CN101981402A - 陶瓷制品的烧制方法及所用窑炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在陶瓷窑炉中烧制制品(100)的方法，该窑炉包括至少一个至少连接有助燃剂供料管道(46、6)的火焰喷嘴(4)、来自窑炉的热气流输出管道(43、8)以及一用于供料管道(46、6)和输出管道(43、8)内流过的流体之间的热量交换的热交换器(40、42)，其特征在于该方法包括：当火焰喷嘴(4)熄灭时，通过所述的至少一个喷嘴(4)的输出管道(43、8)向窑炉内注入冷却流体来冷却制品(100)。

Description

陶瓷制品的烧制方法及所用窑炉

技术领域

 本发明涉及陶瓷制品的烧制方法，尤其涉及陶瓷制品的烧制方法以及应用该方法的陶瓷窑炉。

背景技术

众所周知，陶瓷制品窑炉可大致细分为两大类：隧道窑（tunnel kiln）和间歇窑（intermittent kiln）。

隧道窑特别适合烧制陶瓷平板和瓷砖，简单地包括一以耐火材料为内衬的长的隧道结构，待烧制品置于能自动推进的窑车或可旋转的托辊上沿隧道向前移动。

隧道内设有温度控制系统，将窑炉沿纵向分成多个不同温度的连续段，这样陶瓷制品在移动过程中可以经历烧成周期的所有阶段。

烧成周期包括加热和冷却两个阶段，速度差不多快，并且大致可描述为窑炉内沿纵向分布的各不同的温度段的变化曲线图。

不同的是，间歇窑通常包括一单独的燃烧室，以包覆耐火材料的墙壁为界，待烧的制品在其内部不能移动。

间歇窑特别适合用于烧制大面积制品和/或具有复杂形状以及可能有不同厚度的壁面的制品，例如坐便器底座、脸盆和浴缸，但是也包括厨房用具，用于高压电线的绝缘管道的陶瓷绝缘体，或者用于污水管道的陶瓷管，以及类似的制品。

间歇窑的烧成周期通过单个燃烧室内温度的渐变来完成，并且可描述为制品在窑炉内部烧制时间相应的窑炉温度的变化曲线图。

特别的是，烧成周期一般包括三个连续的阶段，包括第一阶段统一加热升温至约1200-1300℃，中间阶段保持恒温，以及最终阶段冷却制品至环境温度。

冷却阶段分为第一快速冷却阶段，此阶段制品被快速冷却至约600℃的温度，接着为慢速冷却阶段，使其温度达到环境温度。

慢速冷却阶段能使完成的制品没有瑕疵和/或残余应力，否则可能会造成裂缝、大的裂口并且有时会造成实际破损。

快速和慢速冷却阶段的适当调整进一步能使陶瓷原料呈现不同的化学/物理结构，这决定了所完成的陶瓷制品的机械性能。

燃烧室内温度的调整大致可通过多个安装于窑炉侧面墙壁和/或拱壁以及窑炉底面的合适位置，直接面对燃烧室内部的无火焰喷嘴(free-flame burner)来达到。

每个喷嘴均连接到燃料供应管道，一般为甲烷气体，以及助燃物供应管道，一般为来自外部环境温度下的空气，喷嘴开口接近窑壁内表面，可在燃烧室内引发自由地燃烧的火焰。

相应的阀门装置连接到供料管道，使用阀门装置来控制可燃物和燃料的流量，这样可通过控制火焰的强度来控制产生的热量。

与隧道窑不同的是，隧道窑整个烧成周期的持续时间决定于制品在窑内的移动速度，比如在不同窑段花费的时间，显而易见的是间歇窑整个烧成周期的持续时间决定于窑内单个燃烧室的温度变化速度。

不过间歇陶瓷窑具有很大程度的热惯性（thermal inertia），这会大大影响燃烧室内的温度梯度。

特别的是，热惯性会产生负面影响，尤其在陶瓷制品的冷却速度比正常情况下要快的快速冷却阶段，其并非造成最终产品的任何瑕疵，而是由于窑内不可避免的热惯性造成该阶段持续时间比原本所需的要长。

