CN1282412A - 陶瓷蜂窝体的烧制方法及所用的隧道窑 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种烧制陶瓷蜂窝结构体生坯的方法。该生坯含有会在初步烧制过程中释放出来的有机或含碳物质。本发明也揭示了隧道窑(10),该窑包括窑门区(12)、位于窑门区后面且具有许多排出区(a1－z11)的含碳物质释放区(14)、和位于含碳物质释放区后面的烧结区(16)。这种隧道窑还包括通过每个排出区中排气孔与含碳物质释放区操作上相通的废气排出系统(18)。

Description

陶瓷蜂窝体的烧制方法及所用的隧道窑
本申请要求A.T.达尔、T.S.欣克尔、C.S.威特和E.F.苏尼克等在1997年12月22日提出的题目为“陶瓷蜂窝体的烧制方法及所用的隧道窑”的美国专利临时申请No.60／068，487的优先权。
本发明涉及蜂窝状陶瓷体的烧制方法。更具体地说，本发明涉及含有大量会成问题的有机物质的蜂窝状陶瓷体的烧制方法以及适用于这种方法的隧道窑。
发明背景
蜂窝形陶瓷产品或陶瓷蜂窝结构体(即蜂窝状陶瓷体)一直是按如下方法制备，即通过混合陶瓷材料、水和各种含碳物质(包括挤压和成形助剂)形成可塑批料，然后通过挤压可塑批料将其成形为蜂窝状陶瓷生坯，最后在预定的温度下在烧制炉中对蜂窝状陶瓷生坯进行烧制。
用于上述烧制蜂窝结构的挤压和成形助剂具体地包括有机粘合剂、增塑剂和润滑剂，如甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、硬脂酸碱金属盐等。另外，批料中也包含用作孔隙形成剂的其它含碳物质(如石墨)。
众所周知，含碳物质的释放或含碳物质的分解是释放出大量热的氧化或放热反应。开始时，放热反应发生在部件的表层即外层部分，产生起初的温差，结果陶瓷体的外层部分比内芯部分温度高。然后，外层放热反应逐渐停止，放热反应区转入物体的内部。因为常规的基体由陶瓷材料(如堇青石，它是良好的绝缘体)组成，且具有包含许多孔隙的蜂窝状结构，所以遇到如何通过传导或对流从陶瓷体内有效除热的困难。另外，由于蜂窝结构中有相当大的表面积加速了粘合剂与烧制气氛中氧气的反应，所以加剧了内部放热效应。因此，在含碳物质的释放过程中，陶瓷体中有正或负的温差，即陶瓷体内芯的温度高于或低于陶瓷体表面的温度。有机粘合剂之类含碳物质的放热反应在100-600℃温度范围内进行。如果陶瓷体例如含有石墨，这种放热反应在500-1000℃温度范围内进行。这种放热反应在部件的内部和外部之间产生明显的温差。这种部件内的温差会在陶瓷体内产生造成该部件破裂的应力。对于大型蜂窝状陶瓷部件或含有大量有机物质的部件，这种现象特别常见。
控制和抑制这种温差和裂纹产生的技术是众所周知的。一种技术是将过量的空气用于燃烧而降低燃烧器火焰温度，使火焰至部件之间的温差较低，部件的加热速度相应较慢。然而，过量的空气产生不合需要的高含氧量的气氛。氧气会与有机物质反应，从而加速其释放和加快内部放热反应。因此，必须通过很慢的烧制工艺或与炉中具体部件小心匹配的烧制工艺来达到减小有机物释放过程中所产生温差的目的。
在间歇窑中使用气氛控制来影响含碳物质的释放是众所周知的。例如参见美国专利4，404，166(Wiech，Jr.)、4，474，731(Brownlow等)、4，661，315(Wiech Jr.等)和4，927，577(Ohtaka等)。虽然现已表明这些方法能有效地用于间歇窑中，但一般认为它们不能有效地用于隧道窑中，因为有大量的环境空气(20.9％氧气)流入烧制气氛中。
