陶瓷工業節能、智能技術分析及發展趨勢

藍天旺

（廣東省大埔陶瓷工業研究所，梅州 514247）

1 前言

當前，我國陶瓷生產整體表現為陶瓷產品年產量大和能耗嚴重。2012年我國陶瓷磚總量達到90億m2，衛生潔具2億件，日用陶瓷300億件，工藝美術陶瓷50億件，均占全球的60%以上，總能耗達2～3億t，占全國總能耗的3～5%。再加上當前世界性能源緊張形勢，我國已為實現節能降耗和資源高效利用，制定了多項節能減排政策法規。因此，當前陶瓷生產企業面臨著更為緊迫的節能降耗任務。如何采取恰當合理的生產控制技術措施，在保證產品性能不降低、生產過程不繁雜等前提下，最大限度地節約能源、提高效率、改善生產條件，已成為陶瓷行業亟待解決的問題。

創新是以新思維、新發明和新描述為特征的一種概念化過程。要想走在時代前列，就一刻也不能沒有創新思維，一刻也不能停止創新。

近些年來，隨著計算機的廣泛應用和人工智能技術的日益發展，出現了以人工智能、控制理論和計算機技術為基礎的新型控制技術——智能控制，即利用計算機技術對窯爐燒成進行智能控制，實現更加便捷高效地調控窯內的燒成溫度、氣氛和壓力，使燒成保持最佳狀態，從而有效地提高生產效率、減少能耗。當前，智能控制技術已成為窯爐控制技術的新趨勢，也為陶瓷行業的自動化智能發展提供了新思路。本文就節能、智能控制技術在陶瓷工業的應用加以綜述，以期達到進一步地節約能源、提高效率、改善生產條件的目的。

2 陶瓷工業中的節能技術

2.1 陶瓷原料制備過程中的節能措施

2.1.1 球磨制粉

陶瓷制品的主要能耗在制粉（包括球磨和噴霧干燥）和燒成兩個工序，制粉的耗能基本接近燒成。在制粉時，應該放棄使用噪音大、能耗高、污染嚴重的破碎系統，例如粗細顎式破碎機和旋磨機，可以采用球磨機或質量可靠的系統；其次，可以采用效率更高的球磨機，可以大幅度提升產量，并且減少耗電量。另外，球磨機橡膠襯的設計既減少了負荷，也增加了有效容積，所以不僅提高了產量，又節約了電能。球磨機在實際使用過程中，可以根據具體的生產條件使用不同的設計，可以提高其工作效率，如果使用了氧化鋁球，在原來的基礎上還可以省電。

2.1.2 干法制粉

制粉的耗能大部分是用于水分蒸發；兩個工序存在實質性差異：制粉工序中水分蒸發耗能是為了除去無用的水，燒成耗能是陶瓷制品形成產品特性的吸熱反應必需。可以看出，不額外加水進入可以實現大量節能，干法制粉應運而生。

與濕法工藝相比，干法具備明顯優勢，主要表現在：干法制粉工藝在干燥粉料/漿料時耗熱能遠遠小于濕法制粉工藝，干法工藝將增濕后粉料由10%干燥至6～7.5%，濕法工藝將含水35%的漿料干燥至6～7.5%，干法可以大量減少水分去除，電耗遠小于濕法制粉工藝，減少電耗達20～30%。顆粒物排放也明顯低于濕法工藝，不需要額外添加處理設備，配套集成的除塵系統，完全可以符合標準要求，無需進一步處理。能源消耗量小，SO2與NOx排放量低，不需添加新環保設備。

2.1.3 原材料標準化

陶瓷產業在不斷發展的過程中逐漸形成了原材料標準化的趨勢，這樣不僅可以充分利用資源，還有如下的優點：

（1）通過標準化，可以保證生產質量，提高產品的穩定性；

（2）原材料標準化便于對原材料進行集中處理，從而提高原料加工設備的利用率，減少企業特別是新建企業的開發和投資；

（3）工廠不用存儲大量的原料以供生產，工廠在任何需要的時候就可以買到標準的原料。

2.2 陶瓷窯爐燒成中的節能技術

窯爐是陶瓷工業最關鍵的熱工設備，也是耗能最大的設備，干燥及燒成中的能耗占陶瓷生產總能耗的60～80%，窯爐設備能耗的水平，主要取決于窯爐的結構與燒成技術，其中窯爐的結構是根本，燒成技術是保證；只有使兩者合理的搭配才能既保證窯爐燒成質量的提高，又減少能源消耗。窯爐型式主要有梳式窯或倒焰窟、隧道窯及輥道窯。