至少能部分解决该问题的方法是通过熄灭喷嘴的供料管道，向窑内引入空气，这样通过空气对流消耗一部分内部热量，使陶瓷制品更快的冷却从而减少整个烧成周期的持续时间。

当然该方法并非用于间歇陶瓷窑使用的所有喷嘴类型。

特别的是，在先技术中包括有整合有热交换器的无火焰喷嘴，其中的助燃空气可通过温度基本与燃烧室内相同的窑内的空气气流与热燃料烟气进行预热。

热气流沿喷嘴的主体内的流出管道流动，该流出管道通向窑炉并且穿过热交换器。

火焰点燃时，助燃空气的预热能使窑炉具有更高的效率和整体性能，因此能减少燃料浪费。

火焰熄灭时，不能通过这些熄灭了的喷嘴的供料管道输送冷却气流，这样无论如何冷气流都会被通过热交换器的热气流加热，从而使燃烧室温度太高而不能有效地冷却其中的制品，同时也会增加整个烧成周期的持续时间。

发明内容

本发明的目的是通过采用该类型的喷嘴减少快速冷却时间，从而减少间歇瓷窑完成一个烧成周期所需要的时间。

本发明的另一目的为通过简易、合理并且相对便宜的方法获得上述提到的装置。

这些目的通过独立权利要求所述的本发明特征来实现。独立权利要求描述了本发明优选的和/或有突出优点的技术方案。

特别的是，瓷窑内部设有一用来烧制制品的装置，该窑炉包括至少一个连接助燃剂供料管道的火焰喷嘴，一窑炉热气流输出管道，以及一用于供料管道和输出管道之间流体热量交换的热交换器。

本发明方法包括当火焰喷嘴熄灭时，通过至少一个喷嘴的输出管道向窑炉内引入冷却流体来冷却制品。

在该方法中，冷却流体通过输出管道逆向流动，比如，与热流体的常规方向相反，从而避免热气流通过热交换器。因此，冷却流体到达燃烧室时没有在热交换器内经历任何加热，从而能够快速冷却制品以及有效减少整个烧成周期的持续时间。

“冷却流体”一般指相对于燃烧室来说温度更低的任何流体。

本发明方法中优选的冷却流体包括使用外部空气，比如环境温度下的空气。

本发明的一优选方式为，该方法在冷却阶段的同时通过熄灭的喷嘴的供料管道输入助燃剂，比如一般为常温下的空气。

助燃剂在热交换器中也不会被加热。由于热交换器将通过两股温度大致相同的流体，并且能在到达燃烧室时具有相比窑炉温度更低的温度，所以能够进行有效的散热。

两股流体同时输入能进一步提高引入燃烧室的冷却流体的整体流速，因此能更好的散热以及更快的冷却窑炉。

在所有阶段选择的冷却流体流速要尽可能快，尤其在快速烧成阶段，在此阶段陶瓷制品没有损坏的风险。

在窑炉的优选实施例中，喷嘴的输出管道连接阀门装置，该阀门装置能使输出管道与外部环境接通，同时也能启动使得输出管道与外部环境断开，从而能与特殊冷却流体供料装置接通，反之亦然。

在本文中，喷嘴正常工作期间，燃烧室温度比环境温度要高，并且其内部的热气流从与外部接通的输出管道自然流出。

在喷嘴熄灭的冷却阶段，阀门装置启动使输出管道与冷却流体供料装置接通，迫使冷却流体流入输出管道离开燃烧室内部。

在另一窑炉的优选实施例中，喷嘴输出管道开口接入文丘里管（venturi tube）的狭窄截面，控制流体（command fluid）轴向通过文丘里管，一般为环境温度下的外部空气，在狭窄截面产生将热气流抽出燃烧室所需的低压。

在本文中，冷却流体注入窑炉内要优先使输出管道内的控制流体转向，沿正常热流体的逆流方向流动。这一转向可简单通过阻止控制流体从文丘里管轴向流出完成，例如可通过闭合文丘里管下游的单向阀来完成。

