秦志東 韋春秀

【摘 要】文章以減小窯內(nèi)溫差、減少陶瓷產(chǎn)品缺陷、降低能耗為著力點，探討了陶瓷燃氣輥道窯爐內(nèi)溫差產(chǎn)生的原因及改造技術(shù)，并且，根據(jù)生產(chǎn)實際的需要，研究分析了采用工控機對爐溫、燃燒時間、空燃比、燃氣通量等變量進行控制的關(guān)鍵技術(shù)，能夠更加精確地控制窯爐的燒成溫度，確保窯內(nèi)溫度的均勻性與穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】陶瓷；輥道窯爐；溫差；控制

【中圖分類號】TQ174.6 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0054-04

0 引言

我國是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)大國，其產(chǎn)量占世界的70%。由于我國是一個能源緊缺的國家，再加上陶瓷業(yè)普遍采用“以量取勝”的發(fā)展道路，無論是原料生產(chǎn)，還是成品的燒結(jié)，都需要大量的能源資源支撐，導(dǎo)致我國的陶瓷工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出資源消耗高、耗能高、產(chǎn)品質(zhì)量差的特點[1]。在資源利用率上，我國與國外也有較大的差距，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在陶瓷工業(yè)能耗上，發(fā)達國家的能源利用率為50%左右，美國為57%，而我國僅有30%左右。陶瓷工業(yè)流程主要包括加工、成型、干燥、燒成4個工序。其中，燒成與干燥工序兩者的能耗占總能耗的80%以上，而這其中60%用于燒成工序，20%用于干燥工序[2]。

近幾十年來，陶瓷燃氣輥道窯爐的出現(xiàn)，在陶瓷工業(yè)窯爐技術(shù)改革的過程中起著至關(guān)重要的作用。這種窯爐技術(shù)以轉(zhuǎn)動的輥子作為坯體運載工具，靠輥子的轉(zhuǎn)動將置于輥子上的陶瓷坯體從窯頭傳送到窯尾，燃燒室位在輥子的下方，用煤氣發(fā)生爐所產(chǎn)的煤氣進行燃燒，當(dāng)陶瓷經(jīng)過高溫燃燒室時即可燒成。在使用陶瓷燃氣輥道窯爐的過程中，燒成是影響能源消耗和產(chǎn)品質(zhì)量的一道重要工序。而在燒成過程中，溫度控制又是最為關(guān)鍵的技術(shù)，沒有合理的燒成溫度控制，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量就會很低，能源消耗也會很高。因此，如何控制窯內(nèi)溫度、減小窯內(nèi)溫差成為陶瓷企業(yè)最關(guān)心的問題之一。

1 陶瓷燃氣輥道窯爐內(nèi)溫差問題

我們采用現(xiàn)有的燃氣窯爐燒成陶瓷時，發(fā)現(xiàn)有些燒成的陶瓷局部發(fā)生變形，甚至生燒，生燒的制品外觀發(fā)黃，釉面粗糙，顏色不一，且吸水率偏高，敲打時聲音渾濁，使用過程中容易破裂，產(chǎn)品質(zhì)量較差。經(jīng)多次研究、試驗發(fā)現(xiàn)，其主要原因是爐內(nèi)溫差比較大，高溫保溫時間控制不當(dāng)，陶瓷產(chǎn)品燒成時受熱不均勻?qū)е碌摹?/p>

1.1 燃氣燒嘴火焰本身存在溫差

燒嘴火焰分為外焰、焰心、內(nèi)焰3層，外焰為最外層，氧氣充足，氣態(tài)物質(zhì)能夠完全燃燒從而產(chǎn)生大量的熱，因此外焰溫度最高，加熱就是使用外焰；內(nèi)焰為中間層，氧氣較少，氣態(tài)物質(zhì)開始燃燒但燃燒不完全，溫度較外焰低，介于外焰與焰心之間的溫度；焰心為最里層，氧氣最少，氣態(tài)物質(zhì)與氧氣的接觸最少，燃燒最不徹底，溫度較外焰、內(nèi)焰都低。正常溫度下，采用煤氣自然燃燒時，單個燒嘴焰心溫度為800～1 000 ℃，外焰溫度為1 300～1 400 ℃，氧氣助燃時，外焰溫度可以達到1 650～1 700 ℃；采用天然氣自然燃燒時，單個燒嘴燒嘴的焰心溫度為1 600～1 700 ℃，外焰溫度為1 900～2 100 ℃左右，氧氣助燃時，外焰溫度可以達到3 200～3 400 ℃。因此，正常溫度下，單個燒嘴的燃燒外焰溫度與焰心溫度相差300 ℃左右，甚至更大。

