脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)在隧道窯中的探討和應(yīng)用

趙志榮　韓東來(lái)

摘 要：傳統(tǒng)的隧道窯急冷段的控制方式為模擬控制，采集單點(diǎn)溫度來(lái)控制急冷風(fēng)機(jī)的頻率，從而控制吹進(jìn)急冷段的冷風(fēng)量，以達(dá)到工藝要求所設(shè)定溫度。而脈動(dòng)控制則區(qū)別于傳統(tǒng)模擬控制方式，根據(jù)脈動(dòng)原理來(lái)控制窯墻兩側(cè)吹進(jìn)急冷段的風(fēng)量，使得急冷段的水平溫差小，燒成品充分冷卻，有利于緩冷段的溫度控制。

關(guān)鍵詞：隧道窯;急冷控制;脈動(dòng)原理

1 前 言

隧道窯屬于連續(xù)式生產(chǎn)模式，主要用于大產(chǎn)量、工藝固定、小而重及異形等特殊制品的燒成，如衛(wèi)生潔具、日用瓷、微晶玻璃和特種陶瓷等等，尤其在這幾年的發(fā)泡陶瓷發(fā)展上，越來(lái)越多生產(chǎn)企業(yè)都上隧道窯。

隧道窯內(nèi)的常規(guī)急冷氣幕設(shè)置方法：急冷阻擋氣幕，可用冷空氣或溫度較低的熱空氣自窯頂和側(cè)墻噴入急冷氣幕，不但起急冷作用，同時(shí)亦為阻擋氣幕，防止燒成帶煙氣倒流至冷卻帶，避免產(chǎn)品熏煙（坯體從高溫至600℃急冷為例）。

急冷段的急冷風(fēng)入口噴嘴的安裝位置、安裝方法、數(shù)量及急冷風(fēng)入口速度等對(duì)窯內(nèi)氣體流動(dòng)與傳熱的都有相關(guān)的影響。急冷風(fēng)底層入口噴嘴靠近窯車臺(tái)面，頂層入口噴嘴靠近窯頂有利于提高制品冷卻效果。底層入口噴嘴安裝在火道中間部位，頂層入口噴嘴安裝在窯頂與物料中間部位時(shí)，窯內(nèi)氣體平均流動(dòng)速度最小，溫度變化最大。急冷風(fēng)入口噴嘴數(shù)量有一定的范圍?？偹惋L(fēng)量與噴射速度不變，減少入口噴嘴數(shù)量，單個(gè)入口噴嘴的送風(fēng)量增大，對(duì)窯內(nèi)氣體的擾動(dòng)作用增大，至使窯內(nèi)氣體流速增大，流動(dòng)均勻度升高，燒制品冷卻效率升高。急冷風(fēng)上下入口噴嘴對(duì)排，有利于制品均勻快速冷卻。上下入口噴嘴的布置方式分為對(duì)排和錯(cuò)排，對(duì)排時(shí)窯內(nèi)氣體流動(dòng)速度與均勻度較大，有利于制品均勻快速冷。常規(guī)急冷氣幕以及設(shè)置，了解了以上內(nèi)容，在脈動(dòng)冷卻應(yīng)用時(shí)就會(huì)加深進(jìn)一步的了解。

2 脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)基本組成

隧道窯的裝載從1層發(fā)展到現(xiàn)在多數(shù)為2層、3層（極少數(shù)為4層），大件燒制品多或?yàn)榱嗽黾赢a(chǎn)量而加厚加高板件燒制品，容易產(chǎn)生上下和水平溫差和氣氛差等問(wèn)題導(dǎo)致生產(chǎn)成品率低，產(chǎn)品缺陷多，能耗高，這些問(wèn)題一直困擾生產(chǎn)廠家，直到脈動(dòng)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用才得到極大的解決和改善了。下文主要結(jié)合本公司在廣東某公司設(shè)計(jì)和使用的脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)隧道窯作些介紹，供大家借鑒和參考。

