用于陶瓷燒成溫度測量的工業(yè)熱電偶在線校準(zhǔn)的必要性分析

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(yàn)檢測中心 江西 景德鎮(zhèn) 333000

引 言

陶瓷是一種需要高溫?zé)傻臒o機(jī)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(dòng)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?zé)犭娕紲y量結(jié)果的量值溯源對(duì)于節(jié)能減排的價(jià)值與意義方面的文獻(xiàn)資料。

本文以江西景德鎮(zhèn)地區(qū)生產(chǎn)日用瓷的燃?xì)馑笫礁G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?xì)馑笫礁G（以下簡稱引射梭式窯）和全自動(dòng)控制的調(diào)溫高速燒嘴燃?xì)馑笫礁G（以下簡稱動(dòng)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?xì)馑笫礁G的溫度測量準(zhǔn)確性對(duì)其減少不必要的能源浪費(fèi)的重要性。建議在窯爐上預(yù)留測溫孔，從測溫孔內(nèi)插入已溯源的熱電偶，對(duì)其使用的工業(yè)熱電偶進(jìn)行在線校準(zhǔn)或用于監(jiān)測窯溫，以促進(jìn)陶瓷工業(yè)梭式窯的自動(dòng)化監(jiān)測水平及其節(jié)能改造技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)窯爐節(jié)能發(fā)展的進(jìn)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(xué)高溫計(jì)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(shí)間后其性能會(huì)下降，而且工業(yè)熱電偶的準(zhǔn)確性不高，所以企業(yè)會(huì)根據(jù)需要配以測溫錐、測溫環(huán)（塊）作為監(jiān)控窯溫的對(duì)比參照物。

“人工觀火”是指有經(jīng)驗(yàn)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(jìn)而調(diào)節(jié)燃?xì)獾拈y門來控制窯爐溫度。

測溫錐、測溫環(huán)（塊）可機(jī)動(dòng)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(shí)來獲知窯內(nèi)其所在部位的那一時(shí)間的溫度。測溫環(huán)（塊）則是根據(jù)其與制品同時(shí)經(jīng)受一個(gè)燒成周期的焙燒過程時(shí)，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(duì)照換算表得出其在窯內(nèi)位置對(duì)應(yīng)的最高燒成溫度[4]。兩者都不能進(jìn)行連續(xù)測溫，只能作為窯內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)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(jì)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(zhǔn)確性高，性能穩(wěn)定，還可遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)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(diǎn)的溫度，并不能反映窯內(nèi)溫場與制品熱交換的實(shí)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(huì)拆卸下來送去校準(zhǔn)，即進(jìn)行量值溯源。對(duì)于連續(xù)式窯爐，如輥道窯、隧道窯，企業(yè)一般會(huì)在緊鄰坯體的周圍放置測溫環(huán)（塊）用作監(jiān)控窯溫的對(duì)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(duì)照，其中引射窯大多在窯頂插入一只熱電偶，動(dòng)力窯則是在兩側(cè)窯墻上對(duì)角插入多對(duì)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(shí)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(dòng)調(diào)控產(chǎn)品進(jìn)窯、出窯、溫度、壓力、排煙、急冷、點(diǎn)火、報(bào)警等裝置，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)了熱工數(shù)據(jù)的在線采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)陶瓷窯爐溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是燒制陶瓷過程中必須具備的條件。企業(yè)需要對(duì)每一次燒成記錄的完整數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)實(shí)時(shí)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(hào)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(shí)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(yīng)用自動(dòng)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(diǎn)的溫度值，即可省去人工填寫數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)。這對(duì)穩(wěn)定燒成工藝、提高燒成質(zhì)量非常有利，同時(shí)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(shí)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(zhǔn)確性顯然極為重要。

景德鎮(zhèn)地區(qū)的燃?xì)馑笫礁G主要有兩種，引射梭式窯和動(dòng)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(diǎn)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(yàn)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(dá)到所需的最高燒成溫度。

動(dòng)力梭式窯則是根據(jù)窯內(nèi)實(shí)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(shí)時(shí)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(gè)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(qiáng)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(shí)時(shí)察看熱工工況。

