關于日用瓷窯爐還原焰的精確控制技術

摘 要:本文闡述了日用瓷窯爐還原焰的主要影響因素，從燃燒系統的設計和結構優化、窯壓平衡等方面對還原焰的精確控制技術進行了詳細論述。

關鍵詞:還原焰;日用瓷

1日用瓷還原焰簡介

按照燃燒火焰的性質劃分，分為氧化焰(或氧化氣氛，指燃燒煙氣中有過剩氧氣)、中性焰(或中性氣氛，指窯內所產生的一氧化碳和氫氣與進入窯中的空氣中的氧氣剛好燃燒完全，處于平衡狀態)及還原焰(或還原氣氛，燃燒煙氣因氧氣不足產生CO、H2等還原氣體)。由于中性焰范圍太小，很難控制，日用瓷一般常用到的主要是氧化焰和還原焰燒成技術。在還原焰燒成的窯爐中，根據制品燒成工藝和氣氛作用不同，兩種焰性都是存在的。氧化焰主要存在于1050℃以下區域，其作用是排出坯釉中的水分，讓有機物氧化燃燒和揮發，碳酸鹽、硫酸鹽類快速分解，以使這些氣體在釉料熔融前充分逸出，以免在釉表產生針孔等缺陷;而在1050℃至最高溫區，采用還原焰燒成，將高價鐵還原成低價鐵，以達到預期的燒成效果。

高溫瓷坯、釉中由于含有高價鐵Fe2O3，易使瓷器呈黃白色，為了保證瓷器白度，一般采用還原焰燒成，以便將坯釉中的Fe2O3還原成氧化亞鐵(FeO)，達到“白里泛青”的效果，獲得人們喜愛的色調。

2 影響還原焰控制的主要因素

還原焰在國內外已不是新技術，從傳統的煤燒隧道窯，到現在的氣燒輥道窯、隧道窯和梭式窯，早已得到大量應用。但真正能夠穩定地將還原焰實行精確控制的，幾乎是鳳毛麟角，主要原因是還原氣氛受到的影響因素非常多。有些企業曾嘗試自動控制氣氛，但是卻穩定不了溫度，反倒使溫度和氣氛大起大落，很難將兩者有效結合起來;有些干脆用“手動”的調節方式，僅憑經驗來控制，國內還原焰控制技術仍然以經驗操作為主。

還原焰控制的主要影響因素如下:

2.1燃燒系統設計的影響

燃燒系統設計是決定燃燒火焰性質的核心和根本，任一環節或配件設計不到位，都難以達到良好的效果，產生不了CO(主要檢測在燃燒煙氣中的體積百分比)，或者含量不穩定;甚至可能產生了CO，但燒嘴又會出現“結焦”等問題。

(1) 燒嘴的影響

燒嘴主要起到分配燃料和助燃空氣并以一定方式噴出后燃燒的作用。燒嘴是關鍵燃燒部件，有燃料、空氣入口和燃燒室噴出孔三部分。如果三者的設計不協調、結構不合理，不僅影響到燃燒狀況、火焰射程，還會白白增加燃氣消耗量。而如果還原焰燒嘴設計不好，則要么火焰不穩定，要么燒不出還原焰，要么產生“結焦或積碳”。

(2) 風量、氣量的影響

如果在燃燒設計上光重視燃氣量控制，而不注重空氣量控制，往往會導致窯內氣氛不穩定。

(3) 風、氣管路及風機選型的影響

風機選型不合理、管徑大小設計不合適、風壓或氣壓不夠等，都會使溫度和氣氛無法滿足使用要求。

2.2窯壓的影響

這里說的窯壓主要細分為預熱帶和燒成帶窯壓、急冷帶和緩冷帶窯壓、尾冷區窯壓。這五帶由于同在一個“通道”內，任何一帶的壓力變化都會引起其它帶的壓力變化，彼此都是相輔相成、互相影響和制約的。

在還原焰燒成中，盡管窯爐結構設計和布局各有不同，但各帶窯壓的平衡和穩定是控制還原氣氛的關鍵所在，窯內壓力的任何變化都會使CO含量產生波動，同時會導致溫度不穩定，因此如何讓幾種窯壓平衡就顯得尤為重要。

(1) 預熱帶窯壓和燒成帶窯壓的影響

預熱帶窯壓和燒成帶窯壓是直接影響窯內氣氛變化的主要因素。當排煙量減少時，由于燃燒煙氣流速減慢，CO集聚，含量升高;當排煙抽力加大時，會將冷卻帶的空氣抽到燒成帶產生“二次燃燒”，CO含量會下降。

