烧结砖焙烧缺陷

某烧结砖企业，原料为硬质页岩、软质页岩及黏土，生产空心砖和普通砖，设计年生产能力为6000万块（折普通砖）空心砖。该生产工艺为“一次码烧”工艺，机械码坯的方式。干燥和烧成隧道窑各2条，截面均为3.7m。隧道干燥室长度为84.3米，烧成隧道窑长度为115米。窑车规格为3.7×3.7m。

生产中，三组分原料，按照比例预先混合后，共同通过锤式破碎机破碎、回转筛筛分，合格混合料进入生产线。双级真空挤出机成型，成型水分约14%；泥条经自动切条、切坯机切割成为所要求尺寸的坯体，每根泥条切坯32块，机械码坯机每次抓取12个泥条共384块砖坯。普通砖码高15层，窑车台面上码放9垛砖坯，每辆窑车码坯量达到5760块。根据烧成工艺要求，混合料内燃掺配量按照350kcal/kg的比例控制。烧结普通砖日产量达到18～20万块。烧成隧道窑进车时间约为1小时20分，烧成周期达到40～44小时。

2014年8月，随着原料矿山开采条件的变化，软质页岩及黏土的成分出现波动。当按照固定的350kcal/kg的内燃热值比例进行掺配时，在焙烧过程中，窑车上坯垛中部产品出现膨胀、变形和裂纹，断砖中部厚度达到68mm，砖顶面厚度达到55mm，成为“面包砖”，外观尺寸超出国家标准指标。一度此类膨胀和裂纹缺陷的普通砖数量达到30万块，对产品的质量评价造成不利影响。当降低内燃掺配后，坯垛中膨胀变形和裂纹产品数量基本消失。但是，在加强看火投煤情况下，在砖垛外侧下部，仍然出现欠火砖。详见下图。对此，就该企业烧结普通砖焙烧变形原因分析如下，供参考。

膨胀变形

裂纹及变形

砖垛下部局部欠火

1、焙烧缺陷的产生

根据陶瓷烧结的定义：“粉末或非致密性物料，经加热到低于其熔点的一定范围内，发生颗粒粘结，结构致密程度增加，晶粒长大，强度和化学稳定性提高等物理变化、成为坚实集合体的过程。” [ 1 ]

烧结砖坯体被加热后，由于混合料中氧化硅、氧化铝、氧化钙及氧化镁等不同氧化物的组成，对混合料的最高烧结温度存在直接影响。如果不能及时调整，焙烧过程中，烧结砖产品极易出现收缩、膨胀、欠火、裂纹、断裂等现象。

1.1原料成分的影响

该企业原料矿山采用挖掘机开采，由于开采条件限制，硬质页岩与软质页岩及黏土开采后，没有堆存风化等预处理措施，

硬质页岩

软质页岩及粘土原料

页岩原料和混合料成分见下表。

原料及混合料化学成分

从表中数据看，符合烧结砖对原料化学成分的基本要求，SiO2和Al2O3含量适中，但硬质页岩性能比软质页岩及黏土性能要好。生产中，根据2:1配比，即2份软质页岩及粘土与1份硬质页岩掺配，内燃掺配量按照350kcal/kg的比例掺配。混合料成分中，熔剂成分Fe2O3、MgO、略微偏高。隧道窑烧成过程中，焙烧带温度曲线显示，最高温度达到1000℃，砖垛中部出现软化变形、膨胀，如图片1、2所示。

针对膨胀变形砖断面的分析，可见由砖坯表面到砖坯中心部位，断面颜色由浅红逐渐转变为浅灰，再由浅灰转为蓝黑。这是砖坯表面燃料煤处于氧化气氛下燃烧时，砖坯成分中Fe2O3没有分解，使得砖坯表面呈浅红色。随着氧化气氛减弱，Fe2O3逐渐分解，颜色逐渐转变为浅灰，到达砖坯中心时，由于空气中氧气无法进入，砖坯中内燃煤，处于还原气氛下燃烧，Fe2O3分解为4FeO和2CO2，正是因为FeO呈色为蓝灰到蓝黑，使得砖坯断面中心部位呈蓝黑色。

此外，当隧道窑窑温曲线显示为1000℃时，窑车中部坯垛内温度将达到或超过1000℃，坯体内液相产生、气孔减少，并逐渐软化，砖坯内部的还原气氛使得Fe2O3分解，促使CO2气体排放，砖坯出现膨胀、裂纹和变形等缺陷。

正是由于砖坯内Fe2O3、MgO、CaO等熔剂成分的作用，使得砖坯在低于其熔点温度以下的烧结控制难度较大，同时由于码垛方式的限制，隧道窑全截面的温度差异较大。当按照固定的内燃掺配比例安排生产时，砖垛边部烧结温度适中时，中部烧结温度出现偏高，产生焙烧膨胀、裂纹等变形缺陷。

1.2配料及内燃掺配的影响

该企业生产中，由于砖垛中部砖坯膨胀变形，决定调整原料配比，采用1份软质页岩及黏土与1份硬质页岩掺配，提高硬质页岩在混合料中的比例。同时内燃掺配量按照320kcal/kg的比例掺配；并要求烧成隧道窑岗位工加强对边火温度的观察，加强投煤。调整原料配比和内燃后，隧道窑温度曲线最高控制在1030℃。

调整后，根据生产状况，窑车中部坯垛坯体膨胀变形现象基本消失，然而，窑车砖垛外侧下部出现欠火砖，如图片3所示。膨胀变形消失的因素分析如下：

原料配比调整后，硬质页岩掺配量提高，高温难熔氧化物SiO2含量的增加，对提高砖坯烧结温度、减少高温变形有利。硬质页岩破碎后，坯体内粗颗粒增加，有利氧气的渗透，减少在还原气氛下Fe2O3分解。同时，坯体内粗颗粒之间的间隙，有利氧化和还原反应时产生的气体的排出，能够有效地避免坯体的膨胀变形。软质原料减少后，混合料中黏土的微小颗粒减少，能够提高砖坯内产生液相的温度，避免坯体软化变形。采用原煤作为内燃掺料的情况下，坯体内部必然形成还原气氛焙烧，无法避免。减少内燃掺配的控制措施，能够避免坯垛中部阻力高、烟气流速慢带来的坯垛内温度过高现象，减少隧道窑高温带截面温度差异过大，同时，随着砖坯内碳含量降低，还原气氛减弱，减少Fe2O3分解和CO2气体排放，避免砖坯软化和砖坯膨胀、裂纹、断砖等焙烧缺陷的产生。

生产中，由于硬质页岩量提高，砖坯相应的烧成温度需要提高，在减少内燃料的条件下，强调烧窑工加强对边火温度的观察和投煤，要求控制窑温为1030℃。但由于边部投煤孔位置、坯垛与窑墙间隙基本固定，调整难度较大，两侧边火行进速度较快，火不易下底，造成窑车砖垛外侧下部出现欠火砖。加大边部投煤后，煤的不完全燃烧现象增加，燃料消耗提高

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