现已揭示，用脉冲烧制技术代替比例烧制也是一种控制和抑制间歇窑中温度梯度的方法。脉冲烧制法仅使用高火或低火的燃烧器输出条件，能产生低的加热速度，无需用大量的过量空气(氧气)；例如参见欧洲专利申请0709638。该申请揭示了一种使用装有在高输出燃烧状态和低输出燃烧状态之间交替工作的燃烧器的窑炉烧制陶瓷成形体的方法。虽然这种烧制技术能多少有效地用于间歇窑中降低裂纹的发生率，但这种脉冲烧制技术难以用于隧道窑中。由于隧道窑的开放性，必须用其它方法控制环境空气进入窑中有机物的释放区。
因此，本发明的目的是解决上述现有技术中的问题，提供烧制陶瓷蜂窝结构体的改进方法以及所用的隧道窑，以确保稳定生产高质量无裂纹的产品。
发明概述
本发明的目的是解决上述问题，并提供一种烧制陶瓷蜂窝结构体的方法和所用的窑。这种方法和窑通过在较短时间内更均匀地烧制蜂窝结构体生坯的内部和外层，来生产裂纹较少的陶瓷蜂窝结构体。
本发明烧制含有有机或含碳物质的陶瓷蜂窝结构体生坯的方法的特点在于在含碳物质在窑的烧制气氛中反应之前已从蜂窝结构体生坯除去至少一部分含碳物质。
本发明的窑是一种隧道窑。这种隧道窑包括如下部分：窑门区、位于窑门区后面且具有许多排出区的含碳物质释放区、和位于含碳物质释放区后面的烧结区。这种隧道窑还包括操作上与含碳物质释放区相通的废气排出系统。该废气排出系统具有至少一个排气孔，较好位于每个排出区的窑顶，且在操作上与排风扇相通，该排风扇用于从窑的释放区中排泄释放出来的含碳物质。
附图简介
为了更好地理解本发明，请参见如下附图：
图1是表明用常规方法成形和烧制的陶瓷蜂窝结构体的内芯和表层之间温差的图。
图2是表示适于实施本发明陶瓷蜂窝结构体烧制方法的隧道窑装置示意图。
图3是表示适于实施本发明陶瓷蜂窝结构体烧制方法的隧道窑装置的另一个实施方式的示意图。
发明概述
本发明的陶瓷烧制方法及其装置是以研究常规烧制窑及其烧制条件后获得的知识为基础的。用于将塑化批料或陶瓷生坯转变为陶瓷产品的常规烧制工艺，由于批料中所含的有机即含碳物质挤压或成形助剂的放热性释放一般在外表面(即表层)和内部(即芯层)之间会形成温差。对于上述有机粘合剂或挤压助剂之类材料，有机或含碳物质的释放一般发生在100-600℃之间，而上述石墨类材料一般发生在500-1000℃的温度。在外层(即表层)产生的热量更易于释放，虽然它仍足以产生可能超过部件强度的应力，而在陶瓷体内芯产生的热量更容易产生问题，因为由于堇青石陶瓷体的蜂窝性质和热绝缘性能，这种热量难以消散。图1表示了常规烧制的堇青石陶瓷蜂窝体不合要求的典型表层/内芯温度曲线；这种温差使得烧制成的蜂窝体可能热变形或出现烧制裂纹。蜂窝体的蜂窝壁越薄，或者蜂窝密度越高，以及当更多和不同的有机粘合剂和石墨类材料用于保持这些蜂窝体的结构整体性时，这种现象会更严重。
本发明提供了制造烧制蜂窝陶瓷结构体的有效方法。这种方法基本上不受含碳物质释放的不利影响。具体地说，这种方法包括在烧结前在足以充分释放含碳物质的温度下将陶瓷生坯烧制足够长的时间，同时在窑的烧制气氛中充分反应前也除去至少一部分释放的含碳物质。
本发明可用于任何受含碳物质释放不利影响的陶瓷材料；典型的这类陶瓷材料例如包括，但不限于含堇青石和氧化铝的陶瓷。以下根据含堇青石的陶瓷蜂窝体材料来描述本发明，但不应认为本发明局限于这种陶瓷材料。
用于制造本发明堇青石陶瓷蜂窝结构体的陶瓷批料的原料可选自任何合适的来源。通常使用高纯粘土、滑石、二氧化硅、氧化铝、氢氧化铝和能产生氧化镁(MgO)的原料来生产这种陶瓷，在本发明中也能取得令人满意的结果。
工业上用于制造热膨胀很低的挤压堇青石陶瓷体的优选批料是粘土、滑石和氧化铝，且粘土一般是片状高岭土，不是堆积高岭土。片状高岭土可通过对堆积高岭土进行预处理获得，或者可用将结晶堆积物分散成片晶的方式处理包含粘土的原料批料。
