制砖原料的性能分析讨论

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我国制砖原料种类繁多，西部的陕西、甘肃、新疆、青海和中部的河南、河北、安徽等省市以黏土原料为主，再加入内燃料生产黏土烧结砖；西部的云南、贵州、四川、广西及东部沿海省市以页岩为主，生产页岩烧结制品；东北及陕西是我国煤炭生产的主要区域，以煤矸石为主，生产煤矸石石砖；粉煤灰和炉渣作为电厂废渣，各地均有以粉煤灰和炉渣为内掺料或以粉煤灰主的混合料生产烧结砖或蒸压砖。

近几年，国家加大了工业废渣利用力度，各地陆续建设了一些污泥、江河淤泥、化工厂气化渣等生产线，实地投入运行后，存在出多问题，原因是多方面的，但未对多变的原料进行系统的试验分析是其中主要原因之一。

自然含水率   自然含水率是原料中水的质量占原料总质量的百分比，由于我国地域、季节和气候条件的差异，制砖原料含水率波动范围也比较大。如果制砖原料含水率过高，就无法满足一次码烧要求。另外，含水率不同，对工艺设备和干燥技术参数也要做相应的调整，甚至将一次码烧改为二次码烧工艺。
   一次码烧工艺自然含水率一般应低于17%，这是因为硬塑挤出成型（成型含水率12%~17%、挤出压力1.8MPa以上）和湿坯体强度的要求所决定的。根据资料介绍，高度1.4m的坯垛，施加在底层坯体压力为0.45～0.5kg/cm²；高度为1.8m的坯垛，底层坯体压力为0.6kg/ cm²。有效地控制自然含水率，也是为了满足一次码烧硬挤出成型的前提。如果自然含水率超过硬塑成型含水率，挤出机生产时压力和真空度就会受到影响，给后续码坯等工艺环节带来不利因素，除脱水外，能耗也会增加。含水率过高，码坯时重压会使坯体上下连接更紧密，气流很难进入受压部位，也不利于干燥焙烧，加重产品条面压痕及降低底层产品合格率。
可塑性   对于一次码烧工艺来说，可塑性性能非常重要。原料与适量水分拌和捏练制成的泥团，在外力作用下泥团可以塑造成任何形状，当外力移除后，能永远保持其形状。一次码烧隧道窑在设计建设时，原料这种性能称为可塑性。根据瑞典农学家阿托伯格（Atferbeig）定义，判别塑性好坏的指标是塑性指数，而塑性指数为液限与塑限之差，塑限表示原料被水湿润后形成水化膜，使原料粒子能相对滑动而产生可塑性的含水率，所谓塑限高，说明原料粒子的水化膜厚，需要工作水分高，可塑性好。液限反映黏土粒子与水分子亲和力的大小、液体介质的表面张力和黏度等，液限高说明粒子很细，在水中的分散度大。塑限低而液限高的原料，如果没有瘠性料塑化，不宜采用一次码烧工艺。
