專利名稱：：用于燒制陶瓷蜂窩體的的隧道窯的制作方法本申請(qǐng)要求A．T．Dull和T．S．Hinkle等在1997年12月2日提出的題目為“用于燒制陶瓷蜂窩體的隧道窯”的美國(guó)專利臨時(shí)申請(qǐng)No．60／067，105的優(yōu)先權(quán)。本發(fā)明涉及適于燒制蜂窩狀陶瓷體的隧道窯。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及適于由會(huì)成問(wèn)題的有機(jī)物質(zhì)含量高的批料燒制蜂窩狀陶瓷體的燒制窯。
背景技術(shù)：
：蜂窩形陶瓷產(chǎn)品或陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體(即蜂窩狀陶瓷體)一直是按如下方法制備，即通過(guò)混合陶瓷材料、水和各種含碳物質(zhì)(包括擠壓和成形助劑)形成可塑批料，然后通過(guò)擠壓可塑批料將其成形為蜂窩狀陶瓷生坯，最后在預(yù)定的溫度下在燒制爐中對(duì)蜂窩狀陶瓷生坯進(jìn)行燒制。用于上述燒制蜂窩結(jié)構(gòu)的擠壓和成形助劑具體地包括有機(jī)粘合劑、增塑劑和潤(rùn)滑劑，如甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、硬脂酸堿金屬鹽等。另外，批料中也包含用作孔隙形成劑的其它含碳物質(zhì)(如石墨)。眾所周知，含碳物質(zhì)的釋放或含碳物質(zhì)的分解是釋放出大量熱的氧化或放熱反應(yīng)。開(kāi)始時(shí)，放熱反應(yīng)發(fā)生在部件的表層即外層部分，產(chǎn)生起初的溫差，結(jié)果陶瓷體的外層部分比內(nèi)芯部分溫度高。然后，外層放熱反應(yīng)逐漸停止，放熱反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)入物體的內(nèi)部。因?yàn)槌Ｒ?guī)的基體由陶瓷材料(如堇青石，它是良好的絕緣體)組成，且具有包含許多孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，所以遇到如何通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鲝奶沾审w內(nèi)有效除熱的困難。另外，由于蜂窩結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)大的表面積加速了粘合劑與燒制氣氛中氧氣的反應(yīng)，所以加劇了內(nèi)部放熱效應(yīng)。因此，在含碳物質(zhì)的釋放過(guò)程中，陶瓷體中有正或負(fù)的溫差，即陶瓷體內(nèi)芯的溫度高于或低于陶瓷體表面的溫度。有機(jī)粘合劑之類含碳物質(zhì)的放熱反應(yīng)在100-600℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。如果陶瓷體例如含有石墨，這種放熱反應(yīng)在500-1000℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。這種放熱反應(yīng)在部件的內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生明顯的溫差。這種部件內(nèi)的溫差會(huì)在陶瓷體內(nèi)產(chǎn)生造成該部件破裂的應(yīng)力。對(duì)于大型蜂窩狀陶瓷部件或含有大量有機(jī)物質(zhì)的部件，這種現(xiàn)象特別常見(jiàn)?？刂坪鸵种七@種溫差和裂紋產(chǎn)生的技術(shù)是眾所周知的。一種技術(shù)是將過(guò)量的空氣用于燃燒器燃燒而降低燃燒器火焰溫度，使火焰至部件之間的溫度梯度較低，部件的加熱速度相應(yīng)較慢。然而，過(guò)量的空氣產(chǎn)生不合需要的高含氧量的氣氛。氧氣會(huì)與有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)，從而加速其釋放和加快內(nèi)部放熱反應(yīng)。因此，必須通過(guò)很慢的燒制工藝或與爐中具體部件小心匹配的燒制工藝來(lái)達(dá)到減小有機(jī)物釋放過(guò)程中所產(chǎn)生溫差的目的。在間歇窯中使用氣氛控制來(lái)影響含碳物質(zhì)的釋放是眾所周知的。例如參見(jiàn)美國(guó)專利4，404，166(Wiech，Jr．)、4，474，731(Brownlow等)、4，661，315(WiechJr．等)和4，927，577(Ohtaka等)。雖然現(xiàn)已表明這些方法能有效地用于間歇窯中，但一般認(rèn)為它們不能有效地用于隧道窯中，因?yàn)橛写罅康沫h(huán)境空氣(20．9％氧氣)流入燒制氣氛中?，F(xiàn)已揭示，用脈沖燒制技術(shù)代替比例燒制也是一種控制和抑制間歇窯中溫度梯度的方法。