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        公司動態

        科技樹之爭——工業窯爐發展史I

        文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-2-26     瀏覽次數:    

            人類窯爐的發展與硅酸鹽材料的歷史是分不開的。從今天起我們就來說說工業窯爐是如何發展演化的。在這里我們可以把窯和爐來做一個區分了,窯和爐還是稍微有點區別的。在所謂的窯中,被加熱的物質與加熱介質是明顯分開的,不直接與加熱介質接觸。而爐恰恰相反,爐中被加熱介質要么直接與熱源接觸。

        要說到窯爐就不能不說火了,最早的火焰應該是木材燃燒導致的,火焰溫度可以達到600攝氏度,這個溫度加熱食物綽綽有余,也可以用來冶煉部分金屬。對于當時的人類來說是完全綽綽有余的,以至于現在的非洲土著依然沒有演化出更高大上的燃燒技術。

        在距今12000-7000年前,人類進入了陶器時代,早期的陶器就是用富含硅酸鹽以及鋁酸鹽的陶土,加水成型后在火焰下進行燒制。燒成溫度一般來說和陶土的特性有關,好燒的陶土土燒結溫度也就在700-800℃。但是這個溫度對于人類來說稍微有點困難的,主要是由于火焰會與周圍空氣換熱導致溫度難以提高。為了燒制陶器,人類不得不開始思考燃燒保溫問題,最早的窯爐誕生了。

        土窯誕生可以說非常早,至少是在新石器時代。從現有情況來看,至少在公元5000年前,人類就已經做出了比較復雜的窯爐,也就是我們所說的橫穴窯,這種窯爐的溫度可以說燒制陶器是綽綽有余了。于此同時,對于燃料方面也進行了改進,由于木材熱值低,后續的窯爐主要采用木炭作為燃料了。

        如圖所示的恒穴窯,在新石器時代晚期就已經出現了,其主要特點就是燃燒與加熱部分分開,在窯下端燃燒,產生的煙氣進入窯內加熱陶器。

        橫穴窯出現后的2000年中,人類對窯爐進行了進一步的改進,這個改進主要是在通風方面,早期的窯爐都是自然通風的,當窯爐內空氣不足的時候,木炭燃燒不充分就難以達到預定溫度。為了補充窯爐內的空氣,就采用了強制通風的方法,于是乎風箱被發明了出來,對應的人類開始有意識地加工制造風嘴,窯爐內溫度進一步提高。到了商周時期,人類已經在窯體內達到1000℃以上的高溫,這樣煉銅煉鐵與燒制青瓷也就成為了可能。

        現在我們來說一說東西方窯爐在發展路線上的區別,實際在窯爐方面我國在相當長的一段時間內還是領先于時代的。前文說道由于礦產資源不同,中國于西方對于無機材料的使用走向了兩個路線,中國由于高嶺土等資源豐富,走向了陶瓷這個技能。而西方由于火山與水晶較多,最后走向了水泥和玻璃這個技能點。這也間接導致了東西方窯爐技術走向兩個不同的方向。

        長期以來西方對于窯爐的要求實際上不高,首先西方基本不自產瓷器,一般用陶器,鐵器甚至還一度使用鉛制備容器。另外比較重要的一點就是西方人偶然地發現了玻璃,而早期的玻璃的冶煉溫度只有800℃,所以長期以來西方窯的改進動力一直不大。

           

           和現在的玻璃不同,早期的玻璃因為燒成溫度低因此透明度不高,要得到今天玻璃的透明度,燒成溫度要到1200℃左右,因此玻璃作為光學元件用于望遠鏡與顯微鏡已經是十六世紀以后的事情了。中國古代實際上也有使用玻璃的記錄,但那實際上是鉛鋇玻璃,與我們現在觀念中的玻璃是兩個概念。