急冷風(fēng)底層入口噴嘴安裝在靠近窯車臺(tái)面火道的中間部位，頂層入口噴嘴安裝在靠近窯頂火道中間部位，中上層和中下層入口噴嘴在上下兩層燒制品的承托窯具之間的火道中間。急冷風(fēng)上下入口噴嘴對(duì)排。

管路上主要由空氣脈動(dòng)閥、脈動(dòng)繼電器模塊及PLC等配件組成。脈動(dòng)閥是用于開、關(guān)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)大、小風(fēng)控制;脈動(dòng)模塊提供信號(hào)給脈動(dòng)閥;PLC可以按時(shí)間段（或者PID）設(shè)置程序。

2.1脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)的工作原理

該脈動(dòng)控制系統(tǒng)控制每層獨(dú)立風(fēng)管的空氣脈動(dòng)閥（一層風(fēng)管配2套脈動(dòng)系統(tǒng)）。急冷段區(qū)段設(shè)置點(diǎn)（根據(jù)產(chǎn)品工藝特點(diǎn)按時(shí)間段設(shè)置程序）可以在脈動(dòng)控制系統(tǒng)的界面（控制繼電器模塊）中進(jìn)行調(diào)整，每組風(fēng)管執(zhí)行器的脈動(dòng)頻率根據(jù)每個(gè)區(qū)所需要的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。其基本工作原理是： 脈動(dòng)冷卻系統(tǒng)接收從脈動(dòng)控制繼電器模塊輸出的信號(hào)，輸送給脈動(dòng)空氣電動(dòng)閥， 執(zhí)行脈動(dòng)動(dòng)作（這個(gè)脈動(dòng)動(dòng)作所依賴的脈動(dòng)信號(hào)將根據(jù)爐溫來(lái)調(diào)節(jié)脈動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短， 以保證爐溫的均勻性和穩(wěn)定性），脈動(dòng)冷卻過(guò)程可以通過(guò)充分?jǐn)嚢韪G內(nèi)每層的空氣來(lái)獲得均勻的冷卻溫度， 同時(shí)縮短冷卻時(shí)間， ?脈動(dòng)冷卻由于冷風(fēng)噴射距離大，速度快，越寬的窯爐其優(yōu)越性越突出。

2.2脈動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.2.1優(yōu)點(diǎn)

風(fēng)管執(zhí)行器冷卻速度快，噴射距離遠(yuǎn)。大小風(fēng)產(chǎn)生強(qiáng)制攪拌，使窯內(nèi)無(wú)死角，溫差和氣氛差很小。由于冷卻段有多套脈動(dòng)系統(tǒng)（該窯設(shè)計(jì)的是每層風(fēng)管執(zhí)行器配2套脈動(dòng)系統(tǒng)），而每套風(fēng)管執(zhí)行器附近的溫度因?yàn)檠b載量或吸熱量不同等因素變化會(huì)各有不同，在同樣時(shí)間內(nèi)有些風(fēng)管執(zhí)行器區(qū)升溫快，有些升溫慢，正是這種變化使窯內(nèi)各風(fēng)管執(zhí)行器間有規(guī)律的大小風(fēng)不斷交替，產(chǎn)生高壓冷氣或低壓冷氣，從而實(shí)現(xiàn)各局部區(qū)域壓力頻繁變化，產(chǎn)生強(qiáng)紊流來(lái)回?cái)嚢?。其?shí)質(zhì)是大小風(fēng)變化產(chǎn)生攪拌，使窯內(nèi)冷卻風(fēng)如刮風(fēng)一般不停的變化，消除了因靜態(tài)冷卻可能產(chǎn)生的死區(qū)和死角。發(fā)泡的高度相對(duì)一致。

2.2.2缺點(diǎn)

（1）易產(chǎn)生落臟。由于冷卻段冷氣流速快，攪拌強(qiáng)烈，若控制不好，耐火材料選用不當(dāng)，易因?yàn)闆_刷和震蕩產(chǎn)生落渣缺陷。但該隧道窯的燒制品在落臟上不怎么強(qiáng)烈要求避免。