2.2.1 窯爐結構優化

（1）窯爐內高

隨著窯爐內高的增加，單位制品熱耗和窯墻散熱量也增加。窯內高度增加會引起通道內溫度分層，增大窯內熱氣流的上、下分層，特別是隧道窯，有的內高達1 m以上，其上、下溫差，特別是預熱帶內的上、下溫差高達300～500℃。窯內通道太高，會導致溫差太大而無法燒成，所以從燒成質量控制、節能降耗的角度講，窯內高度越低越好。

（2）窯爐內寬

隨著窯爐內寬度的增大，單位制品熱耗和窯墻散熱減少。如果窯墻外表面溫度與環境的溫度差不變，則窯體外壁的散熱損失可減少27.2%。所以在一定范圍內，窯越寬越好，窯越寬，節能率越高。故只要能很好地解決斷面溫差的問題，寬體窯是發展的方向。

（3）窯爐長度

當窯內寬和內高一定的情況下，隨著窯長的增加，單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。早期的窯爐均為幾十米長，現在的輥道窯最長達450 m，隧道窯長140 m以上。因此，應重點研究和優化窯爐結構，減少能耗，并逐步縮小窯內各斷面的溫差，加快燒成周期，以達到節能、低碳的目的。

（4）平頂和拱頂

早期輥道窯多數采用平頂吊磚方式，施工方便、氣流流動順暢。氣流的流動靠布置一定的擋火墻及閘板以改變氣流的流動及氣流的攪拌，由于窯通道矮，一般為30～50 cm，故氣體流動阻力大。特別在燒成帶，通道不高，降低熱輻射層厚度，因在高溫段的傳熱方式以輻射傳熱為主，約占總傳熱中80%左右，故無法發揮輻射傳熱的優點。實踐經驗證明，寬窯的高溫段采用拱頂結構，可增加輻射層厚度，大大地有利輻射傳熱。拱頂結構的傳熱有利于燒成帶溫差的減小，而在低溫段采用平頂結構，有利于低溫段溫度的均勻，特別是把這兩種窯頂結構相結合，更有利于窯內氣流的攪拌和溫度的均勻，減少窯內溫差。

（5）加強窯體的密封和窯壓的控制

窯體的密封可減小窯內熱氣體的外流和窯外冷氣體的滲入，既有利于減小窯內溫差的形成，又有利于節能、穩定窯內壓力分布，特別有利于氣氛燒成。

2.1.6 窯車窯具的輕質化

（1）隧道窯窯車熱損失占總能耗的10～15%，較好的隧道窯低蓄熱窯車只有傳統窯車重量的1/3，蓄熱量的2/7，節能量可達17%。

（2）燒日用瓷的隧道窯，窯具質量是產品的2倍以上，最多達5.4倍。

（3）燒外墻磚墊板由10.5 mm厚改為7.3 mm（最薄為6.5 mm），每塊重由4 kg減為2.3 kg，節能18.7%。

2.1.7 窯型向輥道化發展

傳統的陶瓷多半使用隧道窯燒結，而現在，墻體磚多半使用輥道窯燒結，同時輥道窯也不斷應用到衛生陶瓷和日用陶瓷的燒結中。輥道窯是目前為止優良性最好的窯型，它具有高產量、體積小、耗能少、智能、操作簡單等優點。利用輥道窯進行日用瓷的快速高溫還原燒成，節能顯著，單耗0.294 tce/t瓷，窯爐熱效率達68.8%，是隧道窯燒成熱耗1.71 tce/t瓷的1/6。所以，在生產中，輥道窯逐漸代替了傳統的隧道窯和梭式窯。

2.2 燒成技木的創新

2.2.1 采用低溫快燒技術

在陶瓷生產中，燒成溫度越低，能耗就越低。據熱平衡計算，若燒成溫度降低100℃，則單位產品熱耗可降低10%以上，且燒成時間縮短10%，產量增加10%，熱耗降低4%。因此，應用低溫快燒技術，不但可以增加產量，節約能耗，而且還可以降低成本，實現低碳目標。

2.2.2 一次燒成技術

采用一次燒成技術比一次半燒成（900℃左右低溫素燒，再高溫釉燒）和兩次燒成更節能，綜合效果更佳。同時，可以解決制品的后期龜裂，延長制品的使用壽命，制品的合格率也大大提高。