  可塑性指数实际上就是原料形成可塑泥团的水分变化范围。指数大则成型水分范围大，其结合为也愈大，成型时不易受环境湿度及模具的影响，即挤出成型性能好。一般情况下，塑性指数高的制砖原料，干燥收缩大，敏感系数高，不适宜一次码烧工艺而应当选择二次码烧工艺。低塑性原料一般情况下干燥收缩值较小，敏感系数也低，即适合二次码烧工艺，同样也适合一次码烧工艺。如果从工程造价和生产成本讲，可以优先考虑一次码烧工艺。
  制砖原料中矿物高岭石、蒙脱石、多水高岭石、水云母等对塑性影响不同，前者大，后者次之。原料颗粒越细，比表面积越大，毛细管半径越小，可塑性就越高，表1数据也说明了这一点。颗粒形状对塑性也有影响，板状和短柱状颗粒的比表面积比等轴状的要大得多，移动阻力增大，其可塑性也好。除此之外，前叙的液体介质表面张力和黏度愈大，可塑性也越高。一次码烧制砖可塑性指数控制在5.5～12之间为宜。
颗粒组成   原料的颗粒组成，直接影响到制砖原料的可塑性、干燥收缩、气孔率和烧成收缩率。我国目前采用国际上许多国家常用颗粒分级，大于0.02mm为砂粒，没有黏住，在干燥和焙烧过程中起骨架作用，影响坯体成型，含量高时会降低可塑性指数，不利成型但却有利于干燥，焙烧温度也有所提高；0.02～0.002mm为尘粒，有一定的粘结性，在坯体成型和焙烧过程中，一方面起骨架作用，另一方面起填充作用；小于0.002mm为粘粒，粘结性能好，干燥后结合力强，在坯体成型和焙烧过程中起填充作用，与水作用产生可塑性。原料中小于0.001mm颗粒愈多，则可塑性指数愈高，干燥收缩愈大，干后强度愈高。但含量不宜过高，否则会影响干燥性能。表1列出墙地砖黏土颗粒大小对物理性能的影响实验，从中可看出：平均颗料在1.1um以上时无法正常成型，小于0.14um对成型非常有例，但对干燥性能另当别论。
  对于一次码烧工艺来说，砂粒、尘粒和粘粒三组粒度要有合适的比例，它是制砖原料工艺性能最主要的指标之一。德国教授温克勒尔于1954年就研究了适用于各种砖瓦产品的原料组成，砖瓦杂志也曾发表过1973年原西德砖瓦研究所的施密特统计公布的146种砖瓦原料粒度组成及绘制成的三角形，供大家查阅和做出颗粒及配是否合适的粗步判断。
一次码烧工艺与二次码烧工艺比，通常采用高真空，高压力硬塑挤出成型，含砂粒可在粒度范围内取高值，粘粒可去低值，即实心砖砂粒含量不大于70%，尘粒和粘粒不小于30%；多空站砂粒含量不大于60%，尘粒和粘粒不小于40%；空心砖和空心切块砂粒含量在8%~48%之间，尘粒在10%~47之间，粘粒不小于23%；薄壁空心砌块砂粒含量在6%~45%之间，尘粒在30%~47%之间，粘粒不小于25%。有关颗粒组成详细论述请查阅资料，这里不在详述。
表1 黏土颗粒大小对物理性能影响