这样，控制流体被迫从输出管道内的文丘里管流向窑炉内的燃烧室。

本发明进一步得到了促进上述烧制方法的间歇陶瓷窑炉。

窑炉包括至少一个火焰喷嘴，该喷嘴具有至少一个助燃剂供料管道，窑炉内热气流输出管道，以及一用于供料管道和输出管道内流动流体之间热量交换的热交换器；通过喷嘴输出管道供应冷却流体的装置，流体沿正常热气流输出方向的逆流方向流动。

这里如上述提到的，输出管道优先与使其能与外部环境接通的阀门装置相连，同时阀门装置也能启动使输出管道与外部环境断开从而使其与冷却气体提供装置接通，反之亦然。

此方法中，当喷嘴熄灭时启动阀门装置，通过供料装置冷却流体被迫在输出管道中逆向流入燃烧室。

在一不同结构的实施例中，喷嘴的供料管道开口于文丘里管的狭窄截面，文丘里管沿辅助管道的方向插入其中，管道内有控制流体流动，从而能在狭窄截面创造低压用于将窑炉内的热气流沿输出管道吸出。

在本文中，本发明冷却流体供料装置包括将控制流体转入输出管道的装置，优选的阀门装置用于选择性地关闭文丘里管下游的辅助管道。

由于该方法为通过关闭阀门装置，控制流体被迫通过输出管道逆向流动至燃烧室，在这里冷却其中的陶瓷制品。

附图说明

本发明的其他特征和优点可借助带有图示的附图说明，通过阅读下述以非限制性示例的方式进行的说明来详细说明，其中：

图1为本发明间歇陶瓷窑炉的剖视图；

图2和图3为安装于图1中的窑炉上的无火焰喷嘴的装置图,描述了烧成工序的两个阶段；

图4和图5为安装于图1中的窑炉上的无火焰喷嘴的不同的装置图,描述了烧成工序的两个阶段。

具体实施方式

间歇窑炉1包括一单独封闭的燃烧室2、以耐火材料侧墙为界的窑炉内部固定安装的支撑构件3、支撑构件上放置的待烧的陶瓷制品100。

在实施例中，陶瓷制品100为卫生用品，如坐便器底座、脸盆和浴缸，但是窑炉1也能用于烧制其他用品，如厨房用具、用于高压电线的绝缘管道的陶瓷绝缘体，或者用于污水管道的陶瓷管，以及类似的制品。

间歇窑炉1也可用于烧制陶瓷平板或瓷砖、耐火砖或其它制品。

陶瓷制品100在整个烧成周期中在间歇窑炉1内不能移动，其烧成周期可根据燃烧室2内作为时间函数所需的温度的程序变化来得到。

多个无火焰喷嘴4恰当地安装在窑炉1的侧墙上，喷嘴4用于加热燃烧室2，依此来控制其内部的温度。烟囱5位于窑炉1的顶篷上，喷嘴4的火焰产生的热烧成气体通过烟囱5排放至外部。

在一些应用实例中，喷嘴4也可安装在窑炉顶篷和/或底部壁面上。

如图2和图3描述的，每个喷嘴4包括一大致呈圆筒形的外壳40，插入并堵住窑炉壁面1上的各个开口。

外壳40的前端开口朝向燃烧室2，并且与窑炉壁面的内表面无缝平接，其后端封闭并且凸出至外部。

一排气口41安装于外壳40后端凸出的部分上。

一圆柱形管道42同轴安装至外壳40内部，管道42的直径小于外壳40的直径，以此来限定环状管道43连接燃烧室2和排气口41。

圆柱形管道42前面部分呈圆锥形，其端部稍微从外壳40边缘凸出，并且朝向燃烧室2内部开口。

圆柱形管道42的相反一端为封闭的，包覆在外壳40后端的凸出部分内。

一进气口44安装于圆柱形管道42的突出部分上。

中心管45起始于圆柱形管道42尾端至圆锥形地带，用横隔板47封闭。

中心进气口48在圆柱形管道42的尾端上，而出气口49在横隔板47的中心处，出气口49将中心管45和圆柱形管道42的圆锥形地带接通，因此与燃烧室2也接通了。如此一来，中心管45限定了一接通进气口48和燃烧室2的管道。