脈沖燒制法僅使用高火或低火的燃燒器輸出條件，而不使用大量的過(guò)量空氣(氧氣)來(lái)產(chǎn)生低的加熱速率。例如參見(jiàn)歐洲專利申請(qǐng)0709638。該申請(qǐng)揭示了一種使用裝有在高輸出燃燒狀態(tài)和低輸出燃燒狀態(tài)之間交替工作的燃燒器的窯爐燒制陶瓷成形體的方法。雖然這種燒制技術(shù)能多少有效地用于間歇窯中降低裂紋的發(fā)生率，但這種脈沖燒制技術(shù)難以用于隧道窯中。由于隧道窯的開(kāi)放性，必須用其它方法控制環(huán)境空氣進(jìn)入窯中有機(jī)物的釋放區(qū)。因此，本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供可用于燒制高質(zhì)量無(wú)裂紋的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的改進(jìn)隧道窯。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，并提供用于燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的隧道窯。這種隧道窯能保持較短的燒制周期和降低蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯內(nèi)部與外部之間的溫差，從而可以生產(chǎn)裂紋較少的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體。用于燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的本發(fā)明隧道窯包括窯門區(qū)、位于窯門區(qū)后面的含碳物質(zhì)釋放區(qū)和位于含碳物質(zhì)釋放區(qū)后面的燒結(jié)區(qū)。該隧道窯包括許多適于把燒制材料運(yùn)送通過(guò)該窯的窯車。本發(fā)明隧道窯特有的配氣和輸氣系統(tǒng)具有許多能分別把低含氧量氣體(含有低于20％的氧氣)輸送并注入到窯內(nèi)含碳物質(zhì)釋放區(qū)的燒制氣體中的注入口(introductionsite)。在上述方法中，因?yàn)樵摳G設(shè)計(jì)成可輸送和注入所述氣體，從而取代釋放區(qū)內(nèi)的高含氧量氣氛，使用該窯的燒制方法能減小陶瓷生坯表層和內(nèi)芯間的溫差。換言之，這種窯更適于生產(chǎn)熱變形和裂紋少得多的燒制陶瓷蜂窩體。附圖簡(jiǎn)介為了更好地理解本發(fā)明，請(qǐng)參照如下附圖圖1是本發(fā)明隧道窯裝置的縱視圖。圖2是本發(fā)明隧道窯裝置的示意性頂視圖。圖3是說(shuō)明本發(fā)明隧道窯裝置的釋放區(qū)中窯車下空間設(shè)計(jì)的示意圖。圖4是說(shuō)明本發(fā)明隧道窯裝置的釋放區(qū)中窯車下空間設(shè)計(jì)的橫截面圖。發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明提供一種用于燒制蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)體的窯裝置。這種窯基本上沒(méi)有釋放含碳物質(zhì)產(chǎn)生的有害影響。圖1是說(shuō)明本發(fā)明隧道窯實(shí)例的縱視圖。在該實(shí)例中，隧道窯10包括窯門區(qū)12、位于窯門區(qū)后面的含碳物質(zhì)釋放區(qū)14和位于含碳物質(zhì)釋放區(qū)后面的燒結(jié)區(qū)16。圖1所示的隧道窯內(nèi)部用許多加熱器(未畫出)加熱，如一系列能燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯的燃燒器。陶瓷蜂窩體放在許多窯車18上，這種窯車適于將燒制材料運(yùn)送通過(guò)該隧道窯?，F(xiàn)在參看圖2，它是示意性描述隧道窯中釋放區(qū)14和窯門區(qū)12的頂視圖。該隧道窯還包括將低含氧量氣體(較好是含低于20％體積氧氣的氣體)注入釋放區(qū)14中的配氣系統(tǒng)20。配氣系統(tǒng)20也用于把這種氣體注入或噴入窯門區(qū)12中。釋放區(qū)14在規(guī)定溫度范圍內(nèi)釋放含碳物質(zhì)，如對(duì)于含有有機(jī)粘合劑的陶瓷體，釋放含碳物質(zhì)的溫度范圍為100-600℃。釋放區(qū)中的溫度范圍可根據(jù)隧道窯中燒制陶瓷材料的類型進(jìn)行增加或降低；如對(duì)于除有機(jī)粘合劑以外還含有石墨的陶瓷材料，需增加釋放區(qū)中的溫度范圍(最高達(dá)1000℃)。一般來(lái)說(shuō)，隧道窯的配氣系統(tǒng)包括一系列獨(dú)立計(jì)量的、獨(dú)立管道化的輸送管道。