        而中國就不同了,在秦漢時期,中國窯爐的燒成溫度就已經能夠達到1200-1300℃,同時,在燒制過程中還能對窯爐內的氣氛進行控制。這一時期的窯形主要以龍窯與饅頭窯為主。這個一般與地形有關,據說是北方多平原,因此一般以饅頭窯為主,而南方山多,可以直接依靠山勢做出龍窯。

        見于中國南方的龍窯,一般依托山的斜坡建造,呈長條形。煙氣從窯體底部自下而上穿過,連煙囪都省了。用我們反應工程的說法,這龍窯有點像管式反應器,充分利用了煙氣的熱量,整體能耗小。

        龍窯發展到了宋代后漸漸演化成了階梯窯,也就是所謂德化窯,德化窯是有4-6間窯室串聯起來來的。也可以理解為在龍窯內部增加了隔斷,將龍窯分成了幾段。相對于龍窯,德化窯結構進行了改進,窯體可以做的更大,可以燒制更大的瓷器,同時熱效率也明顯提高。到了南宋時期,景德鎮出現了鎮窯,鎮窯最大的特點就是出現了保溫層。在窯體內壁與外壁之間做了一層縫隙,里面都是空氣,整個窯體保溫能力更強,熱量損失更小,這一時期窯體內的溫度已經能達到1400℃了。

        中國窯爐先后經歷的龍窯,階梯窯與鎮窯幾個階段的演變??梢哉f在保溫性能,氣氛控制,窯爐結構與體積方面中國窯爐是遠遠領先于同時代的西方的。但是非??上У囊稽c,之前說過了我國的窯爐一般用來燒制成品,而西方窯爐一般用來燒制粉料,這最終導致我國窯爐在發展上長時間無法點出一個關鍵的技能點,那就是連續化生產。連續化生產至少窯實現物料的連續進出,這一點來說粉料更容易實現。同時也容易導致出現其他的衍生成果,比如說流態化技術。而實現成型物料的連續操作窯等到20世紀隧道窯出現了。

        非??上У氖?,由于中國基礎科學非常薄弱,盡管在一個時期生產技術上處于領先,但是很快發展就遭遇了瓶頸,自明代以后中國窯爐的發展就沒有出現進步。不久以后,歐洲發生工業革命,很快在窯爐技術方面實現了彎道超車。

        首先,從18世紀中期開始,西方開始有了水泥的需求,這時候就需要對水泥進行燒制了,最早的水泥燒制采用的是立窯,也就是燒石灰用的。到了1877年的時候出現了第一臺回轉窯,至此水泥工業基本成型。

           

           水泥回轉窯基本結構是一個圓柱形不斷旋轉的筒,筒又一定傾斜,隨著筒轉動粉料可以不斷排出,從而實現粉料可以連續進出?;剞D窯內襯耐火磚保證其在高溫下可以使用?;剞D窯窯頭配有燃燒器,利用空氣吹起流態化的煤粉進行燃燒提供熱量。

        回轉窯的出現也不是一蹴而就的過程,如果大家還有印象的話我們說制堿的時候就又提到路布蘭制堿所用的設備,這嚴格意義上應該叫回轉煅燒爐,與我們現在概念的回轉窯還是有差別的,這實際上是回轉窯的雛形之一,在這一套系統中就實現了窯體的轉動與物料的連續進出。只不過制堿的碳酸氫鈉分解過程溫度只需要200℃左右,因此窯體結構非常簡單,沒有燃燒器與耐火磚等結構。。

        而一開始回轉爐出現的時候并沒有被直接用于水泥工業中,究其原因有兩點。首先水泥這個行業大概開始發展就是再18世紀末期?;剞D爐剛剛出現的時候人類對水泥的配方才稍有了解。另外就是水泥燒制溫度高,同時耐火磚襯里的技術還不發達,1400℃的高溫不是那個時候的金屬可以承受的。此外對應的煤粉燃燒技術也需要一定的積累。因此,直到回轉爐出現100年后,它才被用于水泥工業。


        來源:YEBOSS的化工知識大雜燴

         


         

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