在图2和图3的描述的实施例中，进气口44与助燃空气供料管6连接，助燃空气为直接从外部收集而来的环境温度下的空气，通过一压缩机61在环形管道46内部的压力下迫使该助燃空气流向燃烧室2。

进气口48与燃料供料管7连接，一般为甲烷气体。

供料管7连接一由供料管道6内的助燃空气压力自动控制的气控流速控制器70，通过校准能一直提供正确的可燃气体的流量，作为空气流量的函数。

最后，出气口41连接至排气管8，该排气管通过烟囱（未显示）直接开口至外部环境。

排气管8连接第一阀门85，通过启动该阀门可选择性地开启和断开排气管8与外部环境的连接。

出气口41和第一阀门85之间的排气管8通过辅助管道86与供料管6相连。

辅助管道86连接第二阀门87，通过启动该阀门可选择性地开启和断开供料管6与排气管8的连接。

间歇窑炉1内的制品100的烧成周期大致包括一加热阶段，喷嘴4一般在此阶段点燃；一保持恒温阶段，以及接下来在环境压力下恢复制品100的冷却阶段，喷嘴4一般在此阶段熄灭。

如上所述，冷却阶段可分为初始快速冷却阶段，在此阶段制品100可快速降温至约600℃，接着在慢速冷却阶段降温至250-300℃，然后开始新的快速冷却阶段，将其降至环境温度。

如图2描述的，喷嘴4点燃时，第二阀门87闭合，助燃空气由压缩机61提供，通过供料管6、环形管道46内部，再流向开口在燃烧室2内部的圆柱形管道42的圆锥形地带。

燃料通过流速控制器70调节并由中心管45内部的供料管7提供，流向横隔板47上的出气口49。

这样，可燃物和助燃空气在圆柱形管道42的圆锥形地带混合并点燃形成活活头喷至燃烧室2内部。

在横隔板47上装有用于点燃的特殊装置，可使火焰点燃后烧至喷嘴4，由于它们均为已知类型的这里不作说明了。

在火焰点燃的加热阶段，排气管8的第一阀门85是打开的。

燃烧室2内的热燃烧气的压力稍微大于环境压力，这样这些气流可通过喷嘴4的环形管道43从圆柱形外壳40的开口端流向出气口41，再从此处流入排气管8，通过烟囱排至外部。

穿过环形管道43时，热气流从外部冲击圆柱形管道42的侧壁，该管道内部有助燃气逆向流动。

圆柱形管道42的壁面采用良好的热传导材料制成，一般为金属或更好的碳化硅，使得来自燃烧室2的热气流和来自外部的助燃气能进行热能传递。

实际上外壳40和圆柱形管道42为一逆流热交换器。

为了提高换热效率，圆柱形管道42的侧壁能添加散热片用于提高热量交换。

热气流的温度大致与燃烧室2的相同，这样助燃气与可燃物混合前被加热，可提高间歇窑炉1的整体效率和性能，因此能够减少燃料的浪费。

热气流从窑炉1出来，经排气管8和/或烟囱5可提供给另一个间歇陶瓷窑炉内部（未显示），区别于这里描述的一个，如此可获得更高的气体热量的利用以及整体能量节约。

如图3所示，为冷却制品100来自供料管道7的可燃物流体被截断，从而导致喷嘴4的火焰熄灭。

供料管道6的压缩机61持续向窑炉燃烧室2内引入助燃空气。

助燃空气为环境温度下的，这样燃烧室2内存在的一部分热量可通过空气对流消耗，从而使得陶瓷制品100的冷却操作条件更为温和。

助燃空气作为冷却流体在此阶段可起到有效作用。

为了加快制品100的冷却，排气管8的第一阀门85闭合以断开其与外部的连接，同时第二阀门87打开以使排气管8和压缩机61下游的供料管道6接通。

这样，空气由压缩机61泵入，也是沿排气管8逆向流动，进入喷嘴4并从出气口41流过环形管道43，流入燃烧室2。

空气流体阻止了来自燃烧室2的热气流的输出，因此阻碍了由外壳40和圆柱形管道42限制的热交换器的作用。

由于该原因，由压缩机61泵入的环境温度下的空气在热交换器中没有经历任何加热，并且当其进入窑炉1时，消耗更多的热量，使得陶瓷制品100能被更快速的冷却，从而获得更短的烧成周期整个持续时间。

