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(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、窯壓平衡等方面對(duì)還原焰的精確控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)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(zhì)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(nèi)所產(chǎn)生的一氧化碳和氫氣與進(jìn)入窯中的空氣中的氧氣剛好燃燒完全，處于平衡狀態(tài))及還原焰(或還原氣氛，燃燒煙氣因氧氣不足產(chǎn)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(shù)。在還原焰燒成的窯爐中，根據(jù)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(qū)域，其作用是排出坯釉中的水分，讓有機(jī)物氧化燃燒和揮發(fā)，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(chǎn)生針孔等缺陷;而在1050℃至最高溫區(qū)，采用還原焰燒成，將高價(jià)鐵還原成低價(jià)鐵，以達(dá)到預(yù)期的燒成效果。

高溫瓷坯、釉中由于含有高價(jià)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(dá)到“白里泛青”的效果，獲得人們喜愛的色調(diào)。

2 影響還原焰控制的主要因素

還原焰在國內(nèi)外已不是新技術(shù)，從傳統(tǒng)的煤燒隧道窯，到現(xiàn)在的氣燒輥道窯、隧道窯和梭式窯，早已得到大量應(yīng)用。但真正能夠穩(wěn)定地將還原焰實(shí)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(yè)曾嘗試自動(dòng)控制氣氛，但是卻穩(wěn)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(jié)合起來;有些干脆用“手動(dòng)”的調(diào)節(jié)方式，僅憑經(jīng)驗(yàn)來控制，國內(nèi)還原焰控制技術(shù)仍然以經(jīng)驗(yàn)操作為主。

還原焰控制的主要影響因素如下:

2.1燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)是決定燃燒火焰性質(zhì)的核心和根本，任一環(huán)節(jié)或配件設(shè)計(jì)不到位，都難以達(dá)到良好的效果，產(chǎn)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(wěn)定;甚至可能產(chǎn)生了CO，但燒嘴又會(huì)出現(xiàn)“結(jié)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(guān)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(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)不合理，不僅影響到燃燒狀況、火焰射程，還會(huì)白白增加燃?xì)庀牧俊６绻€原焰燒嘴設(shè)計(jì)不好，則要么火焰不穩(wěn)定，要么燒不出還原焰，要么產(chǎn)生“結(jié)焦或積碳”。

(2) 風(fēng)量、氣量的影響

如果在燃燒設(shè)計(jì)上光重視燃?xì)饬靠刂?，而不注重空氣量控制，往往?huì)導(dǎo)致窯內(nèi)氣氛不穩(wěn)定。

(3) 風(fēng)、氣管路及風(fēng)機(jī)選型的影響

風(fēng)機(jī)選型不合理、管徑大小設(shè)計(jì)不合適、風(fēng)壓或氣壓不夠等，都會(huì)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(xì)分為預(yù)熱帶和燒成帶窯壓、急冷帶和緩冷帶窯壓、尾冷區(qū)窯壓。這五帶由于同在一個(gè)“通道”內(nèi)，任何一帶的壓力變化都會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局各有不同，但各帶窯壓的平衡和穩(wěn)定是控制還原氣氛的關(guān)鍵所在，窯內(nèi)壓力的任何變化都會(huì)使CO含量產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定，因此如何讓幾種窯壓平衡就顯得尤為重要。

(1) 預(yù)熱帶窯壓和燒成帶窯壓的影響

預(yù)熱帶窯壓和燒成帶窯壓是直接影響窯內(nèi)氣氛變化的主要因素。當(dāng)排煙量減少時(shí)，由于燃燒煙氣流速減慢，CO集聚，含量升高;當(dāng)排煙抽力加大時(shí)，會(huì)將冷卻帶的空氣抽到燒成帶產(chǎn)生“二次燃燒”，CO含量會(huì)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(fēng)、緩冷供風(fēng)和抽風(fēng)影響。為了加快陶瓷制品的冷卻，有效控制急冷溫度，現(xiàn)在的窯爐大多數(shù)采取直接鼓風(fēng)冷卻制品。為了保證急冷溫度穩(wěn)定，一般采用自動(dòng)控制的方式。但是，當(dāng)通過的制品體積和重量(因訂單導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化)發(fā)生改變時(shí)，需要的冷風(fēng)量會(huì)發(fā)生變化，而直接鼓入的風(fēng)量必將會(huì)影響到此區(qū)的窯壓。緩冷帶同急冷帶的影響一樣，當(dāng)此區(qū)的窯壓升高時(shí)，會(huì)連帶提高急冷帶窯壓，從而影響到燒成區(qū)。如供風(fēng)量加大時(shí)，若不能有效排走，此處冷風(fēng)有部分會(huì)流到燒成帶，空氣中的O2與還原氣體相遇，產(chǎn)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(chǎn)生“陰黃”缺陷;反之，煙氣會(huì)倒流或滯流，燒成區(qū)CO含量增加，引起制品“積碳”，產(chǎn)生“煙熏”(發(fā)灰發(fā)黑)缺陷。