2.2.3 采用裸裝明焰燒成技術

目前我國陶瓷窯爐燒成方式主要有：缽裝明焰、裸裝隔焰和裸裝明焰。其燒成方式各有特點。日用瓷、工藝美術瓷、衛生潔具等在隧道窯、輥道窯內的燒成均采用裸裝明燒，相對于匣裝燒可以大大減少燒成的能耗。

2.2.4 采用潔凈液體和氣體燃料

采用潔凈的液體、氣體燃料，不僅是裸裝明焰快速燒成的保證，而且可以提高陶瓷的燒成質量，大大節約能源，更重要的是可以減少對環境的污染。采用潔凈氣體作為燃料，節能降耗明顯。

2.3 余熱回收利用技術

采用先進的煙氣余熱回收技術，降低陶瓷窯爐排煙熱損失是實現工業窯爐節能的主要途徑。當前國內外煙氣余熱利用主要用于干燥、烘干制品和生產的其它環節。采用換熱器回收煙氣余熱來預熱助燃空氣和燃料，具有降低排煙熱損失、節約燃料和提高燃料燃燒效率、改善爐內熱工過程的雙重效果。一般認為：空氣預熱溫度每提高100℃，即可節約燃料5%。

2.4 先進的燃燒器是關鍵

噴嘴使用時的溫度控制容易出現偏差。由于高溫火焰流因浮力而上升，形成窯內溫度上高下低，使熱電偶檢測到的溫度偏高，故造成熱電偶所連接的儀表顯示溫度與窯內制品實際溫度發生很大的偏差。采用新型高速噴嘴或脈沖燒成技術，可以使窯內溫度變得均勻，減小了窯內上下溫差，不但能縮短燒成周期，降低能耗，而且可以提高制品的燒成效果。

2.5 選用高效的保溫材料和涂層技術

窯體熱損失主要分為蓄熱損失與散熱損失。對于間歇式窯爐來說兩者均存在，但連續式窯爐僅存在散熱損失。減少熱損失的主要措施是加強窯體的有效保溫。并且在保證窯墻外表溫度盡可能低的情況下，選用最合理最經濟的材料以取得最薄的窯墻結構。高性能保溫材料或絕熱材料在陶瓷窯爐上的應用，將使陶瓷窯爐的窯墻結構發生革命性的變化，不但可以減少窯墻的蓄散熱，而且可以大大地減薄窯壁的厚度，使窯壁的結構簡單化。

3 陶瓷工業中的智能技術

3.1 幾種應用廣泛的復合控制策略概述

將各種控制策略有機地結合起來所形成的復合控制策略，可以更加有效地完成復雜系統的控制工作，這也是目前實際應用中較為廣泛的。特別是模糊邏輯控制，是應用模糊集合理論統籌考慮系統的一種控制方式，它不需要精確的數學模型，是解決不確定系統控制的有效途徑。

目前有如下多種應用廣泛的控制策略：（1）模糊IPD復合控制（FI）；（2）模糊變結構控制（FV）；（3）模糊神經網絡自適應控制（FNA）；（4）模糊預測控制（FP）；（5）模糊神經網絡專家控制（FNE）；（6）專家模糊控制（EF）。另外，專家 I P D控制（E I）由美國Foxboor、日本橫河等公司所開發的具有專家PID自整定控制器的廣泛應用，也逐漸成為一種較為成熟、控制效果好的方法。

3.2 AI在陶瓷配方中的應用

陶瓷配方是一個復雜的科學領域，一方面配方本身還沒有一個通用的理論公式或數學模型，要憑科技人員的實踐經驗，另一方面科技人員積累了寶貴的經驗。如何將這些寶貴的經驗用計算機構建一個專家系統，實現配方計算、優化設計、正交實驗設計與分析等的計算機化，無疑是一件極有意義的工作。

早在上世紀九十年代，西北輕院的高力明教授就利用計算機，采用廣義杠桿規則、線性規劃等方法對陶瓷配方的優化進行了研究，其后又運用逐次線性回歸分析、陶瓷原料預均化技術等方法對陶瓷坯釉配方的優化進行了研究，開發出陶瓷坯釉料配方最優化計算集成軟件，并在生產中得到了實踐應用。景德鎮陶瓷學院章義來、胡國林等人也對陶瓷配方的專家系統進行了研究，并開發出相應的軟件；章義來主持完成的國家863項目，在陶瓷配方專家系統的基礎上開發出陶瓷CAD集成系統，從原料的選擇、配方優化到產品造型與裝飾的設計都可用計算機完成。

