日用瓷還原焰輥道窯的熱工性能及控制工藝

摘 要：本文闡述了漢索夫日用瓷還原焰自動控制輥道窯的主要技術參數、窯爐的結構組成、熱工性能及工藝控制等情況。經過反復試驗，不斷的摸索，獲得了最佳的高檔高溫硬質瓷快燒的生產控制方法，以及適合輥道窯快燒的坯釉料配方。經檢測，產品的釉面質量和白度達到了德國和日本高檔瓷的水平。

關鍵詞：日用瓷；還原焰；自動控制；輥道窯

1 引言

在上世紀90年代中期，世界陶瓷窯爐第一品牌——德國漢索夫窯爐公司設計，中外合資北京多博仕有限公司建造的“日用瓷還原焰自動控制天然氣輥道窯”在重慶兆峰陶瓷廠順利投產。開創了高溫日用硬質瓷用輥道窯還原焰燒成，并同時實施溫度、窯壓、還原氣氛三大熱工制度自動控制系統。由此引起一場日用瓷還原焰窯爐自動控制的革命。許多國內的窯爐公司和生產日用瓷的工廠紛紛花巨資進行消化吸收和研制，但由于原兆峰陶瓷集團體制等原因，重慶兆峰陶瓷廠實施封閉式管理，外系統人員無法進入參觀，也沒有詳細資料介紹有關該窯爐的基本情況。由于對該窯爐的控制方法和設計原理不詳以及國內缺少合適的控制元件等原因，導致國內日用瓷輥道窯爐在溫度和還原焰氣氛同時實施自動控制方面無一成功例子。而該窯爐的技術參數、窯爐結構、運行情況等仍如同蒙上了一層神秘的面紗，乏人知曉。

筆者在北京多博仕有限公司擔任副總工程師兼技術部經理，參加了該窯爐完善的技術指標的制定，對國外設計資料進行了消化吸收和配套設計，并參加了后期窯爐的技術參數測試、收集和窯爐調試工作，對該窯爐有了一定的認識。為使國內高溫日用瓷還原焰窯爐自動化控制水平得以提高，特將該窯爐的一些情況予以介紹，供有關企業參考。

2 窯爐的主要技術參數

窯爐的主要技術參數有：

（1） 窯爐長度為57.7m、內寬為1750mm、有效內寬為1400mm、有效內高為400mm；

（2） 輥間距為81.5mm、輥棒直徑為Ф40mm、輥棒材質為碳化硅和重結晶碳化硅；

（3） 燒成溫度為1420℃，設計最高燒成溫度為1460℃；

（4） 燒成氣氛為還原焰燒成；

（5） 燒成周期為4~6h（可調節）；

（6） 燒成帶溫差≤3℃；

（7） 燒成合格率≥98%；

（8） 產品品種和產量：高檔硬質日用瓷釉燒，20000~24000件/天；

（9） 燃料：天然氣，熱值35564kJ/m3；

（10） 棚板尺寸為400mm×460mm×7mm，材質為重結晶碳化硅。

3 窯爐結構及組成

窯爐主要由干燥段、預熱帶、燒成段、冷卻段等組成。

（1） 干燥段

窯爐干燥段由三節組成，墻體和窯頂采用纖維材料和隔熱板。窯頭設有封閉氣幕。干燥段所有干燥熱源均由冷卻段的余熱風，經熱風爐升溫加熱后送入窯內，干燥溫度達150℃以上。坯體內的殘余水份40min左右排除。該段設有循環風機兩臺、接力風機一臺、廢氣抽出風機一臺。

（2） 預熱帶

窯爐預熱帶墻體內襯采用輕質隔熱磚，保溫層采用優質硅藻土磚和隔熱板，窯頂為纖維模塊平吊頂，由三節預制組件組合而成。該段設廢氣抽出風機一臺，在窯體兩側設有三對噴風口，將預熱后的熱空氣從側墻上部高速噴入窯內，有強烈攪拌的作用，以解決預熱帶的上下溫差。