操作上，每個(gè)管道與至少一個(gè)注入口相連。這些注入口與隧道窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)和／或窯門區(qū)內(nèi)部相通。正是通過(guò)這些管道和相連的注入口將低氧氣體引入含碳物質(zhì)釋放區(qū)中的燒制氣氛中，從而降低該區(qū)域中燒制氣氛中的氧氣量。與隧道窯內(nèi)部相通的這些注入口在釋放區(qū)位于一個(gè)或多個(gè)如下部位窯車下面、燃燒器、窯頂以及窯的側(cè)壁。圖2中表示了配氣系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式。配氣系統(tǒng)20包括一系列管道22、24、26、28和30。這些管道具有分別與釋放區(qū)中某一位置相通的注入口；即各管道分別與位于大致相同位置的許多注入口相通。具體地說(shuō)，配氣系統(tǒng)包括如下管道(1)與窯門中注入口32相通的管道22；(2)與窯車下注入口34相通的管道24；(3)與入口部分窯頂上注入口36相通的管道26；(4)與燃燒器38中注入口相通的管道28；(5)與窯側(cè)壁下游窯頂中注入口40和42相通的管道30。在另一個(gè)實(shí)施方式中(未畫出)，配氣系統(tǒng)可包括許多管道。這些管道具有許多在不同位置與釋放區(qū)相通的注入口；即每根管道均與燃燒器、窯車底、窯頂和窯側(cè)壁中的注入口相通。配氣系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)、每種設(shè)計(jì)類型中的管道數(shù)目和注入口位置取決于陶瓷體的組成、尺寸和形狀、物體的裝載量、陶瓷體中的孔徑和孔數(shù)目以及所用的燒制工藝。本發(fā)明隧道窯結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能靈活控制燒制氣氛中的氧氣量。眾所周知，常規(guī)隧道窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)中的含氧量一般超過(guò)12％。由于燒制產(chǎn)品的開(kāi)裂率較高，已認(rèn)為這種含氧量是有問(wèn)題的。本發(fā)明中設(shè)計(jì)的裝置可以控制含碳物質(zhì)釋放區(qū)中的含氧量，從而將含氧量降低到12％以下。另外，本發(fā)明的隧道窯裝置可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)每根管道中的氣體含量，因此可獨(dú)立地調(diào)節(jié)經(jīng)注入口通入的氣體，從而可調(diào)節(jié)燒制氣氛的分布，以提供最適于各種有機(jī)批料的燒制氣氛分布。換句話說(shuō)，這些獨(dú)立的輸送管道和注入口可以按需要控制和計(jì)量低含氧量氣體的輸入量；含氧量和燒制氣氛可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，并取決于燒制陶瓷體的類型或組成。圖3和4更詳細(xì)地說(shuō)明窯車底下的注入?yún)^(qū)。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式包括結(jié)合在窯中、在多輛窯車18底下并在操作上與窯車底相通的注入口24和管道34、擋板隔成的“小區(qū)”44。“小區(qū)”44是通過(guò)把側(cè)板46放在每輛窯車18的下方并把底擋板(floorbaffle)48放在窯的入口處或附近而在窯車底下形成的區(qū)域。當(dāng)每輛窯車依次通過(guò)窯內(nèi)時(shí)，它們都從底擋板48上越過(guò)。窯的底擋板至少超過(guò)1．5輛窯車的長(zhǎng)度，較好超過(guò)兩輛窯車的長(zhǎng)度；例如，如果窯車側(cè)板的距離是5英尺，則底擋板至少超過(guò)10英尺。這種比例的底擋板可以保證總有至少兩輛窯車的擋板位于底擋板的上方，從而在所有時(shí)間內(nèi)都形成“密封”。對(duì)于窯車底下的注入口該小區(qū)結(jié)構(gòu)和擋板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越好，窯車底下空間的密封性越好。具體地說(shuō)，該區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使窯車擋板和底擋板之間的空間最?。患丛O(shè)計(jì)的底擋板(長(zhǎng)度和形狀)應(yīng)使得當(dāng)窯車擋板越過(guò)底擋板時(shí)應(yīng)與底擋板滑動(dòng)地接觸。這就保證這兩個(gè)密封部件間的開(kāi)口區(qū)盡可能小，從而可最大限度地減少需通入該“小區(qū)”的氣體體積?