将干批料成形为适于用烧制法转变为堇青石的预成形体(即生坯)可以用任何一种已知的技术进行。批料可以与合适的有机物质混合，然后简单地压制成预成形体的形状，也可以用热压法成形，视堇青石产品中所需的孔隙率而异。
为了在工业上制造平板的或薄壁的堇青石陶瓷产品(后者如陶瓷蜂窝体)，优选的成形技术是挤压。适于挤压的批料混合物可通过将干批料与合适的液体载体混合而成。该载体可包含水和含碳挤压助剂，加入挤压助剂是为了使批料可以成形并使成形的生坯具有足够的强度以免在烧制前破裂。也可以将挤压助剂与陶瓷批料混合。
含碳挤压助剂一般是一种气化、氧化或分解温度约低于600℃的液态或固态烃类物质，例如包括有机粘合剂，如甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、碱金属硬脂酸盐、麦粉、淀粉糊、甘油和蜡。这种批料一般含有25-35％水，具有足够的可塑性，很容易用挤压法制成薄壁(即壁厚小于1毫米)的预成形体。经塑化的批料也可通常用滚压法或压制法成形，滚压或压制成的生坯部件然后直接去烧制或者装配成更复杂的形状部件后去烧制。
另外，该批料混合物可含有用作孔隙形成剂的其它含碳物质，包括但不限于石墨、樱桃核粉、木屑、锯末和淀粉。
按照本发明的方法，合适的堇青石陶瓷无裂纹产品是用两步烧制法得到的，其第一步是在足以开始并充分释放含碳物质的温度下将蜂窝结构体生坯烧制足够长的时间。在第一步中，以挥发或部分反应的方式释放出先前加入到蜂窝体生坯中的含碳物质。含碳物质(如粘合剂)的释放一般发生在100-600℃之间，视有机粘合剂类型而异，而石墨一般在500-1000℃除去。因此，含碳物质释放的步骤一般需要加热到的第一个温度应超过前一范围或后一范围，视陶瓷体是否含有石墨而异。释放出的挥发性或部分反应的含碳物质会在窑的燃烧室中燃烧，从而释放出不合需要的热量。因此，第一烧制步骤是在窑内含碳物质释放区的附近除去至少一部分不合需要的释放出来的有机物质。换言之，本发明方法避免了释放出来的含碳物质在烧制气氛中大量反应。
在释放含碳物质的第一步烧制阶段以后，通常还在足以引发和充分把陶瓷蜂窝结构体生坯转变为主要结晶相为堇青石的烧制蜂窝体的温度下将陶瓷体生坯烧制一段时间。当陶瓷材料是含有堇青石的陶瓷时，适用于这一目的的温度范围一般为1340-1450℃。
下面将参照附图对本发明的烧制窑作更详细的描述。
图2是表示适于实施本发明烧制方法的隧道窑结构的示意图。在该实施方式中，隧道窑10包括窑门区12、位于窑门区12后面具有许多排出区(Z1-Z12)的含碳物质释放区14。该隧道窑还包括位于含碳物质释放区14后面的烧结区16(画出一部分)。这种隧道窑还装备了用于排出释放出来的含碳物质的废气排出系统18。该废气排出系统操作上与含碳物质释放区14中排出区相通。
废气排出系统18包括许多排气孔20，具体地说每个排出区至少有一个排气孔。这些排气孔20较好位于有关排出区的窑顶。通过这些排气孔排出出释放出来的挥发性或部分反应的含碳物质。每个排气孔在操作上与次级收集管22相通。虽然本实施方式描述排气孔位于窑顶，但对于排气孔的位置，重要的是它们位于能最容易或最有效地排除挥发物质的地方。应当注意，它们并不总是位于窑顶，例如可以在窑的侧壁或窑下方的位置。
关于排气孔的形状，本领域中的普通技术人员可根据实验确定具有最适于有效排出释放出来的含碳物质的形状的排气孔，并结合到隧道窑的结构中。