而且，不論什么類型的燃氣燒嘴，都會存在火焰雷區(qū)，其火焰根部的溫度總比火焰末端的溫度要低。經(jīng)有關(guān)測溫儀測量可以發(fā)現(xiàn)，火焰根部比末端的溫度低20～50 ℃。一般情況下，我們直接將燒嘴安裝在窯壁上，由于火焰本身的溫度差別，再加上窯爐外壁由金屬做成，外壁直接與外冷空氣接觸，吸熱散熱速度快，導(dǎo)致靠近窯壁處的溫度比較低[3]。而且，火焰穩(wěn)定性較差，噴入爐內(nèi)的空氣形成的對流將靠近外壁的空氣帶入爐窯中間，空氣混合效果有限，熱傳遞需要一定的時間，容易造成局部高、低溫，形成較大的溫差。因此，燒嘴在燃燒過程中由于火焰本身存在溫差，導(dǎo)致窯爐每處的溫度都存在差異。

1.2 燃氣燒嘴助燃風(fēng)引起的溫差

為了提高燃氣燒嘴的燃燒率，通常，燃氣燒嘴需要通入助燃風(fēng)以提高燃氣與氧氣的接觸量，讓燃氣燃燒得更加充分。但是，現(xiàn)有的燃氣窯爐燒嘴對助燃風(fēng)的溫度也有要求，并不是越高越好。如果通入的助燃風(fēng)溫度太低，那么助燃風(fēng)的溫度與燒成的溫度相差較大，燃氣燃燒后周圍的溫度就會不均勻，容易造成產(chǎn)品部分生燒和部分過分變形。如果通入的助燃風(fēng)溫度太高，那么經(jīng)預(yù)熱提高溫度后，助燃風(fēng)體積會膨脹，動力黏性系數(shù)增大，流動阻力加大，會影響燒嘴的燃燒能力，燃燒值反而會下降。在燒成的過程中，應(yīng)保持助燃風(fēng)和燃氣的通量、壓力不變，不斷地加大助燃風(fēng)的溫度，剛開始時，燒嘴火焰顏色為藍色，但當(dāng)助燃風(fēng)的溫度升到一定值時，燃氣燒嘴火焰會開始變紅，說明此時天然氣沒有燃燒完全，這是因為助燃風(fēng)溫度太高導(dǎo)致體積劇烈膨脹后含氧量不足，致使助燃風(fēng)沒有足夠的氧氣與燃氣進行劇烈的化學(xué)反應(yīng)。

1.3 窯爐、燒嘴設(shè)計不合理引起的溫差

國內(nèi)很多企業(yè)為了追求產(chǎn)量，一味地加大陶瓷燃氣窯爐的寬度和長度，不管是上下安裝燒嘴，還是左右安裝燒嘴，燒嘴的間隔會隨著窯爐的增大而增大，燒嘴與燒嘴之間產(chǎn)生的溫度場不能連續(xù)，容易產(chǎn)生上下（燒嘴設(shè)置于窯頂時）或左右（燒嘴設(shè)置于窯體兩側(cè)墻時）溫差，造成溫度變化不平滑；而且，燒嘴中心線與棍棒的距離太大，由于熱氣體上浮，如果窯內(nèi)氣流攪拌不均勻，致使同一斷面內(nèi)溫度不一致，也容易加大窯內(nèi)的溫差[4]。窯爐、燒嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計得不合理，導(dǎo)致窯爐內(nèi)的溫度不穩(wěn)定、溫差大，大部分溫差在20 ℃以上。對于溫度變化敏感的陶瓷產(chǎn)品，燒成質(zhì)量差，這雖然在一定程度上了提高了產(chǎn)量，但是燃燒效率卻下降了，而且還造成了資源的浪費。

