林 娜 劉翰承 吳耀星 王國建

景德鎮(zhèn)市市場監(jiān)督管理綜合檢驗檢測中心 江西 景德鎮(zhèn) 333000

引 言

陶瓷是一種需要高溫燒成的無機非金屬材料，其產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素取決于燒成的工藝條件。其主要的工藝條件包括燒成制度、窯爐結(jié)構(gòu)的合理性、燃料的品質(zhì)、燃燒技術(shù)等等[1]。

在我國，陶瓷工業(yè)不僅是傳統(tǒng)的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，也是高能耗行業(yè)，能耗占總成本的 25%～40%[2]，干燥、燒成部分占據(jù) 80% 的總能耗，其中燒成約占 60%[3]。

窯爐是陶瓷企業(yè)能耗最大的燒成設(shè)備，其能耗的高低主要取決于窯爐結(jié)構(gòu)和燒成技術(shù)。目前有關(guān)優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)、富氧燃燒與高溫空氣節(jié)能技術(shù)及減少排煙損失等方面的研究不少，但鮮少見到關(guān)于窯爐控溫熱電偶測量結(jié)果的量值溯源對于節(jié)能減排的價值與意義方面的文獻資料。

本文以江西景德鎮(zhèn)地區(qū)生產(chǎn)日用瓷的燃氣梭式窯為例，通過分析景德鎮(zhèn)地區(qū)日用瓷生產(chǎn)中普遍使用的自吸式燒嘴燃氣梭式窯（以下簡稱引射梭式窯）和全自動控制的調(diào)溫高速燒嘴燃氣梭式窯（以下簡稱動力梭式窯）的溫度監(jiān)測現(xiàn)狀，研究了這兩種典型的陶瓷工業(yè)燃氣梭式窯的溫度測量準確性對其減少不必要的能源浪費的重要性。建議在窯爐上預留測溫孔，從測溫孔內(nèi)插入已溯源的熱電偶，對其使用的工業(yè)熱電偶進行在線校準或用于監(jiān)測窯溫，以促進陶瓷工業(yè)梭式窯的自動化監(jiān)測水平及其節(jié)能改造技術(shù)的進步，推動窯爐節(jié)能發(fā)展的進程。

1 陶瓷窯爐

1.1 陶瓷窯爐的測溫技術(shù)

我國早期的制陶工藝中，司窯工采用肉眼看火、吐痰入窯、鉤照子等原始的方法觀測陶瓷窯爐的溫度。而現(xiàn)代的測溫技術(shù)主要是通過熱電偶、測溫錐、測溫環(huán)（塊）、光學高溫計等器具測量陶瓷窯爐的溫度。目前陶瓷窯爐多是采用熱電偶測溫，由于窯爐的工況條件惡劣，熱電偶連續(xù)使用一段時間后其性能會下降，而且工業(yè)熱電偶的準確性不高，所以企業(yè)會根據(jù)需要配以測溫錐、測溫環(huán)（塊）作為監(jiān)控窯溫的對比參照物。

“人工觀火”是指有經(jīng)驗的窯爐操作人員通過觀察火焰的顏色變化來判斷窯爐內(nèi)的火候，進而調(diào)節(jié)燃氣的閥門來控制窯爐溫度。

測溫錐、測溫環(huán)（塊）可機動靈活，簡易、方便地放置在窯內(nèi)三維空間的任何位置，借此可以了解窯內(nèi)溫場的分布情況。測溫錐是通過觀火孔察看其彎倒時來獲知窯內(nèi)其所在部位的那一時間的溫度。測溫環(huán)（塊）則是根據(jù)其與制品同時經(jīng)受一個燒成周期的焙燒過程時，所產(chǎn)生的在其測溫范圍內(nèi)的線性收縮來獲知其承受的最高溫度。通常是在其燒后取出測量環(huán)徑（長度），對照換算表得出其在窯內(nèi)位置對應的最高燒成溫度[4]。兩者都不能進行連續(xù)測溫，只能作為窯內(nèi)監(jiān)測點的最高溫度參照，而且至今仍無明確的量值溯源方法。

熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢的一種感溫元件，其配以毫伏計或其它二次儀表可連續(xù)測量和記錄溫度，并且線性好，測溫范圍寬，準確性高，性能穩(wěn)定，還可遠距離傳輸，應用最為廣泛。因窯內(nèi)坯垛的堆放，使得熱電偶只可插入窯內(nèi)幾厘米，其測溫僅能通過熱工儀表顯示窯內(nèi)某監(jiān)測點的溫度，并不能反映窯內(nèi)溫場與制品熱交換的實際受熱狀態(tài)，而且因受燒成工藝、現(xiàn)場環(huán)境等條件的制約，企業(yè)一般不會拆卸下來送去校準，即進行量值溯源。對于連續(xù)式窯爐，如輥道窯、隧道窯，企業(yè)一般會在緊鄰坯體的周圍放置測溫環(huán)（塊）用作監(jiān)控窯溫的對比參照。梭式窯的溫控通常是以人工觀火或在窯內(nèi)放置測溫錐作為最高燒成溫度的對照，其中引射窯大多在窯頂插入一只熱電偶，動力窯則是在兩側(cè)窯墻上對角插入多對熱電偶[5]。

1.2 陶瓷窯爐的溫度測量及其溫度控制系統(tǒng)

陶瓷生產(chǎn)一般實施倒班制，生產(chǎn)控制以車間或崗位為單位，由操作人員集中操作，依靠儀表監(jiān)控。窯爐控制系統(tǒng)多是通過配置儀表形成單回路數(shù)字PID控制系統(tǒng)，自動調(diào)控產(chǎn)品進窯、出窯、溫度、壓力、排煙、急冷、點火、報警等裝置，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)了熱工數(shù)據(jù)的在線采集與實時監(jiān)控。

對陶瓷窯爐溫度的實時監(jiān)控，是燒制陶瓷過程中必須具備的條件。企業(yè)需要對每一次燒成記錄的完整數(shù)據(jù)進行分析，以優(yōu)化燒成曲線，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。所以，窯內(nèi)溫度場變化的大量數(shù)據(jù)都會實時傳送至窯爐控制室。

窯爐的溫度測量大多先以熱電偶作為溫度傳感器，通過將獲取的電信號輸入到溫度二次儀表中，或依靠人工讀取數(shù)據(jù)的方式以定時紙質(zhì)記錄形式予以保存，并依據(jù)溫度制度調(diào)節(jié)爐溫；或者應用自動化控制系統(tǒng)中的智能巡檢控制儀表作為窯爐溫度數(shù)據(jù)的采集器，配以溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件，則在巡檢表的顯示屏上依次讀取所測窯內(nèi)各點的溫度值，即可省去人工填寫數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)。這對穩(wěn)定燒成工藝、提高燒成質(zhì)量非常有利，同時也為窯爐燒成制度的優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)[6]。

2 梭式窯

2.1 景德鎮(zhèn)梭式窯的溫度監(jiān)控實況

溫度是燒成過程中最重要的熱工參數(shù)之一，它直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本以及設(shè)備的使用壽命等因素。因此，窯爐溫度測量的準確性顯然極為重要。

景德鎮(zhèn)地區(qū)的燃氣梭式窯主要有兩種，引射梭式窯和動力梭式窯。盡管窯爐的燒成工況通常是由數(shù)字儀表監(jiān)控的，但仍需要司窯工來操作控制。不同的是引射梭式窯只在窯頂安插一只熱電偶，由溫度單元儀表或智能儀表顯示所測點溫度或熱工參數(shù)，司窯工憑此了解窯內(nèi)的大致溫度或窯溫、窯壓等熱工工況。此外，全憑經(jīng)驗肉眼觀火，并通過觀火孔觀察放置窯內(nèi)的測溫錐的彎倒，以測溫錐的彎倒溫度來判斷窯內(nèi)是否已達到所需的最高燒成溫度。

動力梭式窯則是根據(jù)窯內(nèi)實際尺寸的大小、噴嘴的分布、窯車與排煙孔的位置等，分區(qū)布設(shè)熱電偶，通過燒成控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件實時監(jiān)控顯示窯爐的溫度等熱工參數(shù)。而陶瓷窯爐溫度控制系統(tǒng)是一個非線性、大遲滯的純滯后的變參數(shù)系統(tǒng)，又因系統(tǒng)控制的熱工參數(shù)如溫度、氣氛，壓力等變量之間的較強耦合，使得監(jiān)測溫度的不確定性更為明顯[7]，所以仍然需要司窯工通過觀火孔實時察看熱工工況。

在燒成的低溫階段，熱電偶所測點的溫度比較接近窯內(nèi)煙氣溫度；而在高溫階段接近制品溫度。相對于容積大的梭式窯，監(jiān)測點的溫度是否能看作是所測區(qū)域的平均溫度、以及熱電偶檢測的靈敏度與滯后性對掌握窯內(nèi)溫場的變化來說都非常關(guān)鍵。