颗粒平均直径/um	100g颗粒的表面积/cm²	干燥收缩1%	干燥强度/MPa	相对可塑性
8.50	130×10³	0	0.46	无
2.20	3920×10³	0	1.4	无
1.10	7940×10³	0.6	4.7	4.40
0.55	17500×10³	7.8	6.4	6.30
0.45	27100×10³	10.0	13.0	7.6
0.28	38800×10³	23.0	29.6	8.2
0.14	71000×10³	30.5	45.8	10.2

注：数据来源于1983年中国建筑出版社《陶瓷墙地砖生产》一书。
干燥性能   当原料符合制砖要求时，烧结砖产品的一次码烧工艺生产线，其干燥性能比烧成性能更为重要。一次码烧工艺的干燥性能主要包括干燥收缩、干燥敏感性、临界含水率和理想干燥制度。干燥收缩指坯体干燥脱水过程中发生的收缩现象，未干燥的坯体，可以看成由连续的水膜包围原料颗粒所组成。随着水分的排出，颗粒开始靠拢，使坯体发生收缩。水分不断排出，坯体不断收缩。当坯体各颗粒之间相互连接后，坯体基本上不再收缩。再继续排出水分，仅增加坯体的气孔率。收缩值的大小，依原料的性质及成型水分而定，一般来说，成型水分高可塑性高的原料干燥收缩大一些；同种原料及同种工艺参数，成型水分增加，干燥收缩也会增加。对于一次码烧工艺，原料的干燥线收缩做好小于4%。
   干燥敏感性反映了坯体干燥过程中产生开裂的倾向。对于一次码烧工艺来说，干燥敏感性比干燥收缩性更重要。能否实现一次码烧和快速干燥就在于干燥敏感系数的高低。干燥敏感性系数的高低，与原料本身的矿物组成、颗粒级配及收缩值大小有关。就主要原料看黏土干燥敏感系数较高，页岩和煤矸石干燥敏感系数较低。特别是南方一些黏土必须掺入低塑性原料来降低干燥敏感系数，才实现一次码烧工艺。陈化后的原料可以降低干燥敏感系数。虽然陈化后原料塑性指数提高，干燥收缩值也有所增长，但其抵抗收缩应力的能力也随之增加，反而干燥过程中产生开裂的倾向降低。 临界含水率是坯体表面自由水分已基本蒸发，只存在大气吸附水，坯体收缩已基本停止的状态，它是干燥技术中重要工艺参数，也是进行一次码烧干燥设计和实际生产中调整干燥制度的重要依据。众所周知，当坯体内水分小于临界含水率以后，可采取加快干燥速度的措施，坯体也不会产生裂纹，但在临界含水率以前，干燥过程要特别小心，以防出现裂纹。由于临界含水率是坯体表面停止收缩时的平均含水率，影响其值最根本的原因是原料本身的性质。
另外，采用硬挤出成型设备，成型水分低，坯体密实性提高，干燥周期显著缩短。除此之外，空气湿度、温度、流速及坯体的厚度，都会影响临界含水率指标。根据试验所得，空气温度在35℃，流速在2.14m/s不变的情况下，空气相对湿度由18.7%提高到75.8%，临界含水率由20.1m/s下降到11%，说明过高的湿度对临界含水率影响很大；空气相对湿度在37.3%，流速在2.1m/s不变的情况下，空气温度由15℃提高到45℃，临界含水率由15.2%提高到18.6%，说明相对较高的温度对干燥有利；空气温度在40℃，相对湿度在30%不变的情况下，空气流速由15℃提高到2.15m/s，临界含水率由9.8%提高到14.7%，说明相对较高的流速会提高临界含水率，虽加快干燥速度，但坯体产生裂纹的可能性增加；空气温度在80℃，相对湿度在30%，流速2.1m/s不变的情况下，试件厚度由6mm降到0.5mm，临界含水率由17.75%下降到8.8%。
这一结论对砖瓦来说，特别是不同规格产品有待进一步讨论。国家“七五”攻关项目，建设在哈尔滨第一制砖厂，同孔洞率多孔砖，90mm厚干燥效果和质量不如60mm,朔明相对较厚的产品对干燥不利。福建多条一次码烧页岩砖生产线，送风温度在150℃以上，采用一条干燥室，两条隧道窑烧成也非常成功，产量比同类窑型还要高一些。应该说通过实验和生产实践证明后，适合当地原料的干燥空气温度、湿度、流速的干燥制度才是最佳干燥制度。
焙烧性能     我国砖瓦产品外然焙烧所需的热量大部分用煤，而内燃所需热量用煤矸石，粉煤灰，炉渣和燃煤等。
     过剩空气系数：燃料燃烧要正常进行必须具备三个条件：一是要有可燃物，二是要有足够的空气量，三是燃烧温度要在燃料的着火温度以上，三者缺一不可。焙烧是燃料中的碳、氢、硫等成分在高温下与空气中的氧所发生的强烈氧化反应，为了保证燃料的完全燃烧，所需要的空气量要比理论空气量大的多，我们通常把实际供给的空气量与理论计算空气量的比值称为过剩空气系数。对于一次码工艺的烧隧道窑来说，过剩空气系数在4~6之间。过剩空气系数一定时，煤的燃烧所需空气量和烟气量通过计算确定，常用的可从表2中查得。