2 針對陶瓷燃氣輥道窯爐內(nèi)的溫差問題采取的改進措施

在陶瓷燒成的過程中，紫砂產(chǎn)品的燒成對溫度的變化非常敏感，傳統(tǒng)的燃氣窯爐由于燒成的產(chǎn)品允許有20～30 ℃溫差，而紫砂產(chǎn)品要求的溫差一般是3～5 ℃，為了適應(yīng)紫砂產(chǎn)品的燒成，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，我們需要緊密地結(jié)合生產(chǎn)實際，對陶瓷燃氣輥道窯爐的結(jié)構(gòu)進行改造，從而減小溫差范圍，降低能源消耗，使之符合高效、節(jié)能的低碳環(huán)保要求。下面談?wù)勔恍└倪M方法。

2.1 窯爐、燒嘴改造措施

為了縮小燃氣窯爐溫差，我們對窯爐燃氣燒嘴進行了改造，即在燒嘴的燒成帶后面增加了一個熱交換器，這樣助燃風(fēng)機將助燃風(fēng)打入燒嘴之前，先經(jīng)過熱交換器加熱到最優(yōu)溫度后再進入燃氣燒嘴，設(shè)置助燃風(fēng)最優(yōu)溫度參數(shù)需根據(jù)設(shè)備、生產(chǎn)實踐情況確定，不同的設(shè)備、不同的生產(chǎn)工藝要求助燃風(fēng)的最優(yōu)溫度值是不同的。這樣，燃氣燒嘴的助燃風(fēng)由原來的常溫增加到最優(yōu)溫度后，不僅使得燃氣窯爐內(nèi)的溫差明顯縮小，也防止了由于助燃風(fēng)溫度過高而影響燒嘴燃燒值的問題。

同時，采用燃氣專用比例燃燒器及便于調(diào)節(jié)通量的高速流量燒嘴，使通入的燃氣能夠量化，再采用空燃比例閥控制燃燒過程中的助燃風(fēng)和燃氣的比例，使我們能夠通過調(diào)節(jié)空燃比例閥就可以有效地控制助燃風(fēng)和燃氣的比例，以達到最優(yōu)燃燒的目的。這種采用“熱交換器+燃氣專用比例燃燒器+高速流量燒嘴+空燃比例閥”的設(shè)計方法，能讓我們更加容易、精準地控制助燃風(fēng)與燃氣的通量比例，使得燃氣的燃燒更加充分，窯內(nèi)的溫度更加均勻，有助于減少色差等燒成缺陷。因此，改進后的燃氣窯爐的燃氣燒嘴具有溫度波動小的優(yōu)點，節(jié)能環(huán)保，提高了產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。

2.2 燒成帶的改造措施

2.2.1 調(diào)整燒成帶的高度，進一步降低燒成帶上下的溫差

傳統(tǒng)的燃氣窯爐燒成帶上下溫差大，對于有些燒成的產(chǎn)品允許溫差為20～30 ℃，可以采用傳統(tǒng)的燃氣窯爐燒成，然而紫砂產(chǎn)品要求的溫差一般是3～5 ℃。采用傳統(tǒng)的燃氣窯爐燒成時，紫砂產(chǎn)品易發(fā)生局部變形、生燒、色澤粗糙甚至破裂，嚴重影響了紫砂陶瓷的燒成質(zhì)量。為了適應(yīng)紫砂產(chǎn)品的燒成，我們對窯爐的燒成帶的高度進行了改造，經(jīng)不斷測試，我們將燒成帶由原來的60 cm降低到37 cm時發(fā)現(xiàn)，燒成帶上下溫差可以降低3～5 ℃，通過降低燒成帶的高度，使得燃氣窯爐燒成帶上下溫差由原來的20～30 ℃降低為3～5 ℃，達到燒好紫砂產(chǎn)品的條件。