3.3 AI在陶瓷工業窯爐工況監控中的應用

窯爐是陶瓷行業中最重要的熱工設備，近些年來，隨著計算機的廣泛應用和人工智能技術的發展，出現了以人工智能、控制理論和計算機技術為基礎的新型控制技術——智能監控。

現代智能控制的幾個研究方向：

（1）基于模糊集合理論模擬人的模糊推理和決策過程的模糊控制。

（2）專家系統與傳統控制理論相互結合的專家控制方法。

（3）將人工神經網絡用于智能控制的神經元控制及神經網絡控制。

（4）模擬生物進化機制的遺傳算法，其在自動控制中的應用主要是進行優化和學習，可與其它的控制策略結合，獲得很好的效果。

例如目前在陶瓷窯爐上廣泛使用著的AI人工智能溫度調節器等就是模糊控制系統的應用。近年來，專家系統對工況監測的研究與應用在國外進行得較多，在國內的冶金、電力等行業也有一些報道；但在對陶瓷窯上的應用較少見到報道。陶瓷工業窯爐作為一個整體，所要控制的參數將是多個方面的，系統的不確定性也很大，是一個復雜控制系統。但是，如果將各種智能控制策略加以廣泛應用，必將全面地促進我國陶瓷工業窯爐的自動控制水平。

3.4 AI在陶瓷工業生產過程中的應用

隨著計算機的發展和普及，計算機在陶瓷行業中的地位也顯得越來越重要，從陶瓷配方設計到陶瓷生產參數的控制，從陶瓷造型和裝飾設計到陶瓷的銷售、企業的管理都可以利用計算機來進行控制、調節，以提高效率，減輕勞動強度。如何將AI技術融入到這些計算機應用技術中，我國陶瓷工程技術人員已開始進行這方面的探索。例如，章義來等人研究開發了基于專家系統的智能圖案設計系統，通過引入基于專家系統進行圖案創作，大大減輕了陶瓷裝飾花紙設計人員的工作復雜度，也提高了設計質量。產品質量是任何企業的生命線，陶瓷工業是傳統勞動密集型產業，生產工序繁多，影響產品質量的因素也多，如何分析產品缺陷及其原因對現場技術人員來說是一項重要又困難的工作，更不要說一般工人了。但是如果到各個工序中去總結專家的經驗，并利用這些經驗建立一個數據庫，一個便于工人查詢的專家系統，工人在當班時發現產品質量出現問題便能馬上上機查詢，可能問題就能及時解決。

4 陶瓷工業發展的趨勢及新特點

4.1 更節能，更智能化

就目前陶瓷工業的發展來看，我國的節能技術落后于歐美發達國家，所以采用先進的節能、智能技術對我國陶瓷業的發展至關重要。可以預見，今后陶瓷的發展趨勢為：采用輕質陶瓷纖維涂制的連續更長的窯體；使用低溫、低污染的燒結方式；采用控制性能更佳、更加智能化的自動控制技術。相信中國的陶瓷業經過不斷努力，節能、智能技術及設備一定可以達到國際先進水平。

4.2 協作式服務平臺

2015年李克強總理在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃，“推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場”。支持企業間業務協作的服務平臺開始受到研究者與企業的重視。近年來，協作式服務已經為許多企業解決了大量的信息化問題，因其相對于傳統工作方式在時效和溝通成本等方面的優勢，讓它已經成為支撐產業間協作的重要手段。

隨著經濟全球化、產業專業化和社會化分工的發展，世界上的一些產業發生了重大變化，產業的發展呈現橫向一體化趨勢。支持企業間業務協作的服務平臺將與陶瓷工業進行深度融合，提升陶瓷工業的創新能力和生產力。

5 結語

陶瓷行業作為高能耗、高消耗的行業，通過節能技術的實施、研發新型節能技術及設備、發展循環經濟和窯爐技術革新，都可以實現節能的目標，可為發展低碳經濟發揮舉足輕重的作用。而且，隨著計算機技術的發展，智能控制技術在節能方面具有很強的優勢和應用市場。通過智能控制，不僅提高了調節的精度，還避免了人工調節的高工作量需求。智能控制在其它方面的節能應用由于智能控制技術具有較強的自適應特征和超前調節的功能，與傳統控制技術相比，智能控制技術在改善勞動條件，促進窯爐生產科學化等方面具有突出優勢。同時，智能控制技術更顯優質、高效、節能。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用智能控制技術，對于提高企業勞動生產率、降低能耗具有重大的現實意義。