窯爐結(jié)構(gòu)與燒成工藝的復雜，使得對窯爐溫場測量的難度很大。通常是根據(jù)梭式窯結(jié)構(gòu)的特點、燒嘴的數(shù)量及排布、燒嘴燃燒煙氣的流速、煙道布設(shè)的排煙方式等因素，確定窯內(nèi)溫場監(jiān)測點的數(shù)量及位置。一般情況下，動力窯大多是在燒嘴相對位置另一側(cè)窯墻上安插熱電偶，依據(jù)燒嘴的布設(shè)情況分區(qū)監(jiān)控溫場溫度，而引射窯僅在窯頂中央部位安插一只熱電偶。

2.2 景德鎮(zhèn)燃氣梭式窯能源浪費現(xiàn)狀及其原因分析

目前，景德鎮(zhèn)地區(qū)以天然氣為燃料的陶瓷工業(yè)燃氣梭式窯近1000座。其中絕大多數(shù)都是熱耗大、能效低的引射梭式窯。根據(jù)燃氣公司提供的梭式窯用氣數(shù)據(jù)計算，景德鎮(zhèn)地區(qū)的燃氣梭式窯全年所用燃氣折算標準煤約為10萬噸，相當于20戶重點用能單位的年綜合能耗。

下面就景德鎮(zhèn)地區(qū)某瓷廠燒制酒瓶的引射窯和動力窯在高火保溫階段因燒成溫度量值沒有溯源存在的燒成工藝燃氣消耗造成的浪費情況進行分析說明。以本文在該廠做的熱平衡測試結(jié)果[8]為基礎(chǔ)，計算能源浪費的相關(guān)數(shù)據(jù)詳見本文窯爐熱平衡計算有關(guān)參數(shù)表。表中燃氣消耗超量mr（m3）、單位產(chǎn)品燒成氣耗超量（m3/kg瓷）、單位產(chǎn)品燒成氣耗超量占比（%）、單位產(chǎn)品燒成熱耗超量（kJ/kg瓷、kcal/kg瓷）等數(shù)據(jù)的計算依據(jù)如下：

燃氣消耗超量是指因熱電偶測溫誤差造成的高火保溫時間的延長，根據(jù)實際高火保溫時間超出工藝所需保溫時間的那段時間的燃氣消耗流量計算出所浪費的燃氣消耗量。其它的能耗超量參數(shù)均由此計算所得。并據(jù)此推算，景德鎮(zhèn)地區(qū)全年因此產(chǎn)生的燃料浪費達388.7萬m3的天然氣?，F(xiàn)就造成這種能源浪費的原因分析如下：

引射梭式窯大多將排煙口設(shè)在窯尾，煙氣在窯頭滯留的時間比窯尾長，導致窯內(nèi)局部對流換熱速度不同以及窯內(nèi)換熱不均勻，窯尾溫度要比窯門方向溫度高出40～85℃；動力梭式窯大多將排煙口布置在靠近窯車底部的兩側(cè)窯墻上，相對來說，這樣的布置使其窯內(nèi)的溫場要比引射窯均勻。無論是哪種梭式窯，其能耗都主要集中在高溫段，在最高燒成溫度處及高火保溫階段能耗最多[9]。

最高燒成溫度必須要控制在坯料的燒結(jié)溫度范圍之內(nèi)，燒結(jié)溫度范圍是指坯體燒結(jié)至開始軟化變形的溫度區(qū)間。燒結(jié)范圍寬的坯料，可在相對較短的時間內(nèi)以上限溫度燒成；燒結(jié)范圍窄的坯料，宜在下限溫度以較長的時間進行燒成。燒還原焰的坯體一般在氧化階段結(jié)束轉(zhuǎn)入還原期之前，須進行一次保溫（中火保溫），至將近止火時又須進行一次保溫（高火保溫）。而保溫的目的是縮小窯內(nèi)溫差，使窯內(nèi)各部位產(chǎn)品的高溫反應均勻一致。保溫時間的長短取決于窯爐結(jié)構(gòu)與容積、窯內(nèi)溫場的均勻度、坯件的大小與厚度以及制品所要達到的玻化溫度，應以瓷體致密、能耗又少為目的[10]。

通常，普通日用瓷的燒結(jié)范圍較寬，約為20℃左右。司窯工只要將燒成溫度控制在燒結(jié)范圍內(nèi)，就不會影響產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。而很少會去考慮能源消耗的浪費問題。因為他們關(guān)注的是燒制產(chǎn)品的質(zhì)量，這會直接影響他們的工資收入或績效考核。該例中造成燃氣浪費的還有一個重要原因就是燒成監(jiān)控的溫度量值沒有溯源，司窯工無法獲取準確的窯內(nèi)溫度值。具體情況說明如下：