（2）脈動(dòng)閥動(dòng)作頻繁易于損壞，因而要采購(gòu)品質(zhì)好的脈動(dòng)閥。

3 脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3.1脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)隧道窯示意圖

3.2該隧道窯及脈動(dòng)系統(tǒng)介紹

該隧道窯主要燒微晶玻璃。

3.2.1隧道窯基本配置

（1）窯內(nèi)尺寸：（長(zhǎng)×寬）136.5m×3.66m;

窯車尺寸：（長(zhǎng)×寬×高）2260 mm×2570 mm×550mm;

裝載層數(shù)：三層;

燃料：天然氣;

燃燒控制形式：連續(xù)式燃燒;

控制形式：溫控模塊調(diào)節(jié)，溫度和壓力自動(dòng)控制。

（2）電控主要材料

溫控模塊;

變頻器;

繼電器脈動(dòng)模塊;

脈動(dòng)電磁閥。

基本管路設(shè)計(jì)思路，可參見圖2

采用多點(diǎn)脈動(dòng)控制溫度和氣氛，即每層左右風(fēng)管執(zhí)行器各設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的脈動(dòng)系統(tǒng)。

3.2.2脈動(dòng)閥控制溫度的基本原理

每個(gè)脈動(dòng)閥始終處于常開狀態(tài)，風(fēng)管蝶閥就是將急冷風(fēng)開到最大，當(dāng)脈動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，風(fēng)管蝶閥將及冷風(fēng)關(guān)閉到最小值（但不能全關(guān)死，仍然保留小風(fēng)狀態(tài)），這就實(shí)現(xiàn)大、小風(fēng)控制，冷風(fēng)量經(jīng)過(guò)爆發(fā)式噴出，力求冷風(fēng)量打到對(duì)面。另外，脈動(dòng)閥正常工作時(shí)，不能長(zhǎng)時(shí)間開到最大或者關(guān)閉，開關(guān)動(dòng)作時(shí)間在0～180秒之間可調(diào)，以防止溫度水平溫差突然增大。

除了左右連鎖，不能夠同時(shí)全開或者同時(shí)全關(guān)冷卻風(fēng)之外，上下層也要錯(cuò)層反向控制，務(wù)必做到在同一側(cè)（左側(cè)或者右側(cè)），頂層大風(fēng)狀態(tài)時(shí)，中上層小風(fēng)，中下層大風(fēng)，底層小風(fēng)，這樣有規(guī)律地交錯(cuò)脈動(dòng)，使得冷卻風(fēng)在每層里交錯(cuò)來(lái)回游動(dòng)，水平溫差得以減少到最低。 ? ? ? ? ? ? ? 通過(guò)圖3的設(shè)計(jì)，脈動(dòng)冷卻系統(tǒng)可以將急冷溫度自動(dòng)控制。其中，交流接觸器276.1KM和交流接觸器276.2KM為選擇急冷模式，分別為傳統(tǒng)的模擬方式或者脈動(dòng)方式，交流接觸器276.1KM和交流接觸器576.3KM同樣是上述的功能控制。

由于這次是探討脈動(dòng)功能在急冷上的應(yīng)用，故沒(méi)有將脈動(dòng)設(shè)置做到觸摸屏上，也沒(méi)有用PLC程序來(lái)控制脈動(dòng)模塊信號(hào)，只在風(fēng)閥電磁閥的電路里利用了一個(gè)帶脈動(dòng)功能的時(shí)間繼電器，這個(gè)時(shí)間繼電器的設(shè)置，通過(guò)接通10s和關(guān)閉10s來(lái)應(yīng)用，在該隧道窯的調(diào)試和試產(chǎn)中，均滿足脈動(dòng)的需求。為日后使用觸摸屏技術(shù)、PLC和脈動(dòng)模塊，提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4的電路設(shè)計(jì)，為4層產(chǎn)品風(fēng)向交錯(cuò)，使得每層之間不會(huì)相同風(fēng)向而導(dǎo)致氣流紊亂。