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖2中所示的窯門區(qū)，即位于隧道窯入口的內(nèi)門和外門之間的區(qū)域。窯門注入管道22在操作上與兩組注入口32相通。注入口32包括位于窯門相對(duì)側(cè)壁上的注入噴嘴。這些注入噴嘴可以獨(dú)立操作，也可聯(lián)合操作。現(xiàn)在參見(jiàn)圖2所示的燃燒器中注入口38，這些注入口在操作上或與燃燒空氣直接相通或與各個(gè)燃燒器各自的過(guò)量空氣風(fēng)扇相連；具體地說(shuō)，與位于窯中燒制溫度約為100-600℃的釋放區(qū)內(nèi)的那些燃燒器及與其相關(guān)的燃燒空氣源相連。現(xiàn)在參見(jiàn)圖2所示的入口窯頂注入口36，管道26與一系列注入口36簡(jiǎn)單相通，這些窯頂注入口較好設(shè)置在釋放區(qū)的前部。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，許多窯頂注入口設(shè)置在釋放區(qū)的前部，且包括5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有四個(gè)沿窯頂橫向排列的注入口，如圖2中1-5區(qū)所示(z1-z5)。在有窯頂循環(huán)風(fēng)扇的區(qū)域中，在每個(gè)風(fēng)扇后有一個(gè)注入口，而在沒(méi)有風(fēng)扇的區(qū)域中，這些注入口均勻隔開(kāi)，并設(shè)置在同一平面上，橫跨該區(qū)的窯頂。窯頂管道26具有壓力控制裝置，它能控制總的輸出氣體體積，而每個(gè)注入口具有平衡控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)控制各個(gè)注入口。這種設(shè)計(jì)能靈活地通入氣體，從而能把不同量的預(yù)定氣體通入燒制氣氛中，結(jié)果能在釋放區(qū)內(nèi)保持合適的燒制氣氛。另一系列后部的窯頂注入口42在操作上與管道30相通，并設(shè)置在釋放區(qū)的后部。該結(jié)構(gòu)較好包括10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包括兩個(gè)交替錯(cuò)開(kāi)的窯頂注入口，如6-15區(qū)所示(z6-z15)。這些窯頂注入口設(shè)置在窯頂上每個(gè)窯頂燒制燃燒器(未畫出)的正上方且接近于窯側(cè)壁的一個(gè)位置?，F(xiàn)在參見(jiàn)窯側(cè)壁上的注入口40，這些窯側(cè)壁注入口在操作上與管道30相通，這與窯頂后部注入口相同。這些側(cè)壁注入口具體是設(shè)置在窯頂側(cè)壁燃燒器(未畫出)相同的位置。如上所述，與窯頂后部和側(cè)壁注入口相通的管道30裝有控制總輸出體積的壓力控制裝置和能分別控制各個(gè)窯頂和側(cè)壁注入口的平衡控制系統(tǒng)。這些側(cè)壁和窯頂注入口能分別控制通入所處各區(qū)的氣體，從而又能靈活地控制釋放區(qū)后部中的燒制氣氛。本發(fā)明的隧道窯特別適用于實(shí)施同樣待審和共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)S．N．60／067，154中所揭示的燒制方法；即一種適于由會(huì)成問(wèn)題的含有大量有機(jī)物質(zhì)的批料燒制蜂窩狀陶瓷體的方法。一般來(lái)說(shuō)，所述的方法包括含有有機(jī)即含碳物質(zhì)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯的燒制步驟，它的特點(diǎn)是改進(jìn)了含碳物質(zhì)的釋放步驟。更具體地說(shuō)，該釋放步驟包括在燒制氣氛中在足以引發(fā)和充分釋放含碳物質(zhì)的溫度下將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制足夠長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)在燒制氣氛中通入或注入含氧量約低于20％的無(wú)氟氣體。含碳物質(zhì)一旦充分釋放，按常規(guī)方法在足以引發(fā)并把陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯轉(zhuǎn)變成燒制蜂窩體的溫度下將該生坯再燒制足夠長(zhǎng)的時(shí)間。該氣體較好是以能使燒制氣氛中含氧量約低于12％的流量通入的氮?dú)?。上述的本發(fā)明隧道窯適用于燒制任何陶瓷材料，這些材料可能受未加控制的含碳物質(zhì)釋放的不利影響，且在釋放過(guò)程中不應(yīng)處于高含氧量的氣氛中。典型的陶瓷材料例如包括，但不限于堇青石和含氧化鋁的陶瓷。如下是使用本發(fā)明隧道窯和上述燒制方法進(jìn)行適當(dāng)操作的一個(gè)合適例子。