该方法能有效应用于制品100的冷却速度必须尽可能最高的所有阶段，尤其在初始的快速冷却阶段。

显而易见的是能通过增加压缩机61的速度来增加引入窑炉燃烧室2内的冷却气体流量。

描述的阶段最好通过程序控制装置进行操作，该装置不仅能自动控制阀门组85和87，也能自动控制可燃物供料装置以及所有其他涉及窑炉1运行的操作组件。

在图4和图5所示的另一个实施例中，进气口44与助燃空气的供料管道6连接，该助燃空气通过一未显示的压缩机直接从外部收集的环境温度下的空气。

供料管道6连接一自动控制的阀门组60，可使供料管道6打开和闭合并且可调节提供给喷嘴4的助燃空气的流量。

进气口48与可燃物供料管道7连接，类似前面的实施例，该管道包括一气控流速控制器70，可通过供料管道6中的助燃空气的压力自动控制。

出气口41最终连接至开口在文丘里管狭窄截面的排气管8。

文丘里管80沿辅助管道81轴向插入，其内部有加压控制流体流动，最好选择直接从外部收集的环境温度下的空气流体。

控制流体从文丘里管80的进口轴向流动至出口，在其狭窄截面形成低压从而使得燃烧室2内存在的热流体被吸出通过环形管道43、出气口41以及排气管8。

沿控制流体流动方向的文丘里管80的下游，辅助管道81连接一自动控制的阀门组84，可使辅助管道81打开和闭合。

如图4所示，喷嘴4点燃时，阀门组60打开，同时助燃空气由环形管道46内部的供料管道6提供，从此处流向开口在燃烧室2内部圆柱形管道42的圆锥形地带。

与上述示例类似，可燃物采用流速控制器70调节并由中心管45内部的供料管道7提供，从该管道流向安装在横隔板47上的出气口49。

这样，可燃物和助燃空气在圆柱形管道42的圆锥形地带混合并点燃形成活活头喷至燃烧室2内部。

在加热阶段，火焰点燃，阀门组84打开，同时辅助管道81中流过控制流体，可在文丘里管80的狭窄截面形成上述的低压。该低压能吸引燃烧室2内存在的部分热燃烧气，经喷嘴4的环形管道43从圆柱形外壳40的开口端流向出气口41。

来自出气口41的热气流流入排气管8，直到它们与文丘里管80内的控制流体混合，这样流过辅助管道81的上游地带，流至开口处通过烟囱（未显示）至外部。

在环形管道43的交叉处，通过采用作为逆向流动的热交换器的外壳40和圆柱形管道42，来自燃烧室2的热气流的热能传递至少一部分热量给来自外部的助燃空气。

该示例中也是如此，热气流流出排气管8和/或从烟囱5能被提供给第二个陶瓷窑，区别于这里描述的一个，可使其更快速的加热和/或预热其提供给喷嘴的助燃气，以获得整体能量的节约。

如图5所示，为了冷却制品100，来自供料管道7的可燃物流量被截断，从而导致喷嘴4火焰的熄灭。

同时，阀门组84启动以关闭文丘里管80下游的辅助管道81，这样控制流体不会自由流向烟囱。

这样，控制流体不会从文丘里管80轴向流出，从而被迫沿排气管8逆向流动，进入喷嘴4并沿沿环形管道43从出气口41流向燃烧室2。

控制流体阻止了来自燃烧室2的热气流的输出，因此阻碍了由外壳40和圆柱形管道42限制的热交换器的作用。

由于该原因，控制流体，一般为上述提到的环境温度下的空气，没有在热交换器内加热，并且当其进入窑炉1时，通过对流消耗燃烧室2内存在的部分热量，使陶瓷制品100更快速的冷却，从而获得更短的整个烧成周期的持续时间。

