1.前言
青磚是古建筑中最主要的建筑材料之一，具有強(qiáng)度高，抗凍耐腐蝕，持久不褪色等特點(diǎn)，同時(shí)賦予建筑物素雅沉穩(wěn)，古樸寧?kù)o的美感。隨著建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義的完善和發(fā)展，我們對(duì)人居環(huán)境的更高要求，對(duì)古建筑修繕保護(hù)的更加重視和對(duì)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的傳承發(fā)揚(yáng)更加提倡，仿古建材愈加受到設(shè)計(jì)師或房地產(chǎn)開發(fā)商的青睞，成為建材行業(yè)一大亮點(diǎn)。
仿古建材正迎來(lái)新的歷史發(fā)展機(jī)遇，仿古青磚的生產(chǎn)狀況卻讓人憂患，至今絕大多數(shù)廠家仍保留小土窯生產(chǎn)的現(xiàn)狀。隨著我國(guó)環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，有關(guān)部門出臺(tái)了《關(guān)于加快燒結(jié)磚瓦行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的若干意見》，明令關(guān)停高排放高污染企業(yè)，堅(jiān)決淘汰落后產(chǎn)能的土窯和輪窯，青磚生產(chǎn)企業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，青磚生產(chǎn)工藝需要實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)突破。
青磚生產(chǎn)工藝創(chuàng)新的歷程艱難而曲折，長(zhǎng)期以來(lái)磚瓦行業(yè)工作者們一直在探索和研究且取得一些階段性的成果，早在20世紀(jì)50年代《建筑材料技術(shù)》雜志上發(fā)表過(guò)《關(guān)于利用隧道窯燒制青磚瓦問題的商榷》文章，20世紀(jì)70年代《磚瓦》雜志報(bào)道了北京某磚瓦廠發(fā)明了連續(xù)燒結(jié)青磚的工藝，2009年北京某建材公司發(fā)明了隧道窯結(jié)合鐘罩窯連續(xù)生產(chǎn)青磚的新工藝，遺憾的是這些創(chuàng)新成果沒有延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和達(dá)到技術(shù)推廣的目的，筆者2018年上半年在安徽某廠研發(fā)一條生產(chǎn)青磚的隧道窯已順利投產(chǎn)，在此結(jié)合自身實(shí)踐，對(duì)運(yùn)用現(xiàn)代工藝設(shè)備生產(chǎn)仿古青磚進(jìn)行探討交流。
2.青磚傳統(tǒng)工藝分析 在青磚傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，用黏土制成磚坯，放在窯中焙燒，燒制過(guò)程中完全氧化時(shí)生成三氧化二鐵呈紅色，俗稱紅磚；然后加水冷卻還原，使黏土中的鐵不完全氧化則呈青色，即青磚。 青磚燒制前期和普通紅磚是一樣的，磚坯氧化燒結(jié)后在還原氣氛下三氧化二鐵生成氧化亞鐵，在高溫下氧化亞鐵與二氧化硅生成青色的硅酸亞鐵玻璃相，因?yàn)檠趸瘉嗚F極不穩(wěn)定，在300℃以上容易二次氧化，所以青磚必須在缺氧的狀態(tài)下一直冷卻到無(wú)法再次氧化的溫度直至出窯。 我們祖先在當(dāng)時(shí)一無(wú)電力、二無(wú)機(jī)械，科學(xué)尚不發(fā)達(dá)的條件下，創(chuàng)造發(fā)明了下水飲窯的這個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用工藝。因?yàn)樗疂B入窯內(nèi)遇高溫產(chǎn)生大量的蒸汽，在窯內(nèi)形成正壓，窯內(nèi)正壓隔絕了外界空氣的侵入，確保了磚瓦在缺氧的氣氛中一直冷卻到無(wú)法再次氧化的溫度，完成整個(gè)返青工作。 在傳統(tǒng)觀念中，下水飲窯似乎有給人一種神秘的感覺，有些人認(rèn)為青磚返青是在下水飲窯過(guò)程中發(fā)生的，其實(shí)它和還原反應(yīng)沒有關(guān)系，只是起了一個(gè)無(wú)氧冷卻的作用，這在國(guó)外生產(chǎn)青磚不用水而是氮?dú)獾玫阶糇C。 3.青磚現(xiàn)代工藝研究 從整個(gè)磚瓦生產(chǎn)工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)，主要有原料制備、坯體成型、濕坯干燥和成品焙燒四部分，原料是根本，成型是基礎(chǔ)，干燥是保證，燒成是關(guān)鍵。這四部分是互相依存關(guān)系。