(3) 尾冷區(qū)窯壓

由于同在一根“連通管”內(nèi)，此區(qū)的窯壓會(huì)通過緩冷、急冷影響到燒成區(qū)窯壓。但此區(qū)制品已過了573℃時(shí)的SiO2晶型轉(zhuǎn)換易裂點(diǎn)，制品溫度較低，一般全部采用手動(dòng)控制供風(fēng)和抽風(fēng)。只要第一次調(diào)試平衡，室外環(huán)境氣壓波動(dòng)不大，尾冷窯壓影響氣氛的因素可以忽略不計(jì)。

2.3 產(chǎn)品變化的影響

由于日用瓷種類繁多，大多數(shù)采用多層墊板裝燒方式。當(dāng)單位制品太重，吸熱量較大時(shí)，耗氣量將增加，如果空氣和燃?xì)獗壤钆洳划?dāng)，CO含量將會(huì)升高，反之會(huì)減少;產(chǎn)品裝載較密或高度增加，排煙阻力加大，窯內(nèi)抽力減小，CO含量提高，反之，CO含量會(huì)降低，這些因素都直接影響到窯內(nèi)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(diào)試狀況、窯體結(jié)構(gòu)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(shù)

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(wěn)定的同時(shí)控制好CO含量呢?下面以一些新的設(shè)計(jì)理念和控制方法，結(jié)合本人多年的窯爐操作和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，僅從設(shè)計(jì)和調(diào)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(shù)，供讀者參考。

該窯爐采取的方式是以穩(wěn)定窯壓為基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)將溫度和氣氛同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確控制。具體方式如下:

3.1 燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1燒嘴的設(shè)計(jì)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(tǒng)的核心部件，因此必須要設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生還原焰氣體的燒嘴，這一點(diǎn)主要從風(fēng)片的面積;旋流槽結(jié)構(gòu);孔徑的大小和數(shù)量;噴氣頭孔徑的大小、數(shù)量及與風(fēng)孔的位置關(guān)系;燒嘴磚(或SISIC套管)的結(jié)構(gòu)、長短、噴出口大小;風(fēng)片與“磚或套”的配合公差方面來解決。需要理論計(jì)算與實(shí)際燃燒狀況相結(jié)合，不斷試驗(yàn)和優(yōu)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(shù)

還原焰精確控制技術(shù)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(shù)λ來實(shí)現(xiàn)的。其主要新穎之處在于，溫度變化時(shí)，同時(shí)用流量傳感器按流量比例精確提供風(fēng)、氣量，并保持λ設(shè)定值不變，可穩(wěn)定CO含量;當(dāng)氣氛波動(dòng)時(shí)，λ設(shè)定值自動(dòng)變化，通過風(fēng)量增減達(dá)到新的λ值，精確控制CO含量。此方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于，將溫度和氣氛調(diào)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，調(diào)節(jié)溫度時(shí)，先穩(wěn)定氣氛;調(diào)節(jié)氣氛時(shí)，先穩(wěn)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(dāng)熱電偶檢測的溫度高于設(shè)定值時(shí)，信號(hào)送到燃?xì)怆妱?dòng)閥，按照溫度控制器“預(yù)定的偏差范圍(根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)靈活設(shè)定)”關(guān)小流量，燃?xì)饬髁繉?shí)測信號(hào)同時(shí)傳給λ控制器。為了保持λ設(shè)定值，λ控制器提供信號(hào)給空氣電動(dòng)閥，使其減小開度，通過PID(微積分)調(diào)節(jié)，逐步將空氣過剩系數(shù)λ保持到設(shè)定值，從而穩(wěn)定氣氛。反之，需加大氣量和風(fēng)量。

(2) CO的精確控制

當(dāng)在線氣氛檢測儀的CO含量高于設(shè)定值時(shí)，信號(hào)送到λ控制器并將設(shè)定值按“預(yù)定的偏差范圍(根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)靈活設(shè)定)”提高風(fēng)量。λ設(shè)定值變化后，經(jīng)過與實(shí)測值比較后再給信號(hào)到空氣電動(dòng)閥開關(guān)，通過PID(微積分)調(diào)節(jié)，逐步達(dá)到設(shè)定值。反之，需減小風(fēng)量。

3.2幾種窯壓平衡的設(shè)計(jì)和調(diào)試要求

在3.1.2 還原焰精確控制技術(shù)中提到的兩個(gè)儀表“預(yù)定的偏差范圍”，主要是因?yàn)檫@種控制必須在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，否則，如果溫度和氣氛在不受限的范圍內(nèi)大幅調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生相互干擾。如何讓其在小范圍內(nèi)波動(dòng)，又可滿足制品溫度和氣氛的不同要求呢?窯壓的平衡和穩(wěn)定至關(guān)重要。

3.2.1預(yù)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(fēng)的設(shè)計(jì)