（3） 燒成段

窯爐燒成段由14節預制組件組合而成，墻體內襯由輕質隔熱磚和纖維兩種材料組成；窯頂結構形式為平頂，全纖維結構；窯兩側設有66個高速燒嘴，分為11個控制單元，部分燒嘴具有自動點火和火焰監控等功能。

助燃空氣、冷卻空氣的整套管道和導管使用不銹鋼材料，部分管路直接安裝在窯爐的組件內。在氧化和還原氣氛轉換處分別設有從窯頂上部和兩側打進熱空氣的氣幕裝置，起隔焰作用。在燒成帶兩側下部設有12個事故處理孔。

每個窯段的內部相當于一個窯室，每兩個窯段有一個控制區間，其上部采用不同材質的SiC隔焰棒或R-SiC隔焰棒使窯室分隔，以減少燃燒產物的對流。按燒成工藝曲線的要求，形成相對比較穩定的溫度區間。

（4） 冷卻段結構

冷卻段由6節預制組件組合而成。前3節窯內襯由輕質隔熱磚和保溫磚、隔熱板組成；后3節窯內襯主要由輕質材料和隔熱板。在燒成段末端第16節窯段（不含干燥段）頂部設有急冷風機一臺，但該風機不打進冷風，而是直接抽出窯內熱氣體，經熱交換器加熱助燃空氣，從而降低抽出風的溫度，以及實施余熱利用。其后有一組從窯頂和窯兩側打進窯內的封閉氣幕，利用助燃風機空氣作介質直接噴射入窯。該區域為急冷區，以直接冷卻為主。在第17節窯段的輥棒上部設有21根交叉布置的間接冷卻管裝置，在輥棒下部設有7根交叉布置的間接冷卻管裝置，并與產品運行方向垂直布置。外界冷空氣通過冷卻管間接冷卻制品，經熱交換后的熱氣體被抽往干燥段。

在18~20節，輥棒上部和下部分別設有金屬冷卻管19根，外界冷風通過金屬冷卻管冷卻制品，熱氣體被抽往干燥段，該區段屬緩冷區。在21~23節，采用的冷卻方式是在窯兩側用冷卻風機直接打進冷風，熱氣體分別從窯頂部和窯底部抽往干燥段。在窯爐最后設有封閉氣幕兩道，阻止外界冷空氣進入窯。

（5） 經熱交換器加熱后，到達燒嘴助燃空氣的溫度約為150℃。各個調節組都配有燃氣、空氣比例自動調節等裝置。

（6） 輥道窯驅動系統裝有8個電動機，帶可調變速驅動器、垂直齒輪箱、變頻調速器，驅動電機為無級變速。

（7） 全窯配置不同長度的輥棒628根，燒成段配置R-SiC輥棒；干燥段、預熱段、冷卻段配置SiC輥棒。

（9） 窯側配有輸送窯具和制品的輸送皮帶，并設有光電控制。窯頭、窯尾設置進出窯機各一臺。

（10） 燃氣管道設置調壓器、安全閥、過濾器、壓力開關、壓力表等元件。

（11） 全窯設置風機共8臺。

4 窯爐的熱工性能

（1） 每節窯段均為相對獨立的窯室，窯段間為半封閉狀態。由于采用高速燒嘴，氣流速度較快，使高溫氣流能滯留在窯室內，顯著地提高了對流換熱系數。升溫、降溫對其它窯室干擾小，再加上窯室容積大，空間熱強度高，窯內溫度均勻。經測試，高溫區斷面溫差小于3℃。

干燥、預熱、燒成、冷卻四個段的通風系統使窯內各處的壓力相對平衡。排煙機的吸入口設在預熱段，一是其封閉氣幕的作用，不會吸入外界的冷空氣；二是燒成帶的熱量可直達窯頭，熱利用率高。廢氣的排出溫度為230℃左右。

（2） 窯體輕、蓄熱少、熱效率高。由于采用了輕質隔熱磚、陶瓷纖維作為砌筑材料，其砌體重量為傳統耐火材料窯爐的1/3~1/4左右；蓄散熱損失為傳統耐火材料窯爐的10%；蓄散熱量占供給熱量總量的4%，因此，熱效率明顯提高。