表2 煤燃烧时所需的理论空气量及烟气生成量 Nm³/kg

煤的热值kcal/kg	名称	过剩空气系数值
		1	2	3	4	5		6
3000	空气量	3.53	7.06	10.59	14.12		17.65	21.18
	烟气量	4.32	7.85	11.38	14.91		18.44	21.97
4000	空气量	4.54	9.08	13.62	18.16		22.70	27.24
	烟气量	5.21	9.75	14.29	18.83		23.37	27.91
5000	空气量	5.55	11.10	16.65	22.20		27.75	33.3
	烟气量	6.10	11.65	17.20	22.75		28.30	33.85
5500	空气量	6.06	12.12	18.18	22.24		30.30	36.36
	烟气量	6.55	12.61	18.67	24.73		30.99	36.85
6000	空气量	6.56	113.12	19.58	26.24		32.80	39.36
	烟气量	6.99	13.55	20.11	26.57		33.23	39.79
6500	空气量	7.07	14.14	21.21	28.28		35.35	42.42
	烟气量	7.44	14.51	21.58	28.65		35.72	42.79
7000	空气量	7.57	15.14	22.71	30.28		37.85	45.42
	烟气量	7.88	15.45	23.02	30.59		38.16	45.73

注：表格数据来源于1987年中国建筑出版社《怎样烧砖瓦》一书
       从表2可看出，煤的热值愈高，所需要的空气量及烟气量也越高，过剩空气系数愈高，空气量和烟气量的折算就越高，例如过剩空气系数为5时，煤的发热量从3000kcal/kg提高到标煤的7000kcal/kg，所需空气由17.65Nm³/kg提高到37.85Nm³/kg，烟气量也从18.44 Nm³/kg提高到38.16 Nm³/kg。过剩空气系数过高过低，都对窑炉焙烧不利。在焙烧过程中，空气进入焙烧带固然能加速燃料燃烧。提高烧成温度，但同时离开焙烧带时也要带走热量。如果隧道窑内过剩空气量过大。单位时间内被带走的热量过多时，就可能出现欠火砖。但空气量也不宜太少，但过剩空气系数控制在合理范围内十分重要。当过剩空气系数确定后，可按煤燃烧时的热值计算空气量和烟气生成量。
      我国一次码烧隧道窑大多数采用内燃焙烧，而且一煤矸石、炉渣等为主要原料的生产线采用超内燃一次码烧。现有内燃烧砖大多数存在黑心和条面压花，一方面是砖局部缺氧造成还原气氛，另一方面也是不完全燃烧所造成。要燃料完全燃烧，一是要有足够高的温度，温度提高到燃点以上时，燃烧才会放出大量热量。反过来加热砖坯和气体，窑内温度愈高则燃料加热升温愈快。着火后燃烧时间就愈短，二是要有足够的空气，高温条件下，燃料燃烧速度的快慢，主要由空气中氧分子对燃料中可燃物的氧化反应的速度和反应生成气体向外扩散的速度来决定，空气充足时氧化反应速度自然快，所以说超内燃一次码烧隧道窑比外燃隧道窑需要较大的空气过剩系数，也就是一定要有足够的空气量；三是要有足够的燃烧时间：燃料完全燃烧要有足够的时间来保证，特别是内燃烧砖，从表面看燃烧逐步向坯垛和坯体内部进行，需要的时间就要长一些。
      为什么超内燃一次码烧隧道窑烧成周期要长一些，道理也在于此，否则，无法完全燃烧。

一次码烧内燃烧砖要重视内燃料在坯体内通过坯体气孔与渗入的氧接触才能进行燃烧。焙烧时如果升温过急，坯体表面过早的烧结，氧气进入坯体内就很困难，内掺量的烧结就很缓慢，甚至终止氧气进入而无法燃烧。所以，在焙烧超内燃砖时，焙烧带前段要控制好烧成升温速度，避免坯体表面烧结，甚至液化，保证氧气畅通进入坯内成为关键。特别是煤矸石超内燃烧砖，升温周期要适当加长，让热量充分燃烧释放利用，否则，严重黑心再所难免。