圖5為急冷風(fēng)機(jī)的控制電路，主備雙風(fēng)機(jī)，功率增加到30kW，使得脈動(dòng)氣流更加有力，冷風(fēng)量更加充分，水平溫差縮小。

3.3與該廠老隧道窯的比較

該廠老隧道窯與新建脈動(dòng)急冷系統(tǒng)隧道窯容積相同，老隧道窯為傳統(tǒng)急冷方式，風(fēng)管的蝶閥靠人工調(diào)整，只能憑調(diào)窯操作工的經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)手動(dòng)蝶閥調(diào)整開度，力求做到兩側(cè)風(fēng)量吹進(jìn)窯內(nèi)時(shí)，水平溫差最小，而在脈動(dòng)急冷系統(tǒng)里，執(zhí)行器8個(gè)自然引射式風(fēng)管執(zhí)行器，溫度的控制主要靠脈動(dòng)閥的打開和關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

兩種隧道窯主要參數(shù)比較，詳見表1。

從表中比較可以看出，在窯容積、產(chǎn)品和產(chǎn)量完全相同的情況下，用了脈動(dòng)系統(tǒng)控制的隧道窯，主要有如下優(yōu)勢(shì)為：

由于脈動(dòng)閥的應(yīng)用，使窯內(nèi)急冷區(qū)的溫差和氣氛差均較小，產(chǎn)品燒成缺陷率僅為2.5%。未用脈動(dòng)閥的燒成缺陷率高達(dá)5.3%，按日產(chǎn)量864平方米/天，每公斤生產(chǎn)成本300～800元之間，每天減少經(jīng)濟(jì)損失約為7200元。

脈動(dòng)系統(tǒng)可以確保已達(dá)到設(shè)定溫度的區(qū)域?qū)嵭写?、小風(fēng)交替冷卻，而如果沒(méi)有脈動(dòng)系統(tǒng)，始終是冷風(fēng)從兩側(cè)到中心冷卻，將會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)兩邊區(qū)域溫度低（過(guò)冷），中部溫度高（過(guò)熱）。當(dāng)然該窯用脈動(dòng)系統(tǒng)外，緩冷系統(tǒng)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等因素也是減少耗氣的關(guān)鍵因素。

該窯與傳統(tǒng)隧道窯相比，增加了急冷風(fēng)機(jī)功率，耗電有所增加，急冷管路相對(duì)復(fù)雜。但是按照生產(chǎn)廠家的說(shuō)法，該脈動(dòng)冷卻隧道窯綜合優(yōu)勢(shì)大于劣勢(shì)，尤其是在每層的水平溫差小，該脈動(dòng)冷卻控制系統(tǒng)隧道窯必將獲得廣闊的發(fā)展前景，值得大力提倡和推廣。

隧道窯脈動(dòng)急冷作為一項(xiàng)新技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛用于寬體的陶瓷、日用瓷，發(fā)泡陶瓷等行業(yè)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮重大作用，是工業(yè)爐行業(yè)自動(dòng)控制的一次革新，將成為未來(lái)工業(yè)爐冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[2] 呂勇哉.自動(dòng)控制原理[M].浙江大學(xué)出版社 ， 1989

[3] 王家楨等.傳感器與變送器[M].清華大學(xué)出版社 ， 1996

Discussion and Application on Pulse Cooling Control System in Tunnel Kiln

ZHAO Zhi-rong ? HAN Dong-lai

（Modena Technology Limited， Foshan， 528225）

Abstract： Analog control is usually taken astraditional control mode for rapid cooling zone in tunnel kiln， which is used to control the frequency of rapid cooling blower by collecting single-point temperature， thereby controlling the volume of cold air blown into the rapid cooling zone to achieve the temperature set by the process requirements. However， pulse control is different to the traditional analog control mode. It is based on the pulse principle to control the air volume blown into the rapid cooling zone on both sides of the kiln wall， so to minimize the horizontal temperature difference and to make fired products fully cooled， which is beneficial to the temperature control of the slow cooling zone.

Keywords： Tunnel kiln;rapid cooling control; pulse principle