徐永謙，楊 海，符智杰

（廣東省自動化研究所，廣東廣州 510070）

陶瓷自動成型生產(chǎn)線的一次干燥控制研究

徐永謙，楊 海，符智杰

（廣東省自動化研究所，廣東廣州 510070）

采用窯爐余熱對陶瓷泥坯進行一次干燥是一種比較通用的方法，這種方法一般采用人工控制的方式，具有產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點，迫切需要提高產(chǎn)品合格率的途徑。根據(jù)陶瓷的一次干燥工藝，建立了相關(guān)的物理模型，設(shè)計了自動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能根據(jù)溫度、濕度等因素的變化，自動調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，克服了人工控制的不足。

窯爐余熱；干燥；自動控制系統(tǒng)

0 引言

干燥是陶瓷成型工藝中重要的一個環(huán)節(jié)。干燥可提高陶瓷成型后坯體的強度，便于后續(xù)加工工藝，比如脫模、修坯、上釉等。在陶瓷的整個生產(chǎn)過程中，干燥可分為一次干燥、二次干燥和三次干燥[1]。一次干燥是指帶模干燥，即泥坯經(jīng)滾壓成型后的干燥，經(jīng)過一次干燥后，坯體的強度要達到脫模的要求。一次干燥有很多種干燥方式，比如微波干燥、紅外干燥和自然干燥等[2]。廣東潮州一帶的陶瓷企業(yè)普遍采用窯爐余熱對陶瓷進行干燥，干燥的過程采用人工控制的方式。人工控制主要依靠操作人員的經(jīng)驗控制，當(dāng)外界因素發(fā)生變化時，比如窯爐余熱溫度下降或者空氣的濕度上升，人工控制就不能及時反應(yīng)并調(diào)整工藝參數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率只有70%左右。干燥的效果與環(huán)境的溫度、濕度等條件相關(guān)，這些條件都是會隨著時間而改變的，有必要在陶瓷一次干燥的過程中采用自動控制系統(tǒng)，避免外界條件的變化對干燥質(zhì)量的影響。

1 陶瓷干燥工藝的設(shè)計

干燥過程可分為加熱、等速、降速和平衡四個階段[3]，如圖1所示。一次干燥的目的是去除陶瓷泥坯內(nèi)的少部分自由水，經(jīng)過加熱和等速兩個階段就會結(jié)束。

加熱階段：熱空氣傳遞給坯體的熱量大于水分蒸發(fā)吸收的熱量，多余的熱量使坯體溫度升高，同時蒸發(fā)量也不斷加大。

等速階段：就是熱空氣傳遞給坯體的熱量等于水分蒸發(fā)吸收的熱量，坯體溫度不再變化。

陶瓷在干燥過程中如果外表面干燥速度過快，會造成陶瓷內(nèi)外收縮不均勻，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力過大，超過坯體的強度時，坯體就會開裂。為避免開裂，陶瓷干燥在加熱階段的濕度梯度要很小，在等速階段的濕度梯度也不能太大?；诖嗽颍沾膳c干燥介質(zhì)應(yīng)成對流關(guān)系，設(shè)計的干燥工藝如圖2所示。

泥坯經(jīng)滾壓區(qū)滾壓成型后，進入隧道干燥室，然后再到脫模區(qū)脫模。熱風(fēng)與環(huán)境冷風(fēng)混合后，在脫模區(qū)附近進入干燥室隧道，然后由另一端的抽濕排風(fēng)機抽出。

圖1 干燥過程的四個階段

圖2 陶瓷一次干燥工藝示意圖

泥坯與熱空氣是對流關(guān)系。在排風(fēng)機附近的熱空氣由于充分吸收了前面泥坯蒸發(fā)出來的水蒸氣，相對濕度很高，降低了泥坯干燥加熱階段的濕度梯度。

2 物理模型的建立

從窯爐輸送出來的熱空氣，與室內(nèi)空氣混合成具有固定溫度T進的熱空氣，然后被輸入干燥系統(tǒng)。輸入的熱風(fēng)量對于干燥的質(zhì)量至關(guān)重要，風(fēng)量過少，則干燥不到位，坯體的強度達不到脫模的要求，風(fēng)量過大，則造成能源的浪費。有必要建立相關(guān)的物理模型，為進風(fēng)量的自動控制提供理論依據(jù)。