当控制流体在燃烧室2内部提供时，保持阀门组60打开，助燃剂可通过供料管道6引入窑炉1内。

这样，两股空气流同时供应增加了注入燃烧室2的冷却气体的总体流速，因此能更好的消耗热量从而使窑炉更快速的冷却。

该方法能有效应用于制品100的冷却速度必须尽可能最高的所有阶段而没有发生损坏的风险，尤其在陶瓷制品100的快速冷却阶段。

不过，在慢速冷却阶段，阀门组60可被关闭，这样制品可仅用控制流体冷却。

上述描述的烧成阶段最好采用程序控制装置进行操作，该装置不仅能自动控制阀门组60和84，而且能自动控制可燃物供料装置以及窑炉1运行所涉及到的所有其它的操作组件。

显然本领域的技术人员可对所描述的间歇窑1和制品100的烧成方法进行多种技术应用特征的改进，所有这些均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种在陶瓷窑炉（1）中烧制制品（100）的方法，该窑炉包括至少一个至少连接有助燃剂供料管道（46、6）的火焰喷嘴（4）、来自窑炉的热气流输出管道（43、8）以及一用于供料管道（46、6）和输出管道（43、8）内流过的流体之间的热量交换的热交换器（40、42），其特征在于该方法包括：当火焰喷嘴（4）熄灭时，通过所述的至少一个喷嘴（4）的输出管道（43、8）向窑炉内注入冷却流体来冷却制品（100）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在注入冷却流体阶段，通过至少一个熄灭的喷嘴（4）的供料管道（46、6）同时向窑炉内提供助燃剂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于输出管道（43、8）与阀门组（85、87）连接，该阀门组用于选择性地将输出管道（43、8）与外部环境接通或与提供冷却流体的供料装置（61）接通，并且在冷却流体注入阶段，启动阀门组（85、87）使输出管道（43、8）与供料装置（61）接通。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于启动阀门组（85、87）使输出管道（43、8）与供料装置（61）接通，进一步向供料管道（46、6）提供助燃剂，冷却流体与助燃剂为同一流体。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于喷嘴（4）的输出管道（43、8）开口于文丘里管（80）的限制截面，文丘里管内轴向流过控制流体，在其狭窄截面形成低压来吸出来自窑炉（1）的热气流，冷却流体的注入阶段可通过将控制流体转向进喷嘴（4）的输出管道（43、8）来实现。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于控制流体的转向可通过限制控制流体从文丘里管（80）轴向流出来实现。

7.一种陶瓷窑炉，包括至少一个至少连接有助燃剂供料管道（46、6）的火焰喷嘴（4）、来自窑炉的热气流输出管道（43、8）以及一用于供料管道（46、6）和输出管道（43、8）内流过的流体之间的热量交换的热交换器（40、42），其特征在于该陶瓷窑炉包括经由至少一个喷嘴（4）的输出管道（43、8）向窑炉内提供冷却流体的装置（61、80、84）。

8.根据权利要求7所述的窑炉，其特征在于输出管道（43、8）与阀门组（85、87）连接，该阀门组用于选择性地将输出管道（43、8）与外部环境接通或与提供冷却流体的供料装置（61）接通。

9.根据权利要求8所述的窑炉，其特征在于提供冷却流体的装置（61）进一步向供料管道（46、6）提供助燃剂，冷却流体与助燃剂为同一流体。。

10.根据权利要求7所述的窑炉，其特征在于输出管道（43、8）开口于文丘里管（80）的狭窄截面，文丘里管沿辅助管道（81）插入，其中有控制流体流动，可在其狭窄截面形成低压用于吸出来自窑炉（1）的热气流，冷却流体提供装置包括用于将控制流体转入输出管道（43、8）的装置。

11.根据权利要求7所述的窑炉，其特征在于转向装置（84）包括用于选择性地关闭文丘里管（80）下游的辅助管道（81）的阀门装置（84）。

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