每根次级收集管22在操作上与主收集管24相通。在次级收集管与主收集管相通的接头上游较好在每根次级收集管上装置一个调节阀26。排风扇在操作上与主收集管相通，用于对窑的烧制气氛施加一个抽取释放含碳物质所必需的吸力。另外，在主收集管24上装置一个调节阀28。可以对每个调节阀26进行调节，以分别在排出区z1-z11中产生合适的排风吸力。这样可以调节和/或改变每个排出区中的含碳物质排出量。通过调节调节阀28可以总体上控制对许多次级管26和相连排气孔20以及窑烧制气氛的吸力。
释放区的长度以及排出区的长度和数目可以使其能满足许多不同组合物和有机物质的含碳物质释放排出温度范围的要求，这些要求是对每种组合物都是不同的。这就是说，这种设计能在100-600℃范围灵活调节整个释放区的排气温度分布(exhaust profile)。
经研究现已发现，常规窑释放出挥发的和/或部分反应的含碳物质，它们都会影响这种窑控制温度的能力。这种影响的主要原因是释放出来的含碳物质在接近于它们释放的地方，特别是在它们因“窑顶漂移(crown shift)”效应而流动的温度较高的下游区中的烧制气氛中燃烧。这种窑顶漂移是由于各区间存在压力差而使热气体从压力较高的上游区抽到压力较低(负压更高)的下游区引起的。释放时，挥发和/或部分反应的可燃含碳物质漂移到温度较高的区中，与可利用的氧气反应燃烧，同时放出热量。这种释放的热量一般超过保持该区温度给定值所需的热量。这是非常不好的，因为由于失去对烧制工艺的控制，窑内的陶瓷蜂窝结构体会发生开裂。
上述本发明窑的优点是由于窑的设计可以在释放的含碳物质有机会反应前从接近于隧道窑炉膛的烧制气氛中除去部分或全部的挥发和/或部分反应的有机物质，从而避免不合需要的燃烧或放热。具体地说，用排风扇将释放出来的挥发或部分反应的含碳物质抽入排气孔20，通过次级收集管22，然后通过主收集管24，最后通过排风扇排出。
图3是表明用于实施本发明烧制方法的另一种隧道窑结构的示意图。与图2相同的附图标记表示图3中相同或相似的部件，并省略对这些附图标记的说明。图3与图2中隧道窑结构的差别是废气排出系统在每个排出区z1-z11中有4个连串孔，用于从烧制气氛中排出释放出来的挥发或部分反应的含碳物质。这种结构的另一种不用形式是排出区有一个连续的排气孔，代替这一连串窑顶排气孔，即窑顶有一条缝与次级管相通，以排出释放出来的含碳物质。
再参见图1，本发明的隧道窑还可包括任选的管道反应抑制系统。现已观察到，释放出来的含碳物质会在次级管22和主收集管24中冷凝下来。如果条件(含氧量和温度)适宜，这种冷凝下来的物质可能会在这种管道内不受控制地起火燃烧。这种在管道内不受控制的燃烧是不利的，因此设置管道反应抑制系统。该系统的设计有助于控制含碳物质在管道内不受控制的反应。该反应抑制系统包括温度监测装置以及当管道内温度超过预定值时向主收集管24和次级收集管22中通入低氧气体的系统。上述的低氧气体较好是富含氮气或富含CO2的气体。该反应抑制系统操作上在排风扇和主收集管24与次级收集管22的接头之间某一位置与主收集管24相通。在包括这种反应抑制系统的隧道窑结构中，调节阀28位于反应抑制系统与主收集管24相通的接头与排风扇之间。当调节阀28完全关闭时，它用于暂停含碳物质的排出，并将次级管24与排风扇隔离，以抑制管道中发生的不良反应。
反应抑制系统的具体作用如下：把温度监测装置(如装在主调节阀前面的主管道中的热敏传感器)连接到能比较管道温度和预定给定温度的超温检测仪器上。当热敏传感器的温度达到预定的给定值时，这表明主收集管或次级收集管中发生了燃烧，打开调节阀30，让低氧气流放入主收集管24，从而有效地把含氧量降低到不能维持燃烧的值。同时，关闭主收集管调节阀28，从而停止对窑的烧制气氛的抽吸。其净结果是抑制了管道内的燃烧反应，同时停止流入释放出来的可燃含碳物质。