在燒成的低溫階段，熱電偶所測點(diǎn)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(duì)于容積大的梭式窯，監(jiān)測點(diǎn)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(duì)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(fù)雜，使得對(duì)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(diǎn)、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(diǎn)的數(shù)量及位置。一般情況下，動(dòng)力窯大多是在燒嘴相對(duì)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?xì)馑笫礁G能源浪費(fèi)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?xì)馑笫礁G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?xì)夤咎峁┑乃笫礁G用氣數(shù)據(jù)計(jì)算，景德鎮(zhèn)地區(qū)的燃?xì)馑笫礁G全年所用燃?xì)庹鬯銟?biāo)準(zhǔn)煤約為10萬噸，相當(dāng)于20戶重點(diǎn)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(dòng)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?xì)庀脑斐傻睦速M(fèi)情況進(jìn)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(jì)算能源浪費(fèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)詳見本文窯爐熱平衡計(jì)算有關(guān)參數(shù)表。表中燃?xì)庀某縨r（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(jì)算依據(jù)如下：

燃?xì)庀某渴侵敢驘犭娕紲y溫誤差造成的高火保溫時(shí)間的延長，根據(jù)實(shí)際高火保溫時(shí)間超出工藝所需保溫時(shí)間的那段時(shí)間的燃?xì)庀牧髁坑?jì)算出所浪費(fèi)的燃?xì)庀牧俊Ｆ渌哪芎某繀?shù)均由此計(jì)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(fèi)達(dá)388.7萬m3的天然氣?，F(xiàn)就造成這種能源浪費(fèi)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(shí)間比窯尾長，導(dǎo)致窯內(nèi)局部對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)較短的時(shí)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(shí)間進(jìn)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(jìn)行一次保溫（中火保溫），至將近止火時(shí)又須進(jìn)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(yīng)均勻一致。保溫時(shí)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(dá)到的玻化溫度，應(yīng)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(huì)影響產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。而很少會(huì)去考慮能源消耗的浪費(fèi)問題。因?yàn)樗麄冴P(guān)注的是燒制產(chǎn)品的質(zhì)量，這會(huì)直接影響他們的工資收入或績效考核。該例中造成燃?xì)饫速M(fèi)的還有一個(gè)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 13794-2017《標(biāo)準(zhǔn)測溫錐》可知，企業(yè)選用的測溫錐應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)溫度為1240℃的錐號(hào)為CN124的工業(yè)窯爐用測溫錐，其彎倒溫度與對(duì)應(yīng)錐號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)溫度之間的允許誤差為±6℃，并且標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加熱條件是升溫速率在室溫至低于其標(biāo)準(zhǔn)溫度200℃的范圍內(nèi)，應(yīng)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(shí)際上的燒成工藝要求的溫度制度并不都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加熱條件，其間的差異必然會(huì)使彎倒溫度產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)刻恰好看到，這也是其還要憑經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)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(gè)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(shí)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(huì)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(jì)量性能下降。所以如果想要知道其測溫的準(zhǔn)確性，就必須對(duì)其進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

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(dāng)天上午8點(diǎn)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(biāo)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(shí)間變化、環(huán)溫隨批次變化的差異而得出的結(jié)論，而實(shí)際上此次比較結(jié)果應(yīng)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(jì)算有關(guān)參數(shù)表

此外，由本文實(shí)例分析可知，窯內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的準(zhǔn)確性對(duì)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(shí)，對(duì)窯爐進(jìn)行檢修。那時(shí)，可根據(jù)窯爐現(xiàn)有測溫?zé)犭娕嫉呐渲们闆r，選擇合適的位置鉆孔，以此預(yù)留測溫孔。尤其是引射梭式窯，更需要在兩側(cè)窯墻上預(yù)留多個(gè)測溫孔，以備窯溫的監(jiān)控測量。

建議：給用于校準(zhǔn)窯用工業(yè)熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)偶預(yù)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(duì)較遠(yuǎn)的位置上。不需測溫孔時(shí)，應(yīng)用石棉將其堵上。對(duì)于引射梭式窯，還應(yīng)在需要對(duì)窯內(nèi)溫度監(jiān)測點(diǎn)附近的窯墻、窯門、窯頂?shù)南鄳?yīng)位置上預(yù)留測溫孔。時(shí)可選用溫場自動(dòng)測試系統(tǒng)與標(biāo)偶配套作為校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行在線校準(zhǔn)，其中校準(zhǔn)時(shí)的連續(xù)測量時(shí)間按燒成工藝特點(diǎn)應(yīng)不少于一個(gè)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(shí)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(zhǔn)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(dá)到減少燃料消耗，節(jié)約能源提供了簡單可行的途徑。