在氧化還原過渡區(qū)需要設(shè)置氣氛氣幕，在燒成結(jié)束、急冷開始處需設(shè)置急冷氣幕。氣氛氣幕表面作用是供風(fēng)以燃燒掉還原區(qū)過來的CO，迅速轉(zhuǎn)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(shí)際上還起到封閉還原區(qū)、阻隔兩端壓力波動(dòng)影響到還原區(qū)窯壓的作用。

(2) 隔焰裝置的設(shè)置

隔焰裝置的設(shè)置主要是在不同區(qū)域縮小窯內(nèi)截面積、增加排煙阻力，保證隔焰區(qū)內(nèi)的壓力相對(duì)穩(wěn)定。

(3) 還原燒成區(qū)的正壓控制

在還原焰燒成中，必須保持還原區(qū)全部為正壓操作，否則會(huì)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(fēng)沖淡氣氛，導(dǎo)致氣氛不均和不穩(wěn)定，甚至?xí)睦鋮s帶正壓區(qū)吸入空氣。

(4) 穩(wěn)定和控制好預(yù)熱帶的零壓點(diǎn)

穩(wěn)定和控制好預(yù)熱帶的零壓點(diǎn)，主要是通過排煙風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制排煙抽力大小來實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 急冷帶和緩冷帶窯壓平衡

(1)急冷平衡煙囪的設(shè)計(jì)

在急冷區(qū)設(shè)計(jì)獨(dú)立的抽熱裝置，主要作用是排掉急冷氣幕和急冷風(fēng)，防止可能對(duì)還原區(qū)產(chǎn)生的影響。

(2) 急冷區(qū)采用間接冷卻的方式

當(dāng)急冷溫度變化時(shí)，如果采取間接冷卻方式，始終沒有直接鼓風(fēng)入窯內(nèi)，同時(shí)又可控制溫度，將不會(huì)對(duì)窯壓產(chǎn)生影響。

(3) 在緩冷區(qū)設(shè)置窯壓自控

在緩冷區(qū)設(shè)計(jì)窯壓傳感器實(shí)行自動(dòng)控制，主要是通過抽熱風(fēng)機(jī)平衡尾冷或緩冷供風(fēng)，達(dá)到設(shè)定的與預(yù)熱帶平衡的窯壓。

綜上所述，只要設(shè)計(jì)和調(diào)試做到“保中間穩(wěn)兩端”，即將還原區(qū)“兩端”窯壓控制穩(wěn)定，消除兩端窯壓波動(dòng)的干擾，加上燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，自身能夠自動(dòng)滿足“還原區(qū)”的氣氛數(shù)據(jù)要求，從而達(dá)到了精確控制的目的。從使用效果來看，上述設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)方式控制的氣氛和溫度比較穩(wěn)定，基本上保證了日用瓷正常燒成還原焰的要求，受產(chǎn)品裝載量、產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用分析，日用瓷燒成在正常運(yùn)行中，其還原區(qū)溫度控制器內(nèi)燃?xì)忸A(yù)定的偏差范圍在3～25m3/h，而λ控制器預(yù)定的偏差范圍在±0.07m3/h之間，基本上可將溫度波動(dòng)控制在±3℃以內(nèi)(與設(shè)定溫度的控制偏差)，CO含量波動(dòng)可控制在±0.2%(與設(shè)定氣氛的偏差)內(nèi)，這種變化范圍對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和白度基本上沒有影響。

4 該控制技術(shù)的缺點(diǎn)及解決辦法

(1) 在烘窯、點(diǎn)火或升降溫階段要調(diào)整參數(shù)

由于在正常生產(chǎn)中燃?xì)饬髁亢挺讼禂?shù)有一定限制，在升、降溫幅度太大的情況下必須要修改參數(shù)，否則難以控制相應(yīng)參數(shù)。

解決措施:配備電腦，儲(chǔ)存相應(yīng)升降溫曲線、λ及燃?xì)庠试S波動(dòng)范圍，需要相應(yīng)參數(shù)時(shí)立即調(diào)出來設(shè)置好，就可以消除這些影響。第一次升、降溫時(shí)，將偏差范圍放大，再逐步糾正參數(shù)。

(2) 不同燃料的λ值及燃?xì)獠▌?dòng)范圍不同

由于不同燃料發(fā)熱值相差懸殊，所需的空氣過剩系數(shù)及燃?xì)饪刂品秶煌?，第一次必須要依?jù)理論參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)調(diào)試和摸索出合理的數(shù)據(jù)，并做好相應(yīng)記錄和設(shè)定值的更改工作。我公司在這方面已積累了不同燃料的數(shù)據(jù)范圍。

5 結(jié) 語

總體來說，上述設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中是比較成功的，基本上實(shí)現(xiàn)了溫度和還原氣氛的同步精確控制，使用穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，燒成氣氛和溫度因素造成的產(chǎn)品缺陷幾乎可以忽略不計(jì)。除此之外，窯壓、溫度、氣氛和風(fēng)壓、氣壓實(shí)行了數(shù)據(jù)化管理和記錄，不受操作人員素質(zhì)的影響，給工廠帶來了實(shí)實(shí)在在的好處，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。