根据传导、对流和辐射三种传热方式，对于一次码烧隧道窑来说，一是要注意预热带热能从砖坯表面传导至中心，使砖坯内部温度随表面温度升高而升高。而在冷却带热能从砖坯内部传至表面，使砖坯内部温度随表面温度降低而降低。如果坯体的导热性能愈好，传热就愈快。如果坯体愈厚，传热就愈慢。二是要注意对流传热中气体的流速，流速愈快，对传热越有利。内燃烧砖“稀码快烧”的成功经验，就是减少坯垛阻力，使窑内气体流速加快，强化对流传热过程。三是要注意气体愈坯体之间辐射热传热方式。对于一次码烧隧道窑内燃烧砖来说，辐射传导热在坯垛密码时，坯体向气体的辐射传热增多，反之减少。隧道窑预热带热气体以对流方式为主，将热量传给砖坯，砖坯表面以传导方式将热量传至内部；

冷却带内以对流方式为主与砖坯传热，砖坯内部又以传导方式将热量传到坯体表面；焙烧带分两种情况，一是外然烧砖时热气体以辐射热将热量传给砖坯，砖坯又以传导方式使热量由表面传至内部，直到砖坯温度升高到烧成温度，这一传热过程比较缓慢，为什么外燃烧砖火行速度低于内燃烧砖的原因也在于此；二是内燃烧砖热量不但通过砖坯以辐射热的形式传给坯体，更为重要的是砖坯之间同样以辐射热的形式，可迅速提高焙烧温度；，加快焙烧，产量较外然一次码烧要快一些。从以上隧道窑三种传热方式可以看出，焙烧过程中并不是以单一传热方式进行，而往往以二种或三种综合传热的方式存在。

从焙烧原理讲，一次码烧首先要注意坯体在焙烧中的变化，特别是石英在不同温度下晶体的转化和体积收缩膨胀的变化，否则体积的突然变化所产生的应力将导致制品开裂。再就是物理化学变化。

制砖原料在600~1000℃物理化学变化进行得很剧烈；450~550℃时，CaO和Fe2O3发生反应生成铁酸钙，温度继续升高时铁酸钙又转变为铁酸二钙；在600℃时MgO和Fe2O3发生固相反应生成镁铁矿；在700℃左右氧化铁与氧化硅形成铁橄榄石（2FeO•SiO2）；在800℃时Al2O3同Fe2O3发生反应生成Fe2O3•Al2O3混晶；在900℃左右生成K2O•FeO•3SiO2的共熔化合物；在930~970℃之间碳酸钙分解为氧化钙，并放出大量CO2气体；在800~1100℃高温下，固相内形成铁铝酸钙（Ca2AlFeO3）.这些硅酸盐熔融物与未熔化的其他矿物相互牢固的粘接在一起，在冷却时重新结晶而变成坚硬的砖产品。再就是砖制品的烧成温度，一般来说二氧化硅和三氧化二铝含量高，颗粒粗的原料，助溶剂氧化钙、三氧化二铁、氧化钾和氧化钠含量少，烧成温度高。反之则烧成温度低。可以用产品饱和系数值来初步判断烧成温度是否合适。

0.8饱和系数一般认为是极限值，饱和系数愈小，说明制砖品愈致密，耐久性愈好；饱和系数愈大，说明制砖品愈致密，耐久性也差一些。新建砖厂在无产品质量检验设备的前提下，可用饱和系数判断砖质量是否合格。试验充分证明，品质优良的砖其饱和系数均小。但控制极限下最高烧成温度，取得较高的饱和系数，一定要防止过烧，否则，会因砖制品在0.5kg/cn²荷重下，产生0.5%变形软化，成为过烧变形的废品砖。这就要求掌握好最佳烧成温度范围。