2.2.2 增加輥道窯爐燒成帶通道，強力混合窯內(nèi)的熱氣體

輥道窯屬于輕體窯，其截面呈扁平狀，因此在窯不太寬的情況下，為了保證窯內(nèi)溫度的均勻性，我們在燒成帶前后增加了由窯頂進入窯內(nèi)的2個通道，使得冷卻帶熱交換器的熱風(fēng)經(jīng)過燒成帶前后的2個通道后形成2道氣簾吹進窯內(nèi)，充分混合窯內(nèi)熱氣體。同時，2道氣簾在燒成帶附近也會形成還原氣氛，使坯體內(nèi)的高價鐵（Fe2O3）得到充分還原而變?yōu)檠趸瘉嗚F（FeO），變成青色，消滅瓷色發(fā)黃的現(xiàn)象，保證了陶瓷產(chǎn)品在輥道窯中還原燒成的技術(shù)效果，為大批量生產(chǎn)窯變工藝品奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，大大降低了窯變產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2.2.3 結(jié)合工控機控制系統(tǒng)，精確控制窯爐的燒成溫度和空燃比例

傳統(tǒng)的輥道窯爐采用的熱風(fēng)機為燃料鼓風(fēng)，操作人員根據(jù)經(jīng)驗適當(dāng)增加或減少燃料以控制燒成溫度，傳統(tǒng)輥道窯爐人工控制燃氣的方式存在不少缺陷：首先，熱風(fēng)機鼓風(fēng)的方式不能精確地控制窯內(nèi)空氣和燃料的比例，也不能確保兩者充分接觸，往往造成大量燃料燃燒不充分；其次，燒成溫度曲線的控制難度非常大，誤差高，很難大批量生產(chǎn)高品質(zhì)的陶瓷產(chǎn)品。

采用工控機控制是以PC機程序控制為主，控制參數(shù)主要包括爐溫、燃燒時間、空燃比、燃氣通量等變量。爐內(nèi)溫控系統(tǒng)采用PID智能溫控儀表控制，并將PID智能溫控儀表與PC機連接，使之能夠有效、精確地對全窯燒成溫度進行有效監(jiān)控。同時，通過PC機編程和貯存數(shù)十條燒成溫度曲線，以便以后生產(chǎn)使用，這樣通過智能化儀表進行溫度自動控制，對窯爐動力、熱工等系統(tǒng)進行智能化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)窯爐燒成溫度控制的全自動化。

如何控制燃燒時間、空燃比、燃氣通量，是保證爐膛溫度均勻的關(guān)鍵性技術(shù)問題。為此，我們采用PC機根據(jù)爐內(nèi)溫度及燒成時間自動控制燃氣專用比例、燃燒器的開關(guān)、高速流量燒嘴的燃氣通量、空燃比例閥，實現(xiàn)燃燒過程助燃風(fēng)和燃氣的最優(yōu)比例混合，提高燃料燃燒率和溫度曲線的精確度，有效地控制窯爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性、均勻性。

工控機控制系統(tǒng)簡化圖如圖1所示。

3 結(jié)論

陶瓷燃氣輥道窯爐內(nèi)的溫差問題的技術(shù)改進是一個不斷發(fā)展的動態(tài)過程，我們在研發(fā)過程中，結(jié)合窯爐設(shè)計的發(fā)展方向，以減小窯內(nèi)溫差、減少陶瓷產(chǎn)品缺陷、降低能耗為著力點，探討了陶瓷燃氣輥道窯爐內(nèi)溫差產(chǎn)生的原因及其改造技術(shù)。同時，根據(jù)生產(chǎn)實際，研究和分析了采用工控機對爐溫、燃燒時間、空燃比、燃氣通量等變量進行控制的關(guān)鍵技術(shù)，使得我們能夠更加精確地控制窯爐的燒成溫度，從而確保窯內(nèi)溫度的均勻與穩(wěn)定。改進后的燃氣窯爐內(nèi)溫差可以由原來的20～30 ℃降低在3～5 ℃，具有溫度波動小、窯內(nèi)溫度均勻、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，進一步提高了產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。

參 考 文 獻

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[2]陳英.陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)與節(jié)能綜述[J].科技傳播，2011（23）.

[3]程小蘇，柯善軍.寬截面陶瓷輥道窯爐內(nèi)溫差問題的分析與對策[D].廣東：華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009.

[4]童劍輝，馮青，艾玉庭，等.溫度均勻器對輥道窯窯內(nèi)溫度場的影響[J].中國陶瓷工業(yè)，2008（1）：29-33.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]