(2) 急冷帶和緩冷帶窯壓的影響

急冷帶和緩冷帶的窯壓主要受急冷供風、緩冷供風和抽風影響。為了加快陶瓷制品的冷卻，有效控制急冷溫度，現在的窯爐大多數采取直接鼓風冷卻制品。為了保證急冷溫度穩定，一般采用自動控制的方式。但是，當通過的制品體積和重量(因訂單導致產品結構多樣化)發生改變時，需要的冷風量會發生變化，而直接鼓入的風量必將會影響到此區的窯壓。緩冷帶同急冷帶的影響一樣，當此區的窯壓升高時，會連帶提高急冷帶窯壓，從而影響到燒成區。如供風量加大時，若不能有效排走，此處冷風有部分會流到燒成帶，空氣中的O2與還原氣體相遇，產生二次燃燒，提高了燒成溫度，沖淡了CO含量，使制品還原不足，產生“陰黃”缺陷;反之，煙氣會倒流或滯流，燒成區CO含量增加，引起制品“積碳”，產生“煙熏”(發灰發黑)缺陷。

(3) 尾冷區窯壓

由于同在一根“連通管”內，此區的窯壓會通過緩冷、急冷影響到燒成區窯壓。但此區制品已過了573℃時的SiO2晶型轉換易裂點，制品溫度較低，一般全部采用手動控制供風和抽風。只要第一次調試平衡，室外環境氣壓波動不大，尾冷窯壓影響氣氛的因素可以忽略不計。

2.3 產品變化的影響

由于日用瓷種類繁多，大多數采用多層墊板裝燒方式。當單位制品太重，吸熱量較大時，耗氣量將增加，如果空氣和燃氣比例搭配不當，CO含量將會升高，反之會減少;產品裝載較密或高度增加，排煙阻力加大，窯內抽力減小，CO含量提高，反之，CO含量會降低，這些因素都直接影響到窯內氣氛的變化。

2.4其它因素的影響

除了上述因素外，還有原料配方成份、泥料添加劑、窯爐調試狀況、窯體結構及大氣壓等影響因素，都可能給CO的控制帶來不同程度的影響。

3 還原焰的精確控制技術

從上文介紹可以看出，影響還原焰燒成的因素很多，如何在保持溫度穩定的同時控制好CO含量呢?下面以一些新的設計理念和控制方法，結合本人多年的窯爐操作和設計經驗，僅從設計和調試方面談一下用于日用瓷輥道窯和隧道窯還原焰的精確控制技術，供讀者參考。

該窯爐采取的方式是以穩定窯壓為基礎，在一定范圍內將溫度和氣氛同時實現精確控制。具體方式如下:

3.1 燃燒系統的設計和結構優化

3.1.1燒嘴的設計和選擇

要燒還原焰，燃燒煙氣中首先必須要有還原性氣體，否則就沒有意義。燒嘴是燃燒系統的核心部件，因此必須要設計出能夠產生還原焰氣體的燒嘴，這一點主要從風片的面積;旋流槽結構;孔徑的大小和數量;噴氣頭孔徑的大小、數量及與風孔的位置關系;燒嘴磚(或SISIC套管)的結構、長短、噴出口大小;風片與“磚或套”的配合公差方面來解決。需要理論計算與實際燃燒狀況相結合，不斷試驗和優化，直到滿足“還原焰”的要求才行。

3.1.2 還原焰精確控制技術

還原焰精確控制技術的原理見圖1。

在圖1中，溫度和CO含量是通過控制空氣過剩系數λ來實現的。其主要新穎之處在于，溫度變化時，同時用流量傳感器按流量比例精確提供風、氣量，并保持λ設定值不變，可穩定CO含量;當氣氛波動時，λ設定值自動變化，通過風量增減達到新的λ值，精確控制CO含量。此方法最大的優點在于，將溫度和氣氛調節有機結合起來，調節溫度時，先穩定氣氛;調節氣氛時，先穩定溫度，有效防止了顧此失彼。

基本控制原理如下:

(1) 溫度的精確控制

當熱電偶檢測的溫度高于設定值時，信號送到燃氣電動閥，按照溫度控制器“預定的偏差范圍(根據操作經驗靈活設定)”關小流量，燃氣流量實測信號同時傳給λ控制器。為了保持λ設定值，λ控制器提供信號給空氣電動閥，使其減小開度，通過PID(微積分)調節，逐步將空氣過剩系數λ保持到設定值，從而穩定氣氛。反之，需加大氣量和風量。

(2) CO的精確控制

當在線氣氛檢測儀的CO含量高于設定值時，信號送到λ控制器并將設定值按“預定的偏差范圍(根據操作經驗靈活設定)”提高風量。λ設定值變化后，經過與實測值比較后再給信號到空氣電動閥開關，通過PID(微積分)調節，逐步達到設定值。反之，需減小風量。