  同种原料，烧成温度愈高，烧结转的密度和强度愈高，但可能烧成范围会更窄。陶瓷砖就是如此来保证其密实性和强度。其次要注意窑内气氛对砖制品的影响，在三氧化二铁和其他化学成分不变的情况下，当过剩空气系数大于1的氧化气氛，制品呈红色；当过剩空气系数等于1的中性条件下，制品呈黄色；当过剩空气系数小于1的还原气氛下，制品呈青蓝色。产品之所以出现花砖，主要是气氛不同而引起。

       从焙烧制度讲，一次码烧的预热、焙烧、保温、冷却四个阶段，都有其各自独特的作用和物理化学变化过程。其一，预热阶段首先要解决干燥残余水分3%~6%，若升温过快，水分会激烈气化而产生应力使坯体开裂。此外要排除坯体中的化学结合水及有机物燃烧，可能使坯体变得疏松而产生较大的内应力导致坯体开裂。同时注意SiO2晶体进行可逆的快速转化，也会造成制品开裂。隧道窑设计预热阶段一般应大于40m。其二，焙烧阶段对焙烧过程具有决定的意义，为充分反应，应适当控制升温速度。隧道窑设计焙烧阶段应大于15m。其三，保温阶段是给经高温焙烧后的砖制品更为多的时间反应，把砖的形状固定下来，从而保证产品质量。这一阶段应大于20n。其四，冷却阶段主要避免SiO2多晶转化而产生过大内应力，导致烧结砖制品降温过快而开裂。隧道窑冷却带应大于20m。综上所述，升温速度可参照表3进行。根据实际生产和实验数据，页岩砖升温速度可适当加快，煤矸石砖可适当延长。建议一次码烧隧道窑在设计建设时，认真阅读赵镇魁院长等三位发表的“如何用好隧道窑”和孙文奇发表的“气流与坯垛的关系”两篇文章，对于我们选择烧成制度、静态和动态密封、减少风的阻力、防止码坯缺陷等方面会有帮助。
表3 一次隧道窑焙烧升温速度

温度范围/℃	升温速度/（℃/h）	所需时间/h	累计时间/h
120以下	33	3	3
120~600	64	8	11
600~1000	66	6	17
1000		2	19
1000~600	114	3.5	22.5
600~300	60	5	27.5
300以下	51	5.5	33

注：来源于1987年中国建筑出版社《怎样烧砖瓦》一书。
      一次码烧工艺，原料的化学成分和矿物分析参数基本与二次码烧工艺相同，但对影响干燥敏感系数、干燥收缩率、干燥临界汗水平的矿物质应准确把握。一次码烧工艺应选择低感敏、低收缩原料，高敏感系数和高收缩原料应放弃二次码烧而选择一次码烧工艺，对于产品质量更为有利。
建议（1）自然含水率对于一次码烧工艺不宜超过18%，二次码烧工艺不宜超过25%，否则会影响破碎设备的选择和生产效率，影响坯体强度，加大干燥难度。（2）塑性指数应大于5.5，塑性过低的原料，应注意破碎设备的选择，增加细颗粒含量，产品应实心砖和多孔砖为首选。高塑性指数的原料一般收缩较大，适宜单层码放的二次码烧工艺，产品适应范围基本不受影响。（3）临界含水率高的原料，可在干燥到大临界点后，适度加大风速、风量和提高温度，加快脱水干燥，降低干得周期，提高干燥产量。（4）干燥敏感系数小于0.6时，干燥风速和温度可提高，实现一次码烧快速干燥。（5）窑炉设计应注意烧成温度和范围、内燃料掺配后的热量、二氧化硅晶体转化点及颗粒大小，按照焙烧原原理和传热方式，合理选择合适自身原料的最佳焙烧制度。        在建设和改造生产线时，为避免走弯路，首先要认真做好前提工作，对各种原料进行较为深入的试验研究，特别是制砖性能的分析更不能忽视。在此基础上，设计工艺方案，确定技术参数，优化设备选型，力争新建生产线万无一失。