应当注意，达到所需烧制条件所必需的各个排出区和整个系统的含碳物质排出量会随许多因素变化，这些因素包括陶瓷体的组成、大小和形状；陶瓷体的装载量；陶瓷体的孔壁厚度和孔的数目；窑的结构以及所用的烧制工艺。因此，获得合适烧制气氛和条件的排出条件应根据每一个陶瓷／窑系统由实验确定。
由上述描述可知，根据本发明的陶瓷蜂窝结构体烧制方法以及所用的隧道窑，通过本发明的废气排出区和系统释放和排出含碳物质可以产生能降低陶瓷体内芯和外层间温差的烧制条件，即更适于制造既无热变形又无热致开裂的烧制陶瓷蜂窝结构体的烧制条件。

Claims (20)

1．用于烧制陶瓷蜂窝结构体的隧道窑，它包括如下部分：
窑门区、位于窑门区后面且具有许多排出区的含碳物质释放区、和位于含碳物质释放区后面的烧结区；
操作上与含碳物质释放区中排出区相通的废气排出系统，该系统用于排出释放出来的含碳物质。
2．如权利要求1所述的隧道窑，其特征在于所述的废气排出系统在每个排出区有至少一个用于排出含碳物质的排气孔。
3．如权利要求1所述的隧道窑，其特征在于所述的排气孔位于窑顶、窑的侧壁或窑底。
4．如权利要求1所述的隧道窑，其特征在于所述的排气孔位于窑顶。
5．如权利要求2所述的隧道窑，其特征在于所述的排气孔在操作上与次级收集管相通。
6．如权利要求5所述的隧道窑，其特征在于在每根次级收集管上设有用于控制通过每根次级收集管排出的释放含碳物质量的次级调节阀。
7．如权利要求5所述的隧道窑，其特征在于每根次级收集管在操作上与主收集管相通。
8．如权利要求7所述的隧道窑，其特征在于在所述的主收集管上设有用于控制从烧制气氛中排出的释放含碳物质总量的主调节阀。
9．如权利要求7所述的隧道窑，其特征在于所述的主收集阀在操作上与排风扇相通。
10．如权利要求9所述的隧道窑，其特征在于所述的废气排出系统还包括管道反应抑制系统。
11．如权利要求10所述的隧道窑，其特征在于所述的反应抑制系统包括温度监测装置以及当管道内温度超过预定温度时向主收集管和次级收集管中通入低氧气体的系统。
12．如权利要求10所述的隧道窑，其特征在于所述的低氧气体是富含氮气或CO2的气体。
13．如权利要求10所述的隧道窑，其特征在于所述的反应抑制系统操作上在排风扇和主收集管与次级收集管的接头之间某一位置与主收集管相通。
14．如权利要求11所述的隧道窑，其特征在于主调节阀是关闭的以暂停排出含碳物质。
15．一种烧制含预定量原料的陶瓷蜂窝结构体生坯以制成烧制蜂窝体的方法，所述的原料包括含碳物质，该方法包括如下步骤：
在烧制气氛中和在足以引发和充分释放含碳物质的温度下将蜂窝结构体生坯烧制足够长的时间，同时含碳物质在烧制气氛中反应之前至少除去其一部分。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于从窑内释放含碳物质的部位附近排出含碳物质。
17．如权利要求15所述的方法，其特征在于所述的方法还包括在足以引发和把陶瓷蜂窝结构体生坯充分转变成烧制蜂窝体的温度下加热足够长的时间。
18．如权利要求15所述的方法，其特征在于所述的含碳物质包括气化、分解或蒸发温度低于600℃的液态或固态烃类物质。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于所述的含碳物质包括聚合物粘合剂、烃油、蜡粘合剂或石墨。
20．如权利要求15所述的方法，其特征在于所述的可烧结原料包含高岭土、滑石、氧化铝和其它堇青石形成材料的混合物，每种原料的含量，与其它原料组合起来，能有效地产生主要结晶相为堇青石的烧制蜂窝体。
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