將富氮?dú)怏w通入圖2所示的窯門區(qū)和隧道窯釋放區(qū)的第2-12區(qū)中；隧道窯釋放區(qū)已分成15個(gè)區(qū)。表Ⅰ列出了通入窯門區(qū)、經(jīng)窯車底下注入口通入釋放區(qū)中第2和第3區(qū)的氮?dú)饬髁?、?jīng)窯頂注入口通入釋放區(qū)中第5區(qū)中的氮?dú)饬髁亢徒?jīng)簡(jiǎn)易窯頂注入口通入釋放區(qū)中第6-12區(qū)的氮?dú)饬髁?單位為立方英尺／小時(shí)，cfh)。富氮?dú)怏w經(jīng)配氣系統(tǒng)通入。該富氮?dú)怏w具體是含氮量為97．0％的氣體，它是讓環(huán)境空氣通過(guò)氧氣分離膜制得的。表Ⅰ也記錄了通入氮?dú)夂蟾鱾€(gè)含碳物質(zhì)釋放區(qū)(1-15)中的平均含氧量。這些含氧量值是適于制造熱變形和開(kāi)裂很少的燒制陶瓷體的含氧量值。表Ⅰ<tablesid="table1"num="001"><table>氮?dú)庾⑷氩课蛔⑷肟谖恢脽圃囼?yàn)中的通氮量(cfh)O2％窯門區(qū)窯門區(qū)10，00012．9第2和3區(qū)窯車底5，00012．0第5區(qū)風(fēng)扇4，00010．1第6區(qū)窯頂2，000--第7區(qū)窯頂2，0008．4第8區(qū)窯頂2，000--第9區(qū)窯頂2，00011．1第10區(qū)窯頂2，000--第11區(qū)窯頂2，00012．0第12區(qū)--第13區(qū)13．8第15區(qū)12．8</table></tables>應(yīng)當(dāng)注意，雖然已參照優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但認(rèn)為本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在研究了本說(shuō)明書后可以對(duì)本發(fā)明作各種改變。因此，希望把這些改變包括在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。例如認(rèn)為，影響通入氣體的分布和混合的各種注入口形狀和使用不同類型的低氧(或無(wú)氧)氣體都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1．用于燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的隧道窯，它包括窯門區(qū)、位于窯門區(qū)后面的含碳物質(zhì)釋放區(qū)和位于含碳物質(zhì)釋放區(qū)后面的燒結(jié)區(qū)；適于把燒制材料運(yùn)送通過(guò)所述窯的多輛窯車；用于把氣體通入含碳物質(zhì)釋放區(qū)或窯門區(qū)的配氣系統(tǒng)。2．如權(quán)利要求1所述的隧道窯，其特征在于所述的配氣系統(tǒng)是用于通入低含氧氣體的系統(tǒng)，該氣體的含氧量低于20％。3．如權(quán)利要求1所述的隧道窯，其特征在于所述的配氣系統(tǒng)包括一系列操作上分別與注入口相通的管道，所述的注入口在操作上與釋放區(qū)內(nèi)部相通。4．如權(quán)利要求3所述的隧道窯，其特征在于所述的注入口包括燃燒器注入口、窯車底下注入口、窯頂注入口、窯側(cè)壁注入口或它們的組合。5．如權(quán)利要求1所述的隧道窯，其特征在于它包括與窯門區(qū)注入口相通的管道。6．如權(quán)利要求1所述的隧道窯，其特征在于窯車底下注入口操作上與窯車底下?lián)醢甯舫傻男^(qū)和含碳物質(zhì)釋放區(qū)相通。7．如權(quán)利要求2所述的隧道窯，其特征在于所述的低氧氣體富含氮?dú)饣駽O2。全文摘要用于燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的隧道窯(10)包括窯門區(qū)(12)、位于窯門區(qū)后面的含碳物質(zhì)釋放區(qū)(14)和位于含碳物質(zhì)釋放區(qū)后面的燒結(jié)區(qū)(16),還包括適于把燒制材料運(yùn)送通過(guò)所述窯的多輛窯車。該隧道窯裝備了配氣系統(tǒng)。該配氣系統(tǒng)包括操作上與注入口相通的一系列管道(22、24、26、28、30),這些注入口在操作上與釋放區(qū)內(nèi)部相通,從而可把氣體通入含碳物質(zhì)釋放區(qū)中。上述的注入口包括燃燒器注入口(38)、窯門區(qū)注入口(32)、窯車底下注入口(34)、窯頂注入口(36)、窯側(cè)壁注入口(40)或它們的組合。文檔編號(hào)F27B9/36GK1280664SQ98811762公開(kāi)日2001年1月17日申請(qǐng)日期1998年11月16日優(yōu)先權(quán)日1997年12月2日發(fā)明者A·T·達(dá)爾,T·S·欣克爾申請(qǐng)人:康寧股份有限公司