2.1 蒸發(fā)水量

每小時從泥坯中蒸發(fā)的水量，如式（1）所示：其中：Q為單位小時所有泥坯的蒸發(fā)水量，kg；

n為生產(chǎn)線每分鐘加工的泥坯個數(shù)；

m為單個泥坯的質(zhì)量，kg；

H1為泥坯干燥前的含水率；

H2為泥坯干燥后的含水率。

自動生產(chǎn)線每小時生產(chǎn)的數(shù)量基本是固定的，泥坯的含水率固定為23.5%，可認(rèn)為Q是固定的。

2.2 進風(fēng)量與溫度、濕度的關(guān)系

進風(fēng)量要同時滿足熱量和排潮性要求。

2.2.1 熱量要求

根據(jù)能量守恒，水分蒸發(fā)吸收的熱量等于熱空氣釋放出來的熱量，如式（2）所示：

其中：L為水的汽化熱，為溫度的函數(shù)，kJ/kg；

C為空氣的比熱容，kJ/（kg·K）；

M為每小時進入的空氣總質(zhì)量，kg；

T進為干燥系統(tǒng)熱風(fēng)進口處的溫度，℃ ；

T出為干燥系統(tǒng)熱風(fēng)出口處的溫度，℃ 。

那么所需的熱風(fēng)量為：

其中：V熱為滿足熱量要求的熱風(fēng)量，m3；

ρ空為空氣密度，kg/m3。

2.2.2 排潮性要求

為滿足排潮性要求，每小時排走的風(fēng)量所攜帶走的水蒸氣質(zhì)量應(yīng)不小于每小時所有泥坯的蒸發(fā)水量Q。如式（4）所示：

其中：V排為滿足排潮性要求的熱風(fēng)量，m3；

ρb1為進口處飽和空氣中的飽和水蒸氣密度，見表（1），g/m3；

ρb2為出口處飽和空氣中的飽和水蒸氣密度，見表（1），g/m3；

?進為進口處空氣的相對濕度；

?出為出口處空氣的相對濕度。

所以：

表1 飽和濕空氣表[4]

2.3 窯爐熱空氣的預(yù)混合

陶瓷的最高干燥溫度不能高于70℃[5]，而從爐窯輸運過來的熱空氣是大于70℃的，所以需要用環(huán)境冷空氣與之混合，使其溫度降到所需的溫度T進。根據(jù)能量守恒，熱空氣釋放出的熱量等于冷空氣吸收的熱量，如式（6）所示：

其中：C為空氣的比熱容，kJ/（kg·K）；

M1為熱空氣的質(zhì)量，kg；

T1為熱空氣的溫度，℃ ；

M2為室內(nèi)空氣的質(zhì)量，kg；

T2為室內(nèi)空氣的溫度，℃。

可得熱冷空氣的質(zhì)量比為：

換算成體積比為：

其中：V1為熱空氣的體積，m3；

V2為環(huán)境冷空氣的體積，m3；

ρ1為熱空氣的密度，kg/m3；

ρ2為環(huán)境冷空氣的密度，kg/m3。

3 一次干燥過程控制

為減少控制的復(fù)雜性，將整個控制過程分為兩部分。第一部分控制窯爐熱空氣與環(huán)境冷空氣的混合，根據(jù)式（8）計算出冷熱空氣的比例，然后通過控制變頻器調(diào)整各自進風(fēng)電機的轉(zhuǎn)速，獲得具有溫度比較穩(wěn)定的混合熱空氣，這一部分的控制很簡單，不再贅述。

第二部分控制干燥室的進風(fēng)量。從式（3）和式（5）可得出，溫度、濕度是影響進風(fēng)量是主要因素。溫度和濕度與窯爐的余熱情況以及環(huán)境因素有關(guān)，可由系統(tǒng)的傳感器測得，作為控制風(fēng)量的參數(shù)，共有四個參數(shù)：進風(fēng)口的溫度和濕度、出風(fēng)口的溫度和濕度。在實際應(yīng)用中，因為能滿足排潮性要求的風(fēng)量通常都能滿足熱量要求，所以可只根據(jù)式（5）對風(fēng)量進行控制，減少了兩個溫度的參數(shù)，輸入?yún)?shù)只剩下進風(fēng)口的濕度以及出風(fēng)口的濕度，控制過程大為簡化。控制原理如圖3所示。