青磚生產(chǎn)工藝創(chuàng)新突破的瓶頸是燒成，因?yàn)榍啻u獨(dú)特的生產(chǎn)工藝中還原燒成和無(wú)氧冷卻，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)代連續(xù)式窯爐同時(shí)實(shí)現(xiàn)還原燒成和無(wú)氧冷卻是一個(gè)新的課題。 現(xiàn)代陶瓷磚瓦窯爐主要有梭式窯、輥道窯和隧道窯： 梭式窯作為一種間歇窯，具有生產(chǎn)安排靈活，占地面積小，投資少等特點(diǎn)；但是產(chǎn)量有限，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能耗高；適宜于一些厚大類，小批量，附加值高的產(chǎn)品。 輥道窯在建筑陶瓷行業(yè)中廣泛應(yīng)用，具有高效節(jié)能，自動(dòng)化度高等特點(diǎn)；因?yàn)槭强焖贌?，原料成型?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: ****;color: black;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">理要求嚴(yán)格，坯體入窯水分和燒成制度比較單一，最近一些廠家采取干法成型的工藝，輥道窯燒制的青瓦在抗凍性方面達(dá)不到要求，所以輥道窯適宜于大批量、薄小型、品種單一類制品。 隧道窯在陶瓷磚瓦行業(yè)中廣泛應(yīng)用，除了高效節(jié)能、自動(dòng)化度高等連續(xù)窯的特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)楦G車裝載方式可以多層裝載，適用產(chǎn)品范圍較廣，合適的燒成周期，尤其適用于青磚厚重類制品。區(qū)別于傳統(tǒng)磚瓦隧道窯，現(xiàn)代隧道窯主要組成：窯體、窯車（窯具）、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和附屬設(shè)備。現(xiàn)代隧道窯的工作系統(tǒng)特點(diǎn)： a．不用冷卻帶直接流入燒成帶的窯道風(fēng)作為助燃空氣，因?yàn)槭褂酶咚贌欤伎諝馔耆M(jìn)入燒嘴，與燃料混合燃燒后，焰氣噴入窯內(nèi)，不需要另行供給補(bǔ)充空氣。 b．燒成帶設(shè)置多個(gè)小功率的燒嘴，在兩側(cè)垂直和水平交錯(cuò)排列，這樣有利于均勻窯溫，調(diào)節(jié)燒成曲線和氣氛濃度。預(yù)熱帶下部?jī)蓚?cè)設(shè)置水平交錯(cuò)排列的小功率高速燒嘴和調(diào)溫?cái)嚢栾L(fēng)嘴，以利于均勻預(yù)熱帶截面溫度和調(diào)節(jié)升溫曲線。 c．排煙孔比較集中小分散式布置在窯頭，有利于充分利用煙氣熱量。 d．冷卻帶一般都分為三段；急冷段、緩冷段及低溫冷卻帶。多采用直接冷卻方式，從兩側(cè)垂直和水平交錯(cuò)布置冷卻風(fēng)噴口，噴入高帶冷卻風(fēng)，造成強(qiáng)烈的橫向氣流循環(huán)均勻冷卻制品。熱風(fēng)側(cè)由窯頂分散抽出。因此冷卻以橫向循環(huán)氣流為主?？v向氣流較少。 無(wú)論設(shè)計(jì)或操作隧道窯，窯爐工作者要充分了解制品的燒成工藝過(guò)程及要求，并根據(jù)這個(gè)過(guò)程和要求制訂合理的燒成制度，以確保滿足燒成工藝的要求。 3.青磚現(xiàn)代生產(chǎn)工藝研究 根據(jù)青磚傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，整個(gè)燒成工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是還原燒成和無(wú)氧冷卻，這也是隧道窯燒制青磚需要解決的問題所在。 眾所周知還原燒成，南方地區(qū)很多日用陶瓷隧道窯采用的就是還原焰燒成，青磚的還原反應(yīng)機(jī)理與日用陶瓷是一樣的，即還原性氣體與三氧化二鐵反應(yīng)生成氧化亞鐵。日用陶瓷還原燒成制度包括溫度制度、氣氛制度和壓力制度。 溫度制度：在各階段應(yīng)有一定的升（降）溫速率，防止制品內(nèi)部溫度分布不均勻，其膨脹和收縮程度不同，產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致制品變形或開裂；在適宜的溫度下應(yīng)有一定的保溫時(shí)間，以使制品內(nèi)外溫度趨于一致，皆達(dá)到燒成溫度，保證整個(gè)制品內(nèi)外燒結(jié)。 氣氛制度：指窯內(nèi)含游離氧或一氧化碳和氫氣的情況，在氧化和還原階段應(yīng)保持一定的氣氛濃度，以保證制品中的物理化學(xué)過(guò)程的進(jìn)行。全窯應(yīng)有一個(gè)合理的壓力制度，以確保溫度制度和氣氛制度的實(shí)現(xiàn)。 