（3） 傳熱速度快，溫度均勻。輥道窯雖然沒有燃燒室，但通過在輥棒上下、窯墻兩側交叉布置高速燒嘴，其噴出速度高達116m/s。一方面，可以增強對流換熱能力；另一方面，加強窯內氣體的流動，使窯內溫度達到均勻。預熱帶布置的噴射風管有助于減小溫差，促進窯爐快速燒成。

（4） 采用輥棒輸送產品，減少傳統的窯車熱損失。該窯首次在高溫、還原焰日用瓷窯上采用輥道輸送制品，由于普通陶瓷輥棒無法承受1400℃以上的高溫，該窯采用了先進材料R-SiC輥棒，減少窯爐的熱量損失。

（5） 自動化控制程度高，燒成質量穩定。該窯對燒成產品輸送、助燃風機、排煙風機、窯壓、溫度、氣氛進行自動控制和調節。其中，輸送采用變頻控制；窯壓控制采用PID調節方式；溫度控制采用PID調節和燃氣、助燃空氣比例調節方式。由于選擇了窯爐溫度控制和氣氛控制的位置，避免了溫度控制與氣氛控制的相互干擾，從而使窯爐所有的熱工參數自動控制得以實現。

該窯配備了兩臺特制的CO分析儀，并與窯爐還原段燒嘴配套調節。當CO氣體分析儀檢測CO氣氛偏低或偏高時，通過與儀表設定值進行比較，然后通過空氣與燃氣的比例調節器、流量孔板，可同時調節助燃空氣和燃氣的閥門，成比例的增加或減少助燃空氣和燃氣的流量，使該區間窯內的CO氣氛始終接近設定值，達到穩定窯內CO氣氛的目的。由于窯爐的三大熱工參數：窯內的壓力、溫度和氣氛，始終處于受控狀態，使得燃燒情況較穩定，從而保證了產品質量的穩定，產品燒成缺陷為1% 左右。

（6） 采用先進的窯具。該窯可焙燒多層負載窯具的制品，大大提高了窯爐產量。由于采用了先進的R-SiC材質的窯具，重量輕，最薄的盤類窯具厚度僅為5mm。與傳統的匣缽相比，具有平整度好、不掉渣、抗冷熱急變性好、使用壽命可達1400次等優點。窯具與制品重量之比小于3:1，減少了熱量的損失。

（7） 窯爐的密閉性好。除進出口外，窯爐其余的孔洞均有蓋板或塞了陶瓷纖維。一是為了減少熱量損失；二是能有效的阻止外界冷空氣進入窯內。

（8） 能耗低。由于窯體輕、蓄熱少、熱效率高；自動化控制程度高；采用輥棒輸送產品；采用先進的窯具；窯爐的密閉性好；利用窯爐余熱加熱助燃風等因素，使得該窯運行能耗極低。在燒成溫度為1420℃、CO的含量大于2%、燒成周期為300min時，所消耗的能量為10600kJ/kg瓷，遠比國內同類產品的耗能低。

5 窯爐的工藝控制

（1） 坯體的入窯水份要低。該窯爐設置的窯前干燥段將坯體的水份大幅降低，獲得了較好的效果。

（2） 產品的厚度要控制好，必須均勻，否則在燒成的過程中易開裂。

（3） 由于釉料處于高溫中的時間短，因此，要求釉的高溫粘度低、表面張力適宜、膨脹系數小。

（4） 裝坯時器型大小、窯位高低要搭配好，盡量減少產品入窯的不均勻性。

6 結語

經過反復試驗，不斷的摸索，獲得了最佳的高檔高溫硬質瓷快燒的生產控制方法，以及適合輥道窯快燒的坯釉料配方。經檢測，產品的釉面質量和白度達到了德國和日本高檔瓷的水平，獲得了國家領導江澤民、李鵬等到該廠視察后，也對此產品的好評。

參考文獻

[1] 窯爐的革命[J].兆峰陶瓷刊物，1998.

[2] 劉振群.陶瓷工業熱工設備[M].北京:清華大學，1982.