圖3 進風(fēng)量控制原理圖

由上位機給定一些運算參數(shù)，比如風(fēng)量的修正系數(shù)?；旌虾蟮臒峥諝馔ㄟ^調(diào)節(jié)閥，由余熱進風(fēng)機壓入干燥室，最后由抽濕排風(fēng)機抽排走。在干燥室的進風(fēng)口和排風(fēng)口都裝有濕度計，采集到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絇ID控制器，經(jīng)處理后，由PLC控制調(diào)節(jié)閥以及兩個風(fēng)機的變頻器，從而改變進入干燥室的熱風(fēng)量。經(jīng)自動控制工藝參數(shù)的干燥室內(nèi)的溫濕度分布如圖4所示。

圖4 干燥室的溫濕度狀況分布圖

干燥室的狀態(tài)在控制系統(tǒng)的控制下，能保持一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，干燥室內(nèi)的溫濕度分布情況也比較適合陶瓷一次干燥的工藝要求。

4 小結(jié)

通過對陶瓷一次干燥原理的分析，設(shè)計了比較合理的干燥工藝，并建立了相關(guān)的物理模型。以物理模型的分析結(jié)果為依據(jù)設(shè)計了干燥工藝的自動控制系統(tǒng)，取得了良好的干燥效果，與原有的生產(chǎn)線相比，產(chǎn)品合格率提至95%以上。

［1］陳帆.陶瓷工業(yè)機械設(shè)備［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

［2］曾令可，王慧.陶瓷工業(yè)干燥技術(shù)和設(shè)備［J］.山東陶瓷，2003，26（1）：14-18.

［3］王艷輝，付廣清.燒成窯爐余熱的再利用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2007（8）：78-79.

［4］丁皓，吉曉燕.高溫高壓下飽和濕空氣焓與濕度的預(yù)測［J］.化工學(xué)報，2002，53（8）：879-882.

［5］張柏清，黃志誠.微波干燥技術(shù)及其在陶瓷坯體干燥中的應(yīng)用研究［J］.中國陶瓷，2004，40（3）：17-20.

(編輯：阮 毅)

圖9 80 cm測距結(jié)果

參考文獻：

［1］高丙坤，潘翔.非介入式超聲波液位檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012（1）：42-45.

［2］姚兆，陳喜龍，黃丹丹.基于AT89S51單片機的控制系統(tǒng)在超聲波液位測控裝置中的應(yīng)用［J］.單片機應(yīng)用技術(shù)，2011（8）：159.

［3］馬瑩，鄭文斌.基于單片機的超聲波液位檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.海峽科學(xué)，2007（10）：76-78.

［4］李春玲.基于單片機的高精度超聲波液位檢測系統(tǒng)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2006（3）：371-374.

［5］趙珂，向瑛，王忠，等.高準(zhǔn)確度超聲波測距儀的研制［J］.傳感器技術(shù)，2003（2）：57-59.

第一作者簡介：魯 可，女，1981年生，河南新鄭人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：軟件技術(shù)和嵌入式技術(shù)。已發(fā)表論文11篇。

(編輯：阮 毅)

Study on Drying Control of Ceramic Forming Automatic Production Line

XU Yong-qian，YANG Hai，F(xiàn)U Zhi-jie
（Guangdong Institute of Automation，Guangzhou510070，China）

Using the waste heat of the kiln to dry the ceramic mud blank is a general method.It is controlled by artificial，with the defect of unstable product quality，and needs a way to improvethe rate of qualified products.According to the drying process of ceramics，the article established a related physical model，and designed a automatic control system.The automatic control system can adjust the process parameters according to the change of temperature，humidity and other factors,and has overcame the shortcomings of manual control.

waste heat of the kiln；dry；automatic control system

TP273

A

1009－9492(2014)08－0032－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.010

徐永謙，男，1972年生，廣東饒平人，碩士，副研究員。研究領(lǐng)域：復(fù)雜工業(yè)過程控制與監(jiān)測系統(tǒng)，先進制造技術(shù)，計算機控制技術(shù)及其應(yīng)用，工廠自動化技術(shù)服務(wù)。

2014－06－26