影響還原燒成主要因素一是燃燒器性能和燃燒狀況；二是壓力制度是否合理，窯道內(nèi)預(yù)熱升溫區(qū)、燒成還原區(qū)、冷卻區(qū)，任何一個(gè)區(qū)段的壓力變化都會(huì)引起其他區(qū)段的壓力變化，各區(qū)段窯壓平衡和穩(wěn)定是控制還原氣氛的關(guān)鍵所在，窯內(nèi)壓力的變化都會(huì)使氣氛發(fā)生波動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)致溫度也不穩(wěn)定。 根據(jù)筆者研發(fā)青磚隧道的實(shí)踐，青磚的還原燒成的效果主要與還原溫度、氣氛濃度及還原時(shí)間有關(guān)，在一定的溫度下氣氛濃度越高，還原時(shí)間越長(zhǎng)，還原效果越好即產(chǎn)品色澤越青，甚至呈青黑色。 無(wú)氧冷卻在陶瓷磚瓦隧道窯中還是一個(gè)新的課題，國(guó)外先進(jìn)的青磚隧道窯有采用氮?dú)庵苯訃娙肜鋮s帶對(duì)產(chǎn)品直接降溫實(shí)現(xiàn)無(wú)氧冷卻，可是制氮及附屬設(shè)備的投入費(fèi)用和后期生產(chǎn)成本都比較高。因此，這種工藝不太為一些磚瓦企業(yè)所能承受。 如何在隧道窯中實(shí)現(xiàn)無(wú)氧冷卻，筆者借鑒磚瓦隧道窯中余熱利用的技術(shù)，在研發(fā)的青磚隧道窯中采用余熱鍋爐換熱間接冷卻和蒸汽再循環(huán)系統(tǒng)，生產(chǎn)實(shí)踐取得比較理想的效果。 余熱鍋爐換熱的主要特點(diǎn)： a．鍋爐水管外側(cè)與窯內(nèi)制品輻射換熱，產(chǎn)品溫度與水管之間的溫差很大，因此傳熱很快，鋼質(zhì)水管的熱阻又很小，鍋爐水管內(nèi)側(cè)與水的換熱則是沸騰換熱，換熱系數(shù)比較一般空氣換熱系數(shù)大幾十倍甚至上百倍，所以總的傳熱系數(shù)很大，換熱效率很高。 b．因?yàn)槭情g接冷卻，冷卻帶壓力制度平衡，對(duì)燒成還原區(qū)的溫度和氣氛干擾很小。 c．余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽，再次打入窯內(nèi)起到平衡窯內(nèi)壓力的作用。 筆者研發(fā)的青磚隧道窯，產(chǎn)品還原燒成后約1000℃，通過(guò)余熱鍋爐換熱間接冷卻，產(chǎn)品降至約500℃，再使用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽維持窯內(nèi)壓力，直至出窯溫度約180℃。 磚瓦生產(chǎn)工藝過(guò)程中原料是根本，近年來(lái)隨著一系列政策的出臺(tái)和環(huán)保執(zhí)法力度的趨嚴(yán)，磚瓦原材料成為磚瓦企業(yè)生存和發(fā)展的一大制約，青磚長(zhǎng)期以來(lái)采用黏土做原料，大量浪費(fèi)土壤資源、破壞生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)在政府已經(jīng)明令禁止使用黏土制作磚瓦，黏土制作磚瓦將成為歷史，磚瓦企業(yè)原材料改革勢(shì)在必行，對(duì)于那些曾經(jīng)習(xí)慣使用黏土原料的磚瓦生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，原料的更改會(huì)帶來(lái)一些新的技術(shù)問題，因?yàn)樵系牡V物組成和物理性能決定著磚瓦制品的原料制備、干燥、燒成的工藝要求，這也是青磚生產(chǎn)廠家予以重視的問題。 4.結(jié)論 根據(jù)上文所述，青磚生產(chǎn)工藝創(chuàng)新之路一個(gè)不斷探索和突破的歷程，在無(wú)數(shù)磚瓦行業(yè)工作者的努力下取得一系列突破性的成果。青磚即是傳統(tǒng)建筑文化的標(biāo)識(shí)，也是地方性的仿古建筑材料，生產(chǎn)工藝受到很多地域性因素的制約，青磚現(xiàn)代生產(chǎn)工藝在研制和推廣中仍有一些差異化的技術(shù)問題有待我們?nèi)ヌ接懞屯黄啤?/span> 在我國(guó)磚瓦行業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期和傳統(tǒng)建筑文化正在復(fù)蘇的浪潮中，青磚行業(yè)面臨考驗(yàn)和機(jī)遇，磚瓦行業(yè)工作者們既要抓住機(jī)遇，又要迎接挑戰(zhàn)，加快對(duì)青磚生產(chǎn)工藝的研究，融合現(xiàn)代工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)手段，研制出符合我國(guó)國(guó)情、科學(xué)先進(jìn)的青磚生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技藝的傳承，推動(dòng)青磚行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
