃烧器试验台上进行各种参数的燃烧试验，制造出自我调节控制的燃烧器。例如，该燃烧器可以在推车过程中，根据窑内气氛压力及温度的变化情况自行调节燃烧器输出，以保持窑内各项还原气氛指标恒定                              

5  建造

在建造方面，对于还原气氛的窑炉，必须考虑到特殊的性质。当窑车进出时，人口和出口气幕对于保护窑炉免受外界影响非常重要。为了将还原气体保留在其应有的地方，在窑中窑结构用膜密封。选择的材料是聚四氟乙烯，这种材料可以承受温度负荷。再用耐高温的材料确保各个薄膜元件之间的密封。窑车底盘区域采用Keller车轮冷却系统进行冷却。为了保持窑车与窑内的密封，使用经过验证的砂封曲封双端密封。

6 产品

在还原气氛烧制的情况下，可以获得深青色的产品颜色，其颜色渗透深度高可以达到完全着色。这些产品目前在现代建筑中很受欢迎。图5是由Keller建造的还原气氛隧道窑烧制的典型产品。由Keller制造的还原气氛隧道窑中，可以连续生产别具特点的现代产品。不仅可以通过它们的形状突出产品的吸引力，而且以其独特的视觉外观备受广大客户青睐。合理科学的建造和正确的工艺选择可以轻松实现隧道窑还原气氛烧制青砖。

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