3.2幾種窯壓平衡的設計和調試要求

在3.1.2 還原焰精確控制技術中提到的兩個儀表“預定的偏差范圍”，主要是因為這種控制必須在一定范圍內進行，否則，如果溫度和氣氛在不受限的范圍內大幅調節會產生相互干擾。如何讓其在小范圍內波動，又可滿足制品溫度和氣氛的不同要求呢?窯壓的平衡和穩定至關重要。

3.2.1預熱帶和燒成帶窯壓平衡

要保證這兩帶之間的平衡，需采取如下措施:

(1) 氣幕風的設計

在氧化還原過渡區需要設置氣氛氣幕，在燒成結束、急冷開始處需設置急冷氣幕。氣氛氣幕表面作用是供風以燃燒掉還原區過來的CO，迅速轉換為制品所需要的氧化氣氛;急冷氣幕主要是冷卻制品，除此之外，實際上還起到封閉還原區、阻隔兩端壓力波動影響到還原區窯壓的作用。

(2) 隔焰裝置的設置

隔焰裝置的設置主要是在不同區域縮小窯內截面積、增加排煙阻力，保證隔焰區內的壓力相對穩定。

(3) 還原燒成區的正壓控制

在還原焰燒成中，必須保持還原區全部為正壓操作，否則會從窯爐的孔洞(如觀火孔、觀察孔等)或縫隙中(如輥棒四周、事故口周圍等)吸入冷風沖淡氣氛，導致氣氛不均和不穩定，甚至會從冷卻帶正壓區吸入空氣。

(4) 穩定和控制好預熱帶的零壓點

穩定和控制好預熱帶的零壓點，主要是通過排煙風機自動控制排煙抽力大小來實現。

3.2.2 急冷帶和緩冷帶窯壓平衡

(1)急冷平衡煙囪的設計

在急冷區設計獨立的抽熱裝置，主要作用是排掉急冷氣幕和急冷風，防止可能對還原區產生的影響。

(2) 急冷區采用間接冷卻的方式

當急冷溫度變化時，如果采取間接冷卻方式，始終沒有直接鼓風入窯內，同時又可控制溫度，將不會對窯壓產生影響。

(3) 在緩冷區設置窯壓自控

在緩冷區設計窯壓傳感器實行自動控制，主要是通過抽熱風機平衡尾冷或緩冷供風，達到設定的與預熱帶平衡的窯壓。

綜上所述，只要設計和調試做到“保中間穩兩端”，即將還原區“兩端”窯壓控制穩定，消除兩端窯壓波動的干擾，加上燃燒系統設計可靠，自身能夠自動滿足“還原區”的氣氛數據要求，從而達到了精確控制的目的。從使用效果來看，上述設計和調節方式控制的氣氛和溫度比較穩定，基本上保證了日用瓷正常燒成還原焰的要求，受產品裝載量、產品高低變化等因素的影響很小。

從我公司兩條天然氣還原窯爐的實際應用分析，日用瓷燒成在正常運行中，其還原區溫度控制器內燃氣預定的偏差范圍在3～25m3/h，而λ控制器預定的偏差范圍在±0.07m3/h之間，基本上可將溫度波動控制在±3℃以內(與設定溫度的控制偏差)，CO含量波動可控制在±0.2%(與設定氣氛的偏差)內，這種變化范圍對產品質量和白度基本上沒有影響。

4 該控制技術的缺點及解決辦法

(1) 在烘窯、點火或升降溫階段要調整參數

由于在正常生產中燃氣流量和λ系數有一定限制，在升、降溫幅度太大的情況下必須要修改參數，否則難以控制相應參數。

解決措施:配備電腦，儲存相應升降溫曲線、λ及燃氣允許波動范圍，需要相應參數時立即調出來設置好，就可以消除這些影響。第一次升、降溫時，將偏差范圍放大，再逐步糾正參數。

(2) 不同燃料的λ值及燃氣波動范圍不同

由于不同燃料發熱值相差懸殊，所需的空氣過剩系數及燃氣控制范圍不同，第一次必須要依據理論參數，并以此為基礎調試和摸索出合理的數據，并做好相應記錄和設定值的更改工作。我公司在這方面已積累了不同燃料的數據范圍。

5 結 語

總體來說，上述設計在實際應用中是比較成功的，基本上實現了溫度和還原氣氛的同步精確控制，使用穩定可靠，產品質量大幅提高，燒成氣氛和溫度因素造成的產品缺陷幾乎可以忽略不計。除此之外，窯壓、溫度、氣氛和風壓、氣壓實行了數據化管理和記錄，不受操作人員素質的影響，給工廠帶來了實實在在的好處，具有較高的推廣應用價值。