該廠此批產(chǎn)品的燒成溫度是1230℃，由國家標準GB/T 13794-2017《標準測溫錐》可知，企業(yè)選用的測溫錐應是標準溫度為1240℃的錐號為CN124的工業(yè)窯爐用測溫錐，其彎倒溫度與對應錐號的標準溫度之間的允許誤差為±6℃，并且標準規(guī)定的加熱條件是升溫速率在室溫至低于其標準溫度200℃的范圍內(nèi)，應按（8～10）℃/min升溫速率加熱，然后按2.5℃/min升溫速率加熱至它的彎倒溫度。而實際上的燒成工藝要求的溫度制度并不都能達到標準規(guī)定的加熱條件，其間的差異必然會使彎倒溫度產(chǎn)生與標準允許誤差的偏離。此外，司窯工不可能每一次都能在測溫錐開始彎倒的時刻恰好看到，這也是其還要憑經(jīng)驗觀火來確定制品燒熟燒透。

2.3 用于陶瓷燒成溫度監(jiān)控的工業(yè)熱電偶的在線校準的必要性分析

陶瓷窯爐的燒成控制是陶瓷生產(chǎn)過程中非常關(guān)鍵的一個工序。其燒成溫度的在線監(jiān)測與產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關(guān)。企業(yè)通常都用工業(yè)熱電偶測量窯內(nèi)溫度。插入窯內(nèi)的工業(yè)熱電偶由于在窯爐制造時就已固定安裝了，如果不是壞了，而企業(yè)又需要用熱電偶測量窯內(nèi)溫度的話，一般不會將其拆下或更換。然而，長期惡劣的工況環(huán)境，更易造成熱電偶的計量性能下降。所以如果想要知道其測溫的準確性，就必須對其進行在線校準。

由本文圖片“景德鎮(zhèn)某瓷廠輥道窯燒制瓷磚的窯爐溫度紙質(zhì)記錄表”可見，熱電偶所測溫度與測溫環(huán)收縮表示的溫度差距很大。表中備注欄里記錄了當天上午8點鐘測溫環(huán)指示的溫度1161℃，“高溫區(qū)上下降10℃”是指測溫環(huán)在該輥道窯燒成帶的高溫段所標示的溫度比往常偶溫與環(huán)溫的溫差還下降了10℃。這種測量比較是忽略了偶溫隨時間變化、環(huán)溫隨批次變化的差異而得出的結(jié)論，而實際上此次比較結(jié)果應該是偶溫與環(huán)溫相差53℃。

景德鎮(zhèn)某瓷廠輥道窯燒制瓷磚的窯爐溫度紙質(zhì)記錄表

窯爐熱平衡計算有關(guān)參數(shù)表

此外，由本文實例分析可知，窯內(nèi)溫度實時監(jiān)測的準確性對于調(diào)節(jié)、控制窯爐的熱工制度、減少不必要的燃料消耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面都有著非常重要的作用。

3 建議

陶瓷企業(yè)一般都在每年春節(jié)放假前停工時，對窯爐進行檢修。那時，可根據(jù)窯爐現(xiàn)有測溫熱電偶的配置情況，選擇合適的位置鉆孔，以此預留測溫孔。尤其是引射梭式窯，更需要在兩側(cè)窯墻上預留多個測溫孔，以備窯溫的監(jiān)控測量。

建議：給用于校準窯用工業(yè)熱電偶的標準偶預留的測溫孔大小約為1～2cm，選擇在被校的工業(yè)熱電偶四周5cm以內(nèi)，最為臨近被校偶并離煙氣出口相對較遠的位置上。不需測溫孔時，應用石棉將其堵上。對于引射梭式窯，還應在需要對窯內(nèi)溫度監(jiān)測點附近的窯墻、窯門、窯頂?shù)南鄳恢蒙项A留測溫孔。時可選用溫場自動測試系統(tǒng)與標偶配套作為校準設(shè)備進行在線校準，其中校準時的連續(xù)測量時間按燒成工藝特點應不少于一個燒成周期。

4 結(jié)語

本文結(jié)合景德鎮(zhèn)地區(qū)梭式窯燒成的實際工況，從窯爐的節(jié)能角度分析了用于窯爐溫度監(jiān)控的工業(yè)熱電偶的在線校準的必要性。為陶瓷窯爐在可控范圍內(nèi)縮短產(chǎn)品的燒成周期，繼而達到減少燃料消耗，節(jié)約能源提供了簡單可行的途徑。